傳統生物脫氮工藝具有同時去除有機物和氮, 水力停留時間短, 運行費用低, 處理水量大的優點, 在我國污水處理中廣泛應用, 但采用傳統的生物脫氮工藝處理低C/N廢水會存在種間競爭問題及微生物對碳源和氮源間的需求矛盾.充足的碳源是生物脫氮的關鍵, 因此, 利用傳統的生物脫氮工藝處理低C/N廢水時常需要外加有機碳源來提高C/N比值以達到反硝化效果.

　　離子交換膜是一種具有離子交換性能的高分子材料薄膜, 由于結構和功能的不同對不同離子具有選擇透過性, 這一特性使離子交換膜被廣泛應用于水處理過程中, 并逐漸被應用于廢水處理中.Fukumoto等將離子交換膜與生物法結合處理養豬廢水, 在NO3-和PO43-的去除方面獲得了良好的效果.Park等采用離子交換系統結合生物反應器系統(IEBR), 有效地應用于同步去除NH4+和有機物.張巖等采用具有富集NH4+和截留有機物特性的CEM-UF組合膜, 考察了電極條件、電流強度、膜出水流量等對CEM-UF組合膜的氨氮富集效果和COD截留效果.王修平利用針對amoA基因、nirS基因的引物構建克隆文庫, 對CEM-UF組合膜-硝化/反硝化系統的脫氮功能微生物群落結構進行研究.由此可見, 將離子交換法與生物法結合應用于廢水處理中是可行的, 但在處理低C/N廢水過程中, 由于C/N較低會影響反硝化效果, 為此本實驗進行離子交換膜結合硝化/反硝化法充分利用進水有機物達到高效脫氮的研究.

　　本研究采用CEM-UF組合膜-硝化/反硝化系統, 通過改變反硝化進水流量比以達到提高反硝化進水碳氮比的目的, 進而最大效率利用進水有機物, 為處理低C/N廢水提供了新的方法.分別考察不同流量比下CEM-UF組合膜的氨氮分離富集效果, 硝化、反硝化脫氮特性, 以及不同流量比下系統去除有機物和脫氮的效能, 并依托Illumina高通量測序平臺, 對硝化、反硝化活性污泥中的細菌進行測定, 彌補了特異性引物構建克隆文庫在功能微生物研究過程中存在的缺陷, 分析微生物多樣性及菌群結構特征, 探討功能微生物與污水處理效果的相關關系, 以期為CEM-UF組合膜在低C/N廢水處理中的應用和硝化/反硝化工藝實際運行提供理論依據.

　　1 材料與方法1.1 實驗裝置

　　CEM-UF組合膜-硝化/反硝化系統如圖 1所示, 系統包括三部分, 分別為氨氮分離器、硝化反應器和反硝化反應器.氨氮分離器中, 板式CEM-UF組合膜[8]豎直放置于兩電極板間, 陽離子交換膜與陽極相對, 超濾膜與陰極相對, 兩電極板連接直流電源.

　　圖 1

　　圖 1 CEM-UF組合膜-硝化/反硝化系統

　　原水通過蠕動泵進入氨氮分離器, 水在蠕動泵的抽吸作用下通過超濾膜進入組合膜內, 氨氮分離器中的NH4+離子在電場力作用下透過具有一價陽離子選擇透過性的陽離子交換膜遷移至組合膜內, 在組合膜內形成高濃度的氨氮濃縮液; 組合膜出水通過蠕動泵進入硝化反應器中, 在硝化反應器中進行硝化反應; 硝化出水與分離器出水按比例進入反硝化反應器中進行反硝化脫氮.二沉池中的污泥通過污泥回流泵分別回流至硝化、反硝化反應器中.

　　CEM-UF組合膜-硝化/反硝化系統接種污泥取自北京某污水處理廠A2/O工藝二沉池回流污泥, 在硝化反應器與反硝化反應器中通過人工配水單獨培養, 出水水質穩定后進行系統的連接運行.

　　1.2 實驗用水

　　實驗用水采用人工配水模擬低C/N生活污水, 水質情況如表 1所示, 進水平均C/N為2.65.

 　　1.3 運行參數及運行工況

　　氨氮分離器中電流強度為0.25A、組合膜出水流量為4.8mL ·min-1、抽停比為8 :5.硝化反應器中溶解氧濃度為2~3 mg ·L-1, pH為7.0±0.5, 水力停留時間8 h.反硝化反應器中溶解氧濃度為0.2~0.5 mg ·L-1, pH為7.5±0.2, 水力停留時間6 h.

　　反硝化進水流量比為硝化反應器出水進入反硝化反應器的流量(Q1) :氨氮分離器出水進入反硝化反應器的流量(Q2), 系統的進水流量為(Q1+Q2).根據反硝化進水流量比的變化將運行分為4個工況, 實驗運行工況如表 2所示, 每個工況初始條件相同.

　　表 2 實驗運行工況表

 　　1.4 分析方法

　　COD、氨氮、硝氮和亞硝氮的測定采用標準方法[9].采用16Sr DNA高通量測序方法分析微生物種群結構, 委托生工生物(中國, 上海)進行測序.

　　氨氮富集率:

　　η=[(c2-c1)/c1]×100%

　　式中, η為NH4+-N富集率(%), c2為IEM-UF組合膜出水的NH4+-N濃度(mg ·L-1), c1為氨氮分離器中的NH4+-N濃度(mg ·L-1).

　　2 結果與討論2.1 不同流量比下氮和有機物在各反應器中的轉化

　　流量比為1 :2、1 :3、1 :4、1 :6工況下, 膜出水、分離器出水的氨氮濃度及氨氮富集率變化如圖 2(a)所示.膜出水的氨氮濃度在4種工況下穩定時膜出水平均氨氮濃度分別為94.6、104.9、92.4和98.6 mg ·L-1, 分離器出水平均氨氮濃度分別為38、43.1、42.7和43.1 mg ·L-1.經計算4個工況下的氨氮富集率分別為148.9%、143.3%、122.7%和128.8%.工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的氨氮富集率逐漸減小, 這可能是由于流量比的增加使得氨氮分離器進水流量增加, 分離器的水力停留時間減小, 氨氮富集率隨之降低.在工況Ⅳ時, 氨氮富集率小幅度增加, 說明進水流量增加到一定程度時, 水力停留時間不再是制約氨氮富集的重要因素.

　　圖 2

　　(a)膜出水、分離器出水氨氮濃度及氨氮富集率變化; (b)膜出水、分離器出水COD濃度的變化圖 2 氨氮和COD在氨氮分離器內的轉化 

　　4種工況下膜出水、分離器出水的COD濃度變化如圖 2(b)所示.4個工況下分離器出水平均COD濃度分別為67.34、83.11、84.42和79.14 mg ·L-1.數據表明, 流量比從1 :2升到1 :3時, 分離器出水的COD濃度上升明顯; 流量比從1 :3升到1 :6時, 分離器出水的COD濃度變化不明顯.

　　硝化進水均來自于組合膜出水, 各工況下的硝化進水流量不變且進水濃度變化不大, 因此流量比的改變對于硝化反應基本無影響.硝化反應器中氨氮濃度、硝態氮濃度及氨氮去除率變化如圖 3所示.運行穩定時硝化出水主要以硝酸鹽形式存在, 亞硝酸鹽濃度很低, 在0~0.48 mg ·L-1之間波動, 平均值為0.083 mg ·L-1.表明硝化作用進行較完全.運行穩定時平均出水氨氮濃度為1.22 mg ·L-1, 平均氨氮去除率為98.7%.

　　圖 3

　　圖 3 硝化反應器中氨氮、硝態氮濃度及氨氮去除率變化

　　反硝化反應器中硝態氮濃度、硝態氮去除率及C/N變化如圖 4所示.4個工況下反硝化出水平均硝氮濃度分別為23.1, 13.93, 7.71和0.96 mg ·L-1, 計算得反硝化進水m(COD)/m(NO3--N)分別為1.65、2.72、3.77、5.28, 硝氮去除率隨流量比增大而提高, 工況Ⅳ時硝氮去除率最高為86.28%.反硝化反應器中m(COD)/m(NO3--N)的變化主要依靠流量比變化產生的稀釋作用, 反硝化完全進行C/N的理論值為2.86, 實際的反硝化過程所需的C/N遠高于2.86, 工況Ⅰ、Ⅱ尚且不滿足反硝化C/N的理論值, 導致硝氮去除率低下; 隨反硝化進水流量比的增加反硝化進水C/N增加, 使得硝氮去除率隨之提高.

　　圖 4

　　圖 4 反硝化反應器中硝態氮濃度、硝態氮去除率及C/N變化

　　2.2 不同流量比下系統總氮和有機物的去除

　　系統進出水總氮濃度和總氮去除率變化如圖 5所示.隨流量比增加出水總氮濃度逐漸下降, 平均總氮去除率分別為22.56%、27.59%、38.98%和46.8%.出水總氮來自于兩部分:①氨氮分離器中組合膜富集不完全進入反硝化反應器的NH4+-N, 該部分氨氮在反硝化反應器中基本不反應; ②反硝化反應器中反應不完全剩余的NO3--N.系統出水中的氮主要以NH4+-N和NO3--N形式存在, 在實驗范圍內, 氨氮濃度隨流量比增加的趨勢小于硝氮濃度降低的趨勢, 說明隨流量比的增加, 第①部分氨氮的增加量小于第②部分硝氮的去除量, 使得出水總氮濃度隨流量比的增加而降低, 總氮去除率增加. 具體聯系污水寶或參見http://m.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

　　圖 5

　　圖 5 系統進出水總氮濃度和總氮去除率變化

　　系統進出水COD濃度和COD去除率變化如圖 6所示.各工況下系統出水的COD濃度較為穩定, 均小于60 mg ·L-1, 平均為27.77 mg ·L-1, 達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準.在實驗濃度范圍內, CEM-UF組合膜-硝化/反硝化系統對COD的去除率均在80%以上, 最高可達93.97%.

　　圖 6

　　圖 6 系統進出水COD濃度和COD去除率變化

　　2.3 活性污泥種群結構分析

　　在總氮去除率最高的流量比(Q1 :Q2=1 :6)下利用16S rDNA高通量測序方法分別對硝化反應器中活性污泥(樣本1)菌群結構和反硝化反應器中活性污泥(樣本2)菌群結構進行分析.2個樣本的有效序列分別為51 748個和44 517個, 按照優化標準對結果進行去雜, 得到51 266個和43 915個序列.根據序列之間的相似性將序列分成不同的操作單元(OTU), 得到OTU數分別為3 176和2 728, 在97%相似度水平下進行多樣性指數分析和群落結構的分類學分析.Chao1和Ace均是用來估計群落中含OTU數目的指數, 在生態學中常被用來估計物種總數; Shannon用來估算樣品中微生物多樣性指數, Shannon越大, 群落多樣性越高; 蓋度表示各樣品文庫的覆蓋率, 蓋度越大, 樣本中序列沒有被測出的概率越低.

　　硝化、反硝化活性污泥的α多樣性統計如表 3所示, 表明兩反應器中的活性污泥均具有較高的菌群豐度和多樣性, 同時樣本的蓋度值較高, 說明測序數據量足夠大, 可以反映樣本中絕大多數的微生物信息.

　　表 3 α多樣性統計

　　對兩個樣本進行門水平下的菌種相對豐度分析如圖 7、表 4所示.與一些早期的關于活性污泥的研究相似, 樣本1(硝化反應器中活性污泥)中主要菌群有Bacteroidetes(擬桿菌門41.04%)、Proteobacteria(變形菌門30.9%)、Acidobacteria(酸桿菌門10.24%)和Nitrospirae(硝化螺旋菌門3.06%).樣本2(反硝化反應器中活性污泥)中主要菌群有Proteobacteria(變形菌門53.13%)、Bacteroidetes(擬桿菌門10.93%)、Candidatus Saccharibacteria(10.6%)和Chloroflexi(綠彎菌門5.56%).

　　圖 7

　　圖 7 樣本1、樣本2在門水平上物種相對豐度柱狀圖

　　表 4 各菌種在菌群中的比例(菌種水平大于1%)

　　其中Bacteroidetes可以降解蛋白質、糖類等物質.Proteobacteria是細菌中最大的一門, 其中包括很多可以固氮的細菌, 在降解有機物的同時可以完成系統的脫氮除磷功能.Acidobacteria大多數為嗜酸菌, 有8種不同的類群, 廣泛存在于自然界的各種環境中, 在生態系統中具有重要作用, 可去除COD.Planctomycetes為一小門水生細菌, 其中一類Planctomycetes sp.被稱作厭氧氨氧化菌, 可以在缺氧環境下利用亞硝酸鹽氧化銨離子生成氮氣.Chloroflexi細菌是兼性厭氧生物, 有綠色的色素, 在光合作用中不產生氧氣且不能固氮, 主要用于分解糖類物質和硝化、反硝化脫氮.Candidatus Saccharibacteria廣泛存在于自然界中, 對其生態學和發展史了解較少, 在有氧條件下可降解有機物和糖類, 厭氧條件下降低硝酸鹽含量.樣本1中的Nitrospirae是一類革蘭氏陰性細菌, 為重要的亞硝酸鹽氧化菌, 其中的Nitrospira(硝化螺旋菌屬)為硝化細菌, 可將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽.樣本2中的優勢菌門Proteobacteria中84.68%為β-Proteobacteria綱, β-Proteobacteria綱中大部分微生物趨于在厭氧環境下通過分解有機物來獲取營養物質, 被認為與污泥反硝化作用密切相關.下文將從屬水平更詳細地探討硝化反應器中活性污泥樣本和反硝化反應器中活性污泥樣本的微生物種群結構.

　　表 5中列出了樣本1在屬水平下鑒定出的優勢菌、氨氧化菌(AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(NOB)及其豐度.豐度最高的是Flavihumibacter, 其次是Terrimonas和Sediminibacterium, 三者均屬于擬桿菌門, 硝化細菌Nitrosomonas、Nitrosospira和Nitrobacter屬于變形菌門, Nitrospira屬于硝化螺旋菌門.有研究表明, 氨氧化菌可將氨氧化成亞硝酸鹽, 主要包含的菌屬有:亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)、亞硝化弧菌屬(Nitrosovibrio)和亞硝化液菌屬(Nitrosololobus), 硝酸鹽氧化菌將亞硝酸鹽進一步氧化成硝酸鹽, 主要包括硝化螺旋菌屬(Nitrospira)、硝酸菌屬(Nitrobacter)等.本研究在屬水平上共發現了兩種AOB細菌Nitrosomonas、Nitrosospira和兩種NOB細菌Nitrospira、Nitrobacter.具有硝化作用的異養型細菌產堿菌屬(Alcaligenes)及秸稈菌屬(Arthrobacter)均未在污泥樣品中檢出.樣本1中檢測到AOB菌(5.1%)和NOB菌(3.12%)比例較高, 這與硝化反應器中較好的硝化效果相一致, 同時在微生物層面體現了CEM-UF組合膜分離氨氮與有機物, 保證硝化反應器中自養硝化細菌為優勢菌種, 使硝化效果維持在較高水平的優勢.

　　表 5 樣本1在屬水平上鑒定出的優勢菌、AOB、NOB及其豐度

　　在反硝化反應器活性污泥樣本中共檢測到微生物183個屬,  反硝化細菌約有50多個屬, 130多個種, 本研究發現在屬水平上具有反硝化脫氮作用的相關菌屬及其相對豐度如表 6所示.

　　表 6 樣本2在屬水平上鑒定出的反硝化脫氮作用相關菌屬及其豐度

　　反硝化脫氮有關的主要菌屬多屬于Proteobacteria菌門, 這與Heylen等的研究結果一致, 本研究的Proteobacteria菌門中所含有的反硝化細菌種類主要有厭氧反硝化菌Dechloromonas、Thauera、Castellaniella、Alicycliphilus和好氧反硝化菌Azospira、Comamonas, 其中Dechloromonas可以利用有機物提供電子將NO3-還原成N2.Thauera屬細菌屬于β-Proteobacteria綱, 是一類廣泛存在于各類型廢水處理裝置中并具有多種芳香族污染物降解能力的重要功能類群.Castellaniella是一種可以高效地將硝酸鹽還原為NO、N2O和N2進而降低污水中硝酸鹽濃度的細菌.Azospira可作為電子受體可以還原硝酸鹽.Alicycliphilus以H2作為電子供體進行反硝化作用.Caldilinea和Saccharibacteria均可以消耗有機物, 將硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體, 減少硝氮含量.反硝化反應器中存在多種具有反硝化功能的微生物, 占全部細菌的25.91%, 對系統反硝化脫氮有一定的貢獻.

　　3 結論

　　(1) 采用CEM-UF組合膜-硝化/反硝化系統處理低C/N人工廢水, 硝化過程在各流量比下均進行較完全, 運行穩定時平均出水氨氮濃度為1.22 mg ·L-1, 平均氨氮去除率為98.7%;隨流量比的增加反硝化進水m(COD)/m(NO3--N)增加, 硝氮去除率隨之增加.

　　(2) 系統總氮去除率隨流量比增加逐漸增加, 流量比從1 :2、1 :3、1 :4增加到1 :6時, 總氮去除率從22.56%增加到46.8%;COD去除率在各流量比下均在80%以上, 最高可達93.97%.

　　(3) 硝化反應器中AOB菌與NOB菌占總菌比例分別為5.1%和3.12%, 這與硝化反應器中較好的硝化效果相一致, 在微生物層面體現了CEM-UF組合膜富集氨氮分離有機物的優勢.反硝化反應器活性污泥中在屬水平上檢測到多種具有反硝化功能的微生物, 反硝化菌所占比例為25.91%, 對系統反硝化脫氮有一定的貢獻.(來源：環境科學 作者：邢金良)