废水同步脱硫脱氮关键工艺研究

1 引言(Introduction)

近年来，随着工业的发展，大量富含硫的废水随之产生.如炼油、制药、制革、垃圾渗滤液等废水，在厌氧处理过程中产生大量有毒含硫副产物.因这些含硫废水对水体生物具有高毒性，对设备管道具有强腐蚀性，及易散发恶臭气体H2S等因素，因此，必须在排放前进行有效的脱硫处理.目前市场应用的主要的脱硫方法是物理化学法，但反应条件高、需要加入催化剂，而且还会腐蚀管道设备及产生二次污染等缺点, 正严重限制它的使用.与传统的物理化学方法相比，生物法具有去除效率高，工艺设备简单，管理维护方便，运行费用低，二次污染少，可生成单质硫回收矿质资源等优点，因而正逐渐成为研究热门.生物脱硫法主要分为好氧脱硫和厌氧脱硫.好氧脱硫是利用O2作为电子受体，将硫化物氧化成单质硫或硫酸盐.但这种方法能耗高，反应产物不易控制.厌氧脱硫主要是指利用NOx--N作为电子受体，将硫化物氧化成单质硫或硫酸盐.厌氧脱硫法反应条件温和，耗能少而且可以达到以废治废的目的，从而实现废水脱硫、单质硫的回收利用.而且NOx--N作为一种水体污染物来源广泛，如氮肥厂废水、废水处理厂废水和沼气站废水中.长期接触受NOx--N污染的自来水将严重威胁人类的身体健康，特别是孕妇和婴幼儿.它能引发胃癌，高铁血红蛋白症和霍奇全淋巴癌等疾病.因此，将废水脱硫、脱氮耦联起来，以废水中硫化物为电子供体，硝酸盐为电子受体，同步实现废水脱硫耦联反硝化脱氮反应(SDD)，实现污染治理的目的，为含硫含氮废水治理提供了一个很好的思路.具体实现方式如方程(1)(2)所示.

(1)

(2)

实现SDD关键性因素包括温度、pH值、填料、S/N比等.通过反应方程式(1)、(2)可知，当NO3-含量被限制时，S2-仅仅被氧化成S0.而当NO3-含量充足时，S2-完全被氧化成SO42-.这意味着S/N摩尔比是控制副产物种类的关键性因素.填料作为微生物生存的载体，它能提高微生物与废水有效接触面，对SDD过程起着很重要的影响.而且，填料的经济性对控制工程成本也至关重要.因此，本文的研究重点主要是构建SDD反应器，并研究填料、进水S/N摩尔比对SDD过程的影响.借助SEM扫描电镜和16S rRNA高通量测序技术研究构建的反应器中微生物群落结构特征.

2 材料与方法(Materials and methods)

2.1 反应器的搭建

反应器为自行设计的生物滴滤塔，4组反应器结构均相同，由有机玻璃加工而成.反应器呈圆柱形，直径120 mm，总高度1500 mm，填料层高度1200 mm，有效容积13.5 L.装置设置在恒温(28±2) ℃环境中.通过蠕动泵(Longer Pump BT 300-2J)进行水循环，循环液流量通过玻璃转子流量计(LZB-10F)精密控制.排气口通过水封进行密封.实验装置如图 1所示.

图 1 实验装置示意图 (1.排水口;2.止回阀;3.循环泵;4.玻璃转子流量计;5.筛板;6.排气口;7.布液器;8.取样口;9.检测器;10.水封)

2.2 接种物及挂膜培养

接种物来源于市政废水处理厂二沉池回流活性泥及沼气池中沼液.挂膜前期将聚氨酯泡沫填料、多面空心球填料、鲍尔环填料分别放入含接种物和基础培养基的厌氧容器中进行预挂膜培养，恒温(28±2) ℃.当培养基中NO3--N去除80%时重新更换培养基，待NO3--N去除率稳定，将经挂膜培养的填料不规则放入实验组B、C、D反应器中，加入8 L基础培养基进一步强化挂膜，强化挂膜期15~20 d.设置滴滤速0.3~0.5 L˙min-1，维持室温(28±2) ℃.

挂膜培养时使用的基础培养基成分g˙L-1：Na2S2O3˙5H2O 5，KNO3 4，KH2PO4 2，NaHCO3 1，MgCl2˙6H2O 0.5，FeSO4˙7H2O 0.01，微量元素1 mL˙L-1.用1 mol˙L-1 NaOH溶液调pH至7.5.为更好的模拟实际处理情况，使用自来水定容至1 L.而进行正式实验时使用Na2S˙9H2O代替Na2S2O3˙5H2O.其中微量元素浓缩液组成(g˙L-1)：EDTA (0.5)，FeSO4˙7H2O(0.2)，微量元素SL-6(100 mL).微量元素SL-6:ZnSO4˙7H2O(0.1)，MnCl2˙4H2O(0.03)，H3BO3(0.3)，CoCl2˙6H2O(0.2)，CuCl2˙2H2O(0.01)，NiCl2˙6H2O(0.02)，Na2MoO4˙H2O(0.03).2.3 实验方法

本实验为序批式实验，设置3个实验组和1个对照组，共4组厌氧滴滤塔反应器.实验以填料、进水S/N摩尔比为变量，研究在不同填料、不同进水S/N摩尔比条件下SDD完整过程.考虑S2-对微生物有一定毒害作用，实验选择由低S2-浓度到高S2-浓度4个阶段进行培养.当每组S/N摩尔比实验完成后，泄空4组滴滤塔中废水，泵入下一组S/N摩尔比废水进行重新实验，监测SDD过程中pH，ORP、S2-、SO42-、NO3--N和NO2--N离子浓度的变化.对照组填料在实验前取出并煮沸灭菌，以消除生物因素的干扰.具体实验安排见表 1.

表 1 实验安排

本实验根据填料选择的一般原则(何坚等, 2003)及相关研究成果，选出了比表面积大，孔隙率高的3种无机填料进行了实验.其中，3种填料的相关参数如表 2所示.

表 2 不同填料参数

2.4 分析方法

硝酸盐:紫外分光光度法;亚硝酸盐：N-(1-萘基)-乙二胺光度法;硫化物：HACH sulfide 1和sulfide 2法;硫酸盐：HACH sulfaver 4法;pH：METTLER FE28型酸度计;ORP：陆恒ORP计.

采用扫描电子显微镜对反应器中污泥表面细菌形态进行分析，污泥微生物形态采用FA固定液固定，乙醇溶液梯度脱水(Obaja et al., 2003)，美国产2424-SPI型临界点干燥仪干燥和日产IB-Ⅲ型溅射仪喷金等预处理, 然后在VEGA TS5136XM扫描电子显微镜下观察、照相.

使用MO-BIO土壤DNA提取试剂盒(MO-BIO PowerSoil © DNA Isolation Kit Components, American，12888-50)提取样本中的基因组DNA.DNA浓度和质量均使用NanoDrop1000分光光度计测定(ThermoFisher，USA).将提取的DNA稀释至10 μg˙μL-1，并储存在-80 ℃用于下游使用.

将提取的DNA进行纯化后进行PCR扩增，引物为515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′)-926R(5′-CCGTCAATTCMTTTGAGTTT-3′).为减小PCR偏差，每个样本进行3个重复，并将同一样本的PCR产物合并.使用OMEGA胶回收试剂盒切胶回收PCR产物，TE缓冲液洗脱回收目标DNA片段.将PCR回收产物用Qubit 2.0(ThermoFisher公司)或GE NanoVue系统(GE Healthcare公司)进行检测定量.文库构建使用Illumina公司TruSeq DNA PCR-Free Sample Prep Kit.测序试剂盒使用Illumina公司Hiseq Rapid SBS Kit v2.双端测序得到的PE reads首先使用FLASH3进行拼接，同时对序列质量进行质控，在去除低质量碱基及接头污染序列等操作过程后完成数据过滤，得到可供后续分析的高质量目标序列.