聶文博, 陳 一, *

(1. 重慶大學(xué) 環(huán)境與生態(tài)學(xué)院, 重慶 400045;2. 重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境 教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400045)

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化的迅速推進(jìn),城市固體廢物(MSW)產(chǎn)生量也持續(xù)增加。衛(wèi)生填埋由于操作程序簡單且處理成本較低,仍然是全球廣泛采用的MSW處置策略[1]。在垃圾填埋過程中,厭氧發(fā)酵、有機(jī)物分解和雨水沖淋等作用形成的垃圾滲濾液具有水質(zhì)復(fù)雜、生物降解性差、C/N比失衡、COD值逐漸減少、氨氮和總氮逐漸增加以及高電導(dǎo)率等特點(diǎn),處理難度極大[2]。

垃圾填埋氣(LFG)是在厭氧微生物作用下降解有機(jī)廢物而產(chǎn)生的混合氣體,其主要成分為CH4和CO2,約占總體積的90%～99%,此外還含有0.005%～2.000%的H2S等有害氣體[7]。直接排放LFG會(huì)導(dǎo)致環(huán)境惡臭、引發(fā)爆炸事故,并加劇溫室效應(yīng)等環(huán)境問題。隨著《生活垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ 133—2009)的實(shí)施,垃圾填埋氣的收集與利用已常態(tài)化。然而,LFG中的H2S在水和微氧存在條件下會(huì)對(duì)管道、儲(chǔ)氣罐、壓縮機(jī)等設(shè)備的金屬部分進(jìn)行腐蝕,降低設(shè)備使用壽命,增加基礎(chǔ)設(shè)施和維護(hù)成本。同時(shí),燃燒H2S所產(chǎn)生的SO2會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境影響。因此,對(duì)LFG進(jìn)行脫硫提純是其資源化利用的關(guān)鍵步驟之一[8]。

綜上所述,如何高效、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行垃圾滲濾液深度處理并合理有效地利用LFG是當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。基于上述問題,本研究旨在探究一種在深度處理垃圾滲濾液的同時(shí)實(shí)現(xiàn)垃圾填埋氣脫硫脫碳提純的方法。本研究通過反應(yīng)器運(yùn)行探究可行性,并通過多組學(xué)聯(lián)用手段揭示垃圾滲濾液處理同步LFG脫硫提純工藝的機(jī)理機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究采用二級(jí)膜生物膜反應(yīng)器(MBfR)聯(lián)用裝置,如圖1所示。MBfR總有效體積為685 mL,有效工作體積為655 mL;其中6束中空纖維膜(HFMs)(單根膜絲內(nèi)徑300 μm,外徑510 μm)用于生物膜附著和空氣或LFG無泡供應(yīng);每束膜由52根膜絲組成,膜的總表面積為0.225 m2,占據(jù)的體積為30 mL,因此MBfR的中空纖維膜比表面積為343.5 m2·m-3。前置反應(yīng)器的6束膜首段與鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口聯(lián)通,后置反應(yīng)器的6束膜首尾兩端與含有LFG的高壓氣瓶相聯(lián),HFMs膜腔內(nèi)的壓力由氣動(dòng)減壓閥控制在10 kPa左右。MBfR內(nèi)的液體由循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。系統(tǒng)中分別設(shè)置了pH和溶解氧(DO)電極,同時(shí)設(shè)有采樣口。此外,兩個(gè)MBfR的出水口分別設(shè)置氣液分離器,用于釋放產(chǎn)生的氣體和未被利用的氣體。設(shè)置出水瓶阻止空氣反向擴(kuò)散功能,確保反應(yīng)器系統(tǒng)處于絕對(duì)封閉環(huán)境下。

圖1 二級(jí)膜生物膜反應(yīng)器(MBfR)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of a two-stage membrane biofilm reactor (MBfR) system

1.2 運(yùn)行條件

反應(yīng)器接種污泥后在水力停留時(shí)間(HRT)為2 d的初始條件下運(yùn)行。前置短程硝化反應(yīng)器內(nèi)部的DO控制在0.05～0.10 mg·L-1,后置反應(yīng)器內(nèi)部DO控制在0。反應(yīng)器運(yùn)行過程中的內(nèi)回流比為200%。運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)反應(yīng)器出水污染物濃度,當(dāng)出水污染物濃度穩(wěn)定后,進(jìn)一步降低HRT,提高進(jìn)水負(fù)荷,HRT分別梯度降低至1.50、1.00、0.50、0.25 d,具體運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 二級(jí)MBfR系統(tǒng)各工況運(yùn)行參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)用水及LFG

本實(shí)驗(yàn)所用新鮮垃圾滲濾液取自重慶市某填埋時(shí)間大于5年的垃圾填埋場(chǎng),呈現(xiàn)深褐色,可生化性較差;pH在5.36～6.68之間,將取回的滲濾液冷藏至4 ℃以下。實(shí)驗(yàn)過程所用的LFG同樣取自上述垃圾填埋場(chǎng),通過氣袋收集并壓縮為高壓氣體儲(chǔ)存待用。

1.4 接種污泥

本實(shí)驗(yàn)接種污泥來自于實(shí)驗(yàn)室富集的DAMO耦合Anammox富集培養(yǎng)物[9]和重慶市某二級(jí)污水處理廠二沉池剩余污泥的混合物,混合污泥具有較好的污泥沉降性能,其混合液懸浮固體濃度(MLSS)和混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)分別為37.8、29.9 g·L-1。

1.5 分析檢測(cè)方法

從各自反應(yīng)器的相應(yīng)采樣口進(jìn)行水樣的收集,采集后立即使用密理博0.22 μm針頭式過濾器進(jìn)行過濾。過濾完成后,將水樣置于無菌離心管中等待分裝和檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)過程中需測(cè)定的常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)主要包括氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、COD等,測(cè)定方法以國家標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為主。LFG經(jīng)后置反應(yīng)器提純后,其氣體成分中CH4和CO2采用氣相色譜法測(cè)定。使用1 mL SGE氣密針進(jìn)行樣品采集,采集的樣品用配備火焰電離檢測(cè)器的氣相色譜儀(GC-2010 Plus, SHIMADZU, Japan)分析CO2和CH4。測(cè)定時(shí),快速將氣密針中的1 mL氣體推入,根據(jù)樣品出峰的保留時(shí)間確定成分,峰面積換算成氣體體積比。氣體成分中的H2S采用亞甲基藍(lán)分光光度法測(cè)定。

在微生物(包括所有古菌和細(xì)菌)16S rRNA基因的V6-V8區(qū)域,選取正向引物926F(5′-AAACTYAAAKGAATTGRCGG-3′)和反向引物1392R(5′- ACGGGCGGTGWGTRC-3′)進(jìn)行擴(kuò)增。經(jīng)過Illumina MiSeq PE300平臺(tái)雙端測(cè)序,對(duì)生物樣品提取的DNA片段進(jìn)行測(cè)序。隨后,按照文獻(xiàn)中所述的數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行分析。采用Illumina HiSeq 2500二代測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行PE150宏基因組測(cè)序,通過Base Calling將測(cè)得的原始圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為原始測(cè)序序列,即Raw Reads。在獲得Raw Reads之后,按照文獻(xiàn)中生物信息分析流程進(jìn)行宏基因組分析[10]。同樣使用Illunmina HiSeq 2500二代測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行PE150宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序[11]。按照文獻(xiàn)中生物信息分析流程進(jìn)行宏基因組聯(lián)合宏轉(zhuǎn)錄組分析[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 前置反應(yīng)器垃圾滲濾液污染物去除效果

前置反應(yīng)器進(jìn)出水的氮和COD濃度及其去除率如圖2所示。前置反應(yīng)器進(jìn)水中COD濃度維持在7 316～7 550 mg·L-1之間,隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,出水中的COD濃度出現(xiàn)明顯降低。在運(yùn)行的第50天開始,出水的COD濃度維持在2 500～4 500 mg·L-1之間。從第82天開始,反應(yīng)器運(yùn)行的HRT降低至1.5 d,導(dǎo)致出水中COD濃度突增,最高增加至6 300 mg·L-1(圖2(a)),隨后出現(xiàn)下降趨勢(shì),表明有機(jī)物氧化微生物活性顯著提高。前置反應(yīng)器與膜曝氣生物膜(MABR)反應(yīng)器有明顯區(qū)別,前置反應(yīng)器HFMs內(nèi)的壓力為0,而MABR的氣體傳輸依賴于HFMs內(nèi)的氣壓。本研究中前置反應(yīng)器的氣體傳輸僅依賴HFMs的氣體滲透作用,具有較低的氧通量。然而,在氧通量較低情況下,COD去除速率呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì),表明滲氧作用并不影響好氧微生物攝取氧。在反應(yīng)器運(yùn)行的第229天,HRT降低至0.25 d,進(jìn)水COD負(fù)荷為2.9萬mg·L-1·d-1;該階段運(yùn)行38 d后,出水的COD濃度穩(wěn)定維持在3 500 mg·L-1左右;COD去除速率達(dá)到1.5萬mg·L-1·d-1(圖2(c))。

圖2 前置亞硝化反應(yīng)器運(yùn)行性能Fig. 2 Operational performance of the pre-nitrosofication reactor

前置反應(yīng)器進(jìn)水的氮素污染物主要為氨氮,其濃度維持在1 866～1 884 mg N·L-1,出水的氨氮濃度在穩(wěn)定運(yùn)行期內(nèi)保持在700～850 mg N·L-1,氮素污染物主要以亞硝酸鹽為主(圖2(b))。在不同負(fù)荷運(yùn)行期間,反應(yīng)器出水的亞硝酸鹽濃度隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)明顯的積累趨勢(shì),在第226天出現(xiàn)最高積累量,高達(dá)1 202.7 mg N·L-1;反應(yīng)器運(yùn)行過程中的亞硝化率從80%左右逐漸上升至95%左右,表明該反應(yīng)器在DO為0.05～0.10 mg·L-1的運(yùn)行條件下,成功抑制NOB的生長。最近的研究也證實(shí)了使用低溶氧控制反應(yīng)器啟動(dòng)、維持和恢復(fù)NOB抑制的可行性,在MABR中嚴(yán)格的低DO(<0.1 mg·L-1)可以啟動(dòng)并保持穩(wěn)定的NOB抑制,亞硝化率高于90%[13]。此外,本研究中高COD含量也提高了DO閾值,以維持反應(yīng)器內(nèi)NOB的抑制,COD氧化微生物通過與NOB競(jìng)爭(zhēng)DO而充當(dāng)另一個(gè)屏障,在低DO條件下,各需氧微生物的攝氧競(jìng)爭(zhēng)會(huì)顯著增強(qiáng)。

2.2 后置反應(yīng)器滲濾液處理協(xié)同LFG升級(jí)效能

圖3 后置反應(yīng)器運(yùn)行性能Fig. 3 Operational performance of the post-reactor

上述研究推斷后置反應(yīng)器在通入LFG的運(yùn)行條件下出現(xiàn)DAMO過程,LFG中的CH4作為電子供體驅(qū)動(dòng)反硝化。然而,作為LFG中不可被忽略的成分H2S,其在LFG進(jìn)氣中的含量維持在0.2%～1.5%,作為電子供體與DAMO過程耦合同時(shí)實(shí)現(xiàn)深度反硝化已被研究證實(shí)[14]。在本研究中,LFG經(jīng)過后置反應(yīng)器提純,在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行階段LFG出氣中H2S的成分維持在0.2%以下,顯著低于進(jìn)氣的成分比例(圖3(d)),由此可推斷反應(yīng)器內(nèi)硫自養(yǎng)反硝化對(duì)維持垃圾滲濾液完全脫氮的重要性。LFG經(jīng)過后置反應(yīng)器提純,LFG出氣中的CO2組分也出現(xiàn)顯著的降低趨勢(shì),從20%～40%降低至5%左右(圖3(c)),而CH4組分含量從55%提升至80%左右,暗示了系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)甲烷作用。盡管CH4組分含量提升并不能反映出其絕對(duì)含量的增加,但本研究的結(jié)果可為LFG的升級(jí)資源化提供理論依據(jù)。

2.3 滲濾液處理協(xié)同LFG升級(jí)的微生物群落演變

除了驅(qū)動(dòng)DAMO耦合Anammox過程的功能微生物外,發(fā)酵有機(jī)物產(chǎn)生短鏈脂肪酸的Propionispora、Propionicimonas、Dysgonomonas,其豐度也出現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)。這為反應(yīng)器中短鏈脂肪酸促進(jìn)產(chǎn)甲烷過程提供了可能的解釋。反應(yīng)器內(nèi)與產(chǎn)甲烷過程相關(guān)的功能微生物分別有Methanothrix、Methanobacterium和Methanosarcina3種;其中,Methanothrix豐度在反應(yīng)器內(nèi)呈現(xiàn)明顯的增高趨勢(shì),表明Methanothrix在反應(yīng)器產(chǎn)甲烷過程中發(fā)揮重要作用。

與硫自養(yǎng)反硝化過程相關(guān)的典型微生物Thiobacillus也被檢測(cè)到[14],其相對(duì)豐度從第81天的3.22%增加至9.47%,表明其可能促進(jìn)了LFG中H2S的轉(zhuǎn)化。與此對(duì)應(yīng),系統(tǒng)內(nèi)也出現(xiàn)了不可忽略的硫酸鹽還原細(xì)菌Desulfococcus,其在甲烷厭氧氧化系統(tǒng)中的重要性已被廣泛報(bào)道[18-19]。

2.4 滲濾液處理協(xié)同LFG升級(jí)的微生物響應(yīng)機(jī)制

為了進(jìn)一步探究滲濾液深度處理協(xié)同LFG脫硫脫碳的微生物機(jī)制,本研究分別在后置反應(yīng)器運(yùn)行第160天和280天的生物膜進(jìn)行宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析。通過宏基因組測(cè)序所得數(shù)據(jù)庫成果組裝了43個(gè)微生物組裝基因組(MAGs),其中各功能微生物的基因草圖信息見表2。

表2 基于宏基因組構(gòu)建的后置反應(yīng)器生物膜 組裝基因組(MAG)信息表

通過將轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)映射到各MAGs中,得到反應(yīng)器內(nèi)生物膜功能在不同MAGs中的差異性表達(dá)譜,如圖5所示。由圖5可知隨著反應(yīng)器運(yùn)行(逆向)產(chǎn)甲烷途徑(M00567)的代謝逐漸由Bin 5、Bin 11、Bin 14、Bin 12和Bin 9共同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛葿in 5和Bin 14主導(dǎo)驅(qū)動(dòng),其中Bin 5代表Ca.Methanoperedens驅(qū)動(dòng)硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化過程,Bin 14代表Methanothrix驅(qū)動(dòng)產(chǎn)甲烷過程。已有研究表明,通過施加微弱電勢(shì)于生物陰極表面,實(shí)現(xiàn)Methanothrix高富集,并利用直接電子傳遞(DET)途徑將CO2還原為CH4[20]。在本研究中,與細(xì)胞色素有關(guān)參與電子傳遞的M00151、M00155和M00156途徑,在反應(yīng)器運(yùn)行后期出現(xiàn)明顯表達(dá),且表達(dá)主要分布在Bin 5和Bin 14中(圖5),暗示了Ca.Methanoperedens和Methano-thrix的種間互作機(jī)制(圖6)。由于硫自養(yǎng)反硝化微生物與Ca.Methanoperedens對(duì)硝酸鹽的競(jìng)爭(zhēng),Ca.Methanoperedens進(jìn)行甲烷氧化釋放出的電子一部分用于硝酸鹽還原的同時(shí),通過電子傳輸系統(tǒng)與產(chǎn)甲烷古菌互作,促進(jìn)Methanothrix對(duì)CO2的還原。

注:圖中各MAGs所代表的微生物在屬水平上的分類展示在表2中;圖左側(cè)的A～G分別表示不同的代謝過程;FPKM代表每千個(gè) 堿基的轉(zhuǎn)錄每百萬映射讀取的片段值圖5 后置反應(yīng)器運(yùn)行第160天和第280天期間,生物膜 功能在不同的微生物組裝基因組(MAGs)上的差異性表達(dá)Fig. 5 During the 160th and 280th days of post-reactor operation,distinct biofilm functionality was observed across various microbial assembly genomes (MAGs)

圖6 反硝化型厭氧甲烷氧化古菌Ca. Methanoperedens 和產(chǎn)甲烷菌Methanothrix間互作機(jī)理模型Fig. 6 Model of interaction between archaea Ca. Methanoperedens for nitrate-dependent anaerobic methane oxidization and bacteria Methanothrix for methane production

在作者團(tuán)隊(duì)之前的研究中[14],發(fā)現(xiàn)Ca.Methanoperedens與硫酸鹽還原細(xì)菌互作,承載電子傳遞的納米網(wǎng)被觀察到,推測(cè)其由Ca.Methan-operedens的鞭毛和硫酸鹽還原細(xì)菌的菌毛交織聯(lián)合,形成具有導(dǎo)電性的網(wǎng)狀附屬結(jié)構(gòu)。在本研究中,同樣觀察到了編碼Ca.Methanoperedens和Methanothrix鞭毛的基因處于顯著活躍狀態(tài)(數(shù)據(jù)未展示),由此推斷納米網(wǎng)(線)在反硝化型厭氧甲烷氧化古菌Ca.Methanoperedens和產(chǎn)甲烷菌Methanothrix間的互作中同樣有著重要作用。在本研究中,高效的LFG升級(jí)效果一方面歸因于富集了電活性產(chǎn)甲烷菌Methanothrix,該菌通過DET途徑實(shí)現(xiàn)CO2還原為CH4;另一方面,高有機(jī)負(fù)荷的厭氧產(chǎn)甲烷過程消耗大量質(zhì)子,從而提高體系堿性并增加液相中可吸收的CO2量,進(jìn)一步促進(jìn)了LFG中CO2含量減少和CH4含量增加。

圖7 垃圾滲濾液處理同步垃圾填埋氣升級(jí)資源化 工藝流程示意圖Fig. 7 Schematic representation of the process for synchronous treatment of landfill leachate and upgrading landfill gas resources

由于垃圾滲濾液中含有高氨氮和較低的有效C/N比,基于傳統(tǒng)生物脫氮的硝化-反硝化過程面臨碳源短缺等挑戰(zhàn)。本研究提供了一種滲濾液深度處理方案。如圖7所示,通過PN裝置將富氨滲濾液轉(zhuǎn)化為含亞硝酸鹽的一級(jí)出水。DAMO耦合Anammox系統(tǒng)作為二級(jí)處理單元,利用LFG實(shí)現(xiàn)垃圾滲濾液完全脫氮的同時(shí)對(duì)LFG進(jìn)行脫硫脫碳提純,為滲濾液處理和LFG資源化提純提供解決方案。

3 結(jié) 論

本論文以垃圾滲濾液和垃圾填埋氣為研究對(duì)象,通過二級(jí)膜生物膜反應(yīng)器的運(yùn)行,在反應(yīng)器啟動(dòng)280 d后成功實(shí)現(xiàn)滲濾液深度處理協(xié)同填埋氣高效脫硫脫碳,結(jié)論如下。

(2)通過后置脫氮膜生物膜反應(yīng)器處理垃圾填埋氣,垃圾填埋氣凈化后的CO2和H2S氣體成分含量分別降低至0.2%以下和5.0%左右,CH4氣體成分含量提高至80%左右,可顯著升級(jí)垃圾填埋氣。

(3)反硝化型厭氧甲烷氧化古菌和產(chǎn)甲烷古菌在電子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中的高活躍表達(dá)暗示其通過直接電子傳遞的種間關(guān)系,可強(qiáng)化CO2還原產(chǎn)CH4過程。