填料負(fù)載微生物去除黑臭水體中氨氮的研究

填料負(fù)載微生物去除黑臭水體中氨氮的研究

1微生物載體的選擇消除黑市，是解決污染控制和戰(zhàn)爭的關(guān)鍵任務(wù)。氨氮濃度是城市河流中黑市水體修復(fù)工程中必須考慮的主要指標(biāo)之一。在生物膜法實際應(yīng)用于黑臭水體修復(fù)工程的過程中，投加的生物菌劑存在初期難以存活的問題，且菌劑容易隨著水流而大量流失.因此，選擇合適的菌種和微生物載體是提高生物膜法修復(fù)城市河道黑臭水體效果的關(guān)鍵.目前，常用的微生物附著填料包括有機(jī)軟性填料和無機(jī)硬性填料兩類，如中空纖維膜、活性炭及沸石等（基于此，本研究選取典型有機(jī)填料聚丙烯纖維和無機(jī)填料沸石，通過系統(tǒng)考察不同來源微生物在有機(jī)和無機(jī)兩類填料上的成膜特征及對氨氮去除效果的影響，研究不同微生物載體在負(fù)載微生物及去除氨氮效果方面的差異，探討利用生物膜法去除氨氮的最適條件及氨氮去除機(jī)制，以期為黑臭水體中氨氮去除提供技術(shù)參考.2材料和方法表面活性劑2.1硝化菌活化培養(yǎng)試驗用活性污泥取自松東污水處理廠二沉池，將其悶曝24h后，進(jìn)行人工馴化培養(yǎng).馴化條件：曝氣20h·d將市售硝化菌液與滅菌后的硝化菌活化培養(yǎng)基混合，硝化菌活化培養(yǎng)基組分為：葡萄糖5g·L2.2載菌填料的生物活性及氨氮降解能力通過上述方法對粒徑75μm的沸石進(jìn)行掛膜，每天取樣將其置于105℃的恒溫干燥箱中烘干、冷卻和稱重，計算所負(fù)載微生物的干重，結(jié)果以g·g分別將長12mm、直徑31μm的絲狀聚丙烯纖維、粒徑1mm的沸石和粒徑75μm的沸石3種載體與馴化完成的活性污泥均勻混合（載體質(zhì)量（g）與污泥體積（mL）比為1∶2）.微曝氣條件下培養(yǎng)，觀察到載體表面出現(xiàn)膜狀物，12d后掛膜完成.3種不同填料掛膜完成后，分別取8g上述載菌填料對1L模擬廢水進(jìn)行處理，每12h取樣檢測模擬廢水中的氨氮及溶解氧.模擬廢水組分為：（NH式中，OUR為單位質(zhì)量的載菌沸石單位時間內(nèi)的耗氧量（mg·g2.3填料載體對氨氮去除的最優(yōu)控制為探究pH對不同填料生物膜去除氨氮的影響，設(shè)置兩個實驗組，分別取8g載菌聚丙烯纖維及粒徑1mm載菌沸石對1L模擬廢水進(jìn)行處理，設(shè)置模擬廢水的初始pH值分別為5、6、7、8和9,72h后取樣檢測其對模擬廢水氨氮的去除效果.為考察填料載菌前后對氨氮去除效果的差異，設(shè)置兩個實驗組，分別取8g載菌前后的聚丙烯纖維及粒徑1mm沸石填料對1L模擬廢水進(jìn)行處理，每12h取樣，計算兩種載體對氨氮的吸附作用在氨氮去除中所占的比重.在最適pH條件下，以馴化后的活性污泥為微生物來源，采用容量為65L的亞克力定制反應(yīng)器（尺寸為50cm×36cm×36cm）進(jìn)行中試試驗.在之前的研究中，本課題組已經(jīng)確定了最優(yōu)載菌填料投加量為12g·L2.4分析項目和方法NH3結(jié)果和討論結(jié)果的安卓系統(tǒng)3.1不同源微生物的沸騰石載體特征3.1.1接種比對od表現(xiàn)的影響不同接種體積比的硝化菌生長曲線如圖1a所示.在0～24h內(nèi)，實驗組A、B和C的OD當(dāng)接種比為1∶10時，由于接種量少，細(xì)菌繁殖的基數(shù)最低，導(dǎo)致細(xì)菌總量最低；而當(dāng)接種比為1∶3時，接種的菌液過多，導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)相對不足.硝化菌生長曲線表明，市售硝化菌液活化的最適接種比為1∶6，由此確定后續(xù)實驗硝化菌活化接種比為1∶6.3.1.2不同負(fù)載填料的微生物密度使用經(jīng)活性污泥馴化的菌劑及活化后的市售硝化菌液進(jìn)行填料掛膜，掛膜后填料生物量變化如圖1b所示.活性污泥組所負(fù)載生物量顯著高于市售硝化菌液組，原因在于活性污泥中的微生物密度顯著高于市售硝化菌液，這導(dǎo)致單位面積的載體所接觸的微生物量更高.當(dāng)負(fù)載時間超過10d后，載體表面微生物數(shù)量逐漸積累至較高水平，局部可利用營養(yǎng)物質(zhì)減少，同時生物膜內(nèi)部微生物可利用氧含量降低，生物膜內(nèi)部微生物逐漸由好氧菌向厭氧菌轉(zhuǎn)化，附著能力減弱，導(dǎo)致生物膜脫落的速率不斷增加.其中，活性污泥組填料所負(fù)載生物量在12d后達(dá)0.36g·g3.1.3呼吸活性的測定為深入探究兩種不同填料上微生物的生長情況，取粒徑75μm載菌沸石進(jìn)行呼吸活性的測定.為保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免溶解氧濃度過低對微生物代謝活動的影響，取DO濃度高于0.2mg·L3.1.4不同來源微生物的氨氮去除效果比較活性污泥組及市售硝化菌液組在沸石上掛膜后對氨氮的去除效果如圖2b所示.在0～24h內(nèi)，氨氮去除率相差不大.此階段主要為沸石吸附階段，沸石對氨氮的吸附作用使得模擬廢水中氨氮濃度降低.在24～72h階段，沸石所負(fù)載的微生物逐漸開始發(fā)揮生物降解作用，隨著反應(yīng)時間的增加，對氨氮去除有了顯著且持續(xù)的效果.在此階段中，活性污泥組的氨氮去除效果顯著優(yōu)于市售硝化菌液組，原因在于市售硝化菌液組由于負(fù)載生物量較少、生物活性不足，氨氮去除效果較差.經(jīng)過72h的處理后，兩者對模擬廢水中氨氮的去除率分別為52.4%及42.1%.研究表明，活性污泥用于沸石掛膜對氨氮去除效果更佳.3.2不同填充生物膜的氨基氮模擬3.2.1不同粒徑載菌沸石對總氮去除效果的影響不同填料生物膜反應(yīng)器中亞硝氮積累量如圖3a所示.載菌聚丙烯纖維實驗組的亞硝氮濃度在24h后達(dá)最高值0.22mg·L在完成硝化反應(yīng)后存在著硝氮的積累，其濃度變化如圖3b所示.在0～48h內(nèi)，所有實驗組的硝氮濃度均呈上升趨勢，在此期間，粒徑75μm載菌沸石實驗組的硝氮濃度最高達(dá)1.75mg·L總氮濃度變化如圖3c所示，實驗組總氮濃度均呈下降趨勢，72h后，載菌聚丙烯纖維及粒徑1mm載菌沸石實驗組的總氮去除率分別為56.1%及48.3%，而粒徑為75μm載菌沸石實驗組的總氮去除率僅為30.7%.實驗表明，相對于粒徑75μm載菌沸石，載菌聚丙烯纖維及粒徑1mm載菌沸石具有更顯著的脫氮效果.生物膜法脫氮遵循硝化-反硝化機(jī)制，對亞硝化菌及硝化菌等好氧菌供氧不足會導(dǎo)致硝化反應(yīng)難以進(jìn)行.因此，填料的透氣性對氨氮去除效果有著顯著影響，過小的粒徑會降低載體間的透氣性，阻礙氧的傳質(zhì)作用，不利于填料上好氧硝化細(xì)菌的生長（微生物在不同的填料上成膜能力不同（3.2.2ph值對游離氨去除的影響生物膜中的微生物，尤其是硝化菌，需要在適合的pH值下才能更好地保持活性（硝化反應(yīng)需要消耗堿量，酸性環(huán)境會導(dǎo)致堿不足，從而抑制硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行，導(dǎo)致氨氮去除率較低.隨著pH值的升高，水體中游離氨濃度也在升高，對氨氧化過程所需的氨單加氧酶活性有促進(jìn)作用（3.2.3填料吸附對比試驗結(jié)果1mm沸石與聚丙烯纖維對氨氮的吸附作用在氨氮去除中的占比見圖5，聚丙烯纖維實驗組通過吸附作用去除的氨氮占比僅為9.3%，其對氨氮的去除主要為生物降解，而在粒徑1mm沸石實驗組中吸附作用的占比達(dá)到了43.2%.實驗表明，相較于聚丙烯纖維，沸石具有更好的吸附性能，但以聚丙烯纖維為填料在發(fā)揮物理吸附作用的同時，更有利于發(fā)揮微生物的降解作用，加強(qiáng)氨氮的降解.填料表面不僅能吸附一定量的氨氮，對水體溶解氧也有一定的吸附作用，可為微生物的硝化反應(yīng)提供有利條件.同時，載體表面所吸附的氨氮被降解后可被再次吸附，吸附作用與生物降解作用的結(jié)合使得氨氮處理效果顯著提高，使得水體氨氮不斷得到去除（3.3試驗實驗3.3.1氨基氮去除效果顯著通過前面的研究，確定以活性污泥為微生物來源，利用聚丙烯纖維和1mm沸石為填料進(jìn)行中試實驗（3.3.2亞硝態(tài)濃度變化亞硝氮濃度變化如圖6b所示，實驗組中亞硝氮濃度先升高后降低，其中，載菌聚丙烯纖維實驗組的亞硝氮濃度在處理36h后達(dá)到最高值0.20mg·L3.3.3硝態(tài)氮含量的變化模擬廢水硝氮濃度及pH值變化如圖6c所示.氨氮的降解過程伴隨著硝氮的積累，其中，載菌聚丙烯纖維實驗組的硝氮積累量最高達(dá)到1.89mg·L3.3.4COD模擬廢水COD3.4不同載體生物膜微生物群落差異圖7反映了兩個樣品在門水平上微生物的多樣性及發(fā)育水平.兩個樣品的微生物分屬于11個門水平，載菌聚丙烯纖維組豐度最高的門單元為放線菌門Actinobacteria(40.8%），其它大于1%的門單元有變形菌門Proteobacteria(24.5%）、綠彎菌門Chloroflexi(10.7%）、酸桿菌門Acidobacteria(6.8%）、厚壁菌門Firmicutes(4.8%）、糖菌Saccharibacteria(3.1%）、擬桿菌Bacteroidetes(2.8%）、浮霉菌門Planctomycetes(1.7%）、芽單胞菌門Gemmatimonadetes(1.6%）；粒徑1mm載菌沸石組豐度最高的門單元為變形菌門Proteobacteria(36.4%），其它豐度大于1%的門單元有綠彎菌門Chloroflexi(17.4%）、厚壁菌門Firmicutes(10.9%）、擬桿菌類Bacteroidetes(10.0%）、放線菌門Actinobacteria(6.8%）、酸桿菌門Acidobacteria(4.6%）、糖菌Saccharibacteria(3.3%）、芽單胞菌門Gemmatimonadetes(3.1%）、浮霉菌門Planctomycetes(1.6%）、硝化螺旋菌門Nitrospirae(1.4%）、綠菌門Chlorobi(1.2%).其中，變形菌門在兩種載體上的豐度都超過24%.該菌門下包含大量具有硝化及反硝化作用的細(xì)菌，對水體的脫氮效果起重要作用（為深入探究微生物代謝活動，對樣品在屬水平上進(jìn)行統(tǒng)計，通過物種豐富度熱圖，呈現(xiàn)微生物群落的物種組成信息.豐度最高的前50個物種見圖7b，載菌聚丙烯纖維組可檢測出豐度高于3%的菌屬包括節(jié)桿菌屬Paenarthrobacter(32.6%）、芽孢桿菌屬Bacillus(3.3%）；粒徑1mm沸石組可檢測出豐度高于3%的菌屬包括芽孢桿菌屬Bacillus(10.0%）、弗格斯氏菌屬Vogesella(7.3%）.其中，兩種載體上都負(fù)載有芽孢桿菌屬，此菌屬為異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌，可同時起到硝化反硝化作用（4聚丙纖維載體生物膜微生物群落分析1）不同來源的微生物對載體上生物膜的特征及氨氮處理效果有顯著影響.將馴化后的活性污泥為菌劑用于載體掛膜，掛膜后的生物量為0.36g·g2）本研究中，相較于沸石，聚丙烯纖維具有更好的生物親和性.當(dāng)以聚丙纖維為載體，在pH=8、溶度為12g·L3）不同載體生物膜負(fù)載的微生物群落存在較大差異，載菌聚丙烯纖維上的物種豐富度及分布均