为探讨低碳氮比污水厂尾水的深度脱氮技术，以碱处理玉米芯、零价铁和活性炭组成的复合碳源作为填料，考察反硝化生物脱氮滤柱的运行效果，并借助Miseq高通量测序技术对滤柱生物膜的微生物群落组成和结构进行解析。结果表明，复合碳源填料进行反硝化脱氮时，能有效的被微生物利用并获得较高的TN去除率。在温度为28℃左右，反硝化滤柱进水浓度为20——30mg/L、HRT=7.7h时，TN去除率可达到95%以上，出水TOC在15mg/L左右；微生物在属水平进行聚类分析结果表明，生物膜中与反硝化作用有关的菌属和与纤维素降解有关的菌属分别占已知菌属的40.35%和29.04%.因此，污泥中反硝化作用菌属和纤维素降解有关的菌属的大量存在，为复合碳源填料高效反硝化作用提供了可能。


生物多样性与分类学分析：首先将序列按照彼此的相似性归为操作分类单元（OTU）。按照97%相似性对非重复序列（不含单序列）进行OTU聚类，采用RDP classifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行分类学分析，并分别在各个分类水平：domain（域），kingdom（界），phylum（门），class（纲），order（目），family（科），ge nus（属），species（种）统计各样本的群落组成。


Unisense 微电极测定系统的应用


使用pH微传感器（尖端直径：10µm）（UNISENSE A/S，丹麦）测量pH微分布。pH微电极在标准缓冲溶液（pH 4、7和10）中进行校准。为了进行微观轮廓测量，将K1生物膜载体从反应器中取出，用手术刀轻轻切成两半，然后放入定制的流动池中，使废水流过以2 mL/min的速率去除生物膜。使用夹具将样品固定到位。使用三维（3D）显微操作器（UNISENSE A/S，丹麦）完成微传感器尖端在样品中的定位和移动，并使用带有CCD相机的立体显微镜进行观察。


结果与分析


氮去除效果及出水TOC


从图1中可知，挂膜阶段初期，氮去除率较高，可达到100%，这是由于玉米芯表面的可溶性碳源被微生物利用，碳源充足；随后氮去除率逐渐下降稳定至75%左右，出水TOC也由之前的逐渐降低变为稳定的趋势，预示着微生物开始分解纤维素释碳，标志挂膜完成。

图1氮去除效果及出水TOC变化


pH值的变化

由反应式（1）、（2）可知，生物反硝化过程中通常会产生碱度，使pH值升高。图2为反应器运行过程中进出水pH值变化。从图2的结果可以看出，运行过程中出水pH值均低于进水pH值并且更接近中性，这是因为以玉米芯等纤维素类物质作为反硝化碳源时，纤维素、半纤维素在微生物作用下分解释碳，在分解过程中，纤维素半纤维素逐级水解产生有机酸等简单有机物，中和反硝化产生的一部分碱度，从而使出水pH值低于进水并更趋于中性。熊剑锋等在梧桐树叶作为反硝化碳源的研究中，利用高效液相色谱对其浸出液进行分析，发现其中的主要成分为有机酸类物质，说明溶液中pH值下降是有机酸释放导致；邵留等以稻草为碳源和生物膜载体去除水中硝酸盐的研究中也有类似结论，即在随着反硝化的进行，出水pH值基本维持在中性。因此，纤维素类物质作为反硝化碳源和生物载体时具有稳定体系pH值的能力。

图2运行过程中pH值变化


结论


采用复合碳源填料进行生物反硝化脱氮，能有效去除水中硝酸盐，单位质量碱处理玉米芯硝氮去除量为1.32kg/kg，保证较低出水TOC，并避免了填料堵塞和NH4+-N的积累。


碱处理玉米芯复合填料作为反硝化碳源和生物载体时，具有稳定反硝化体系pH值的能力，出水pH值无显著升高而更趋于中性。