Denitrification Performance of a Denitrifier-augmented Packed-bed Bioreactor with Solid Carbon Source

LU Ting, YANG Luhua, YANG Feifei, WU Weizhong†

College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871; † Corresponding author, E-mail: wzwu@pku.edu.cn

Abstract The authors investigated the bioaugmentation performances of a selected bacterial strain for denitrification in a packed bed bioreactor using PBS as solid carbon source. Fluorescence quantitative PCR was employed to analyze the microbial community composition in the bioreactor. Results indicated that the denitrifier named W14 could remarkably improve denitrification efficiency. At HRT of 0.5 h, nitrogen removal was found to be higher than 90% and the residual DOC of effluent was greatly reduced. Addition of selected denitrifiers led to an increase of nirs gene abundance and proportion, indicating that inoculation of selected bacterial strain could boost denitrifiers’ proliferation and enhance nitrogen removal eventually. Key words denitrifier; bioaugmentation; nitrogen removal; solid carbon source; packed bed bioreactor; fluorescence quantitative PCR

废水的生物强化处理技术指通过添加一种或多种高效的特定功能微生物来优化污水原有微生物群落结构, 提高降解菌群活性, 增加降解菌群数量,以期实现强化微生物群落降解目标污染物能力的目的[1]。通过向污水脱氮系统中投加高效硝化或反硝化菌, 能够有效地提高微生物菌群的硝化或反硝化性能, 进而提高脱氮效率[2–4]。分段式硝化–反硝化工艺是污水处理厂应用较为广泛的传统深度脱氮处理工艺, 如 A/O 和 A2/O

等[5–8], 但这些工艺的脱氮效率较低, 碳源不足是制约其反硝化处理效果的主要原因[9]。对于多数的污水, 碳源不足往往是由于在一级生化反应中消耗了过量的碳源造成的。此外, 在反硝化单元中也可能有大量非反硝化异养菌存在, 与反硝化菌产生碳源竞争, 进一步限制脱氮效率的提高。

针对内碳源不足的问题, 现有工艺多采用投加液体碳源的方式来补充碳源, 如甲醇、乙醇、乙酸等[10–12], 但这类工艺往往由于投加量控制困难而发 国家自然科学基金(51378021)和国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07102-002)资助收稿日期: 20160513; 修回日期: 20170505; 网络出版日期: 20170909

生出水水质波动及出水二次污染。为此, 有学者提出应用水不溶性可生物降解物质作为反硝化碳源的设想, 利用其仅能在微生物酶作用下得以分解利用的特点来避免外部碳源添加的缺陷, 这一工艺称为“固相反硝化” (solid phase denitrificaiton)[13]。近年来, 多种可生物降解聚合物(biodegradable polymers, BDPS)用于固相反硝化研究, 如 PCL, PBS, PLA, PHBV 和混合碳源等[14–18]。但是, 有研究表明, 使用 BDPS 作为固相碳源进行反硝化, 有可能发生出

[19]水有机物浓度过高的二次污染 。推测其主要原因是在反硝化系统中除反硝化菌外, 还存在大量消耗固相碳源的非反硝化异养菌, 使得碳源被过量分解, 从而导致残余有机物随出水流出。使用高效反硝化菌强化的固相反硝化系统, 有望提高反硝化菌数量和活性, 提高对有机碳源的有效利用并抑制非反硝化异养菌的生长, 从而避免以上问题的发生。本研究从实验室运行效果良好的反硝化生物滤池中分离出一株高效反硝化细菌, 富集培养后, 投入固相反硝化反应器系统, 探讨其生物强化脱氮效果及出水残余有机物水平, 并利用荧光定量 PCR技术, 对反应器内部微生物丰度变化进行研究, 揭示菌群结构与反应器处理效率之间的关系, 以期为深度脱氮工艺技术提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法1.1高效菌种来源

从实验室已有的长效稳定运行的多个固相碳源反硝化生物反应器中, 取固相碳源填料上的生物膜,分离、纯化、筛选出相对高效的反硝化菌株菌(W14),经初步鉴定为 Diaphorobacter 属, 其菌落形态为圆形, 表面光滑有光泽, 边缘整齐, 呈橘红色。

1.2 试验材料

模式碳源: 选择聚丁二酸丁二醇酯(PBS)作为模式固相碳源, 即反硝化固相碳源和生物膜载体。采购自安徽省安庆市和兴化工有限责任公司, 为直径 3 mm左右的椭圆球状体。高效菌剂是本研究实验室分离的反硝化菌种经富集培养后形成菌液, 与活性污泥按照不同体积比组合形式对固相碳源反硝化生物填充床进行投加强化。活性污泥取自北京市海淀区肖家河污水处理厂的二沉池。

模拟配水: 采用 NANO3 和 KH2PO4 配制而成,其中 NO3-N 浓度约为 15 mg/l, PO4-P 浓度约为 3 mg/l。

1.3 反硝化菌强化脱氮的摇床序批实验

在摇床序批实验中, 以 500 ml 锥形瓶为反应体系。在 500 ml 锥形瓶中加入 300 ml 人工配水溶液(最终浓度: NO3-N 为 50 mg/l, PO4-P 为 5 mg/l), 固体碳源 PBS 80 g。装置如图 1 所示。锥形瓶置于恒温振荡器反应器中, 在 25ºc, 100 rpm条件下反应, 每 24 小时换一次配水(配水浓度: NO3−-N 为 50 mg/l, PO4-P 为 5 mg/l)。

设置两组上述的反应体系, 接种来源如表 1 所示, 分别进行挂膜驯化, 每 24 小时测定一次溶液中NO3−-N 浓度, 当溶液中 NO3−-N 去除率在 90%以上, 并连续一周效果保持稳定时, 即认为挂膜成功。待反硝化效果稳定后, 进行动力学实验, 每两小时取一次样, 监测不同体系中硝酸盐氮浓度和DOC随时间的变化。

1.4 反硝化菌强化固相碳源的生物填充床试验

固相反硝化填充床试验装置如图 2 所示。填充床反应器由有机玻璃制成, 反应器主体为圆柱形,内径 50 mm, 高 500 mm。反应器中填充有固体碳源 PBS, 填充高度为 250 mm, 质量约 340 g。模拟的人工配水从配水箱经过蠕动泵泵入填充床底部,经过反应器处理的出水从填充床顶部流出。反应器置于水槽中, 恒温水浴控制温度为 25°C。

图 1 摇床序批实验装置示意图Fig. 1 Experimental setups of shaking incubator