, 董伟羊1, 王海燕1
, 闫国凯1, 储昭升2, 常洋1, 王欢1, 凌宇1, 李丛宇11. 中国环境科学研究院环境污染控制工程技术研究中心, 北京 100012;
2. 中国环境科学研究院湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 北京 100012
收稿日期: 2020-05-01; 修回日期: 2020-06-22; 录用日期: 2020-06-22
基金项目: 中央级公益性科研院所基本科研业务专项（No.2016YSKY-031）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（No.2017ZX07401003-05-01）
作者简介: 赵远哲(1995-), 男, E-mail:1174833645@qq.com
通讯作者（责任作者）: 王海燕, E-mail:wanghy@craes.org.cn
储昭升, E-mail:chuzs@craes.org.cn
摘要：为揭示好氧段气水比对缺氧/好氧生物滤池（Anoxic/Oxic Biofilter，A/O-BF）脱氮的影响机理，采用A/O-BF处理低碳氮比农村生活污水，结合实时荧光定量聚合酶链式反应技术，对比研究了好氧段气水比为4：1、2：1和1：1时A/O-BF的脱氮效能和微生物群落变化特征.结果表明：当气水比为4：1时，A/O-BF的氨氮（NH4+-N）和总氮（TN）平均去除率分别为99.0%和75.9%；当气水比降至2：1时，NH4+-N的平均去除率（99.5%）基本维持不变，而TN去除率有所提高（79.5%）；当气水比再降至1：1时，两者的平均去除率分别下降至92.0%和71.7%.气水比由4：1降至2：1时，好氧段中硝化菌脱氮功能基因amoA和Nitrospira 16S rDNA的拷贝数并无明显变化，为同一数量级，但缺氧段中4个反硝化菌脱氮功能基因（narG、nosZ、nirS和nirK）拷贝数却明显升高0~1个数量级；当气水比由2：1降至1：1时，好氧段中两个硝化菌脱氮功能基因拷贝数均下降1个数量级，但缺氧段中反硝化菌脱氮功能基因拷贝数无明显变化，除narG基因外均处于同一数量级.综上所述，2：1为A/O-BF处理低碳氮比农村生活污水脱氮的最佳气水比.
关键词：缺氧/好氧生物滤池(A/O-BF)气水比低碳氮比农村生活污水脱氮功能基因
Effects of air-water ratio on the nitrogen removal of A/O-BF for the treatment of rural domestic sewage with low C/N ratio
ZHAO Yuanzhe1
, DONG Weiyang1, WANG Haiyan1, YAN Guokai1, CHU Zhaosheng2, CHANG Yang1, WANG Huan1, LING Yu1, LI Congyu11. Research Center for Environmental Pollution Control Engineering Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012;
2. National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012
Received 1 May 2020; received in revised from 22 June 2020; accepted 22 June 2020
Abstract: To reveal the influence of air-water ratio in the oxic column on the nitrogen removal of anoxic/oxic biofilter (A/O-BF), the nitrogen removal capacity and microbial communiy characteristics of A/O-BF for the treatment of rural domestic sewage with low C/N ratio at 4:1, 2:1 and 1:1 air-water ratio were investigated. The results are as follows: the average ammonium nitrogen (NH4+-N) and total nitrogen (TN) removal efficiency were 99.0% and 75.9% at 4:1 air-water ratio. When the air-water ratio reduced to 2:1, the average NH4+-N removal efficiency kept stable (99.5%), and the TN removal efficiency increased to 79.5%. At 1:1 air-water ratio, both of NH4+-N and TN removal efficiency decreased significantly, i.e. 92.0% and 71.7%. When the air-water ratio reduced from 4:1 to 2:1, the copy numbers of nitrifying functional genes, i.e. amoA, and Nitrospira 16S rRNA genes did not change obviously and in the same order of magnitude, but the copy numbers of four denitrifying functional genes (narG, nosZ, nirS, and nirK), increased significantly by 0~1 order of magnitude. At 1:1 air-water ratio, the copy numbers of both nitrifying functional genes decreased by one order of magnitude, while those of the denitrifying functional genes (except for the narG gene) were in the same order of magnitude. Therefore, 2:1 is recommended as the optimum air-water ratio for the nitrogen removal from rural domestic sewage with low C/N ratio by A/O-BF.
Keywords: anoxic/oxic biofilter(A/O-BF)air-water ratiolow C/N ratiorural domestic sewagenitrogen removalfunctional genes
1 引言(Introduction)在我国, 农村生活污水具有来源分布广、水量大、碳氮比低等特点, 未经处理时污水中氮含量较高, 如果直接排入河流或湖泊, 会造成水体富营养化, 降低水生生物多样性, 破坏水生态平衡(Sirivedhin et al., 2006).
生物滤池是一种高效的污水处理工艺(Gon?alves et al., 1998), 被广泛用于市政污水(Watanabe et al., 1993)、农村污水(Chandravathanam et al., 2010)、生活污水(Li et al., 2010)的处理.缺氧/好氧生物滤池(Anoxic/oxic biofilter, A/O-BF)作为曝气生物滤池和反硝化生物滤池的组合, 近年来被广泛用于各种污废水的脱氮, 并取得了良好的处理效果(Fan et al., 2014; Wang et al., 2014).本课题组采用在缺氧段和好氧段分别添加芦竹和活性炭的方式, 构建了新型A/O-BF并以此来处理低碳氮比农村生活污水, 取得了较好的脱氮效果(赵远哲等, 2020).在生物滤池运行过程中, 气水比是一个重要的工艺参数.以往对于生物滤池气水比的研究主要集中在曝气生物滤池中, 如李志峰等(2013)在采用曝气生物滤池工艺处理小区生活污水时发现, 随着气水比从1:1增大到3:1, 系统对氨氮(NH4+-N)的去除率也随之增大；然而当气水比继续增大到5:1时, NH4+-N去除率反而有所下降, 甚至低于气水比为2:1时, 表明NH4+-N去除过程中较合适的气水比为2:1~3:1.刘秀红等(2016)在对曝气生物滤池处理城市污水时N2O产生与控制进行研究时发现, 在3种气水比条件下(9.8:1、5.0:1和2.5:1), 系统对NH4+-N的去除率分别为91%、78%和25%, 总氮(TN)去除率也随气水比的减小而减小, 在气水比为5:1时, N2O的排放量最小.周广吉等(2019)对比了气水比为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1和6:1时曝气生物滤池对污水厂尾水中污染物的去除效能, 发现当气水比为4:1时, 系统对污染物的综合去除效果最佳, COD、NH4+-N、NO3--N的平均去除率分别为61.1%、81.2%和48.6%, 且此条件下能够很好地实现新老生物膜的更新迭代, 氧的使用率和传递效率也较高.
在A/O-BF脱氮过程中, 微生物硝化过程需要在好氧条件下进行, 充足的曝气量会增加水中溶解氧(DO)含量从而有利于微生物对NH4+-N的转化, 而将亚硝氮(NO2--N)和硝氮(NO3--N)转化为N2的生物反硝化过程则需要在缺氧环境中完成；由于A/O-BF好氧段硝化液回流至缺氧段, 因此, 气水比的大小不仅会影响好氧段中NH4+-N的去除, 同时也会影响缺氧段中微生物反硝化脱氮过程的进行, 最终导致系统对TN的去除产生差异, 而有关此方面的研究却鲜有报道.此外, 气水比的大小与能耗相关, 直接决定了水处理的成本, 因此, 合理的选择气水比也是降低A/O-BF污水处理成本的有效途径.
本研究采用课题组前期已经构建的以砾石和活性炭为好氧段填料、砾石和芦竹为缺氧段填料的上流式新型A/O-BF处理低碳氮比农村生活污水, 考察不同气水比条件下的脱氮效果.结合不同气水比时系统中脱氮微生物的分布特征, 从宏观和微观两方面来解析气水比对于A/O-BF脱氮的影响机理, 以期为实际新型A/O-BF运行过程中气水比的选择与调节提供理论依据, 并获得新型A/O-BF处理低碳氮比农村生活污水时最佳的气水比条件.
2 材料与方法(Material and methods)2.1 试验装置及填料配置A/O-BF装置采用圆柱型有机玻璃制成, 其中, 好氧段内径为0.11 m, 布水区高度为0.1 m, 采用5~8 mm石英砂承托层, 高度为0.1 m；缺氧段内径为0.07 m, 布水区高度为0.1 m, 采用5~8 mm石英砂承托层, 高度为0.1 m(图 1).
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 A/O-BF试验装置 Fig. 1A/O-BF experimental set-up |
试验中所用石英砂、芦竹、活性炭和砾石填料见赵远哲等(2020)之前的报道.A/O-BF好氧段填料层用活性炭与砾石以体积比1:1混合填充, 缺氧段用芦竹与砾石以体积比3:1混合装填, 装置总有效容积为6.7 L.
2.2 试验设计A/O-BF采用连续流进水方式, 进水流量为0.45 L·h-1, 好氧段空床HRT为9 h, 滤速为0.05 m·h-1, 缺氧段空床HRT为6 h, 滤速为0.12 m·h-1, 硝化液回流比为200%.好氧段采用曝气头底部曝气, 试验按照气水比条件的不同可分为3个阶段：第1阶段气水比为4:1(第1~25 d), 第2阶段气水比为2:1(第26~53 d), 第3阶段气水比为1:1(第54~81 d).通过研究不同气水比条件对污染物去除及脱氮微生物分布的影响来确定最佳的气水比条件.滤柱反冲洗一月1次, 具体操作步骤如下：好氧段先气冲3.0 min, 再气水联冲4.5 min, 最后水冲4.0 min；缺氧段水冲4.0 min.气、水冲洗强度分别为0.4、22.89 mL·m-2 ·min-1(丁绍兰等, 2017).
2.3 进水水质试验进水为人工配制的低碳氮比农村生活污水, 分别采用葡萄糖、NH4Cl和KH2PO4作为碳源、氮源和磷源, 不同气水比条件下A/O-BF进水水质见表 1.用NaHCO3保持进水pH至7~8.
表 1(Table 1)
| 表 1 模拟低碳氮比农村生活污水水质 Table 1 The characteristics of the synthetic rural domestic sewage with low carbon to nitrogen ratio | ||||||||||||||||||||
表 1 模拟低碳氮比农村生活污水水质 Table 1 The characteristics of the synthetic rural domestic sewage with low carbon to nitrogen ratio
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2.4 分析方法2.4.1 水质分析方法A/O-BF稳定运行后, 每2 d取1次水样, 取样时用pH计(PHC10103, HACH)测定水样pH, 便携式溶解氧仪(HQ30d, HACH)测定DO；取得的水样静置10 min后取上清液测定COD；之后将水样用0.45 μm滤膜过滤后测定NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TN浓度.COD采用重铬酸钾法测定(DR1010, HACH)；NH4+-N用纳氏试剂分光光度法测定(UV-2100), TN用TOC测定仪(TOC-VCPH)TN测定单元测定, NO3--N和NO2--N用离子色谱(DIONEX, ICS-1000)测定.测样时所用药品均为分析纯级别(国药集团化学试剂北京有限公司).
2.4.2 微生物分析在不同气水比条件下装置稳定运行时, 取适量A/O-BF好氧段和缺氧段的生物膜填料, 依据文献报道的方法进行qPCR分析(Li et al., 2019; Zhao et al., 2019).
用土壤基因组DNA提取试剂盒(MPBiomedicals, 美国)提取生物膜样品的DNA.20 μL的qPCR混合反应物由16.4 μL的2X Taq Plus Master Mix(Vazyme Biotech, 美国)、2 μL的模板DNA、0.8 μL的正向引物和0.8 μL的反向引物组成.qPCR反应条件为：95 ℃预变性5 min；在不同温度下(amoA, 52 ℃；Nitrospira 16S rDNA, 60 ℃；narG和nirS, 60 ℃；nirK, 54 ℃；nosZ, 56 ℃)变性30 s, 共40个循环；最后72 ℃延伸40 s.每个样品设3个平行样.用Nano Drop 2000分析仪(Thermo Fisher Scientific, 美国)监测构建质粒的数量与质量.以10倍梯度稀释各功能基因重组质粒进行qPCR(博日9600Plus, 中国)检测, 获得各功能基因标准曲线, R2为0.9949~0.9999, 扩增效率为84.8%~99.7%.
采用ABI 7500型荧光定量PCR仪(Life Technologies, 美国)对两套装置填料层中取得的不同填料生物膜进行qPCR分析.对硝化过程功能基因amoA和Nitrospira 16S rDNA及反硝化过程功能基因narG、nirK、nirS和nosZ的拷贝数进行定量分析, 各目的基因的引物序列见表 2.
表 2(Table 2)
| 表 2 qPCR引物序列 Table 2 Primer sequences for qPCR | ||||||||||||||||||||||||||||
表 2 qPCR引物序列 Table 2 Primer sequences for qPCR
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3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 气水比对生物滤池中DO分布的影响不同气水比条件下A/O-BF好氧段和缺氧段出水的DO浓度如图 2所示.由图 2可知, 缺氧段和好氧段出水DO都会随着气水比的减小而减小, 当气水比降至1:1时, 好氧段和缺氧段平均出水DO分别减小至2.13和1.34 mg·L-1.当气水比为4:1和2:1时, 缺氧段DO消耗分别约为4.58和3.00 mg·L-1, 而当气水比为1:1时, 缺氧段DO消耗降到了0.79 mg·L-1.产生这一变化的原因在于缺氧段中存在部分好氧菌且大部分存在于滤料底层(因为试验中A/O-BF进水是下进上出), 只是在DO浓度较低的情况下不易发挥作用.当气水比为4:1和2:1时, 回流硝化液中DO浓度较高, 此时缺氧段底层的好氧菌活性也较高, 会利用回流硝化液中的DO, 使得DO消耗较多.而当气水比降至1:1时, 回流硝化液中DO浓度很低, 缺氧段底层的好氧菌活性被抑制, 利用DO的速率变慢, 因此缺氧段DO消耗显著减少.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 不同气水比条件下好氧段和缺氧段的出水DO浓度 Fig. 2DO concentrations in the effluents of oxic and anoxic columns at different air-water ratio conditions |
在好氧段中, DO的来源包括大气富氧和曝气供氧, 而由于试验中好氧段生物滤池是圆柱状, 直径小, 高度较大, 大气富氧提供的DO只能存在于滤柱表层且含量极低, 扩散至滤柱中下部的DO可忽略不计, 故可认为好氧段中DO浓度的变化是由曝气量或气水比引起的.气水比对于缺氧段中DO的影响主要来自于好氧段硝化液的回流, 会把好氧段水中的DO带到缺氧段中.因此, 缺氧段的DO浓度会因为好氧段气水比条件的不同而产生差异.在利用生物法处理污废水时, 不同种群微生物生长所需的DO环境不同, 故气水比大小必然会影响微生物对水中各类污染物的去除(He et al., 2009).
3.2 气水比对COD去除效果的影响不同气水比条件下A/O-BF对COD的去除效果如图 3a所示, 在3种气水比(4:1、2:1和1:1)条件下, A/O-BF对COD均有很好的去除效果, 当进水COD分别为(65.12±11.66)、(68.86±16.73)和(65.34±13.23) mg·L-1时, 其平均去除率分别为82.7%、86.4%和84.7%, 出水水质稳定, 平均出水COD低于20 mg·L-1, 满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准(小于50 mg·L-1).总体来看, COD去除率随气水比的减小先升高后降低, 当气水比为4:1时, COD平均去除率相比气水比为2:1时减少了3.7%, 可见气水比并不是越大越好.李志峰等(2013)在研究气水比对曝气生物滤池处理生活污水的影响时发现, 在进水COD为60~130 mg·L-1, 气水比由1:1增大到2:1再增大到3:1时, COD去除率随气水比的增加而升高, 对应的去除率分别为48%、53%和56%；而进一步增大气水比至5:1时, COD去除率为53%, 呈下降趋势, 表明气水比过大不利于COD的去除, 本研究结果与之一致.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 不同气水比条件下A/O-BF对COD的去除(a)及进水COD容积负荷与COD去除速率的关系(b) Fig. 3COD removal for A/O-BF(a) and relationship between influent COD volumetric loading rate (b) and COD removal rate at different air-water ratio conditions |
A/O-BF对COD的去除主要依赖于好氧段中的碳氧化菌和缺氧段中的异养菌.当气水比由4:1降至2:1时, COD的去除率有一定提高, 这是因为当气水比为2:1时, 好氧段水中的DO浓度即可满足碳氧化菌的需求(于德淼等, 2009), 且回流硝化液中较低的DO浓度并不会对缺氧段中的异养菌造成显著影响, 因此, 碳氧化菌和异养菌都能最大程度地发挥作用；此外, 较为合适的气流和水流的冲刷剪切作用可使老化的生物膜剥落, 促进微生物进行更新换代, 使微生物保持更高的活性.而当气水比为4:1时, 回流硝化液中的平均DO浓度较高(6.56 mg·L-1), 这会破坏缺氧段中的缺氧环境, 抑制反硝化菌和其他异养菌, 降低其对COD的去除能力；此外, 过大的气水比(4:1)还会加剧反应器内部的冲刷和搅拌效应, 导致更多的生物膜脱落(王树涛等, 2009; 李芳等, 2013), 从而降低系统的稳定性, 使得COD去除率相对于气水比为2:1时有所降低.当气水比下降到1:1时, 水中DO浓度较低, 好氧段中的硝化菌和碳氧化菌会竞争不足的DO, 使得碳氧化菌可利用的DO越来越少, 对COD的去除能力有所下降；但由于回流液的DO浓度减小使得缺氧段中异养菌的活性增强, 从而强化了其对COD的去除, 故在此两者综合影响之下, 系统对COD去除率的下降幅度较小.综上所述, 2:1是A/O-BF去除COD的最佳气水比, 气水比过大或过小均不利于系统对COD的去除.
不同气水比条件下A/O-BF进水COD容积负荷与COD去除速率的关系如图 3b所示.在气水比为4:1、2:1和1:1, 进水COD容积负荷分别为0.069~0.125、0.076~0.166、0.067~0.137 kg·m-3·d-1时, A/O-BF对COD的去除速率分别为0.048~0.109、0.056~0.152、0.058~0.116 kg·m-3·d-1, 各个气水比条件下, COD去除速率整体上随着进水COD容积负荷的增大而增大, 表明AO-BF具有良好的COD去除效果及运行稳定性.图 3b中拟合直线的斜率大小可以反映出系统对COD的去除能力强弱, 其中, 在气水比为2:1时拟合直线的斜率最大为0.8807, 说明此条件下系统对COD的去除能力最强.
3.3 气水比对NH4+-N去除效果的影响不同气水比条件下A/O-BF对水中NH4+-N的去除如图 4a所示, 在气水比为4:1、2:1和1:1条件下, A/O-BF对NH4+-N的去除与对COD的去除规律略有不同.在气水比为4:1和2:1, 进水NH4+-N浓度分别为(31.05±3.65)和(35.47±6.02) mg·L-1时, 出水NH4+-N平均浓度分别为0.31和0.19 mg·L-1, 平均去除率分别为99.0%和99.5%.而当气水比降至1:1, 进水NH4+-N浓度为(35.65±5.49) mg·L-1时, 出水NH4+-N平均浓度为2.83 mg·L-1, 平均去除率下降到92.0%.从节能及保障出水水质达标的角度考虑, 2:1是A/O-BF去除NH4+-N过程中的最佳气水比.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 不同气水比条件下A/O-BF对NH4+-N的去除(a)及进水NH4+-N容积负荷与NH4+-N去除速率的关系(b) Fig. 4NH4+-N removal for A/O-BF(a) and relationship between influent NH4+-N volumetric loading rate and NH4+-N removal rate(b) at different air-water ratio conditions |
NH4+-N的去除主要依靠好氧段中硝化细菌完成.在上流式A/O-BF中, 气流和水流沿着滤池底部同向透过滤料由顶部排出, 氧和有机底物沿着同一方向向填料表面生物膜扩散, 生物膜外侧为高有机物环境, 因此, 好氧自养型的硝化菌只能在生物膜内侧生长繁殖, 而繁殖速率快的异养菌则生长在生物膜外侧(Fdz-Polanco et al., 2000; Morgenroth et al., 2000; 张杰等, 2003).当气水比为4:1和2:1时, 出水中NH4+-N几乎不存在, 说明在这两种气水比条件下水中的硝化细菌已经能够得到充足的DO完成对NH4+-N的转化.而当气水比为1:1时, 好氧段中DO浓度低, 生长在生膜外侧的异养菌优先繁殖, 与生物膜内侧的硝化菌竞争DO, 而硝化细菌属于自养菌, 生长速率较慢, 对于DO的利用速率不如异养菌(Sun et al., 2018)；且水中的DO向生物膜内部扩散时的氧传递效率降低, 原本水中就不足的DO更使得内侧的硝化细菌无法得到足够的DO, 从而生长代谢受到抑制(Fdz-Polanco et al., 2000), 导致系统对NH4+-N去除效果变差.有研究表明, 水中DO浓度大于2 mg·L-1是硝化菌硝化过程进行的先决条件, 而在实际操作中由于微生物对水中DO的利用效率有限, 故要求水中DO浓度为3~4 mg·L-1(彭党聪, 2010).由3.1节可知, 在气水比为4:1、2:1和1:1条件下, 好氧段出水DO平均浓度分别为6.56、4.45、2.13 mg·L-1, 可以看出当气水比为1:1时, 好氧段出水DO浓度显然不能满足要求, 硝化菌硝化过程会受到影响, 这与本节的NH4+-N去除结果一致.郭树河等(2010)采用曝气生物滤池处理某大学生活污水时发现, 当进水NH4+-N浓度为22~46 mg·L-1, 曝气生物滤池气水比为2:1时, NH4+-N的去除效果最佳, 平均去除率为88.2%, 本研究结论与之一致.
不同气水比条件下A/O-BF进水NH4+-N容积负荷与NH4+-N去除速率的关系如图 4b所示, 当气水比为4:1、2:1和1:1, 进水NH4+-N容积负荷分别为0.038~0.060、0.044~0.071和0.045~0.070 kg·m-3·d-1时, NH4+-N去除速率分别为0.049~0.059、0.044~0.071和0.040~0.064 kg·m-3·d-1.整体上随着进水NH4+-N容积负荷的增加, NH4+-N去除速率也相应升高, 并没有减缓或下降的趋势, 表明A/O-BF具有处理更高NH4+-N负荷的潜力.对进水NH4+-N容积负荷与去除速率进行线性拟合, 拟合直线的斜率值分别为0.9894、0.9948和0.9185, 表明气水比为2:1时, 系统对于NH4+-N有最好的去除效果.
3.4 气水比对TN去除效果的影响不同气水比条件下A/O-BF对水中TN的去除如图 5a所示, 在气水比分别为4:1、2:1和1:1, 进水TN浓度分别为(33.34±3.62)、(37.27±5.93)和(37.19±5.91) mg·L-1, 进水平均COD/TN分别为2.0、1.9和1.8时, 出水TN平均浓度分别为7.96、7.52和10.30 mg·L-1, 平均去除率分别为75.9%、79.5%和71.7%.可见, A/O-BF对于TN的去除效果在气水比为2:1时最佳.
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 不同气水比条件下A/O-BF对TN的去除(a)、A/O-BF出水中氮的组成(b)及进水TN容积负荷与TN去除速率的关系(c) Fig. 5TN removal for A/O-BF(a), compositions of nitrogen in the effluent of A/O-BF(b) and relationships between influent TN volumetric loading rate and TN removal rate(c) at different air-water ratio conditions |
图 5b为不同气水比条件下A/O-BF出水中不同形态氮的组成, 当气水比为4:1时, 水中NH4+-N几乎被完全去除, 硝化作用进行的非常彻底.当气水比减小为2:1时, 水中NH4+-N也几乎被完全去除, 而出水中NO2--N和NO3--N(NOx--N)浓度基本不变, 系统对于TN的去除率略有增加.说明气水比的减小不仅没有影响到硝化菌对NH4+-N的去除, 反而因回流液中的DO浓度降低使得缺氧段DO浓度更低, 促进了反硝化菌的生长, 使其具有更强的反硝化脱氮能力.而当气水比降至1:1时, 出水中NH4+-N浓度明显高于另两种气水比条件, NOx--N浓度变小, TN去除率也出现一定幅度的下降.这是因为在1:1气水比条件下好氧段生物膜外侧的DO浓度有限, 仅能满足生物膜外侧异养菌去除COD的需要, 硝化菌不能得到充足的DO, 硝化作用不彻底, 回流至缺氧段的NOx--N浓度降低, 导致反硝化速率下降(Fdz-Polanco et al., 2000), 故此时TN去除效率下降.郭树河等(2010)在研究曝气生物滤池处理某大学生活污水时发现, 当进水TN浓度为42~64 mg·L-1, 气水比为2:1时, 系统对TN的平均去除率为45.4%, 显著高于气水比为1:1、3:1和4:1时的去除率(13.7%、25.2%和10.6%), 本研究结果与之一致.
不同气水比(4:1、2:1和1:1)条件下A/O-BF进水TN容积负荷与TN去除速率的关系如图 5c所示, 当进水TN容积负荷分别为0.042~0.063、0.048~0.075和0.045~0.072 kg·m-3·d-1时, TN去除速率分别为0.030~0.050、0.036~0.063和0.030~0.058 kg·m-3·d-1.整体上当进水TN容积负荷增大时, TN去除速率也呈增大趋势.对比线性拟合结果可知, 在气水比为2:1时, 拟合方程的斜率最大, 为0.7964, 表明此条件下系统对TN有最好的去除效果.
3.5 不同气水比对填料表面微生物脱氮基因拷贝数的影响本研究通过qPCR技术来研究微生物脱氮功能基因分布.不同气水比条件下A/O-BF中微生物脱氮功能基因的分布如图 6所示, 当气水比为4:1时, A/O-BF好氧段中硝化菌脱氮功能基因amoA和Nitrospira 16S rDNA拷贝数分别为(8.10×108±3.31×107)和(1.28×109±9.36×108) copies·g-1, 缺氧段中4个反硝化菌脱氮功能基因narG、nosZ、nirS和nirK拷贝数分别为(3.23×108±1.48×107)、(9.64×106±7.29×105)、(1.50×108±1.04×107)和(1.03×108 ±7.38×107) copie·g-1.当气水比降至2:1时, 好氧段中两个硝化菌脱氮功能基因拷贝数并无明显变化, 都处于同一量级, 分别为(2.56×108±1.98×107)和(2.09×109±8.60×108) copies·g-1；但缺氧段中4个反硝化菌脱氮功能基因拷贝数却均有明显增加, 分别为(9.74×108±5.23×107)、(3.77×107±1.33×106)、(1.17×109±7.10×107)和(6.11×108±8.94×107) copies·g-1.这说明气水比的减小并没有对硝化菌产生大的影响, 气水比为2:1时已经能够满足硝化菌生长时对DO的需求, 而反硝化菌脱氮功能基因拷贝数增大则表明小的气水比更加有利于缺氧段中反硝化菌的生长.当气水比再降至1:1时, 好氧段中两个硝化菌脱氮功能基因拷贝数分别为(1.87×107±8.48×106)和(2.26×108±4.39×106) copies·g-1, 小于气水比为2:1时一个数量级, 说明气水比为1:1时水体的低DO环境抑制了硝化细菌的生长；4个反硝化菌脱氮功能基因拷贝数有一定升高但整体变化不大(分别为(1.18×109±1.31×108)、(8.58×107±4.46×106)、(1.81×109±5.19×107)和(6.64×108±7.25×107) copies·g-1), 除narG基因外, 其余都处在同一数量级, 表明气水比的减小没有能够再促进反硝化菌的生长, 只是单纯地抑制了好氧段中硝化菌的生长代谢.
图 6(Fig. 6)
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| 图 6 不同气水比条件下A/O-BF中微生物脱氮功能基因拷贝数 Fig. 6Copy numbers of microbial nitrogen removal functional genes in A/O-BF at different air-water ratio conditions |
在微生物硝化反硝化脱氮过程中, amoA和Nitrospira 16S rDNA是硝化细菌进行NH4+-N转化的两个关键基因(Dionisi et al., 2002).narG、nosZ、nirS和nirK则是反硝化细菌转化亚硝酸盐和硝酸盐为N2的4个关键基因(Li et al., 2019).这些脱氮功能基因拷贝数的多少即可反映出脱氮微生物群落的分布特征和系统的脱氮能力.综合qPCR结果考虑, 2:1是A/O-BF运行过程中的最佳气水比, 在此条件下, 硝化细菌能最大程度地发挥作用, 且对于反硝化菌的影响又最小, 可同时高效去除水中的NH4+-N和TN, 这与上文中NH4+-N和TN的去除效果一致.
3.6 污染物去除成本核算A/O-BF中污染物去除成本核算结果如表 3所示, 可以看出, 气水比为2:1时, 系统对污染物有最大的去除量.随着气水比由4:1减小至1:1, 水中污染物(COD、NH4+-N、TN)的去除成本在气水比为2:1时(36.67、63.73、76.06元·kg-1)显著低于气水比为4:1时(52.82、93.69、113.52元·kg-1), 且略小于气水比为1:1时(36.70、65.98、79.72元·kg-1).因此, 2:1是A/O-BF运行过程中最佳的气水比条件.
表 3(Table 3)
| 表 3 A/O-BF污染物去除成本核算 Table 3 Pollutants removal cost accounting in A/O-BF | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 A/O-BF污染物去除成本核算 Table 3 Pollutants removal cost accounting in A/O-BF
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4 结论(Conclusions)1) 气水比会影响A/O-BF对水中有机物的去除.当气水比为4:1、2:1和1:1时, A/O-BF对水中COD的平均去除率分别为82.7%、86.4%和84.7%, 表明气水比并不是越大越好, 过大的气水比可能会导致生物膜脱落, 反而不利于微生物对水中有机物的去除.
2) 气水比会影响A/O-BF对水中氮的去除.当气水比为2:1时, A/O-BF对NH4+-N和TN的平均去除率最高, 分别为99.5%和79.5%.气水比为4:1时, TN去除率(75.9%)较气水比为2:1时有所下降, 这是因为好氧段回流硝化液中DO浓度较高, 进而影响了缺氧段中微生物反硝化脱氮过程的进行.当气水比为1:1时, 水中DO浓度不能完全满足硝化菌的需求, 使得NH4+-N的去除不能达到最佳效果, 平均去除率仅为92.0%, 也导致了TN去除效率的降低(71.7%).此外, 在气水比为2:1时, A/O-BF对NH4+-N和TN的去除成本最低.
3) 气水比会影响A/O-BF中脱氮微生物的分布.当气水比由4:1降至2:1时, 好氧段中两个硝化菌脱氮功能基因(amoA和Nitrospira 16S rDNA)拷贝数并无明显变化(处在同一数量级), 但缺氧段中4个反硝化菌脱氮功能基因(narG、nosZ、nirS和nirK)拷贝数却明显升高0~1个数量级；当气水比由2:1降至1:1时, 两个硝化菌脱氮功能基因拷贝数均下降1个数量级, 但4个反硝化菌脱氮功能基因拷贝数无明显变化, 除narG基因外均处于同一数量级.
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