混合填料在生物濾池中除臭效果研究

肖作義，段耀庭，趙 鑫，鄭春麗，肖明慧，楊澤茹

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包頭市排水產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司九原污水處理廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

城市污水廠承擔(dān)著污水凈化、改善水環(huán)境、防止水污染等重要任務(wù)。但由于污水中有機(jī)物質(zhì)會腐敗散發(fā)惡臭氣體，臭氣中主要成分為H2S、NH3和其他特殊臭味物質(zhì)，令人感官不悅甚至?xí)：ι眢w健康。H2S是有毒氣體，具有刺激性、窒息性，不僅危害人體健康，還會腐蝕設(shè)備，減少設(shè)備的使用壽命[1-2]。NH3是具有強(qiáng)烈刺激性的無色氣體，長期接觸會對人體呼吸道黏膜造成損傷，易患咽炎、鼻炎等疾病，若排入空氣中，會與空氣中的硫化物、氮化物形成PM2.5[3]，造成空氣污染。目前，隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷推進(jìn)，大量污水處理廠的興建，污水處理過程中產(chǎn)生的臭氣污染問題日益突出，引起了社會大眾特別是污水廠周邊居民的廣泛關(guān)注。因此，面對日趨嚴(yán)格的除臭標(biāo)準(zhǔn),對污水廠的惡臭氣體進(jìn)行治理是至關(guān)重要的。

目前，污水廠臭氣去除方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法[4-6]。物理法主要是利用物理作用分離污水中的非溶解性物質(zhì)，從而掩蔽或調(diào)和惡臭的感官氣味，其在處理過程中不改變臭氣本身的化學(xué)性質(zhì)，但該法需要對吸附劑污染進(jìn)行再處理，存在運行成本較高的問題；化學(xué)法是利用化學(xué)藥劑改變臭氣的化學(xué)組成，從而達(dá)到除臭的目的，但該法需要投入大量的化學(xué)藥劑，容易造成環(huán)境二次污染；近年來，生物法以裝置簡單、能耗低且無二次污染等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于污水廠惡臭氣體的治理。其中，生物濾池工藝作為一種安全、可靠的方法，因其具有運行成本適中、填料組成簡單且易獲取、單次可高效處理大量惡臭氣體且無二次污染等優(yōu)勢，已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。生物濾池所用填料一般選取含纖維物質(zhì)如泥炭土、樹皮、干草等填料，從而形成一種有利于透氣的疏松結(jié)構(gòu)，為微生物提供適當(dāng)?shù)纳姝h(huán)境[7]。但是，此類單一填料的生物濾池在運行一段時間后常產(chǎn)生透氣性變差、填料堵塞等問題,其一般使用壽命僅為3～5年。因此，多數(shù)生物濾池除臭技術(shù)的研究主要集中于混合填料的開發(fā)，如屈艷芬等[8]采用以混合肥料、沸石、有機(jī)料聚成的復(fù)合有機(jī)填料進(jìn)行除臭試驗，取得了良好的效果。

本研究通過搭建模擬生物濾池反應(yīng)器，內(nèi)部填充有機(jī)加無機(jī)混合填料，選擇污水處理廠典型惡臭氣體氨(NH3)和硫化氫(H2S)作為目標(biāo)污染物，考察生物濾池反應(yīng)器在特定工況下對NH3和H2S氣體的去除效果，并通過高通量測序技術(shù)對混合填料上微生物群落結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵微生物種群類型進(jìn)行解析，篩選出除臭優(yōu)勢菌種，為開發(fā)相關(guān)的生物菌劑以及為實際生物濾池除臭工藝中去除NH3、H2S氣體提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用氣體取自污水廠進(jìn)水廊道，儲存于集氣袋中，作為生物濾池反應(yīng)器進(jìn)氣，并采用污水處理廠曝氣池內(nèi)污泥作為接種污泥。試驗選用的混合填料組成及其優(yōu)缺點見表1。3種填料即樹皮、活性炭和多孔空心球按照6∶2∶1的比例混合而成，其中樹皮可以自身提供營養(yǎng)物質(zhì)，但是容易被壓實；活性炭擁有大多非生物活性材料都沒有的吸附性能，但無法提供營養(yǎng)物質(zhì)；多孔空心球雖然無法提供營養(yǎng)物質(zhì)，但可以增加孔隙率。因此，3種填料間的復(fù)合作用彌補了單一填料的不足,提高了填料的表面性能，不會造成填料的堵塞[9-18]。培養(yǎng)基由葡萄糖、尿素、K2HPO4·3H2O 按C∶N∶P=100∶5∶1配制而成。

表1 混合填料組成及其優(yōu)缺點Table 1 Composition of mixed fillers

圖1 填料實物Fig.1 Physical map of filler

1.2 試驗裝置

試驗裝置示意圖見圖2。生物濾池反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，內(nèi)徑為24 cm，高為120 cm，頂部接排氣管，中部為填料填充區(qū)，下部為布?xì)鈪^(qū)，連接進(jìn)氣管；生物濾池反應(yīng)器側(cè)面設(shè)有采樣口和排水(泥)口。按下式計算生物濾池反應(yīng)器處理的臭氣量：

(1)

式中：Q為進(jìn)氣流量，所得進(jìn)氣流量為10 m3/h；V為填料體積(m3)；t為停留時間，取值為10 s。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental device1.儲液桶;2.儲氣袋;3.風(fēng)機(jī);4.收集袋;5.填料層;6.排氣管;7.布水管;8.采樣口;9.排水(泥)口;10.生物濾池反應(yīng)器

1.3 試驗方法

將混合填料填充到生物濾池反應(yīng)器中，填料填充高度為600 mm。本試驗采用直接馴化掛膜法[19-20]，使用殼聚糖溶液將填料潤濕，24 h后用活性污泥將填料完全浸沒，浸泡24 h后排出泥漿。

本試驗設(shè)置5個反應(yīng)階段，氣體通入比例(即空氣∶臭氣)分別為全空氣、3∶1、1∶1、1∶3、全臭氣，不同比例通氣的運行時間分別為3 d、4 d、4 d、8 d、3 d。試驗設(shè)計的運行參數(shù)見表2。

表2 試驗設(shè)計的運行參數(shù)Table 2 Design operation parameters of the test

1.4 分析方法

采用納氏試劑分光光度法[21]測定NH3氣體含量，用稀H2SO4(aq)吸收NH3，堿性條件下其與納氏試劑反應(yīng)生成黃色絡(luò)合物，該絡(luò)合物在420 nm波長下的色度與氨氣含量呈正比。采用亞甲基藍(lán)分光光度法[16]測定H2S氣體含量，H2S與吸收液(氫氧化鎘-聚乙烯醇磷酸溶液)生成CdS沉淀，在H2SO4(aq)中，S2-與對氨基二甲基苯胺溶液和FeCl3(aq)溶液生成亞甲基藍(lán)，進(jìn)行比色定量。

1.5 高通量測序

本試驗采用E.Z.N.A.?soil DNA kit (Omega Bio-tek,Norcross,GA,U.S.)從0.5 g樣本中提取宏基因組DNA(3個重復(fù))，并選定細(xì)菌16S rRNA基因V3～V4為測序區(qū)域，使用引物(338F和806R)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，混合同樣本擴(kuò)增產(chǎn)物后用瓊脂糖凝膠(2%)電泳檢測，使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒回收擴(kuò)增產(chǎn)物。根據(jù)電泳結(jié)果，使用QuantiFluorTM-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)(Promega公司)對擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行檢測定量，之后進(jìn)行等比例混合。擴(kuò)增之后構(gòu)建PE文庫，由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司對其進(jìn)行Miesq測序。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司分析平臺(https://cloud.majorbio.com/)對擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行高通量測序分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 培養(yǎng)馴化掛膜分析

由于本次試驗時段為冬季，故對試驗環(huán)境進(jìn)行人工加溫，使溫度始終維持在21～35℃之間。使用該污水處理廠活性污泥為生物濾池提供所需微生物,為了準(zhǔn)確判斷混合填料掛膜情況，間隔4 d檢測生物濾池反應(yīng)器出水中COD、TP、TN含量，確定微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用情況[17]。各階段微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用情況，見圖3。

圖3 各階段微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用情況Fig.3 Absorption and utilization of nutrients by microorganisms

由TN濃度變化圖[見圖3(b)]可知，試驗進(jìn)程以15 d為分界線，即在15 d后，微生物以利用填料提供氮元素為主；由TP濃度變化圖[見圖3(a)]可知,在試驗進(jìn)程的第7 d和第19 d開始使用填料提供的磷元素;COD使用情況在試驗進(jìn)程的15 d后，生物濾池反應(yīng)器進(jìn)水中COD濃度低于出水中COD濃度[見圖3(c)]，表明生物膜上的微生物代謝已達(dá)到平衡[22]。綜上所述，掛膜可在15～19 d內(nèi)完成，掛膜完成后微生物以填料中提供的營養(yǎng)物質(zhì)和通入氣體中的物質(zhì)完成生命活動。

2.2 除臭效果分析

本試驗對生物濾池反應(yīng)器H2S、NH3的去除效果進(jìn)行了研究，即在試驗進(jìn)程的第4 d通入臭氣，開始對生物膜進(jìn)行培養(yǎng)、馴化，通過測定生物濾池反應(yīng)器通入臭氣前后H2S、NH3氣體的含量，計算其去除率，驗證生物馴化效果。圖4反映了在接種污泥與混合填料生物膜上微生物培養(yǎng)、馴化過程中生物濾池反應(yīng)器進(jìn)出H2S、NH3的氣體濃度及其去除率。

由圖4可見，H2S在第2次取樣檢測后去除率均已高于75%，NH3在第7次取樣檢測后去除率均高于75%，即說明在生物馴化培養(yǎng)過程中，先適應(yīng)H2S后適應(yīng)NH3，掛膜情況良好。

圖4 微生物培養(yǎng)與馴化過程中生物濾池反應(yīng)器 進(jìn)出的H2S、NH3氣體濃度及其去除率Fig.4 Concentration and removal rate of inlet and outlet H2S and NH3 of the biofilter reactor during the microbial cultivation process

圖5反映的是生物濾池反應(yīng)器循環(huán)水pH值的變化情況。

由圖5可見，出水的pH值低于進(jìn)水的pH值，且隨著試驗進(jìn)程的推進(jìn)而下降，在第11 d時，生物濾池反應(yīng)器出水呈現(xiàn)弱酸性，表明H2S、NH3開始反應(yīng)，形成了硫酸根和硝酸根所致。

圖5 生物濾池反應(yīng)器進(jìn)出水的pH值Fig.5 pH value of the inlet and outlet of the biofilter reactor

2.3 混合填料微生物組成及其多樣性分析

2.3.1 微生物群落組成多樣性分析

為了探究接種污泥與混合填料生物膜上微生物群落組成的多樣性和變化，將混合填料與接種污泥均采集3個樣本，樣本編號標(biāo)記為S1-1、S1-2、S1-3、S2-1 、S2-2、 S2-3，并對其進(jìn)行高通量測序分析，圖6為混合填料與接種污泥兩組樣本(S1、S2)的稀釋曲線。

由圖6可見，隨著樣本量的增加，樣本稀釋曲線趨于平緩，即說明本次試驗取樣合理，樣本測序數(shù)據(jù)量足夠[23]。

圖6 混合填料與接種污泥兩組樣本(S1、S2)的稀釋 曲線圖Fig.6 Dilution curves of two groups of the mixed filter and the inculating sludge samples (S1 and S2)

混合填料與接種污泥兩組樣本(S1、S2)的測序微生物群落組成多樣性指數(shù),見表3。其中，Coverage指數(shù)反映群落覆蓋度，在S1、S2樣本中，Coverage指數(shù)均值分別為0.991 3、0.993 2，表明此次測序深度足夠，樣本中細(xì)菌群落覆蓋度高；Shannon指數(shù)反映群落多樣性，S1組樣本的Shannon指數(shù)依次為1.55、1.37、1.64，S2組樣本的Shannon指數(shù)依次為1.99、1.85、1.99，且樣本Shannon指數(shù)的大小表現(xiàn)為S2>S1；Chao 1指數(shù)反映群落豐富度，S1組樣本的Chao 1指數(shù)依次為24.47、27.18、24.03，S2組樣本的Chao 1指數(shù)依次為32.47、30.02、32.46，且Chao 1指數(shù)的大小表現(xiàn)為S2>S1。上述試驗結(jié)果表明，馴化與掛膜后，微生物群落多樣性和豐富度出現(xiàn)了降低，其主要原因是馴化與掛膜培養(yǎng)過程中微生物生存環(huán)境和營養(yǎng)源的改變所致。

表3 混合填料與接種污泥兩組樣本(S1、S2)的微生物 組成多樣性指數(shù)Table 3 Microbial community diversity index of twogroups of the mixed filter and the inculatingsludge samples(S1 and S2)

2.3.2 微生物群落組成分析

對混合填料與接種污泥兩組樣本在門水平的微生物群落組成(豐度>1%)進(jìn)行了分析，其結(jié)果見圖7。

圖7 混合填料與接種污泥兩組樣本(S1、S2)在門水平的 微生物群落豐度百分比Fig.7 Percentage of microbial community abundance of two groups of the mixed filter and the inoculating sludge samples(S1 and S1) on Phylum level

由圖7可見，由于S1組樣本中微生物由S2組樣本接種而來，故S1組樣本與S2組樣本的物種組成相似，但豐度占比存在區(qū)別，如S1組樣本中變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)的豐度大于S2組樣本，而擬桿菌門(Bacteroidetes)和放線菌門(Actinobacteria)在S2樣本中的豐度大于S1組樣本，這與通入臭氣培養(yǎng)馴化有關(guān)，推測Proteobacteria、Acidobacteria為除臭優(yōu)勢菌。

對變形菌門和酸桿菌門進(jìn)行了綱水平微生物群落組成分析，其結(jié)果見圖8。

圖8 混合填料與接種污泥兩組樣本(S1、S2)在綱水平的 微生物群落豐度百分比Fig.8 Percentage of microbial community abundance of two groups of the mixed filter and the inoculating sludge samples(S1 and S2) on Class level

由圖8可見，通過對比混合填料與接種污泥兩組樣本在綱水平微生物群落組成可知，在S1組樣本中β-變形菌綱(Betaproteobacteria)、γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)、酸桿菌綱(Acidobacteria)的豐度大于S2組樣本中的豐度，推測這四種綱水平微生物為除臭優(yōu)勢菌。

將微生物群落豐度與環(huán)境因子進(jìn)行了相關(guān)性分析，其結(jié)果見圖9。

圖9 微生物群落豐度與環(huán)境因子的相關(guān)性 Heatmap圖Fig.9 Heatmap of correlation between microbial community abundance and environmental factors

由圖9可見，β-變形菌綱(Betaproteobacteria)、γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)與H2S氣體濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.885 7和-0.771 4；β-變形菌綱(Betaproteobacteria)、γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)與TN呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為1和0.942 8；酸桿菌綱(Acidobacteria)與TP呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.844 0。即上述三者為除臭優(yōu)勢菌，其中β-變形菌綱(Betaproteobacteria)中存在多種細(xì)菌,可將硫化物氧化成單質(zhì)硫、硫酸鹽等物質(zhì)[24-25]，如硫化細(xì)菌可氧化還原態(tài)硫化物H2S為硫酸[26]，這與檢測生物濾池反應(yīng)器出水呈弱酸性結(jié)果一致；γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)中的絲硫菌屬能利用有機(jī)酸和明膠，并在生長的過程中能減少硫化合物和脫氮[27]；酸桿菌綱(Acidobacteria)為酸桿菌門的進(jìn)一步分類，它們?yōu)槭人峋?，該類?xì)菌可將復(fù)雜的有機(jī)碳氧化為乙酸，保證其生長的微環(huán)境呈酸性，而NH3水溶液呈堿性，這是酸桿菌綱與NH3呈顯著負(fù)相關(guān)的原因。

3 結(jié) 論

(1) 通過搭建生物濾池反應(yīng)器，連續(xù)監(jiān)測生物濾池反應(yīng)器進(jìn)出水中COD、TN、TP的濃度值，以及計算H2S、NH3去除率，判斷試驗馴化和掛膜情況，試驗結(jié)果表明：掛膜在15～19 d內(nèi)完成，且除臭效果良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

(2) 通過對比接種污泥與馴化掛膜后填料微生物多樣性指數(shù)，結(jié)果表明：馴化掛膜會降低微生物群落的豐度和多樣性。隨著生物濾池反應(yīng)器通入臭氣后，對臭氣耐受微生物存活，不適微生物減少，完成了對生物膜的培養(yǎng)與馴化。

(3) 微生物群落組成分析表明：在門水平，變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)在混合填料樣本中的豐度大于接種污泥，而擬桿菌門(Bacteroidetes)和放線菌門(Actinobacteria)則相反，表明變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門為除臭優(yōu)勢菌。進(jìn)一步分析了變形菌門和酸桿菌門在綱水平的微生物群落組成，并結(jié)合環(huán)境因子(H2S、NH3、COD、TN、TP)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：β-變形菌綱(Betaproteobacteria)、γ-變形菌綱(Ga-mmaproteobacteria)、酸桿菌綱(Acidobacteria)微生物是除臭優(yōu)勢菌。