太原理工岳秀萍团队BITE｜废纸—菌群缓释碳源的反硝化性能及原位发酵机理

生物质前沿 · 公众号 · · 2023-05-27 08:30

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文章信息

第一作者： 崔颖

通讯作者：岳秀萍教授

通讯单位：太原理工大学

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129074

亮点

• 制备了用于原位发酵的废纸 -菌群缓释碳源。

• 所制备的缓释碳源对 N O ₃ ^- - N 浓度具有自适应性。

• 所制备的缓释碳源形成了稳定的分层的微生物群落结构。

• 所制备的缓释碳源的存在限制了反硝化污泥中多糖的生长。

研究进展

图 1 图文摘要

生物脱氮除磷技术（BNR）是世界范围内污水处理厂最常用的技术。总氮（TN）的去除通常受到城市污水中可用碳源浓度较低的限制。外加碳仍是改善低碳氮比废水的主要有效途径。富含纤维素的农业废弃物（如稻草、木屑）可作为固体碳源，因其经济友好和易于获得的优点而受到广泛研究。而废纸是木质素和半纤维素含量很少的木质纤维素产品，是城市和工业固体废物的主要成分，占全部木质纤维素废物的35%以上。废纸作为缓释碳源，与农业废弃物相比，缺少预处理的步骤，可生物降解性更强，成分单一，碳释放更稳定。近年来，将原位发酵合并在反硝化装置中已被创新地引入到传统的脱氮工艺中。直接将发酵引入原工艺的缺氧区，相比于单独建立反硝化装置串联于原工艺链中，可更加原位地增强反硝化效果，且不必延长主工艺链。为避免影响原工艺正常运行，且达到更佳的TN去除效果，需要提高原位发酵的碳源利用效果，最简单的方法是在富含纤维素的缓释碳源上接种纤维素降解菌。微生物混合菌群具有适应复杂环境的优势，可以通过种间合作实现分解效果的稳定性，同时可以保证碳源与细菌的充分接触，实现碳源的有效传质。此外，在初沉污泥中，碳水化合物约占物料干重的27%，纤维素物质被认为是主要成分，主要来自卫生纸。根据循环经济的发展趋势，将富含纤维素的物质拦截在初级污泥中作为碳源，既可以降低杂质的外部运输成本，又可以在污水处理过程中为欠发达地区提供废物回收利用的思路。因此，基于上述概念，提出了一种新型原位发酵废纸-菌群缓释碳源（IF-WF）。

图 2 （ a ） N O ₃ ^- - N 、 N O ₂ ^- - N 日变化及 N O ₃ ^- - N 去除效率；（ b ）反硝化前后出水 TOC 、 TC 和 IC 的量

实验结果表明，IF-WF具有较好的反硝化效果，且随着N O ₃ ^- - N 浓度的增加，IF-WF在原位得到有效利用，反硝化速率提高。在清水体系中，IF-WF内部环境酸化抑制了碳源内部菌群的活性，TOC释放量越来越小；当其置于反硝化体系中时又可由于反硝化的产碱作用调节了体系内pH，使菌群活性恢复，继续释放碳源用于反硝化（图2，图3）。

图 3 （ a ）一个周期内的 N O ₃ ^- - N 变化及分段线性拟合；（ b ）一个周期内不同 N O ₃ ^- - N 浓度的 pH 变化；（ c ） N O ₃ ^- - N 去除率及出水 T OC 、 T C 和 I C

为了探究IF-WF发挥作用时其内部碳释放和利用机制，分层测定了其中残留的VFAs的组成（图4（a））。总体来看， HAc和HPr是各阶段释放的主要成分，占总VFAs的80%以上。在整个过程中，IF-WF内滞留的VFAs由内而外递减，可能存在VFAs由内向外扩散利用的过程。且早期内中外pH 显著，随着纸纤维的不断利用，IF-WF内部间隙增大，水分子的传质增加，导致层间的pH差逐渐缩小。

反硝化污泥EPS中PS和PN含量随时间的变化如图4（b）所示。PN/PS比值逐步升高后略有下降，表明PS的产生速率较低。这可能是由于在反硝化体系中由IF-WF释放的有机物边释放边被利用，使得出水中有机物含量有限，这些有机物将优先用于微生物生长，而不是PS的生长。此外，当体系中可利用的碳源有限时，PS可作为碳源来维持微生物的生长。

图 4 （ a ） I F-WF 内层、中层和外层 VFAs 组分和 pH 值随时间的变化；（ b ）反硝化污泥中 PN 和 PS 含量及比值随时间的变化

图5（a）和（b）分别显示了来自缓释碳源的内中外三层样本（S1N、S1Z和S1W）的功能菌及其丰度。根据优势菌的功能，微生物群落主要可分为硝酸盐还原菌（nitrate reduction bacteria，NRB）和纤维素降解菌（cellulose degrading bacteria，CDB）。IF-WF外层的细菌更多与反硝化有关，离内层越近的细菌更多与纤维素降解转化有关。

图 5 （ a ）属水平序列的分类和（ b ）功能菌群气泡图

缓释碳源的释放及利用机制如图6所示。假设在反硝化过程中不考虑微生物的生长，按照整个反硝化阶段所需碳量计算，约95.42%的碳源利用来自IF-WF的释放。

图 6 IF-WF 原位发酵及利用机理图

作者介绍

崔颖，太原理工大学环境科学与工程学院 2 019 级在读博士。研究方向为生物水处理技术。

通讯邮箱 ： [email protected]

赵博玮 ，博士，太原理工大学环境科学与工程学院副教授，硕士生导师。主要研究方向为水污染控制。

通讯邮箱 ： z haob [email protected]

岳秀萍 ，博士，太原理工大学环境科学与工程学院教授，博士生导师。主要研究方向为废水生物处理与资源化。

通讯邮箱 ： yue [email protected]

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