微电解强化微生物菌种对高氨氮低碳氮比黑臭水的脱氮研究*

麻 琦 王毅博 冯民权# 陈志豪 尹 前 王星星

(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安 710048;2.西安工程大学环境与化学工程学院,陕西 西安 710048)

目前针对黑臭水污染主要从物理、化学、生物方面进行修复。物理修复中的曝气法难以处理底部沉积物,以及难以单独解决黑臭水问题[1]。化学修复主要是往水体中投加化学药剂,使得污染物能通过蒸发、沉淀等方式被去除,但成本较高,且容易对环境产生二次污染。生物修复利用微生物新陈代谢和生命活动进行污废水处理,例如GAO等[2]利用配置的HP-RPe-3复合微生物制剂直接降解水体和沉积物中的氨氮。但生物修复对处理低碳氮比(C/N)废水有一定局限性。黑臭水中含有大量氨氮,氨氮具有很大的耗氧潜力[3],而缺氧会抑制水体中硝化作用,从而进一步导致氨氮的积累。

如今,微电解技术逐渐走进各位学者的视线中。微电解技术可以适用于各类废水处理,如印染废水、医疗废水、垃圾渗滤液等,且均表现出相当不错的治理效果。传统的微电解技术材料通常是由废旧铁屑和活性炭物理混合制备。在该系统中,通常铁作为阳极,铁失去电子形成Fe2+,而活性炭作为阴极,通过接受电子或将电子转移到目标污染物上,加速还原反应[4]。因此在脱氮方面,微电解技术的运用能加速硝态氮的去除效果。LUO等[5]研究发现,当pH=6.0时,铁碳微电解(IC-ME)能够成功还原硝态氮,其还原效率约为73%;而单独添加纯零价铁(Fe0)时还原效率仅为10%;Fe0与活性炭的结合不仅提高了还原效率,并且拓宽了pH范围,使其在溶液为中性时依然能够有效还原硝态氮。AO等[6]在研究Fe0和活性炭综合去除硝态氮时发现,当Fe0与活性炭的质量比为3∶1时,在中性条件下硝态氮去除率为72.0%,这表明电化学还原和活性炭吸附可共同作用去除硝态氮。由此可见,IC-ME在脱氮方面有着独特的处理方式和高效的去除效果。

本研究对高氨氮低C/N黑臭水脱氮,在低C/N条件下,通过对总氮(TN)、氨氮、硝态氮、亚硝态氮以及化学需氧量(COD)等指标进行分析,探究各因素对脱氮的影响,进一步明晰黑臭水脱氮的最优条件。此外,针对氨氮超标、碳源较低的问题,尝试微生物菌种耦合IC-ME共同强化脱氮。

1.1 实验菌种和铁碳填料

本实验所用硝化菌种、反硝化菌种均为粉末状,采购于中国上海某环境工程有限公司,其中硝化菌种主要来自硝化杆菌属(Nitrobacter)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas);反硝化菌种主要来自产碱杆菌属(Alcaligenes)、假单胞菌属(Pseudomonaceae)和蜡样芽胞杆菌(Bacilluscereus)等。

铁碳填料中铁碳比(质量比)为1∶1,其中孔隙率为65%,比表面积为1.2 m2/g,平均粒径为3～5 cm;多孔聚合物载体采用聚氨酯海绵填料,总比表面积>1 000 m2/m3,孔隙率>97%,具有亲水性好、比表面积大、容积负荷强、挂膜效果好等优点。

本实验中各个微生物菌种的驯化过程以及反应器启动过程所使用的黑臭水采自陕西省某城镇,其主要水质指标见表1。后期再次取样时发现,之前的黑臭水已经断流或者由于生态修复,水质指标均明显提升。因此采用模拟配水进行脱氮研究(反应器运行稳定后均采用模拟配水),着重参照表1中氨氮、COD浓度配置模拟配水,所用药品包括氯化铵、葡萄糖、磷酸二氢钾以及硝酸钾,以上药品均为分析纯。

1.2 实验菌种的培养

反硝化菌的培养：使用500 mg/L反硝化菌种按照1∶6(质量比)和水溶解,添加500 mg/L葡萄糖,搅拌培养,期间保证缺氧运行12 h,激活微生物,附着于多孔聚合物载体上进行繁殖,每天监测与调试系统运行,约30 d后系统稳定,则再无需额外添加菌剂。

硝化菌的培养：使用300 mg/L硝化菌种按照1∶6的质量比和水溶解,曝气量控制在溶解氧(DO)3.5～4.0 mg/L,经过24 h,激活微生物,附着于多孔聚合物载体上进行繁殖,每天监测与调试系统运行,约30 d后系统稳定,则再无需额外添加菌剂。

1.3 反应器的建立和运行

实验采用4个(其中1个备用,运行过程中最终并未使用)体积相同的反应器,连接方式见图1。

反应器材质为有机玻璃,高0.60 m,内径为0.06 m,反应器外层缠绕加热带,将水温探头伸入反应器中通过温控器来达到控制温度的效果。反应器中间添加占总容积1/3的多孔聚合物载体(边长1 cm的立方体),以供微生物菌种附着于上面进行繁殖,其中1#反应器中添加硝化菌,2#、3#反应器中添加反硝化菌,废水通过蠕动泵从反应器底部泵入,从上方出水口排出后再次进入到下一个反应器中。1#反应器内为好氧菌,需要长时间曝气,曝气泵在反应器最底部;2#、3#反应器为缺氧菌,因此在各反应器之间添加密封桶,以达到缺氧条件。考虑到2#、3#反应器碳源不足,后期在2#、3#反应器中投加铁碳填料,反应器初始运行时水力停留时间(HRT)为24 h,进水流量为0.1 L/h,后期通过缩短HRT来提升反应器的去除负荷。

1.4 分析与监测

采用溶氧仪(HQ30d)测定DO;采用智能蓝牙pH计(PH60-Z)测定pH、氧化还原电位(ORP);采用重铬酸钾滴定法测定COD;采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮;采用分光光度法测定亚硝态氮;采用紫外分光光度法测定硝态氮;采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定TN;采用邻菲啰啉分光光度法测定水中总铁和Fe2+。

表1 黑臭水水质指标Table 1 Water quality indexes of black-odor water

图1 反应器示意图Fig.1 Schematic diagram of reactors

采用单因素控制变量法对氨氮、硝态氮和COD的去除率进行分析,明晰各微生物菌种在不同外界条件下对各类指标的最优去除效果,从而探明微生物菌种中的优势菌群。参考文献[7]至文献[9],本研究设置不同温度、DO、C/N和铁碳投加量对脱氮效果进行研究(见表2)。

表2 不同因素对脱氮效果的影响1)Table 2 Influence of different factors on nitrogen removal effect

2.1 微生物菌种脱氮过程中的影响因素

2.1.1 pH的变化情况

在25 ℃、DO为1 mg/L、C/N=2、铁碳投加量为100 g/L条件下监测各个反应器中出水pH变化,结果见图2。1#反应器相比进水pH明显下降,可能是受硝化作用的影响,氨氮被转化为硝态氮会产生一定的酸度。此外,反硝化过程中pH呈先下降再上升的趋势,这与XIE等[10]研究结果较为一致,可能原因是以葡萄糖为碳源时,反硝化过程中葡萄糖会发酵产酸。

2.1.2 温度的影响

固定1#反应器DO为1 mg/L、C/N=2、铁碳投加量为100 g/L,30 ℃时氨氮去除率最高,平均为71.62%,出水氨氮为(26.16±0.56) mg/L(见图3)。窦娜莎等[11]在研究不同温度对微生物群落影响时也指出,随着温度上升,微生物的多样性相较于低温环境下更加丰富,硝化菌菌群密度随温度升高而增大,出水水质会更好。但在本研究实验过程中继续提高温度至35 ℃时,氨氮去除率并没有进一步提高反而有所降低,这表明温度过高可能会导致硝化菌的活性被抑制。当温度达到30 ℃时,COD去除率也最高,在75%左右波动,出水COD为(72.22±1.44) mg/L。对比后表明,COD和氨氮去除率随温度的变化趋势相似,但氨氮去除率对温度变化更为敏感,这与LI等[12]的研究结果较为一致。此外,对2#、3#反应器出水COD监测后发现,2#、3#反应器中COD分别在50、20 mg/L左右波动,反应器整体COD去除率能达到90%以上。

图2 各反应器出水pH的变化情况Fig.2 Variation of effluent pH in each reactor

图3 不同温度下1#反应器对氨氮及COD去除效果Fig.3 Removal effects of ammonia nitrogen and COD in reactor 1# at different temperatures

由图4可知,1#反应器出水硝态氮浓度大体上呈现先上升后下降的趋势,在30 ℃时,出水硝态氮积累量最多,这也从侧面印证了硝化菌在该温度下处理氨氮效果最优。相较于25 ℃,30 ℃时2#反应器硝态氮去除率提升至67.52%,出水硝态氮为(16.41±0.23) mg/L。因此降低反应器运行温度对反硝化中温菌群的硝态氮去除速率有抑制作用[13]。反硝化菌种中产碱杆菌属占较大比例,CHEN等[14]在生物强化净化污染河流中表明,产碱杆菌在30 ℃对硝态氮去除效果最好,在运行44 h后,反硝化速率能达96%以上。因此反硝化菌在30 ℃脱氮效果最佳。30 ℃下3#反应器相比2#反应器出水硝态氮又明显上升,为(23.19±0.37) mg/L。这主要是因为反应器中碳源较低,反硝化过程不完全。

图4 不同温度下硝态氮去除效果对比Fig.4 Comparison of nitrate nitrogen removal effects at different temperatures

2.1.3 DO的影响

在30 ℃、C/N=2、铁碳投加量为100 g/L时,调整DO浓度,1#反应器出水结果见图5。当DO为1 mg/L时,氨氮去除率仅为40%左右,而在DO为3 mg/L时,氨氮去除率最高,平均达到了70.08%。这表明硝化菌在低DO浓度下会抑制生物代谢以及繁殖,仅能保证自身存活,并不能有效达到脱氮效果。CAO等[15]研究不同DO浓度对菌群结构的影响,发现当DO为2.5～5.5 mg/L时,氨氮去除率均在93%以上;TN去除率在DO为2.5 mg/L时达到最大,为84.92%。COD和氨氮去除率随DO的变化趋势相似,均在DO=3 mg/L时去除率最高,此时COD去除率平均为76.30%。因此就硝化作用而言,当DO处于1～3 mg/L时,硝化效果与DO浓度呈正相关,与WANG等[16]的研究结论一致。

图5 1#反应器不同DO下氨氮及COD去除效果Fig.5 Removal effects of ammonia nitrogen and COD in reactor 1# at different DO

2.1.4 C/N的影响

由图6表明,固定30 ℃、DO=3 mg/L、铁碳投加量为100 g/L,C/N=2时,由于碳源不足,反应器出水氨氮的去除率为59.15%～62.23%;C/N=3时,氨氮去除率上升到71.16%～73.44%。因此,充足的碳源可能促进硝化菌的生长和繁殖,能保证微生物的正常活动[17],而低C/N会导致硝化菌活性受到严重影响,甚至会抑制其繁殖从而导致死亡[18]。

图6 反应器不同C/N下出水氨氮去除效果Fig.6 Removal effects of ammonia nitrogen from effluent at different C/N in reactor

根据图7可知,由于1#反应器中硝化菌的存在,菌种生存过程中消耗碳源,2#反应器中碳源过低,但反硝化菌又由于缺乏碳源起不到反硝化作用,硝态氮和亚硝态氮积累。从第8天开始,在2#反应器进水时投加碳源保证C/N=2,反硝化菌活性提升,硝态氮去除率为58.13%～61.11%,亚硝态氮去除率为69.11%～85.63%。这充分证明了C/N对生物脱氮所起的关键性作用。

图7 不同C/N下2#反应器对硝态氮、亚硝态氮的去除效果Fig.7 Removal effects of nitrate nitrogen and nitrite nitrogen in reactor 2# at different C/N

2.1.5 铁碳投加量的影响

碳源不足会影响脱氮效果,因此考虑在2#、3#反应器中投加铁碳填料,从而判断IC-ME在低C/N条件下对硝态氮的去除影响。设置4组实验,分别为空白组(不加铁碳)、100 g/L铁碳组、150 g/L铁碳组以及200 g/L铁碳组,进水硝态氮为(83.14±1.05) mg/L。在30 ℃、DO为3 mg/L、C/N=2时,3#反应器出水硝态氮去除率如图8所示。投加铁碳填料后,硝态氮去除率明显提升,这表明IC-ME在生物脱氮效果欠佳时有一定的辅助效果,在分别投加100、150、200 g/L铁碳填料时,平均硝态氮去除率分别从空白组的43.36%提高到56.45%、65.87%和62.26%。LIU等[19]在研究微生物菌种耦合IC-ME也表明,当HRT=2 h、C/N=2时,在不积累硝态氮和氨氮情况下,反应器对氮的最大去除率为90.10%。本研究发现,投加200 g/L铁碳填料,硝态氮去除率相比150 g/L没有持续增加,这可能因为反应器中铁碳填料太多会占据过多反应器空间,从而导致反硝化菌生存环境受到破坏,反硝化速率下降。因此投加150 g/L铁碳填料长期运行反应器来进行后续研究。

2#、3#反应器均投加铁碳填料后,2#反应器的硝态氮去除率从69.59%上升到最高81.78%,3#反应器的硝态氮去除率从52.43%提高到最高91.17%(见图9)。此外,氨氮浓度有所提升,这主要归因于IC-ME还原硝酸盐(见式(1)),Fe0在酸性条件下将硝态氮还原为氨氮并产生了Fe2+[20-21]。而Fe2+会将硝态氮、亚硝态氮还原为N2(见式(2)和式(3))[22],所以Fe2+是提高硝态氮和TN去除率的关键因素。

(1)

(2)

(3)

投加铁碳填料之后,对出水中Fe2+和总铁进行检测,结果见图10。其中Fe2+浓度总体上呈现先上升后下降的趋势。Fe2+在2#、3#反应器中分别于第8、10天达到最大值,分别为0.379、0.338 mg/L;此后,Fe2+浓度开始下降。Fe0在中性条件下依然可以发生氧化还原反应,不过在酸性条件下Fe0腐蚀速率更快,导致了Fe2+浓度不断增加;但随着反应器的继续运行,pH不断升高使水体呈现弱碱性,式(1)所述的反应就会被抑制从而导致Fe2+减少[23]。而3#反应器中Fe2+浓度相较于2#反应器低，主要是因为Fe2+不稳定,在反应器之间传输被消耗。同时,两个反应器中总铁也呈现先上升后下降的趋势,2#、3#反应器分别在第10、11天达到最高值,为1.163、1.253 mg/L，随后开始下降。这可能主要由于高pH条件下,离子状态的铁发生絮凝沉淀导致。

IC-ME脱氮机理主要包含活性炭的吸附[24]、沉淀[25]、氧化还原反应[26]等。而IC-ME耦合微生物菌种脱氮过程中可能还会促进相关微生物丰度增加,从而强化微生物脱氮，进一步达到去除污染物的目的[27]。

2.2 反应器运行负荷提升

在30 ℃、DO为3 mg/L、C/N=3以及铁碳投加量为150 g/L的条件下,通过缩短HRT加快进水流量从而提升反应器运行负荷。从图11(a)可以看出,在阶段一,氨氮去除率有较为明显的提升,氨氮去除率从55.91%提升到70.56%,氨氮去除负荷达到0.054 kg/(m3·d)。阶段二从第18天开始,缩短HRT为12 h,氨氮的去除率迅速从70.56%下降至50.39%,随后逐渐恢复,反应器运行到第71天时,氨氮去除率回到了71.59%,氨氮去除负荷也相应提升到0.123 kg/(m3·d)。阶段三继续缩短HRT至6 h,氨氮去除率下降至48.80%,从第72天至第109天,反应器中氨氮去除率一直维持在50%左右,第109天的氨氮去除负荷提高到0.193 kg/(m3·d)。

图8 不同铁碳投加量下3#反应器硝态氮去除率对比Fig.8 Comparison of nitrate nitrohen removal efficiency of reactor 3# at different iron carbon dosages

图9 投加铁碳填料对硝态氮去除率和氨氮质量浓度的影响Fig.9 Effect of adding iron carbon filler on nitrate nitrogen removal efficiency and ammonia nitrogen concentration

COD去除率和去除负荷见图11(b)。在阶段一,COD去除率趋于平滑上升阶段,并在第18天达到峰值,COD去除率为90.48%,去除负荷为0.234 kg/(m3·d)。从第19天开始阶段二,缩短HRT为12 h,COD去除率瞬间下降到69.71%,继续运行至第48天,COD去除率上升至90.13%并趋于平稳,去除负荷为0.477 kg/(m3·d)。从第49天开始继续缩短HRT为6 h进入阶段三,COD去除率降至66.88%,继续运行到第86天,COD去除率上升到89.07%,去除负荷达到0.932 kg/(m3·d)。继续提升负荷进入阶段四,第87天起,考虑到进水流量太大容易冲刷微生物菌种,所以保持HRT依旧为6 h，通过调整进水COD浓度提升负荷,此阶段COD进水浓度是阶段三的2倍,反应器整体出水COD去除率下降为73.48%,相比阶段三下降幅度较低。反应器运行至第109天,COD去除率上升到85.77%,COD去除负荷提高到1.786 kg/(m3·d)。

图10 投加铁碳填料后总铁和Fe2+变化趋势Fig.10 Variation trend of total Fe and Fe2+ concentration after adding iron carbon filler

注：图11(a)中阶段一、二、三的HRT分别为24、12、6 h;图11(b)中阶段一、二、三、四的HRT分别为24、12、6、6 h,但阶段四的进水COD浓度是阶段三的2倍。图11 反应器整体负荷提升阶段污染物去除效果Fig.11 Pollutants removal effect of the whole reactor at load lifting stage

在投加铁碳填料之前,硝态氮会在2#、3#反应器中积累,从而导致TN去除率受制于反硝化脱氮效率,运行期间TN去除率从25.20%提升至45.65%;投加铁碳填料后,氨氮通过硝化作用转化为硝态氮后,硝态氮通过IC-ME耦合微生物菌种也得到了去除,因此整体上氨氮、硝态氮出水浓度较低,TN去除率也从35.44%提升至58.91%(见图12)。

图12 投加铁碳填料前后TN去除率对比Fig.12 Comparison of TN removal efficiency before and after adding iron carbon filler

2.3 脱氮效果评分指标的主成分分析

明确在温度、DO、C/N以及铁碳投加量对氮素及COD的最优去除效果后,通过SPSS模型进行主成分分析,对各因素在氨氮、硝态氮以及COD去除中的贡献情况进行评价,综合得分越高,说明该因素对脱氮越占据主导地位,结果见表3。

C/N综合得分都相对靠前,这表明C/N对氨氮、硝态氮以及COD的去除影响占据主导地位,因此微生物菌种对碳源的要求最为严苛,碳源将直接影响到脱氮效果;而就单独的硝态氮去除得分而言,铁碳投加量得分最高,其次才是C/N,这充分证明了IC-ME强化微生物菌种脱氮的促进作用。

表3 污染物去除的综合得分情况及排序Table 3 Comprehensive score and ranking of pollutants removal effect

单独通过微生物菌种脱氮时,在温度为30 ℃、DO=3以及C/N=3条件下,硝化速率最高,氨氮去除率为71.16%～73.44%。通过投加150 g/L的铁碳填料强化微生物菌种脱氮时,2#和3#反应器硝态氮去除率最高分别达到81.78%和91.17%,运行后期TN去除率也从原先的45.65%提升至58.91%。提升反应器运行负荷,运行末期的氨氮去除负荷提升到0.193 kg/(m3·d),COD去除负荷提升至1.786kg/(m3·d)。利用主成分分析进行污染物去除效果综合评价,综合氨氮、硝态氮、COD去除综合得分发现,C/N排序均相对靠前,这表明C/N对氨氮、硝态氮以及COD的去除影响占据主导地位;铁碳投加量对硝态氮的去除效果更加明显。