工业水处理, 2021, 41(9): 129-134 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2020-1248

• 试验研究 •

改进型ABR处理硫酸铵废水及微生物群落的影响

孙佳成,1, 黄智,1,2, 谢颖1, 农佳佳1, 朱姝1, 罗嫒玲1, 宿程远1,2

1. 广西师范大学环境与资源学院, 广西桂林 541004

2. 珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室(广西师范大学), 广西桂林 541004

Effect of modified ABR on ammonium sulfate wastewater and microbial community

Sun Jiacheng,1, Huang Zhi,1,2, Xie Ying1, Nong Jiajia1, Zhu Shu1, Luo Ailing1, Su Chengyuan1,2

1. School of Environment and Resources, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China

2. Key Laboratory of Ecology of Rare and Endangered Species and Environmental Protection(Guangxi Normal University), Ministry of Education, Guilin 541004, China

通讯作者: 黄智, 博士, 教授。E-mail: 77466325@qq.com

收稿日期: 2021-07-20  

Received: 2021-07-20  

作者简介 About authors

孙佳成(1997-),硕士研究生电话:15577322598,E-mail:912617006@qq.com , E-mail：912617006@qq.com

Abstract

The improved ABR system was used to treat simulated ammonium sulfate wastewater. The influence of additional nitrite nitrogen source on the removal effect of NH4+-N and TN in sewage was investigated, and the changes of NH4+-N and TN in each chamber when n(NO2-): n(NH4+)=1:1 was analyzed. The results showed that the addition of nitrite could promote the removal of NH4+-N and TN in the improve ABR. When n(NO2-): n(NH4+)=1:1, the average removal rates of NH4+-N and TN reached the highest values of 55.74% and 69.16%, respectively. The ratios of TN and NH4+-N removal rates in four compartments were 55:5:16:7 and 3:2:11:19, respectively. The activities of nitrite reductase and hydroxylamine oxidase in each compartment under different conditions were determined. The results showed that when n(NO2-): n(NH4+) of influent water increased, the enzyme activities in each compartment also increased significantly. High-throughput analysis was performed on the sludge in each compartment when n(NO2-): n(NH4+)=1:1. According to the results, microorganisms of the genus of Enterobacter were found in compartment 1#, indicating that aerobic denitrification occurred in compartment 1#.

Keywords： improved ABR ; ammonium sulfate wastewater ; plus nitrate nitrogen ; microbial community analysis ; nitration and denitrification

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本文引用格式

孙佳成, 黄智, 谢颖, 农佳佳, 朱姝, 罗嫒玲, 宿程远. 改进型ABR处理硫酸铵废水及微生物群落的影响. 工业水处理[J], 2021, 41(9): 129-134 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-1248

Sun Jiacheng. Effect of modified ABR on ammonium sulfate wastewater and microbial community. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(9): 129-134 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-1248

近年来，随着矿业、化工、冶炼等产业的迅猛发展，大量的无机NH4+-N如硫酸铵等随废水被排放到水体中〔1〕。NH4+-N会引起江河湖泊水体的富营养化，有毒藻类爆发频率增加，导致水体中溶解氧含量过低，致使鱼类死亡，此外，NH4+-N被氧化生成硝态氮和亚硝态氮，饮用亚硝态氮污染的水会对人体产生危害〔2〕。生物脱氮技术被认为是一种高效、经济、环保的方法得以广泛运用〔3〕。但是对于高浓度无机NH4+-N废水，常规的厌氧、好氧方法对此类废水中NH4+-N的去除难以取得良好的效果〔4〕。

传统ABR反应器对NH4+-N的去除效果不理想，通常作为预处理工艺〔5〕，需结合其他工艺或者对传统ABR进行改进才能达到更高的NH4+-N去除率。改进型ABR系统的主要特点在于将ABR的第4隔室增加曝气以及回流口〔6〕，使其可以控制第4隔室的曝气时间以及曝气量并且向第1隔室回流，从而改变第1隔室内的氮形态分布。

本实验使用改进型ABR处理硫酸铵废水，并利用外加亚硝态氮改变进水的n（NO2-）∶n（NH4+），考察进水n（NO2-）∶n（NH4+）对于整体ABR去除NH4+-N、TN效果的影响，以及最优比值下各隔室的NH4+-N、TN变化分布。并对各隔室亚硝酸盐还原酶（NIR）和羟胺氧化酶（HAO）的活性进行测定，并通过高通量测序技术分析改进型ABR系统内各隔室的微生物群落分布。

1 实验部分

1.1 实验用水水质

以添加碳源后的离子型稀土开采废水为模拟配制废水，水质指标见表 1。

表1   改进型ABR系统进水条件

Table 1  Water inlet condition of modified ABR system

指标COD/（mg·L-1）NH4+-N/（mg·L-1）NO2--N/（mg·L-1）TN/（mg·L-1）pH
ABR进水1 300~1 700180~2200~220380~4007.5~8
使用药剂红糖硫酸铵亚硝酸钠——
离子型稀土开采废水60~80180~2200380~4004~6

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1.2 实验装置

改进型ABR反应器由有机玻璃材料自制而成，见图 1。

图1

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图1   改进型ABR装置

Fig.1   Modified ABR equipment setup


改进型ABR装置长105 cm，宽30 cm，高35 cm，反应器共有4个隔室，按进水方向对4个隔室分别命名为1#、2#、3#、4#隔室，前3个隔室规格均为25 cm×30 cm×35 cm，4#隔室规格为35 cm×30 cm×35 cm，总容积为115.5 L，其中有效容积为80 L。前3隔室上下流区宽之比约为5∶1，4#隔室上下流区宽之比约为7∶1。折流板导向角度为45°。在反应器前3隔室填入约8 cm高的厌氧污泥，厌氧污泥取自桂林某啤酒厂污水处理设施。在反应器中与两壁垂直方向均匀挂上填料，前3隔室中两填料之间间隔5 cm，4#隔室间隔8 cm，每个隔室布置9条填料，共36条，填料的作用在于增加了单位体积内的微生物量，减少了污泥流失，且增加了污泥龄，提高了硝化和反硝化菌的含量。4#隔室设置供气泵，反应器温度保持在34~36 ℃。

1.3 实验方法

通过人工模拟配制硫酸铵废水，改进型ABR装置的运行条件见表 2。

表2   改进型ABR装置的运行条件

Table 2  Different operating conditions of modified ABR

指标COD/（mg·L-1）n（NO2-）∶n（NH4+）
条件11 300~1 7000∶1
条件21 300~1 7001∶0.5
条件31 300~1 7001∶1

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控制水力停留时间为36 h，4#隔室溶解氧控制在3~4 mg/L，定时在各隔室取水进行NH4+-N、TN分析。

1.4 分析方法

水样COD测定采用重铬酸钾滴定法，NH4+-N测定采用纳氏试剂分光光度法，TN测定采用紫外分光光度法。

在每一条件周期结束后，从1#、2#、3#污泥取样口取样，从4#隔室取填料附着的污泥进行NIR和HAO的活性测定。NIR的测定参照文献〔7〕，测定反应前后NO2--N的浓度，以NO2--N的增长量来表示NIR活性。HAO的测定参照文献〔8〕，在400 nm处测定吸光度。

当在COD为1 500 mg/L，NH4+-N为200 mg/L，n（NO2-）∶n（NH4+）为1∶1的条件下运行稳定后，分别从1#、2#、3#污泥取样口取样，从4#隔室取填料附着的污泥进行宏基因组微生物分类测序，污泥微生态高通量测序及分析工作由生工生物工程（上海）股份有限公司完成，扩增区域为V3~V4，扩增序列为341F（CCTACGGGNGGCWGCAG）和805R（GACTACHV-GGGTATCTAATCC），测序平台为Miseq 2×300 bp。

2 结果与讨论

2.1 n（NO2-）∶n（NH4+）对改进型ABR中污染物去除的影响

在污泥驯化阶段控制进水COD为1 500 mg/L左右；控制NH4+-N为200 mg/L左右培养驯化16 d。16 d后出水COD在150~200 mg/L范围内，整体去除率在85%左右，NH4+-N整体去除率达到稳定。

考察不同n（NO2-）∶n（NH4+）对COD、NH4+-N、TN去除效果的影响，结果见图 2。

图2

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图2   不同n（NO2-）∶n（NH4+）对污染物去除的影响

Fig.2   Effects of different n(NO2-)∶n(NH4+) on pollutant removal


由图 2可知，在不同的n（NO2-）∶n（NH4+）下，COD去除率没有明显差别，整体去除率都在85%左右，这表明进水的n（NO2-）∶n（NH4+）对COD的去除效率影响较小。当n（NO2-）∶n（NH4+）为0∶1时，NH4+-N平均去除率为15.81%，TN平均去除率为13.54%；当n（NO2-）∶n（NH4+）提高至0.5∶1后，NH4+-N平均去除率提升至27.08%，TN平均去除率提升至39.44%；在n（NO2-）∶n（NH4+）达到1∶1后，NH4+-N和TN的平均去除率达到最高，分别为55.74%和69.16%。实验表明，进水的n（NO2-）∶n（NH4+）会影响改进型ABR整体的NH4+-N和TN的去除率。推测原因可能是在改进型ABR的某个隔室中发生了厌氧氨氧化，从而提升了整体的NH4+-N和TN的去除率。

对n（NO2-）∶n（NH4+）为1∶1时的改进型ABR各隔室出水的NH4+-N和TN进行分析，结果见图 3。

图3

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图3   n（NO2-）∶n（NH4+）为1∶1时各隔室NH4+-N、TN的变化情况

Fig.3   When n(NO2-)∶n(NH4+) was 1∶1, the changes of ammonia nitrogen and total nitrogen in each compartment


由图 3可知，在1#隔室中，进水TN为400 mg/L左右，出水TN降低到将近200 mg/L。但是在1#隔室中，NH4+-N只有小幅度的去除，因此可以推测在1#隔室中发生了反硝化，从而达到TN的去除。在3#隔室中的NH4+-N有大幅度降低，平均NH4+-N由170 mg/L下降到130 mg/L。3#隔室为厌氧隔室，NH4+-N无法通过好氧硝化去除，从而推测3#隔室中发生了厌氧氨氧化。TN在3#隔室中也有明显的小幅度去除。4#隔室是好氧曝气隔室，NH4+-N通过好氧硝化去除。各隔室TN与NH4+-N的去除率之比分别约为55∶5∶16∶7和3∶2∶11∶19。

2.2 改进型ABR系统的酶活性分析

将进水NH4+-N控制在200 mg/L左右，不同n（NO2-）∶n（NH4+）（0∶1、0.5∶1和1∶1）条件下，在各周期运行稳定后，在改进型ABR的各个隔室的污泥取样口提取样品进行NIR、HAO活性测定，分析酶与污染物去除机制的联系，结果见图 4。

图4

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图4   各隔室内的酶活性

Fig.4   Enzyme activity in each compartment


由图 4可知，NIR是一类能将亚硝酸盐还原为NO或NH3的酶〔9〕。因为NIR需在无氧环境中才能将亚硝酸盐降解为NO或NH3，所以所有条件下的4#隔室中NIR活性都偏低。3个条件下的1#隔室中NIR活性随着n（NO2-）∶n（NH4+）的增大而增大，条件3下的1#隔室中NIR活性达到最高。这也可以解释在条件3下1#隔室中的TN平均去除率为54.92%的原因，说明在条件3下的1#隔室中发生了反硝化，从而达到了TN的去除。

HAO是催化羟胺转化成亚硝酸盐的酶，能将NO2-与NH2OH转化成N2O〔10〕。由于HAO是一种在好氧环境下作用的酶，所有条件下的前3个隔室中HAO的活性相差不多，而各条件下4#隔室中HAO的活性都处于高含量的水平。其中条件3下的4#隔室内HAO的活性最高，宏观表现为4#隔室中的NH4+-N大幅度降低。

整体来看，在提高n（NO2-）∶n（NH4+）后，改进型ABR中的各酶活性均有提升。表明在提高n（NO2-）∶n（NH4+）后，改进型ABR中的微生物在更多的污染物刺激下活性增加。所带来的宏观表现为在提高n（NO2-）∶n（NH4+）后，改进型ABR的NH4+-N和TN的去除率均有提高，但是目前并不清楚改进型ABR进水的最优n（NO2-）∶n（NH4+），这个问题有待研究。

2.3 微生物群落分布情况分析

改进型ABR系统在门水平上的微生物群落分布情况见图 5。

图5

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图5   门水平上各隔室中微生物群落分布情况

Fig.5   Distribution of microbial communities in different compartments at phylum level


由图 5可知，在改进型ABR系统中各样品间以变形菌门（Proteobacteria）、嗜热丝菌门（Caldiserica）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、广古菌门（Euryarchaeota）等的差异性较为显著，其中变形菌门在4#隔室中为优势菌种，丰度达到59.64%。嗜热丝菌门在1#和2#隔室中的丰度分别为45.90%和55.97%，在1#、2#隔室中为优势菌种，在3#、4#隔室中丰度明显下降；广古菌门在3#隔室中为优势菌种丰度为33.39%。

1#隔室中较优势的门类有拟杆菌门（16.05%）、厚壁菌门（Firmicutes）（9.93%）、放线菌门（Actino-bacteria）（6.37%）和变形菌门（6.16%）；2#隔室中较优势的门类有变形菌门（8.25%）、拟杆菌门（7.27%）、厚壁菌门（7.31%）等；3#隔室中较优势的门类有绿弯菌门（Chloroflexi）（13.88%）、变形菌门（11.41%）、厚壁菌门（9.52%）、浮霉菌门（Planctomycetes）（4.75%）和互养菌门（Synergistetes）（5.03%）等；4#中较优势的门类有拟杆菌门（14.31%）、绿弯菌门（10.04%）和浮霉菌门（5.92%）等。

变形菌门是细菌中最大的一门，包括许多可以进行固氮的细菌，运行稳定后在1#、2#、3#、4#隔室中的变形菌门丰度依次升高，在4#隔室中达到最高，说明在该隔室变形菌门起到重要作用〔11〕。H. Kim等〔12〕发现嗜热丝菌门能够在低pH废水的SMFC发电中起到重要贡献，而在1#、2#隔室中丰度最大，在3#、4#隔室中丰度明显减小，说明嗜热丝菌门受废水pH影响较大。广古菌门包含大多数种类的古菌，包括一些能在高盐废水中生活的好氧和厌氧产甲烷菌〔13〕，并且在3#隔室中发现广古菌门的丰度明显高于其他隔室，说明在3#隔室中广古菌门对产甲烷起到了重要作用。浮霉菌门中有一类厌氧氨氧化菌能够在缺氧环境下利用NO2-氧化NH4+生成氮气，是厌氧氨氧化过程中重要的细菌〔14-15〕，在3#、4#隔室中发现丰度较高的浮霉菌门，说明系统中存在厌氧氨氧化过程。

改进型ABR系统在属水平上的微生物群落分布情况见图 6。

图6

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图6   属水平上各隔室中微生物群落分布情况

Fig.6   Distribution of microbial community in each compartment at genus level


由图 6可知，1#隔室中属水平优势菌属有未分类菌属（30.05%）、Caldisericum属（45.90%）、Olse-nella欧氏菌属（5.21%）和Enterobacter脱硫弧菌（4.49%）等；2#隔室中属水平优势菌属有未分类菌属（24.51%）、Caldisericum属（55.97%）、脱硫弧菌（2.25%）和Treponema密螺旋体属（1.54%）等；3#隔室中属水平上丰度较高的菌属有未分类菌属（35.8%）、Caldisericum属（3.24%）、Methanothrix甲烷丝菌属（32.84%）、脱硫弧菌（2.37%）、Longilinea长绳菌属（2.1%）和Zavarzinella属（3.05%）等；4#隔室中属水平优势菌属有未分类菌属（30.18%）、Otto-wia属（16.82%）、Longilinea长绳菌属（5.19%）、Rho-dobacter红细菌属（6.23%）和Petrimonas产氢产乙酸菌属（3.33%）等。

其中3#隔室中的甲烷丝菌属丰度明显高于其他隔室，甲烷丝菌属是一种极端严格厌氧细菌，分解乙酸，氨是唯一氮源，硫化物可作为硫源〔16〕，而2#隔室与3#隔室之间NH4+-N的浓度差正好说明3#隔室为产甲烷的主要场所。脱硫弧菌属在碳硫循环中起到重要作用〔17〕，在1#、2#、3#隔室中的丰度分布均匀，侧面反映出改进型ABR对COD的良好去除率。4#隔室是一个好氧隔室，该隔室中有一些特有的且丰度较高的菌属如Ottowia属，Ottowia属曾经在处理工业废水的反应器中被发现，该属细菌被认为与脱氮有关，并且是一种重要的水解细菌〔18〕。T. Yama-da等〔19〕发现长绳菌属是严格厌氧的丝状细菌，而红细菌属可利用硫化氢作电子受体和多种有机化合物作为碳源在厌氧条件下进行自养生长〔20〕，产氢产乙酸菌属有厌氧发酵产氢的能力〔21〕。Enterobacter脱硫弧菌是一种好氧反硝化菌属〔22〕，在1#隔室中丰度占比最高为4.49%。而在1#隔室中，由于首先接触进水，隔室内的溶解氧含量无法达到厌氧条件，而TN浓度降低幅度较大，说明1#隔室中发生了反硝化作用。

3 结论

（1）外加亚硝态氮源对改进型ABR装置的NH4+-N和TN去除有促进作用，在n（NO2-）∶n（NH4+）达到1∶1后，NH4+-N和TN的平均去除率最高，分别为55.74%和69.16%。各隔室TN和NH4+-N的去除率之比分别约为55∶5∶16∶7和3∶2∶11∶19。

（2）从酶活性实验整体来看，在提高n（NO2-）∶ n（NH4+）后，改进型ABR装置中的各酶活性均有提升，表现为NH4+-N和TN的去除率均有提高。在n（NO2-）∶n（NH4+）为1∶1的1#隔室中NIR活性达到最高。在改进型ABR装置处理硫酸铵废水中，氮的去除途径有可能为常规反硝化和厌氧氨氧化的共同作用。

（3）n（NO2-）∶n（NH4+）为1∶1运行稳定后，门水平上，各样品间变形菌门（Proteobacteria）、嗜热丝菌门（Caldiserica）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、广古菌门（Euryarchaeota）等的差异性较为显著。属水平优势菌种主要为Caldisericum属、Olsenella欧氏菌属、Desulfovibrio脱硫弧菌等。其中在1#隔室中发现Enterobacter属的好氧反硝化菌属，说明1#隔室中发生了好氧反硝化作用。

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