石灰石改性硫磺材料深度脱氮除磷研究
Advanced removal nitrogen and phosphorus by limestone-modified sulfur material
收稿日期: 2021-11-17
基金资助: |
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Received: 2021-11-17
作者简介 About authors
罗黎煜(1993—),硕士电话:18052094551,E⁃mail:
刘波,副教授E⁃mail:
关键词:
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罗黎煜, 周立松, 王梦良, 张陈永, 刘波.
LUO Liyu.

J. M. FLERE等〔7〕设计了4个不同硫磺/石灰石体积比的SLAD反硝化滤池,对NO3--N负荷介于600~700 g/(m3·d)的模拟废水进行处理,发现去除速率可以达到384 g/(m3·d);当NO3--N负荷高于600 g/(m3·d)时,去除率开始严重下降;NO3--N负荷介于175~225 g/(m3·d)时,去除率较高,达到95%。Weili ZHOU等〔10〕设计了硫磺/石灰石体积比为2∶3的SLAD反硝化装置,用来处理进水NO3--N分别为10、40、70、100 mg/L的模拟废水,当进水NO3--N处于低质量浓度时(10、40 mg/L),去除率在HRT=3 h时可以达到90%;当进水NO3--N处于高质量浓度时(70、100 mg/L),则需要较长的HRT,必须保证HRT大于6 h。但是,要想使磷和钙更好地发生化学沉淀,需要水体的pH呈碱性,最佳pH为10,而SLAD工艺的水体pH大多在中性环境〔11-12〕。因此传统的SLAD工艺除磷效果较低,很难超过50%〔8〕。此外,通常在SLAD工艺中,硫磺和石灰石颗粒仅以一定的体积比(如1∶1、3∶1等)简单混合〔13〕,为了避免堵塞,硫磺和石灰石的粒径通常为2~5 mm〔14〕,这使得SLAD生物滤池反冲洗后容易分层。石灰石是SLAD体系的碳源和碱度来源,传统SLAD工艺使用的块状石灰石比表面积小,溶出速率有限,限制了碱度的补给,提供碳源的能力也较弱,导致SLAD工艺脱氮速率较慢。因此,如果能制备出比表面积大的均质硫磺/石灰石材料,将有效提高脱氮速率。
在SLAD工艺中,需要将石灰石破碎至一定的粒径,破碎过程中会产生很多石灰石粉末。这些粉末因为粒径太小不能用作SLAD填料,浪费了资源,因此制备均质硫磺/石灰石材料还具有变废为宝、更广泛地利用石灰石资源的重要意义。
本研究在传统SLAD工艺的基础上进行改良,以石灰石粉、硫磺和发泡剂NaHCO3为原料制备出一种改性硫磺材料,研究其同步脱氮除磷效果;探究生物滤池中微生物群落组成,为污水深度脱氮除磷提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料的制备
以石灰石粉(粒径<0.15 mm)、硫磺为原材料,参考硫磺混凝土的制造方法〔15〕,制备出改性硫磺材料。具体过程如下:
(1)取一定比例的石灰石粉、硫磺,145 ℃油浴加热,使硫磺完全熔化;
(2)加入0~1.5%的NaHCO3进行发泡,当NaHCO3比例为0时,制备出的则为未发泡改性材料;
(3)通过搅拌使气泡均匀地分布在石灰石和液态硫磺的混合物中,然后冷却至室温。
硫磺/石灰石体积比为3∶1的不同NaHCO3比例的改性材料送往检测中心,采用GB∕T 9966.3—2020的标准进行测量,测得体积密度和真气孔率见表1。
表1 不同NaHCO3比例的改性材料性质
Table 1
参数 | 硫磺 | 石灰石 | NaHCO3 | |||
---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0.5% | 1% | 1.5% | |||
密度/(g·cm-3) | 2.1±0.01 | 2.5±0.02 | 2.2±0.19 | 2.0±0.02 | 1.6±0.01 | 1.3±0.05 |
真气孔率/% | — | — | 4±0.18 | 14±0.30 | 31±0.21 | 43±0.08 |
由表1可知,随着NaHCO3用量的增多,材料的密度降低,孔隙率变高,说明NaHCO3是有效的发泡剂。不加发泡剂的材料也有4%的孔隙率,是由于搅拌过程中空气进入了材料,并在冷却时停留在材料中形成气孔。
对发泡剂比例为0~1.5%的材料进行XRF分析,结果见表2。
表2 发泡剂比例为0~1.5%的材料XRF分析结果
Table 2
发泡剂比例/% | SO3/% | CaO/% | SiO2/% | Al2O3/% | Fe2O3/% |
---|---|---|---|---|---|
0 | 93.25 | 4.81 | 0.77 | 0.41 | 0.36 |
0.5 | 90.30 | 5.37 | 1.80 | 0.91 | 0.21 |
1 | 85.14 | 5.52 | 4.82 | 2.20 | 0.22 |
1.5 | 86.68 | 7.79 | 0.55 | 0.35 | 0.35 |
发泡剂比例/% | MgO/% | Na2O/% | Cl/% | K2O/% | ZnO/% |
0 | 0.20 | 0.10 | 0.07 | 0.03 | 0.003 |
0.5 | 0.36 | 0.90 | 0.06 | 0.07 | — |
1 | 0.71 | 1.02 | 0.09 | 0.22 | — |
1.5 | — | 2.90 | — | 0.01 | 0.004 |
由表2可知,改性材料的主要元素为S、Ca、Na等,Na的含量随发泡剂比例的增加而增多。可知改性材料含有的主要物质为S和CaCO3,还含有少量NaHCO3及其分解产物Na2CO3,证明材料在制备过程中未生成其他杂质成分,也就是说改性主要改变材料的物理性质而几乎不改变其化学性质。
1.2 生物滤池规格
生物滤池进水方式采用连续上流式,生物滤池内径为70 mm,高度为500 mm,填料的堆积高度为480 mm。生物滤池装填改性硫磺材料,装填体积为1.85 L,填料孔隙率为41%,有效容积为750 mL。填料粒径为2.5~4 mm。生物滤池有5个侧边取样口,距布水板高度分别为90、170、250、330、410 mm,实验装置见图1。
图1
1.3 进水水质与实验仪器
生物滤池进水为模拟一级B出水,即在自来水中加入一定量的KNO3、KH2PO4,使进水TN、NO3--N分别为20 mg/L,TP、PO43--P分别为1 mg/L。
实验仪器见表3。
表3 实验仪器
Table 3
项目 | 仪器 |
---|---|
pH | METTLER TOLEDO pH计 |
NO3-、NO2-、SO42- | ICS-1000 离子色谱仪(美国戴安公司) |
P | UV-1780 紫外可见分光光度计(日本岛津公司) |
1.4 实验设计
通过批次实验,探究改性材料的最佳硫磺/石灰石体积比。批次实验的过程如下:
准备一系列容积为60 mL的批次管。每根批次管灭菌后依次加入6 mL反应材料、50 mL模拟的一级B废水、3.5 mL菌液,然后置于28 ℃的恒温振荡培养箱中。菌液为实验室驯化富集培养的硫自养反硝化菌。每根批次管视为一个样品,每2 d取3个平行样并测定NO3--N、NO2--N、PO43--P、pH、SO42-等水质指标。实验包括5个实验组,硫磺/石灰石体积比分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1。
选取批次实验中脱氮除磷效果较好的材料填入生物滤池。生物滤池挂膜启动6个周期,每个周期时长为4 d,挂膜使用的微生物来自实验室培养的自养反硝化菌液。出水氮磷浓度稳定则视为启动成功。
生物滤池启动结束后在不同HRT条件下运行。每天取样并测定进出水pH、NO3-、NO2-、SO42-、PO43--P等指标,每个HRT条件运行至少30 d。在不同运行阶段取2个生物滤池中部的填料,进行微生物群落组成分析。
1.5 微生物群落结构分析方法
从滤池取出填料样品,按照体积比1∶1加入无水乙醇用以固定微生物,并保存至-20 ℃环境中。对于附着生长在填料上的微生物,采用超声的方法将其震离后,反复冲洗,收集冲洗液,经抽滤截留将微生物富集,然后按照污泥样品提取DNA方法提取DNA。PCR实验采用TransGen AP221-02:TransStart Fastpfu DNA Polymerase,20 μL反应体系。
将同一样本的PCR产物混合后使用2%琼脂糖凝胶回收PCR产物,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit(Axygen Biosciences,Union City,CA,USA) 进行回收产物纯化,2%琼脂糖凝胶电泳检测,并用Quantus™ Fluorometer(美国普洛麦格) 对回收产物进行检测定量。使用NEXTFLEX®Rapid DNA⁃Seq Kit进行建库:(1)接头链接;(2)使用磁珠筛选去除接头自连片段;(3)利用PCR扩增进行文库模板的富集;(4)磁珠回收PCR产物得到最终的文库。利用Illumina公司的Miseq PE300平台进行测序。
2 结果与讨论
2.1 改性材料最佳硫磺/石灰石体积比的确定
图2
图2
硫磺/石灰石体积比对改性材料自养反硝化体系的影响
Fig. 2
Effect of sulfur/limestone ratio on modified sulfur autotrophic denitrification system
整个批次实验中,没有NO2-⁃N被检测出,因此NO3-⁃N的去除可以被认为是TON(TON=NO3-⁃N+NO2-⁃N)的去除。由图2(a)可知,改性材料反硝化体系中的初始NO3-⁃N为20.4 mg/L。在第16天时,体积比为3∶1的体系中TON去除率最高,达到93.5%,去除速率为1.19 mg/(L·d)。在J. M. Flere等〔14〕的研究中,传统SLAD体系当硫磺/石灰石体积比为3∶1时脱氮速率最快,与本实验的结论一致。这是因为当硫磺和石灰石处于这一比例时,硫磺提供的硫源(电子供体)和石灰石提供的碳源都能满足微生物新陈代谢的需要,硫源和碳源匹配,而且石灰石提供的碱度能很好地中和反硝化产生的H+,达到最佳的反硝化效果。当硫磺/石灰石体积比分别为1∶1和2∶1时,硫磺占比较小,提供电子的能力比较弱。当硫磺/石灰石体积比分别为4∶1和5∶1时,石灰石占比较小,释放碳源和缓冲pH的能力比较弱。H. S. Moon等〔17-18〕的SLAD批次实验的脱氮速率分别为0.677、0.96 mg/(L·d),低于本实验的改性材料。
总之,当硫磺/石灰石体积比为3∶1时,改性硫磺材料同步脱氮除磷性能最好。因此,后面的生物滤池实验中选取硫磺/石灰石体积比为3∶1的未发泡改性材料和发泡改性材料作为填料,探究其在生物滤池中的脱氮除磷性能。
改性材料脱氮效果好的原因之一是用于制备材料的石灰石都是非常细的粉末。这些粉末比表面积大,反应速率高,比传统SLAD使用的块状石灰石更容易作为碳源被硫自养反硝化菌利用,缓冲pH的能力也更强,因此在脱氮过程中具有优势。而且,石灰石粉末较大的比表面积提供了大量的附着位点对磷进行吸附,这使得改性材料具有很好的除磷性能〔19〕。
2.2 生物滤池脱氮除磷性能
用硫磺/石灰石体积比为3∶1的未发泡改性材料和发泡改性材料分别填入生物滤池,探究其脱氮除磷效果,结果见图3(图中第1~8阶段的HRT分别为12、6、3、2、1.5、1、0.5、0.25 h。为方便起见,后续论述中,未发泡材料简写为LMS,发泡材料简写为FLMS)。
图3
图3
不同HRT条件下两生物滤池脱氮除磷效果对比
Fig. 3
Nitrate and phosphate removal efficiency of two reactors under different HRT
由图3可知,改性材料生物滤池在HRT发生变化时可以保持较好的稳定性,在前150 d脱氮除磷效果并未随着HRT缩短而出现大幅下降。相对而言,FLMS的脱氮除磷效果一直优于LMS。FLMS在第1~6阶段的NO3--N去除率平均值保持在89%以上,PO43--P去除率平均值保持在65%以上。LMS在第1~5阶段的NO3--N去除率平均值保持在81%以上,PO43--P去除率平均值保持在46%以上。S. SENGUPTA等〔20〕用SLAD生物滤池处理含氮废水,当进水NO3--N速率为120 mg/(L·d)时,脱氮速率为100 mg/(L·d),去除率约为83%,而本实验FLMS滤池当HRT=2 h时进水NO3--N速率高达240 mg/(L·d),脱氮速率为221 mg/(L·d),去除率约为92%。这说明改性材料生物滤池脱氮效果优于传统的SLAD生物滤池,此外,其除磷能力也比袁玉玲等〔8〕的SLAD生物滤池大大增强。
在FLMS滤池的第7~8阶段和LMS的第6~8阶段,由于进水NO3--N负荷太高,氮磷去除率出现下降。LMS滤池的最优HRT为1.5 h,FLMS滤池的最优HRT为1 h,这也说明FLMS作为填料优于LMS。
反硝化作用强弱的决定性因素之一是微生物的数量与活性。FLMS有大量孔隙,这使得材料具有很大的比表面积,为微生物提供了更多的生长空间,比LMS更有利于生物膜的生长,故脱氮效果更好〔21〕。此外,FLMS制备过程中加入了NaHCO3,可以缓慢释放无机碳源供自养反硝化菌生长。
自养反硝化过程中硫作为电子供体被氧化成SO42-,因此出水中SO42-含量可以间接反映反硝化作用的强弱。由图3可以看出,FLMS生物滤池出水的SO42-浓度始终高于LMS生物滤池。理论上每去除1 mg NO3--N会产生7.54 mg SO42-,而本实验生物滤池SO42-产量略高于理论值(ΔSO42-/ΔNO3--N为8~16),但低于以前文献中的一些值(ΔSO42-/ΔNO3--N为40~60)〔14〕,SO42-偏多可能是由于一些好氧菌利用水中微量溶解氧将硫磺氧化成了SO42-〔22〕。测定生物滤池沿程溶解氧发现,2个生物滤池内溶解氧浓度变化几乎一样,这说明FLMS滤池SO42-比LMS滤池多是由于FLMS滤池中反硝化作用更强,与两生物滤池内NO3--N变化情况一致。
图4
2.3 生物滤池填料表面微生物分析
2.3.1 微生物物种多样性
研究微生物多样性常用的方法有Alpha多样性,Alpha多样性是指一个特定生态系统内的多样性,它反映了群落内物种间通过竞争资源或利用同种生境而产生的共存结果,常用的度量标准有chao、shannon、ace、simpson、coverage等〔26〕。Simpson指数反映了群落的均匀度,其值越大则表明均匀度越高。Shannon指数反映了群落的物种数目和均匀度,物种数越多、均匀度越高,shannon指数越大〔27-28〕。分别以F1~F4表示FLMS滤池HRT分别为12、6、3、1.5 h的填料,L1~L4表示LMS滤池HRT分别为12、6、3、1.5 h的填料,其微生物Alpha多样性见表4。
表4 填料表面微生物Alpha多样性
Table 4
样品 | Simpson指数 | Shannon指数 |
---|---|---|
F1 | 0.449 | 1.38 |
F2 | 0.173 | 2.20 |
F3 | 0.200 | 2.30 |
F4 | 0.674 | 1.06 |
L1 | 0.270 | 1.81 |
L2 | 0.111 | 2.80 |
L3 | 0.119 | 2.61 |
L4 | 0.604 | 1.25 |
2.3.2 微生物群落组成分析
图5
图5
填料表面微生物门水平群落组成
Fig. 5
Microbial community on thesurface of fillers at Phylum level
图6
图6
填料表面微生物属水平群落组成
Fig. 6
Microbial community on thesurface of fillers at Genus level
由图5可知,Proteobacteria(变形菌门)和Campilobacterota是占优势的门。Proteobacteria门包括Thiobacillus和Halothiobacillus等,Campilobacterota门包括Sulfurimonas等,都是常见的硫自养反硝化菌,这也解释了滤池能够高效脱氮的原因。启动菌液中主要含Campilobacterota,运行后则以Proteobacteria为主。
由图6可知,接种菌液中的微生物以Sulfurimonas 为主,丰度高达85.12%,此外还有10.86%的Halothiobacillus和0.56%的Thiobacillus,这3个菌属均属于硫自养反硝化菌,三者丰度之和高达96.54%,说明实验室硫自养反硝化菌驯化培养非常成功。由图6可以看出,HRT为12 h时2个生物滤池中的优势菌属都是Sulfurimonas,在LMS和FLMS滤池中丰度分别为66.97%和66.13%。Sulfurimonas是一种化能自养菌,可以利用硫作为电子供体、NO3-作为电子受体进行反硝化〔29-30〕。除了Sulfurimonas外LMS滤池中大量存在的菌属还有Thiobacillus,丰度为16.89%。Thiobacillus也是一种常见的自养反硝化菌,可以在氧化硫元素的同时将NO3-、NO2-及其他氮氧化物还原成N2〔31-32〕。在FLMS滤池中大量存在的另一种菌属是Halothiobacillus,丰度为20.19%。Halothiobacillus也具有硫自养反硝化的功能,它和Thiobacillus相比具有的优势是对盐的耐受性很强〔33-34〕。发泡材料制备过程中加入了NaHCO3,会导致水体碱度上升。Halothiobacillus比Thiobacillus更能适应高碱度的水体,因此在FLMS滤池中占优势。总之,2个生物滤池中的微生物群落都主要由硫自养反硝化菌构成,FLMS滤池中硫自养反硝化菌的丰度更高,这是因为FLMS材料提供碳源和碱度的能力更强,更有利于自养反硝化脱氮。
由图6还可以看出,随着HRT的缩短,Sulfurimonas的丰度呈下降趋势,而Thiobacillus的丰度呈上升趋势。当HRT为1.5 h时,FLMS和LMS滤池中Thiobacillus丰度分别为83.93%和79.66%,几乎没有Sulfurimonas。以上结果说明HRT从12 h到1.5 h的过程中,滤池内发生了以Sulfurimonas为优势菌属向以Thiobacillus为优势菌属的演替过程。这是因为滤池运行初期存在启动阶段残留的Na2S2O3·5H2O,推测Sulfurimonas更适合以Na2S2O3·5H2O为硫源而Thiobacillus更适合以硫磺为硫源。Halothiobacillus在FLMS滤池内呈减少趋势,当HRT为3 h时几乎消失,这是因为NaHCO3作为碳源和pH缓冲物质被逐渐消耗,滤池内水体盐度逐渐下降。整个运行过程中滤池内的主要微生物一直都是硫自养反硝化菌,这保证了滤池始终具有良好的脱氮除磷性能。
3 结论
(1)本研究制备的改性材料具有较好的脱氮除磷性能,其中硫磺/石灰石体积比为3∶1的材料脱氮除磷性能最佳。
(2)改性材料生物滤池对HRT的变化有很强的适应性,发泡改性材料脱氮除磷性能优于未发泡改性材料。当进水NO3--N为20 mg/L、PO43--P为1 mg/L时,在HRT从12 h缩短至1 h的过程中,发泡改性材料的NO3--N去除率保持在89%以上,PO43--P去除率保持在65%以上。较高的孔隙率和缓慢释放的碱度是发泡材料高效脱氮除磷的重要原因。
(3)生物滤池中的微生物群落主要由硫自养反硝化菌构成,运行过程中滤池内发生了以Sulfurimonas为优势菌属向以Thiobacillus为优势菌属的演替过程,这2个菌属都是硫自养反硝化菌。
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