不同粒径零价铁对微氧脱氮系统的影响

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0317

摘要/Abstract

摘要：

构建了部分硝化反硝化厌氧氨氧化（SNAD）微氧体系，并定期向体系内投加120 mg不同粒径的零价铁（ZVI），从反应器运行情况、微生物性能以及群落结构来探究不同粒径ZVI对微氧系统的影响。研究结果表明，在50 nm粒径ZVI（50 nZVI）的介导下，系统的TIN去除率最终稳定在83.591%，电子传递活性（ETSA）是接种污泥的1.48倍，均高于其他粒径ZVI的影响。越小粒径ZVI越能促进胞外聚合物的产生，有利于活性污泥结构稳定。这都源于粒径越小的ZVI更容易被微生物吸附、利用。微生物群落结构与功能分析结果表明，在粒径越小的ZVI介导下的微生物群落多样性越高，群落结构也越复杂。ZVI介导会促进对氧需求不敏感的微生物的富集，样品中主要检测出Candidatus_Brocadia和Candidatus_Kuenenia两种厌氧氨氧化菌（AnAOB），且在50 nZVI影响下丰度最高，分别为4.650%和0.692%。nZVI介导下，AnAOB与Gemmobacter和norank_f_Comamonadaceae两种兼性厌氧型反硝化菌共同作用构成SNAD的脱氮途径。而在mZVI介导下，兼性厌氧型反硝化为主要脱氮途径。

关键词: 微氧, 部分硝化反硝化厌氧氨氧化系统, 零价铁, 电子传递活性, 生物脱氮

Abstract:

A simultaneous partial nitrification, anammox and denitrification(SNAD) micro-aerobic system was constructed. The effects of different particle sizes of ZVI on the micro-aerobic system were investigated from the aspects of operation, microbial performance and community structure by adding 120 mg of zero-valent iron(ZVI) into the system. The results showed that the TIN removal rate of the system stabilized at 83.591% and the electron transport system activity(ETSA) was 1.48 times of the inoculated sludge under the domestication of ZVI with a partical size of 50 nm (50 nZVI), which was higher than the influence of other particle sizes of ZVI. The smaller the particle size, the more production of extracellular polymers promoted by ZVI, the more stable of the activated sludge structure. This was due to the fact that ZVI of smaller particle size was more easily adsorbed and utilized by microorganisms. The results of microbial community analysis showed that the smaller the particle size, the higher the diversity of the microbial community mediated by ZVI, and the more complex the community structure. ZVI mediation promoted the enrichment of microorganisms that were not sensitive to oxygen demand. Candidatus_Brocadia and Candidatus_Kuenenia, two kinds of AnAOB were the main bacteria detected in the samples with the highest abundance of 4.650% and 0.692% under the influence of 50 nZVI. Under nZVI, AnAOB acted together with two facultatively anaerobic denitrifying bacteria, Gemmobacter and norank_f_Comamonadaceae, which constituted the denitrification pathway of SNAD. In contrast, facultatively anaerobic denitrification was the main denitrification pathway mediated by mZVI.

Key words: micro-aerobic, simultaneous partial nitrification anammox and denitrification, zero-valent iron, electron transport system activity, biological denitrification

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I4/84

图/表 14

表1 主要仪器设备

Table 1 Main instruments and equipments

仪器名称	型号	生产厂商
紫外分光光度计	UV-1900PC	上海美析仪器有限公司
TOC 测定仪	TOC-V CPH	日本岛津公司
pH 计	HI5222-02	汉钠仪器（上海）有限公司
DO 测定仪	Oxi 3310	德国WTW
分析天平	BSA124S	赛多利斯科学仪器有限公司
离心机	TGL16M	凯达科技仪器（湖南）有限公司
水质测定仪	5B-3B（V8）	北京连华永兴科技发展有限公司
COD 消解仪	5B-1（V8）	北京连华永兴科技发展有限公司
三维荧光测定仪	FP-6500	日本岛津公司
原子吸收分光光度计	PinAAcle 900T	铂金埃尔默有限公司

图1 工艺流程示意

Fig.1 Technological flow chart

图2 不同粒径ZVI驯化条件下反应器出水变化

Fig.2 Variation of reactor effluent under ZVI domestication with different particle sizes

图 3 反应器出水Fe质量浓度（a）与pH（b）变化

Fig.3 Changes of Fe mass concentration （a） and pH （b）of the reactor effluent

图4 EPS中PN、PS变化

Fig.4 Changes of PN and PS in EPS

表2 荧光物质分区

Table 2 Fluorescent substance partition

荧光分区	$λ E X$ / $λ E M$	荧光物质
Ⅰ	200~250/200~330	酪氨酸类物质
Ⅱ	200~250/330~380	色氨酸类物质
Ⅲ	200~250/380~500	富里酸类物质
Ⅳ	250~280/200~380	溶解性有机物
Ⅴ	250~400/380~500	腐殖酸类物质

表2 荧光物质分区

Table 2 Fluorescent substance partition

荧光分区	$λ E X$ / $λ E M$	荧光物质
Ⅰ	200~250/200~330	酪氨酸类物质
Ⅱ	200~250/330~380	色氨酸类物质
Ⅲ	200~250/380~500	富里酸类物质
Ⅳ	250~280/200~380	溶解性有机物
Ⅴ	250~400/380~500	腐殖酸类物质

图5 EPS的3D-EEM

Fig.5 3D-EEM of EPS

图6 反应器中污泥活性变化

Fig.6 Change of sludge activity in reactor

表3 Alpha 多样性指数

Table 3 Alpha diversity index

样品	Coverage	Sobs	Ace	Chao	Shannon	Simpson
S0	0.995 6	121 1	1 353.721	1 344.928	5.259	0.020
S1	0.996 1	121 4	1 339.389	1 325.614	5.346	0.014
S2	0.996 8	121 3	1 305.756	1 304.300	5.251	0.018
S3	0.994 0	111 0	1 309.012	1 351.048	5.001	0.026

图7 门水平微生物群落组成

Fig.7 Microbial community composition at the phylum level

图8 属水平脱氮微生物组成（a）及不同功能菌群的丰度（b）

Fig.8 Composition of denitrifying microorganism at the genus level （a） and abundance of different functional groups （b）

图9 丰度前30微生物相关性网络（a）和丰度前30微生物相关性热图（b）

Fig.9 Correlations network of the top 30 microbial in abundance （a）， and heat map of correlations among the top 30 microbial in abundance （b）

图10 物种表型贡献

Fig.10 Phenotypic contribution of species

图11 FAPROTAX功能预测热图

Fig.11 FAPROTAX functional prediction heat map

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