李維維,張永顯,袁忠玲,吳河龍,陳永志*

硫自養(yǎng)短程反硝化探究及響應(yīng)面法回收單質(zhì)硫

李維維1,2,張永顯2,袁忠玲1,吳河龍2,陳永志1*

(1.蘭州交通大學(xué)甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅省污水處理行業(yè)技術(shù)中心,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省輕工研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730070)

以實(shí)驗(yàn)室成功啟動(dòng)的硫自養(yǎng)短程反硝化污泥作為接種污泥,通過(guò)批次試驗(yàn)分別探究HRT、pH值和溫度對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響.研究表明,控制條件參數(shù)HRT為5h、pH值為7.5、溫度為30℃時(shí),亞硝酸鹽和單質(zhì)硫積累效果最佳,分別達(dá)到92.53%和59.36%.對(duì)以上最佳參數(shù)條件下運(yùn)行的污泥取樣進(jìn)行微生物高通量分析,菌門豐度達(dá)到91.44%,是自養(yǎng)反硝化的主要菌門,菌屬豐度為66.04%,是實(shí)現(xiàn)硫自養(yǎng)短程反硝化過(guò)程中穩(wěn)定單質(zhì)硫和亞硝酸鹽的主要貢獻(xiàn)者.對(duì)反應(yīng)出水中的生物單質(zhì)硫進(jìn)行絮凝沉淀回收,響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果表明,絮凝劑PAC投加量為7.73mL/L、pH值為 4.53、攪拌速度為 220r/min為生物單質(zhì)硫絮凝的最佳匹配參數(shù).平行試驗(yàn)驗(yàn)證得平均單質(zhì)硫絮凝率(SFE)為88.1%.

硫自養(yǎng)短程反硝化；HRT；亞硝酸鹽積累；響應(yīng)面法；生物單質(zhì)硫回收

近年來(lái),短程反硝化因其以有機(jī)物作為電子供體,可將硝酸鹽部分反硝化為亞硝酸鹽,將其與厭氧氨氧化耦合提供亞硝酸鹽進(jìn)行污水脫氮,被認(rèn)為是極具前景的組合工藝[1-3].但是,因?yàn)楫愷B(yǎng)反硝化需要提供有機(jī)物作為基質(zhì)[4-5],這一條件對(duì)于低C/N比的廢水是不易達(dá)到的.相關(guān)研究提出硫自養(yǎng)短程反硝化,厭氧條件下以硫化物作為電子供體,還原硝酸鹽為亞硝酸鹽,為厭氧氨氧化工藝的基質(zhì)來(lái)源提供新途徑.

而在硫自養(yǎng)反硝化過(guò)程中,需要控制一定的反應(yīng)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的積累[7].Mahmood等[8]人研究表明,HRT從1.5d減少至0.08d時(shí),由于硫自養(yǎng)反硝化菌并未完全將亞硝酸鹽還原為N2,使得部分亞硝酸鹽積累;而Yuan等[9]在探究硫自養(yǎng)短程反硝化時(shí),在控制pH值在7.0～7.5時(shí),以硫化物作為電子供體,亞硝酸鹽積累率達(dá)到84.7%.以上研究均是探究一定影響因素來(lái)實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累,但在研究中并未考慮以硫化物作為反應(yīng)基質(zhì)時(shí),最終生成的硫酸鹽可能會(huì)造成二次污染.有研究表明,硫化物作為電子供體的反硝化過(guò)程一般可分為兩個(gè)階段:①S2?→S0和②S0→SO42?,同時(shí)①階段的氧化速率為②階段的3.31倍[10],因此對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂瓶梢詫?shí)現(xiàn)生物單質(zhì)硫和亞硝酸鹽的同步積累.除此之外,還可對(duì)實(shí)現(xiàn)一定積累量的生物單質(zhì)硫進(jìn)行分離提純回收利用,生物產(chǎn)出的單質(zhì)硫可用于生產(chǎn)表面活性劑等產(chǎn)品或者用于生產(chǎn)青霉素等藥品[11-12].但是,生物單質(zhì)硫因具有一定的親水性并且顆粒較小導(dǎo)致在出水中不易分離,需要采用一定的物理化學(xué)方法將其從液相中分離[13-14].

單質(zhì)硫回收在處理工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的含硫廢氣等方面研究較為常見,Bosch等[15]研究鹵代親堿硫氧化菌在堿性條件下凈化天然氣中的硫化氫廢氣,發(fā)現(xiàn)當(dāng) O2/S2-摩爾比控制在0.65時(shí),單質(zhì)硫的生成選擇性高達(dá)83.3%.在廢水處理回收生物單質(zhì)硫方面, Sahinkaya等[16]在處理硫化物廢水工程中,采用中空纖維膜分離回收生物單質(zhì)硫,但是由于生物單質(zhì)硫粒徑微小,易造成膜污染.Chen等[17]采用混凝沉淀法對(duì)膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器(EGSB)的出水進(jìn)行生物單質(zhì)硫回收,對(duì)聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)和微生物絮凝劑(MBF)的單質(zhì)硫回收效果進(jìn)行了比較分析,但不同反應(yīng)系統(tǒng)中出水產(chǎn)物不同,因此可能導(dǎo)致生物單質(zhì)硫回收效果和穩(wěn)定性有所差異.

因此,本文通過(guò)探究控制反應(yīng)條件,將硫自養(yǎng)反硝化過(guò)程控制在亞硝酸鹽和單質(zhì)硫階段,并以PAC作為絮凝劑,使用響應(yīng)面法優(yōu)化PAC投加量、pH值和攪拌速度參數(shù),以達(dá)到優(yōu)化生物單質(zhì)硫絮凝回收效率的目的.這不僅能夠?yàn)閰捬醢毖趸峁╇娮邮荏w來(lái)源,還能將單質(zhì)硫回收利用,實(shí)現(xiàn)同步脫氮除硫.

1 材料與方法

1.1 硫自養(yǎng)短程反硝化批次試驗(yàn)

批次試驗(yàn)接種污泥取自本實(shí)驗(yàn)室成功啟動(dòng)并長(zhǎng)期運(yùn)行的硫自養(yǎng)短程反硝化污泥[9].取150mL接種污泥投加至500mL的錐形瓶中,放置于磁力加熱攪拌器上,分別以KNO3和Na2S×9H2O提供進(jìn)水NO3--N和S2--S基質(zhì),平均進(jìn)水濃度分別為45mgN/ L和100mgS/L.按照表1中的參數(shù)設(shè)計(jì)批次試驗(yàn),分別探究HRT、pH值和溫度對(duì)硫自養(yǎng)短程反硝化過(guò)程中亞硝酸鹽和單質(zhì)硫積累的影響.

每隔30min取一次水樣,用0.45μm濾紙過(guò)濾完成后根據(jù)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)方法[18]測(cè)定NO3--N、NO2--N、S2--S和SO42--S,根據(jù)硫元素質(zhì)量平衡計(jì)算生物單質(zhì)硫(S0)產(chǎn)量.

表1 批次試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)

1.2 微生物高通量測(cè)序

取硫自養(yǎng)短程反硝化馴化前的原污泥樣品,標(biāo)記樣品編號(hào)為YWN_1;完成批次試驗(yàn)后,取在最優(yōu)參數(shù)條件下運(yùn)行的污泥樣品,標(biāo)記樣品編號(hào)為PSAD_2.將取得的污泥樣品離心脫水預(yù)處理之后放置于-80℃冰箱保存,送至中國(guó)上海美吉生物制藥技術(shù)有限公司平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序,樣品的分析過(guò)程在Illumina Miseq平臺(tái)進(jìn)行.

1.3 回收生物單質(zhì)硫響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在500mL燒杯中添加400mL穩(wěn)定運(yùn)行的硫自養(yǎng)短程反硝化出水,進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化回收生物單質(zhì)硫試驗(yàn).設(shè)計(jì)單質(zhì)硫回收率(SFR,Y)為響應(yīng)值,絮凝劑PAC投加量、pH值以及攪拌強(qiáng)度為3個(gè)影響因素,分別在低(-1)、中(0)和高(1)的3個(gè)水平上進(jìn)行三因素三水平的Box-Behnken中心復(fù)合試驗(yàn),各變量的取值范圍見表2.

表2 試驗(yàn)影響因子的水平編碼

1.4 計(jì)算方法

硝酸鹽去除率(NRE)、亞硝酸鹽積累率(NAR)和硫化物去除率(SRE)、單質(zhì)硫積累率(SAA)及單質(zhì)硫絮凝率(SFE)的計(jì)算方法分別為:

式中:NO3-inf,NO3-eff,NO2-inf,NO2-eff分別代表NO3--N和NO2--N的進(jìn)出水濃度,mg N/L;S2-inf, S2-eff, SO42-eff分別代表S2--S, SO42--S的進(jìn)出水濃度,mgS/L;0和1分別代表絮凝后上清液和沉淀后上清液的濁度值.

2 結(jié)果與討論

2.1 硫自養(yǎng)短程反硝化影響因素研究

2.1.1 HRT對(duì)硫自養(yǎng)短程反硝化的影響

如圖1(a),初始的硝酸鹽濃度和硫化物濃度分別為45.09mgN/L和100.43mgS/L,HRT為3h時(shí),硝氮去除率為74.23%,亞硝積累率已經(jīng)達(dá)到93.12%,但此時(shí)硫化物去除率為72.62%,根據(jù)硫質(zhì)量平衡計(jì)算得單質(zhì)硫積累率僅有19.18%.可以看到控制HRT為3h時(shí),雖然能達(dá)到一定的亞硝積累,但此時(shí)的單質(zhì)硫積累率最低.HRT增加到5h時(shí),此時(shí)的硝氮去除率為94.73%,亞硝積累率為91.21%,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了94.93%的硫化物去除效果,以及60.83%的單質(zhì)硫積累率.而隨HRT繼續(xù)增大,亞硝積累效果和單質(zhì)硫積累效果都逐漸下降.控制HRT為8h時(shí),亞硝和單質(zhì)硫的積累率分別僅為30.32%和23.12%.

根據(jù)Mahmood等[8]的研究,在硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)過(guò)程中,將HRT從1.5d縮短至0.13d時(shí),硫自養(yǎng)反硝化菌未能將亞硝酸鹽充分反硝化為氮?dú)?導(dǎo)致亞硝酸鹽的積累.這一結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果一致,本試驗(yàn)中在HRT為3～5h,都實(shí)現(xiàn)了95%左右的亞硝積累效果.但同時(shí)也可以看到在HRT為3和4h時(shí),單質(zhì)硫的積累效率仍較低,分析原因:從式(6)可以看到,產(chǎn)物為單質(zhì)硫和亞硝的反應(yīng)?G值為-130.4kJ/mol, HRT過(guò)短時(shí),此反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量可能不能夠滿足微生物生長(zhǎng)代謝的需要[19],因此導(dǎo)致單質(zhì)硫的進(jìn)一步氧化,反應(yīng)產(chǎn)物為SO42-,因而單質(zhì)硫積累率較低.而在HRT為7～8h時(shí),HRT過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致目標(biāo)中間產(chǎn)物亞硝和單質(zhì)硫在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng),完全反硝化為N2和SO42-.

S2-+NO3-+2H+→S0+NO2-+H2O ?0=-130.4KJ/mol(6)

S2-+4NO3-→SO42-+4NO2-?0=-501.4KJ/mol(7)

2.1.2 pH值對(duì)硫自養(yǎng)短程反硝化的影響 如圖1(b),進(jìn)水的硝氮濃度和硫化物濃度分別為45.32mgN/L和100.19mgS/L,可以看到,pH值為6.0和6.5時(shí)的硝氮去除率和亞硝積累率都比較低,分別為67.83%、70.21%和46.89%、49.31%,硫化物去除率和單質(zhì)硫積累率分別為84.89%、86.97%和44.78%、46.23%.亞硝積累率和單質(zhì)硫積累率均不足50%,說(shuō)明在酸性條件下,不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝和單質(zhì)硫積累效果.隨pH值增加,亞硝積累量和單質(zhì)硫積累量也逐漸增大,在pH值為7.5時(shí)顯示了良好的硫自養(yǎng)短程反硝化性能,亞硝積累和單質(zhì)硫積累達(dá)到最大值,分別為89.02%和62.83%.當(dāng)pH值繼續(xù)增加至堿性條件,此時(shí)依然能實(shí)現(xiàn)90.45%的亞硝積累效果,單質(zhì)硫積累效果略有下降,為50.12%.

pH值的變化主要影響的是微生物細(xì)胞中膜電荷電位的變化[20],進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)程中微生物酶活性的變化,由此改變微生物降解反應(yīng)基質(zhì)的效果.毛佩玥等[21]研究發(fā)現(xiàn),在pH值為7～9時(shí)實(shí)現(xiàn)了較好的亞硝積累,積累率分別達(dá)到89.70%、90.65%和88.62%,這與本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相似.體系呈中性或弱堿性時(shí),硝酸鹽還原酶(Nar)的活性高于亞硝酸鹽的活性(Nir)進(jìn)而導(dǎo)致了亞硝酸鹽的積累[22],這也表明pH值在7和7.5時(shí)都能實(shí)現(xiàn)一定目標(biāo)產(chǎn)物積累.

2.1.3 溫度對(duì)硫自養(yǎng)短程反硝化的影響 如圖1(c),初始硝酸鹽濃度和硫化物濃度分別為45.65mgN/L和100.72mgS/L.可以看到,在系統(tǒng)溫度控制在15℃條件下,此時(shí)氮素和硫素的去除和積累效果均為最低值,硝氮和硫化物去除率分別為84.12%和70.25%,目標(biāo)產(chǎn)物亞硝酸鹽和單質(zhì)硫的積累率各為58.79%和21.21%.隨溫度的增加,各項(xiàng)特征參數(shù)也逐漸增大,在溫度分別為25,30,35℃條件下,硫自養(yǎng)短程反硝化性能均較好,亞硝酸鹽和單質(zhì)硫的積累率分別為92.54%、92.53%、92.02%和58.41%、59.36%、60.31%.

與pH值的影響方式一樣,溫度改變對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響也是通過(guò)改變反應(yīng)參與的催化酶活性,進(jìn)而導(dǎo)致微生物反應(yīng)速率的變化.目前報(bào)道的參與硫自養(yǎng)短程反硝化反應(yīng)的細(xì)菌主要為脫氮硫桿菌(),具有反硝化()和硫氧化()的基因[23-24].研究表明反硝化菌的最適宜溫度在30℃左右[25].當(dāng)溫度在25～35℃范圍之外時(shí),微生物催化酶活性或受到不同程度的影響,較低溫度會(huì)顯著降低硫自養(yǎng)短程反硝化的速率.

2.2 微生物群落分析

活性污泥中的微生物是污廢水生物處理的關(guān)鍵,微生物的組成和結(jié)構(gòu)決定了能夠降解的污染物.圖2(a)為原污泥樣品(YWN_1)和在最優(yōu)條件下穩(wěn)定運(yùn)行的硫自養(yǎng)短程反硝化污泥樣品(PSAD_2)在門分類水平上的微生物群落分布.在YWN_1樣品中,主要檢測(cè)到包括Proteobacteria(變形菌門)、Bacteroidota(擬桿菌門)、Chloroflexi(綠彎菌門)等,其豐度占比分別為40.07%、30.37%、6.58%.成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定硫自養(yǎng)短程反硝化后,在PSAD_2樣品中,Proteobacteria菌門占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其豐度達(dá)到91.44%,Bacteroidota菌門和Chloroflexi菌門分別降低至4.71%和1.29%.從此變化可以看到,原污泥在經(jīng)過(guò)無(wú)機(jī)自養(yǎng)條件的馴化并且在最適HRT、pH值和溫度等條件下穩(wěn)定運(yùn)行后,成功將大部分異養(yǎng)及好氧微生物篩除,整個(gè)微生物群落已經(jīng)完成向目標(biāo)微生物群落的轉(zhuǎn)化.有研究表明,Proteobacteria變形菌門是許多活性污泥系統(tǒng)中自養(yǎng)反硝化細(xì)菌的主要門[26].

為了進(jìn)一步揭示微生物的功能,在屬水平上對(duì)微生物進(jìn)行分析(如圖2(b))為了更有利于分析優(yōu)勢(shì)菌屬,將豐度小于1%的菌屬歸為“others”(其它).將生物脫氮除硫系統(tǒng)中的生物細(xì)菌群落可分為3大類(核心、非核心和其他菌屬),其中Thiobacillus 屬,被認(rèn)為是廢水生物脫硫脫氮系統(tǒng)的核心細(xì)菌.在YWN_1樣品中,可以看到菌屬種類繁多,小于1%的菌屬合集就占到37.28%,并未發(fā)現(xiàn)明顯的優(yōu)勢(shì)菌屬,主要都是好氧和異養(yǎng)微生物,而作為自養(yǎng)反硝化的典型菌屬Thioacillus(硫桿菌屬在污泥樣品中并未發(fā)現(xiàn)).在PSAD_2泥樣中,相對(duì)于原污泥樣,其菌屬種類明顯減少,主要檢測(cè)到有Thiobacillus、Arenimonas、norank_f__Balneolaceae和Thauera等菌屬,其菌屬豐度分別為66.04%、5.72%、4.39%和0.39%,可以看到Thiobacillus菌屬在此微生物群落中占據(jù)主導(dǎo)地位,并且others菌屬合集也大幅降低至9.74%.這一結(jié)果也證明了通過(guò)一定的馴化及反應(yīng)條件控制,目標(biāo)微生物群落在此反應(yīng)系統(tǒng)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì).已有研究發(fā)現(xiàn),Thiobacillus菌屬屬于Proteobacteria菌門,是硫自養(yǎng)反硝化過(guò)程中的主要作用菌屬之一,可以將硫化物和硝酸鹽分別作為反應(yīng)的電子供體和電子受體,生成單質(zhì)硫、硫酸鹽和亞硝酸鹽、N2[27].以上研究結(jié)果也表明Thiobacillus菌屬是硫自養(yǎng)短程反硝化過(guò)程的核心菌屬.同時(shí)可以看到,PSAD_2系統(tǒng)相對(duì)于PSAD_1系統(tǒng)菌群結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,這說(shuō)明硫自養(yǎng)短程反硝化系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌的功能重疊足夠大,以及功能冗余度非常高.

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化單質(zhì)硫回收絮凝條件

2.3.1 對(duì)絮凝效率的影響因素建立模型及數(shù)據(jù)分析 在使用絮凝沉淀法分離硫自養(yǎng)短程反硝化出水中的生物單質(zhì)硫過(guò)程中,單質(zhì)硫的絮凝效率受到多種因素條件的影響,包括絮凝劑類型的選擇和用量、pH值、攪拌速度和時(shí)間等[28-29].在本試驗(yàn)響應(yīng)面優(yōu)化中,選取絮凝率(SFE)作為反應(yīng)絮凝效果的指標(biāo),絮凝劑PAC投加量、pH值和攪拌速度作為影響因素,共設(shè)計(jì)17組試驗(yàn),每組試驗(yàn)均重復(fù)3次取其平均值,響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣及結(jié)果如表3所示.

為了確定達(dá)到最佳絮凝效果的條件參數(shù),需要對(duì)響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析.使用design expert 8.0.6軟件對(duì)此結(jié)果評(píng)價(jià)分析,以SFR為響應(yīng)值,建立二次方程式:

(%)=84.60-1.75-9.75+1.25-0.25-

0.25-1.75-11.68A-6.17B-5.672(8)

式(8)中:Y為響應(yīng)值SFE;,和分別代表PAC ,pH值和攪拌速度.并對(duì)此模型進(jìn)行方差分析,如表4所示.在方差分析中,值(Prob>F)大小用于檢驗(yàn)顯著性差異[30],模型的值和pH值對(duì)SFE的值<0.0001,說(shuō)明建立的模型和pH值對(duì)SFE絮凝效率的影響極顯著;PAC和攪拌速度值都小于0.05,說(shuō)明絮凝劑PAC和攪拌速度對(duì)SFE絮凝效率的影響顯著;失擬項(xiàng)值為0.0918>0.5,說(shuō)明失擬項(xiàng)不顯著.此外,模型2值為0.997>0.95,這表明有99.7%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可由回歸模型來(lái)解釋,圖6表示模型的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值的擬合情況,可以看到模型的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值基本擬合在一條直線上,以上數(shù)據(jù)說(shuō)明此模型可用于預(yù)測(cè)響應(yīng)值[31].

表3 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣及結(jié)果

表4 模型方差分析

2.3.2 絮凝劑PAC、pH值和攪拌速度對(duì)絮凝速率SFE交互影響的響應(yīng)面優(yōu)化及模型驗(yàn)證 為探究絮凝劑PAC、pH值和攪拌速度對(duì)絮凝速率SFE的交互影響,使用design expect 軟件對(duì)SFE的二次方程式模型做響應(yīng)面圖,如圖4所示.

圖3 SFE的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值擬合

圖4(a)為絮凝劑PAC和pH值對(duì)絮凝率SFE的交互影響作用.當(dāng)pH值一定時(shí),絮凝率SFE隨絮凝劑PAC的投加量增加表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì),PAC投加量在7～8mL/L時(shí),絮凝效果較好;而在PAC投加量一定時(shí),增加溶液的pH值至堿性(pH值為10),絮凝率達(dá)到最低值,低于60%,在酸性條件pH值為4～6時(shí),取得了較為穩(wěn)定的絮凝效果,這一現(xiàn)象與Chen等[17]人的研究一致.這可能是因?yàn)?一方面,硫自養(yǎng)短程反硝化反應(yīng)得到的生物單質(zhì)硫源表面帶有負(fù)電荷[13],因而在偏酸性條件下更容易發(fā)生絮凝;另一方面,pH值是影響Zeta電位的重要因素,隨著pH值的降低,Zeta電位的絕對(duì)值趨于零,使得膠體分散體系不穩(wěn)定,因而絮凝效果更好[17].另外,pH值的坡度相對(duì)于PAC的更傾斜,說(shuō)明pH值對(duì)SFE的影響更顯著,這也與表6中的顯著性一致.

圖4(b)為絮凝劑PAC和攪拌速度對(duì)絮凝率SFE的交互影響作用.當(dāng)攪拌速度一定時(shí),PAC投加量在4～8mL/L時(shí),絮凝效果隨PAC投加量的增加而增大,PAC為7.5mL/L時(shí)的SFE達(dá)到85.6%,而當(dāng)投加量繼續(xù)增加,絮凝效果反而下降.分析原因,在投加絮凝劑PAC絮凝單質(zhì)硫的過(guò)程中,PAC通過(guò)吸附電中和及吸附架橋的作用中和單質(zhì)硫膠粒表面的異號(hào)電荷[9],由此使膠體在溶液中脫穩(wěn)并凝聚,達(dá)到絮凝的效果,而當(dāng)PAC投加過(guò)量,單質(zhì)硫膠粒表面吸附過(guò)多反離子,導(dǎo)致出現(xiàn)再穩(wěn)定的現(xiàn)象[28].

PAC一定時(shí),SFE與攪拌速率的變化趨勢(shì)與SFE和PAC投加量的趨勢(shì)一致.

圖4(c)為pH值和攪拌速度對(duì)絮凝率SFE的交互影響作用.可以看到,當(dāng)pH值為10,攪拌速度為100r/min時(shí),SFE達(dá)到最低值,同時(shí)pH值為10的情況下,即使攪拌速度增大到300r/min,絮凝率仍不足65%,這說(shuō)明pH值比攪拌速度對(duì)SFE的影響更顯著.當(dāng)pH值在酸性條件下,絮凝率在200r/min達(dá)到最大值87.2%,再繼續(xù)隨攪拌速度增大,SFE逐漸降低.

響應(yīng)曲面法的優(yōu)化結(jié)果表明,絮凝劑PAC投加量為7.73mL/L,pH值為4.53,攪拌速度為 220r/min,為生物單質(zhì)硫絮凝的最佳匹配參數(shù).并通過(guò)平行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得SFE為(88.1%±0.1%);而SFE預(yù)測(cè)值為 88.82%,這表明該模型可反應(yīng)各因素對(duì)生物單質(zhì)硫絮凝效率的影響.

3 結(jié)論

3.1 對(duì)硫自養(yǎng)短程反硝化反應(yīng)的影響因素HRT、pH值和溫度進(jìn)行批次試驗(yàn),在HRT為5h、pH值為7.5、溫度為30℃時(shí),分別達(dá)到92.53%和59.36%的亞硝酸鹽和單質(zhì)硫積累,實(shí)現(xiàn)了最佳目標(biāo)產(chǎn)物積累效果.

3.2 取污水廠原污泥(YWN_1)和最佳條件下運(yùn)行的污泥樣品(PSAD_2)進(jìn)行高通量測(cè)序分析表明,在門水平上,Proteobacteria(變形菌門)豐度從40.07%增加到91.44%,Proteobacteria是自養(yǎng)反硝化的主要菌門;在屬水平上,Thiobacillus菌屬屬于Proteobacteria菌門,其豐度從0%增加至66.04%,在此微生物群落中占據(jù)主導(dǎo)地位,是實(shí)現(xiàn)硫自養(yǎng)短程反硝化過(guò)程中穩(wěn)定單質(zhì)硫和亞硝酸鹽的主要貢獻(xiàn)者.

3.3 方差分析結(jié)果表明,生物單質(zhì)硫絮凝回歸模型極顯著(<0.001),能夠全面反應(yīng)絮凝劑PAC投加量、pH值和攪拌速度對(duì)生物單質(zhì)硫絮凝率SFE的影響規(guī)律.絮凝劑PAC投加量為7.73mL/L,pH值為 4.53,攪拌速度為 220r/min,為生物單質(zhì)硫絮凝的最佳匹配參數(shù).平行試驗(yàn)驗(yàn)證得平均單質(zhì)硫絮凝率(SFE)為88.1%.

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Study on influencing factors of partial sulfide autotrophic denitrification and response surface methodology for recovery of biological elemental sulfur.

LI Wei-wei1,2, ZHANG Yong-xian2, YUAN Zhong-ling1, WU He-long2, CHEN Yong-zhi1*

(1.Key Laboratory of Yellow River Water Environment in Gansu Province, Lanzhou Jiaotong University;School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University; Technical Center of Sewage Treatment Industry in Gansu Province, Lanzhou 730070, China；2.Gansu Research Institute of Light Industry Co., Ltd, Lanzhou 730070, China)., 2023,43(1)：217～224

The effects of HRT, pH and temperature on the reaction process were investigated by batch test using the partial sulfide autotrophic denitrifying sludge successfully started by the author's laboratory as inoculated sludge. The results showed that when the control parameters HRT was 5h, pH 7.5and temperature 30℃, the accumulation of nitrite and elemental sulfur reached 92.53% and 59.36%, respectively, and the optimal accumulation effect of target products was achieved. High-throughput analysis of microbial samples from sludge under optimal conditions showed thatwas the main bacterium in autotrophic denitrification with a abundance of 91.44%, whilewas 66.04%, which was the main contributor to the stabilization of sulfur and nitrite in the partial sulfide autotrophic denitrification process. The results of response surface optimization indicated that when the dosage of PAC was 7.73mL/L, pH was 4.53, and stirring speed was 220r/min, the best matching parameters for biological sulfur flocculation were achieved. The average sulfur flocculation rate (SFE) was 88.1%.

partial sulfide autotrophic denitrification；HRT；nitrite accumulation；response surface methodology；recovery of biological elemental sulfur

X703

A

1000-6923(2023)01-0217-08

李維維(1986-),男,甘肅天水人,蘭州交通大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)樗廴究刂乒こ?發(fā)表論文3篇.

2022-06-20

甘肅省青年科技基金資助項(xiàng)目(20JR5RA075);甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(21YRWEK006);甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目(20JR2RA002);蘭州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2021-1-180)

* 責(zé)任作者, 教授, 476411589@qq.com