混合填料在生物滤池中除臭效果研究

肖作义，段耀庭，赵 鑫，郑春丽，肖明慧，杨泽茹

(1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010；2.包头市排水产业有限责任公司九原污水处理厂，内蒙古 包头 014010)

城市污水厂承担着污水净化、改善水环境、防止水污染等重要任务。但由于污水中有机物质会腐败散发恶臭气体，臭气中主要成分为H2S、NH3和其他特殊臭味物质，令人感官不悦甚至会危害身体健康。H2S是有毒气体，具有刺激性、窒息性，不仅危害人体健康，还会腐蚀设备，减少设备的使用寿命[1-2]。NH3是具有强烈刺激性的无色气体，长期接触会对人体呼吸道黏膜造成损伤，易患咽炎、鼻炎等疾病，若排入空气中，会与空气中的硫化物、氮化物形成PM2.5[3]，造成空气污染。目前，随着城镇化水平的不断推进，大量污水处理厂的兴建，污水处理过程中产生的臭气污染问题日益突出，引起了社会大众特别是污水厂周边居民的广泛关注。因此，面对日趋严格的除臭标准,对污水厂的恶臭气体进行治理是至关重要的。

目前，污水厂臭气去除方法主要有物理法、化学法和生物法[4-6]。物理法主要是利用物理作用分离污水中的非溶解性物质，从而掩蔽或调和恶臭的感官气味，其在处理过程中不改变臭气本身的化学性质，但该法需要对吸附剂污染进行再处理，存在运行成本较高的问题；化学法是利用化学药剂改变臭气的化学组成，从而达到除臭的目的，但该法需要投入大量的化学药剂，容易造成环境二次污染；近年来，生物法以装置简单、能耗低且无二次污染等优势被广泛应用于污水厂恶臭气体的治理。其中，生物滤池工艺作为一种安全、可靠的方法，因其具有运行成本适中、填料组成简单且易获取、单次可高效处理大量恶臭气体且无二次污染等优势，已受到国内外学者的广泛关注。生物滤池所用填料一般选取含纤维物质如泥炭土、树皮、干草等填料，从而形成一种有利于透气的疏松结构，为微生物提供适当的生存环境[7]。但是，此类单一填料的生物滤池在运行一段时间后常产生透气性变差、填料堵塞等问题,其一般使用寿命仅为3～5年。因此，多数生物滤池除臭技术的研究主要集中于混合填料的开发，如屈艳芬等[8]采用以混合肥料、沸石、有机料聚成的复合有机填料进行除臭试验，取得了良好的效果。

本研究通过搭建模拟生物滤池反应器，内部填充有机加无机混合填料，选择污水处理厂典型恶臭气体氨(NH3)和硫化氢(H2S)作为目标污染物，考察生物滤池反应器在特定工况下对NH3和H2S气体的去除效果，并通过高通量测序技术对混合填料上微生物群落结构和关键微生物种群类型进行解析，筛选出除臭优势菌种，为开发相关的生物菌剂以及为实际生物滤池除臭工艺中去除NH3、H2S气体提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用气体取自污水厂进水廊道，储存于集气袋中，作为生物滤池反应器进气，并采用污水处理厂曝气池内污泥作为接种污泥。试验选用的混合填料组成及其优缺点见表1。3种填料即树皮、活性炭和多孔空心球按照6∶2∶1的比例混合而成，其中树皮可以自身提供营养物质，但是容易被压实；活性炭拥有大多非生物活性材料都没有的吸附性能，但无法提供营养物质；多孔空心球虽然无法提供营养物质，但可以增加孔隙率。因此，3种填料间的复合作用弥补了单一填料的不足,提高了填料的表面性能，不会造成填料的堵塞[9-18]。培养基由葡萄糖、尿素、K2HPO4·3H2O 按C∶N∶P=100∶5∶1配制而成。

表1 混合填料组成及其优缺点Table 1 Composition of mixed fillers

图1 填料实物Fig.1 Physical map of filler

1.2 试验装置

试验装置示意图见图2。生物滤池反应器材质为有机玻璃，内径为24 cm，高为120 cm，顶部接排气管，中部为填料填充区，下部为布气区，连接进气管；生物滤池反应器侧面设有采样口和排水(泥)口。按下式计算生物滤池反应器处理的臭气量：

(1)

式中：Q为进气流量，所得进气流量为10 m3/h；V为填料体积(m3)；t为停留时间，取值为10 s。

图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental device1.储液桶;2.储气袋;3.风机;4.收集袋;5.填料层;6.排气管;7.布水管;8.采样口;9.排水(泥)口;10.生物滤池反应器

1.3 试验方法

将混合填料填充到生物滤池反应器中，填料填充高度为600 mm。本试验采用直接驯化挂膜法[19-20]，使用壳聚糖溶液将填料润湿，24 h后用活性污泥将填料完全浸没，浸泡24 h后排出泥浆。

本试验设置5个反应阶段，气体通入比例(即空气∶臭气)分别为全空气、3∶1、1∶1、1∶3、全臭气，不同比例通气的运行时间分别为3 d、4 d、4 d、8 d、3 d。试验设计的运行参数见表2。

表2 试验设计的运行参数Table 2 Design operation parameters of the test

1.4 分析方法

采用纳氏试剂分光光度法[21]测定NH3气体含量，用稀H2SO4(aq)吸收NH3，碱性条件下其与纳氏试剂反应生成黄色络合物，该络合物在420 nm波长下的色度与氨气含量呈正比。采用亚甲基蓝分光光度法[16]测定H2S气体含量，H2S与吸收液(氢氧化镉-聚乙烯醇磷酸溶液)生成CdS沉淀，在H2SO4(aq)中，S2-与对氨基二甲基苯胺溶液和FeCl3(aq)溶液生成亚甲基蓝，进行比色定量。

1.5 高通量测序

本试验采用E.Z.N.A.®soil DNA kit (Omega Bio-tek,Norcross,GA,U.S.)从0.5 g样本中提取宏基因组DNA(3个重复)，并选定细菌16S rRNA基因V3～V4为测序区域，使用引物(338F和806R)进行PCR扩增，混合同样本扩增产物后用琼脂糖凝胶(2%)电泳检测，使用AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒回收扩增产物。根据电泳结果，使用QuantiFluorTM-ST蓝色荧光定量系统(Promega公司)对扩增产物进行检测定量，之后进行等比例混合。扩增之后构建PE文库，由上海美吉生物医药科技有限公司对其进行Miesq测序。

1.6 数据处理与分析

采用Origin8.0软件对试验数据进行分析，通过上海美吉生物医药科技有限公司分析平台(https://cloud.majorbio.com/)对扩增产物进行高通量测序分析。

2 结果与分析

2.1 培养驯化挂膜分析

由于本次试验时段为冬季，故对试验环境进行人工加温，使温度始终维持在21～35℃之间。使用该污水处理厂活性污泥为生物滤池提供所需微生物,为了准确判断混合填料挂膜情况，间隔4 d检测生物滤池反应器出水中COD、TP、TN含量，确定微生物对营养物质的吸收与利用情况[17]。各阶段微生物对营养物质的吸收与利用情况，见图3。

图3 各阶段微生物对营养物质的吸收与利用情况Fig.3 Absorption and utilization of nutrients by microorganisms

由TN浓度变化图[见图3(b)]可知，试验进程以15 d为分界线，即在15 d后，微生物以利用填料提供氮元素为主；由TP浓度变化图[见图3(a)]可知,在试验进程的第7 d和第19 d开始使用填料提供的磷元素;COD使用情况在试验进程的15 d后，生物滤池反应器进水中COD浓度低于出水中COD浓度[见图3(c)]，表明生物膜上的微生物代谢已达到平衡[22]。综上所述，挂膜可在15～19 d内完成，挂膜完成后微生物以填料中提供的营养物质和通入气体中的物质完成生命活动。

2.2 除臭效果分析

本试验对生物滤池反应器H2S、NH3的去除效果进行了研究，即在试验进程的第4 d通入臭气，开始对生物膜进行培养、驯化，通过测定生物滤池反应器通入臭气前后H2S、NH3气体的含量，计算其去除率，验证生物驯化效果。图4反映了在接种污泥与混合填料生物膜上微生物培养、驯化过程中生物滤池反应器进出H2S、NH3的气体浓度及其去除率。

由图4可见，H2S在第2次取样检测后去除率均已高于75%，NH3在第7次取样检测后去除率均高于75%，即说明在生物驯化培养过程中，先适应H2S后适应NH3，挂膜情况良好。

图4 微生物培养与驯化过程中生物滤池反应器 进出的H2S、NH3气体浓度及其去除率Fig.4 Concentration and removal rate of inlet and outlet H2S and NH3 of the biofilter reactor during the microbial cultivation process

图5反映的是生物滤池反应器循环水pH值的变化情况。

由图5可见，出水的pH值低于进水的pH值，且随着试验进程的推进而下降，在第11 d时，生物滤池反应器出水呈现弱酸性，表明H2S、NH3开始反应，形成了硫酸根和硝酸根所致。

图5 生物滤池反应器进出水的pH值Fig.5 pH value of the inlet and outlet of the biofilter reactor

2.3 混合填料微生物组成及其多样性分析

2.3.1 微生物群落组成多样性分析

为了探究接种污泥与混合填料生物膜上微生物群落组成的多样性和变化，将混合填料与接种污泥均采集3个样本，样本编号标记为S1-1、S1-2、S1-3、S2-1 、S2-2、 S2-3，并对其进行高通量测序分析，图6为混合填料与接种污泥两组样本(S1、S2)的稀释曲线。

由图6可见，随着样本量的增加，样本稀释曲线趋于平缓，即说明本次试验取样合理，样本测序数据量足够[23]。

图6 混合填料与接种污泥两组样本(S1、S2)的稀释 曲线图Fig.6 Dilution curves of two groups of the mixed filter and the inculating sludge samples (S1 and S2)

混合填料与接种污泥两组样本(S1、S2)的测序微生物群落组成多样性指数,见表3。其中，Coverage指数反映群落覆盖度，在S1、S2样本中，Coverage指数均值分别为0.991 3、0.993 2，表明此次测序深度足够，样本中细菌群落覆盖度高；Shannon指数反映群落多样性，S1组样本的Shannon指数依次为1.55、1.37、1.64，S2组样本的Shannon指数依次为1.99、1.85、1.99，且样本Shannon指数的大小表现为S2>S1；Chao 1指数反映群落丰富度，S1组样本的Chao 1指数依次为24.47、27.18、24.03，S2组样本的Chao 1指数依次为32.47、30.02、32.46，且Chao 1指数的大小表现为S2>S1。上述试验结果表明，驯化与挂膜后，微生物群落多样性和丰富度出现了降低，其主要原因是驯化与挂膜培养过程中微生物生存环境和营养源的改变所致。

表3 混合填料与接种污泥两组样本(S1、S2)的微生物 组成多样性指数Table 3 Microbial community diversity index of twogroups of the mixed filter and the inculatingsludge samples(S1 and S2)

2.3.2 微生物群落组成分析

对混合填料与接种污泥两组样本在门水平的微生物群落组成(丰度>1%)进行了分析，其结果见图7。

图7 混合填料与接种污泥两组样本(S1、S2)在门水平的 微生物群落丰度百分比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

由图7可见，由于S1组样本中微生物由S2组样本接种而来，故S1组样本与S2组样本的物种组成相似，但丰度占比存在区别，如S1组样本中变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度大于S2组样本，而拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)在S2样本中的丰度大于S1组样本，这与通入臭气培养驯化有关，推测Proteobacteria、Acidobacteria为除臭优势菌。

对变形菌门和酸杆菌门进行了纲水平微生物群落组成分析，其结果见图8。

图8 混合填料与接种污泥两组样本(S1、S2)在纲水平的 微生物群落丰度百分比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

由图8可见，通过对比混合填料与接种污泥两组样本在纲水平微生物群落组成可知，在S1组样本中β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、酸杆菌纲(Acidobacteria)的丰度大于S2组样本中的丰度，推测这四种纲水平微生物为除臭优势菌。

将微生物群落丰度与环境因子进行了相关性分析，其结果见图9。

图9 微生物群落丰度与环境因子的相关性 Heatmap图Fig.9 Heatmap of correlation between microbial community abundance and environmental factors

由图9可见，β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)与H2S气体浓度呈显著负相关(p<0.05)，相关系数为-0.885 7和-0.771 4；β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)与TN呈显著正相关(p<0.05)，相关系数为1和0.942 8；酸杆菌纲(Acidobacteria)与TP呈显著正相关，相关系数为0.844 0。即上述三者为除臭优势菌，其中β-变形菌纲(Betaproteobacteria)中存在多种细菌,可将硫化物氧化成单质硫、硫酸盐等物质[24-25]，如硫化细菌可氧化还原态硫化物H2S为硫酸[26]，这与检测生物滤池反应器出水呈弱酸性结果一致；γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)中的丝硫菌属能利用有机酸和明胶，并在生长的过程中能减少硫化合物和脱氮[27]；酸杆菌纲(Acidobacteria)为酸杆菌门的进一步分类，它们为嗜酸菌，该类细菌可将复杂的有机碳氧化为乙酸，保证其生长的微环境呈酸性，而NH3水溶液呈碱性，这是酸杆菌纲与NH3呈显著负相关的原因。

3 结 论

(1) 通过搭建生物滤池反应器，连续监测生物滤池反应器进出水中COD、TN、TP的浓度值，以及计算H2S、NH3去除率，判断试验驯化和挂膜情况，试验结果表明：挂膜在15～19 d内完成，且除臭效果良好，达到了预期效果。

(2) 通过对比接种污泥与驯化挂膜后填料微生物多样性指数，结果表明：驯化挂膜会降低微生物群落的丰度和多样性。随着生物滤池反应器通入臭气后，对臭气耐受微生物存活，不适微生物减少，完成了对生物膜的培养与驯化。

(3) 微生物群落组成分析表明：在门水平，变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)在混合填料样本中的丰度大于接种污泥，而拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)则相反，表明变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门为除臭优势菌。进一步分析了变形菌门和酸杆菌门在纲水平的微生物群落组成，并结合环境因子(H2S、NH3、COD、TN、TP)进行相关性分析，结果表明：β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、γ-变形菌纲(Ga-mmaproteobacteria)、酸杆菌纲(Acidobacteria)微生物是除臭优势菌。