摘要：為了實現城鎮污水處理廠深度脫氮效果，以太湖流域某污水處理廠為對象，采用以生物質廢棄物再利用過程中產生的衍生物甘油為主要原料的生物質碳源作為反硝化電子供體，分別研究了缺氧池、深床濾池的反硝化脫氮效果，同時解析了外加生物質碳源前后的微生物群落結構變化特征。結果表明，生物質碳源在缺氧池每天投加2.5-3.0t/d時，可使缺氧池硝態氮濃度下降1.67-1.73mg/L，去除率約52%-68%;深床濾池在投加生物質碳源后反硝化脫氮過程中每去除1mgNO3--N約消耗5.27mgCOD，進而使得出水TN能夠達到5mg/L以下，實現了出水TN的穩定達標排放。通過16SrRNA基因序列分析發現，缺氧池和深床濾池微生物優勢菌門主要為Proteobacteria、Actinobacteriota、Chloroflexi和Bacteroidota。深床濾池由于工藝條件和生長環境不同，在投加生物質碳源后Thiothrix、Bacillus、Propionicicella、norank_f__Rhodocyclaceae、Terrimonas等具有反硝化脫氮功能的優勢菌群較為突出，有效保證了系統穩定的深度脫氮效果，同時間接降低二氧化碳排放，對碳減排及“碳中和”有積極貢獻。

　　關鍵詞：生物質碳源;反硝化;脫氮;16SrRNA;群落結構

　　引言

　　隨著我國日益嚴格的地方排放標準相繼實施，要求出水TN指標低于10mg/L，大多數城鎮污水處理廠為了保證出水TN能夠穩定達標，通常采取外加碳源以強化反硝化脫氮[13]，如甲醇、葡萄糖、乙酸鈉、復合碳源等傳統化工碳源，但存在安全性差、價格過高等問題[45]。生物質廢棄物及其衍生物因廉價易得可以作為資資源化循環利用引起了研究人員的廣泛關注[68]。

　　生物質廢棄物通過熱裂解處理，提煉或制造生物質能源、生物質肥料和生物質環境材料等各種生物質資源物質，可以實現全球每年約10億tCO2當量的減排潛力[911]。其中利用生物質廢棄物制造生物質能源過程中會有大量的衍生物粗甘油產生[12]，該粗甘油主要成分為甘油，占比達40%以上，此外還含有部分長鏈烷烴、醛類和苯酚類等物質，外觀呈深棕色粘稠狀液體，具有無毒、安全、穩定等特點。

　　近年來，以甘油作為污水處理外加碳源的研究已成為熱點[13]。夏雪等[14]采用甘油作為反硝化除磷的碳源，除磷效率高達79.2%。彭志英等[15]采用粗甘油生物質碳源對活性污泥進行馴化研究后，其反硝化潛力升高至10.63mgNO3N/(gVSS·h)。

　　胡明明等[16]采用甘油作為碳源的地下水硝酸鹽氮去除試驗中,投加反硝化菌種可以高效的去除硝酸鹽氮,去除率可以達到97.7%以上。研究結果表明，甘油作為污水處理脫氮除磷的生物質碳源，可以強化微生物脫氮除磷潛力。基于安全性和經濟性等方面的考慮，以生物質廢棄物及其衍生物粗甘油作為生物質碳源的主要原料，不僅價格低廉、來源廣泛，生物降解性能好，而且也為生物質廢棄物資源化利用提供有效的路徑。

　　盡管生物質廢棄物及其衍生物粗甘油作為反硝化過程碳源的研究較多，但實際工程應用案例較少。為切實提高生物質碳源作為傳統碳源替代物在污水處理廠應用的可行性，本研究采用以粗甘油作為主要原料的生物質碳源，在太湖流域某城鎮污水處理廠進行工程應用，進行強化生物反硝化脫氮效能的試驗，同時結合分子生物學技術，對微生物群落進行解析，探究生物質碳源對污水處理反硝化脫氮效能與菌群變化的影響，以期為污水處理廠生物脫氮外加碳源提供新的選擇，同時還可以間接降低二氧化碳排放，從而實現碳中和目標發揮作用。

　　1試驗設計與方法

　　1.1試驗材料

　　本研究在太湖流域某城鎮污水處理廠進行，該污水處理廠運行規模為15萬m³/d，其中一期工程規模4萬m³/d，采用改良AAO工藝，深度處理單元采用V型濾池工藝;二期工程規模為11萬m³/d，采用改良AAO工藝，深度處理采用深床濾池工藝。其中出水水質COD、TN、氨氮、TP指標滿足《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染排放限值》(DB32/1072—2018)一、二級保護區的排放限值要求，出水水質BOD5、SS指標滿足一級A(GB189182002)排放標準。生物質碳源由某碳源生產企業提供，原材料主要來源于生物質能源制作過程中產生的衍生物粗甘油，COD當量約20萬mg/L。

　　1.2試驗設計自2021年9月3日至2021年9月21日開展為期19天試驗，試驗期間污水處理廠進水主要水質指標COD濃度約210mg/L;試驗地點分別為一期1#、2#缺氧池以及二期深床濾池;其中一期1#、2#池外回流R為100%，內回流r為300%400%(9月3日—9月6日為300%;9月6日—9月21日為400%)。一期缺氧池投加點位于缺氧池內回流與進水混合后的位置，此處DO濃度約0.3mg/L;二期深床濾池投加點位于深床濾池進水處的位置。每天記錄進出水NO3N濃度、生物質碳源投加量、進水實時流量、溶解氧等參數。

　　1.3分析項目及方法COD、NO3N指標采用標準方法測定[17]，DO采用德國WTW多參數水質分析儀Multi3430測定。

　　1.4分子生物學分析方法為了研究生物質碳源投加前后缺氧池和深床濾池微生物多樣性及其群落結構變化，對缺氧池和深床濾池的污泥樣品進行DNA提取，定量PCR和高通量測序分析[18]。

　　其中SH1表示一期缺氧池生物質碳源投加前微生物;SH表示一期缺氧池生物質碳源投加后微生物;LC1表示二期深床濾池生物質碳源投加前微生物;LC表示二期深床濾池生物質碳源投加后微生物。Miseq建庫及基因測序委托上海晶能生物技術有限公司進行，DNA序列測序數據、質量控制、序列拼接及生物信息高級分析由該公司協助完成。

　　2結果與討論

　　2.1缺氧池生物質碳源投加試驗

　　為期19d的缺氧池(1#、2#)生物質碳源投加試驗。1#缺氧池進水NO3N濃度在1.487.38mg/L范圍之間，均值約3.83mg/L，出水NO3N濃度在0.155.39mg/L，均值約2.16mg/L，NO3N濃度下降約1.67mg/L，去除率維持在52%左右。在第一天還未投加生物質碳源時，1#缺氧池進、出水NO3N濃度分別為2.07mg/L、0.83mg/L，NO3N濃度下降1.24mg/L，表明缺氧池存在一定的反硝化脫氮效果，主要原因是進入缺氧池的原水中含有部分碳源，為缺氧池反硝化菌提供脫氮所需的電子供體。

　　第二天生物質碳源開始投加，缺氧池進、出水NO3N下降僅1.01mg/L，與第一天未投加碳源的反硝化效果相比并沒有明顯的改善。隨著試驗持續開展和生物質碳源投加量逐漸增加，缺氧池反硝化脫氮效果明顯，NO3N下降量提升至1.78mg/L左右。2#缺氧池在投加生物質碳源后變化規律與1#缺氧池相同。進水NO3N濃度在1.486.85mg/L范圍之間，均值約2.78mg/L，出水NO3N在0.124.48mg/L，均值低至1.05mg/L，下降約1.73mg/L，去除率維持在68%左右。從工程試驗結果來看，以粗甘油為主要原料的生物質碳源投加在城鎮污水處理廠缺氧池中，具有強化反硝化脫氮性能特性。

　　2.2深床濾池生物質碳源投加試驗

　　為期19d的深床濾池生物質碳源投加試驗。在生物質碳源投加試驗第一天時深床濾池進、出水NO3N濃度分別為3.66、3.65mg/L，基本沒有發生反硝化脫氮作用，主要原因是某污水處理廠深床濾池在實際運行過程中不外加碳源，造成反硝化脫氮過程缺少電子供體碳源。

　　在生物質碳源持續投加的第二天，深床濾池進、出水NO3N濃度分別為6.12、3.97mg/L，NO3N濃度下降2.15mg/L，出現明顯的反硝化脫氮效果，由此說明生物質碳源能夠強化深床濾池反硝化脫氮過程，提高污水脫氮效果。隨著工程試驗的進行和生物質碳源投加量的增大，深床濾池反硝化脫氮效果逐漸得到改善，進、出水NO3N濃度去除率穩定在48.66%左右。

　　另外，由于二沉池出水存在明顯的跌水復氧過程，造成進入深床濾池的污水攜帶大量DO，深床濾池的進水DO濃度在5.897.08mg/L范圍之間，均值約6.58mg/L，在投加生物質碳源后，深床濾池出水DO濃度逐漸下降，最低濃度低至0.42mg/L，說明深床濾池濾料上附著的微生物含有好氧的異養菌，在降解有機物過程中消耗了大量DO，這在運行過程中雖然會造成生物質碳源的無效浪費，但也改善了深床濾池反硝化脫氮的缺氧環境，降低DO對反硝化作用的抑制效果。

　　由于深床濾池進水攜帶大量DO，這部分DO會消耗生物質碳源。根據相關文獻資料可知，每1mgDO需要消耗0.87mgCOD[19]，通過核算這部分DO每天大約浪費2.7t/d生物質碳源(20萬當量)。扣除這部分損耗浪費，深床濾池每去除1mgNO3N大約實際需要消耗5.27mgCOD，這一結論與理論值基本一致[19]。

　　2.3微生物群落分析

　　2.3.1多樣性指數分析

　　投加生物質碳源對微生物多樣性有一定的影響。投加生物質碳源后深床濾池Shannon值顯著變大、Simpson值顯著變小，表明投加碳源后深床濾池濾料上附著的微生物多樣性明顯上升，主要原因是深床濾池投加生物質碳源改變了深床濾池構筑物功能，由原來單一的去除懸浮物功能單元變成了具有反硝化脫氮性能功能單元，改變了濾料上附著的微生物生存環境，使濾料上適應且喜好碳源環境的微生物功能菌種逐漸被富集，有效改善了深床濾池反硝化脫氮效果。

　　而投加生物質碳源錢后的缺氧池Shannon、Simpson值幾乎沒有變化，但Shannon值高達5.4、Simpson值接近于0，說明缺氧池微生物多樣性非常高，原因主要在于某污水處理廠污水處理工藝為改良AAO工藝，活性污泥微生物在缺氧、厭氧、好氧等環境下交替運行，生存環境更加復雜。Beta多樣性表示樣品之間的群落差異性。投加麥可碳前后缺氧池和深床濾池中微生物群落結構的差異情況，結果表明生物質碳源投加后，缺氧池中活性污泥的群落結構差異相對較小，而深床濾池中活性污泥的群落結構差異明顯。

　　2.3.2微生物群落結構分析

　　進一步對不同樣品的門和屬水平上的微生物群落組成進行分析。門水平群落結構變化顯示，在四組樣品均以變形菌門Proteobacteria、放線菌門Actinobacteriota、Chloroflexi和擬桿菌門Bacteroidota作為主要菌群。Proteobacteria往往是活性污泥系統中最常見的和豐度最高的優勢菌，然后是Bacteroidetes、Chloroflexi、Actinobacteria、浮霉菌門Planctomycetes和Firmicutes，它們在不同水質條件下的占比各不相同[20]。

　　Proteobacteria在污水處理系統中多數為兼性或專性厭氧菌，其中大部分屬異養型細菌，是COD和脫氮過程的重要貢獻者。變形菌門包含的最主要的綱均為β變形菌綱BetaProteobacteria，其包含較多好氧或兼性細菌，被認為與污泥反硝化作用密切相關[21]。Actinobacteria在自然界中常扮演分解者角色，Chloroflexi對復雜有機物和某些聚合物的降解發揮重要作用;可以將死細胞、EPS等降解為如乳酸、乙醇等的簡單有機物[22]。

　　Patescibacteria可以廣泛參與反硝化過程。Nitrospirota是隸屬于亞硝酸鹽氧化細菌和完全氨氧化細菌的一個門[23]。深床濾池在投加生物質碳源后，優勢菌群變形菌門Proteobacteria的相對豐度從接種污泥中的54.9%下降到34.0%，而放線菌門Actinobacteriota、綠彎菌門Chloroflexi、Patescibacteria和酸桿菌門Acidobacteriota的豐度均提升至18.4%、15.1%、9.0%和5.2%。

　　缺氧池在投加生物質碳源前后微生物組成變化較小，其中Chloroflexi、硝化菌門Nitrospirota和厚壁菌門Firmicutes菌群豐度有小幅度的提升。以上在投加生物質碳源后相對豐度增加的菌群均與含氮和有機物等物質的代謝有關，說明生物質碳源的投加對微生物的群落結構有顯著影響，有利于微生物多樣性的提升和對含氮及COD等污染物有去除效果的相關微生物的富集。

　　2.3.3功能基因預測分析

　　基于高通量測序結果對不同樣品進行了功能基因預測。如圖7所示，FAPROTAX預測結果顯示投加生物質碳源前后深床濾池中硝酸鹽還原相關基因發生明顯變化。深床濾池中投加碳源后與亞硝酸鹽反硝化、硝酸鹽反硝化、硝酸鹽呼吸作用等相關的nitritedenitrification、nitratedenitrification、nitrousoxidedenitrification功能基因豐度提高，說明該生物質碳源具有優化微生物菌群結構，促進了系統中的反硝化過程，提高了系統的多樣性和抗沖擊能力。

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　　3結論

　　(1)試驗期間生物質碳源投加量在2.53t/d之間時(COD當量20萬mg/L)，缺氧池可去除1.671.73mg/L的硝態氮量，去除率維持在52%68%左右;深床濾池反硝化脫氮過程中每去除1mgNO3N約需要消耗5.27mgCOD。通過試驗可知，該生物質碳源有良好的可生化降解性，所提供的COD被微生物吸收利用率高。

　　(2)缺氧池和深床濾池中含有大量與反硝化作用密切相關的菌群，如Thiothrix、Bacillus、Propionicicella、Rhodocyclaceae、Terrimonas等。在投加生物質碳源后，深床濾池反硝化脫氮菌屬占比有明顯增加，豐富度和多樣性發生顯著變化，其中與亞硝酸鹽、硝酸鹽反硝化等相關的nitritedenitrification、nitratedenitrification、nitrousoxidedenitrification功能基因豐度提高。從菌群分析的角度可知，該生物質碳源具有優化微生物菌群結構，強化反硝化脫氮能力，從而提高系統的抗沖擊能力，有效保證系統的脫氮除磷效果。

　　(3)本工程應用采用的生物質碳源來源于生物質廢棄物制造生物質能源過程中產生的衍生品，與化石類原料制成的傳統碳源相比，具有綠色、安全環保等綜合優勢，同時還可以間接降低二氧化碳排放，對碳減排及“碳中和”有積極貢獻。

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　　作者：王燕1,2,3李激1,4,5*支堯1,3周瑜6鄭凱凱1,3王小飛1,