李莹¹，高静雯¹，李星宇¹，王恒毅¹，范秀磊^1，2

（1.徐州工程学院环境工程学院，江苏 徐州 221018；

2. 江苏涤清环保科技有限公司，江苏 徐州，221116）

摘要：低C/N市政尾水碳源较低，抑制了以异养为主要代谢类型的反硝化菌的富集及代谢，传统硝化反硝化活性污泥工艺处理脱氮效率较低，生物膜法可以提高脱氮效果，但微生物的附着载体仍然需要进行改进以提高脱氮效果。针对这一问题，在高密度聚乙烯（HDPE）材料的基础上添加生物炭、二氧化锰、零价铁粉等材料对其进行改性，将三种改性材料应用于固定床生物膜反应器中，探究其在不同水力停留时间（HRT，8h和4h）、不同C/N条件下的脱氮效果、挂膜速率差异，并通过分析新型改性生物膜载体特征、系统内微生物群落结构解析其机理。结果表明，最优工况为HRT=8h，C/N为4。在最优工况下，改性载体的NO₃⁻-N去除率显著高于纯HDPE组，其中生物炭载体的平均去除率达到74.33%，最高去除率达到82.05%。其机理可以归结为改性载体相较于纯HDPE载体，表面粗糙度显著提高，Zeta电位增加，从而改善了微生物的多样性，与脱氮相关的功能微生物得到富集，反硝化脱氮代谢通路得以强化，显著提高了生物膜反应器的脱氮效率。

关键词：改性生物载体；低碳氮比；水力停留时间；微生物多样性；市政尾水

0 引言

市政尾水有机碳源较少，C/N较低，不利于以异养为主要代谢类型的反硝化菌的富集，因此传统硝化反硝化工艺应用于市政尾水的脱氮效果不佳。而新型生物脱氮，如生物膜法，可以通过路径优化与微生物调控，实现低碳自养脱氮与能耗突破^[1]。

微生物附着强度与载体自身的物理化学性质紧密相关，包括载体的亲/疏水性、表面电性、稳定性以及微生物毒性等^{[2, 3]}。传统的生物膜载体材料多为聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和维伦^[4]，这些生物膜载体大都表面光滑且带有负电位，亲水性较差，微生物附着、富集的难度较大，导致装置启动时间较长，提高生物多样性和生物活性的能力有限。研究成果表明生物炭（Biochar，BC）、锰、零价铁（ZVI）能够提升反硝化效率^{[5, 6]}。BC因其制备简单、孔隙率高、比表面积大、具有丰富官能团、且吸附性强，能够促进电子转移和提高氧化还原速率被广泛运用于污水处理中。锰元素不仅是微生物生长所需的微量元素，还能作为电子供体参与部分细菌的反硝化反应，从而减少对外加碳源的依赖。同时，锰氧化物在生化系统中具有较高的氧化还原活性和催化活性^[5]，能够通过与NO₃^-和NO₂^-反应进行自养反硝化。零价铁能够抑制过度酸化^[7]，为反硝化菌提供pH值为中性的环境，充当电子供体，参与电子转移来改善反硝化的过程中的电子产生、运输和消耗^[6]，还可以改善反硝化菌群的多样性^[8]，从而增强反硝化能力。

C/N、HRT为生物处理工艺设计中的重要参数^{[9, 10]}，对生物膜反应器内的混合液尤其是混合液中微生物群落结构组成有显著影响，而这些与生物膜反应器的有机氮降解性能息息相关。

本研究拟将高密度聚乙烯（HDPE）、BC、MnO₂、ZVI与辅材混合烧制成新型改性生物膜载体投放于固定床生物膜反应器中，结合HRT和进水C/N调控，考察新型改性生物膜载体提升系统的脱氮效果并解析其机理，能够为以生物膜法为主的处理工艺提供新的载体，并为高效去除市政尾水中的氮素提供新思路。

1材料与方法

1.1试验装置及运行方法 

图1 固定床生物膜反应器运行示意图

试验装置如图1所示，固定床生物膜反应器为直径70 mm，高度310 mm的空心柱状结构，有效高度为260 mm，有效容积为1.2 L，主体为亚克力塑料材质。原水通过蠕动泵由反应器下方连续进入反应器内部，自下而上流经整个反应器后从上方出水口溢流进入出水池。为确保反应器进水口不会被载体和生物膜堵塞，在距底部5 cm处设置下挡板，预留部分进水空间。

本试验设四组反应器，分别投放纯HDPE载体、BC改性载体、锰改性的BC载体（Mn-BC）和铁改性的BC载体（ZVI-BC），依次标记为R1、R2、R3、R4。其他运行参数见表1。

表1 各工况反应器运行参数

1.2载体成分及制作方法

纯HDPE载体由高密度聚乙烯粉末和硬脂酸钙组成。生物炭载体由高密度聚乙烯粉末、秸秆生物炭粉末、硬脂酸钙、滑石粉和聚季铵盐-10（PQAS-10）组成，其中，高密度聚乙烯粉末为基础材料，秸秆生物炭粉末为功能材料，硬脂酸钙和滑石粉为辅助材料，PQAS-10为载体亲电改性材料。将不同配比的粉末状混合物在振荡器内混合均匀并填入特制双管空心模具中压实，随后将模具放入200℃的烘箱中熔融20min，冷却后脱模得到空心圆柱型载体，最后将载体均匀切割，获得长度为1.5cm厚度为0.2cm的生物膜载体。

1.3 活性污泥接种及驯化方法

接种活性污泥取自污水处理厂二沉池污泥。分别将纯HDPE、BC、Mn-BC、和ZVI-BC载体投入活性污泥充分混合挂膜，曝气培养48h-72h后，按体积比为20%投放于相应反应器。

1.4原水配置方法

试验使用人工配置的模拟污水，配制污水所用溶剂为超纯水，成分如表2所示，调节水的pH值为7-8，同时向水中添加微生物生长需要的Fe、Mn、Cu、Ni、Co、Zn等微量元素的配制方法与乔鑫等人^[11]的配置方法相同。

表2 模拟污水成分组成

1.5主要分析检测项目及数据处理方法

常规指标按照国家环保总局颁布的《水和废水检测方法》（第四版)进行检测和分析，DO、温度（Temperature，T）和pH值，用哈希 HQ30d分析仪测定。常规指标测定频率为每天一次。利用表面粗糙度仪测定生物膜载体的表面粗糙度的Ra值。利用接触角/表面张力测量仪（德国Dataphysics公司等）测量生物膜载体的接触角。

从4个反应器中随机采集生物膜样品，将同一载体的不同工况下的生物膜样品均匀混合在一起，按照要求送往杭州研趣信息技术公司旗下的科学指南针支持的Miseq Illumina平台进行测序并进行相关分析。

2结果和讨论

2.1氮去除性能分析

2.1.1 工况优化

分别在HRT=8h、C/N=4，HRT=8h、C/N=3，HRT=4h、C/N=3，HRT=4h、C/N=4的工况下运行，检测不同载体在不同的HRT和C/N下的NO₃^--N去除率。

（a）HRT=8h，C/N=4（b）HRT=8h，C/N=3（c）HRT=4h，C/N=3（d）HRT=4h，C/N=4
图2不同工况下NO₃^--N去除率

当出水水质稳定后，将NO₃^--N的去除率绘制于图2中。如图2所示，此反应器在HRT为8h，C/N为4以及HRT为4h，C/N为4时各载体均能取得较好的NO3^--N的去除效果，达到50%以上，尤其是当HRT为8h时NO₃^--N去除效率最高，能达到70%以上。因此，此反应器的最优工况为HRT=8h，C/N=4。

在最优工况条件下，R1、R2、R3、R4的平均出水NO₃^--N浓度分别为12.62 mg/ L，10.27 mg/ L，10.89 mg/ L，10.72 mg/ L；R2-R4反应器平均出水NO₃^--N浓度比R1平均出水低2 mg/ L。R2、R3、R4反应器去除率相近，其中R2效果最好，平均去除率达到了76.39%，最高去除率达到了82.05%，可以推断载体经过生物炭改性后增大了生物膜载体的表面粗糙度，有利于更多的生物膜附着，从而加强了生物脱氮效果。

当HRT为8h时，a组（C/N=4）比b组的（C/N=3）时NO₃^--N去除效果较好，最高值是最低值的3倍。同一HRT条件下，当C/N为3时，NO₃^--N去除率均低于C/N为4的工况，其原因可以归结于反硝化作用因为有机碳源不足而被抑制，去除率大幅度下降。虽然去除率下降，但是在b组和c组中R4反应器对比其他反应器展现出明显的优势。d组比c组相比，同一种载体在d组的NO₃^--N去除效果均明显优于c组，NO₃^--N去除率为c组的2倍以上。以上结果表明，当HRT与C/N同时为设备的控制参数时，C/N起到更为主导的作用，且在同一工况下，改性材料表现出更优异的脱氮效果，需要进一步探究其机理。

2.1.2 最优工况下不同载体启动周期比较

当去除率相对稳定时，表征生物膜挂膜启动阶段完成。为了探究最优工况下不同载体的生物膜启动差异，将HRT=8h，C/N=4工况下不同载体的NO₃^--N的去除效果进行对比分析，其结果如图3所示。图3数据表明R2(BC)在12 d时去除率达到77%并趋于稳定，启动速度最快，纯HDPE组最慢，为15 d。生物膜的附着、增长及脱落与载体的特性以及生物膜内微生物群落结构组成密切相关，本反应器内不同载体的挂膜速率产生差异的原因需要进行进一步分析。

图3最优工况下不同载体NO3--N去除效果对比

2.2载体表面物理化学表征

为了探究同工况下不同载体启动速度产生差异的原因，现对载体的表面物理化学表征进行对比分析。

2.2.1官能团分析

HDPE、BC、Mn-BC、ZVI-BC四种生物膜载体的傅里叶变换红外光谱（FTIR）图如图4所示。

图4傅里叶变换红外光谱图

如图4所示，在2913.95 cm⁻¹和2846.86 cm⁻¹处分别为C-H键的反对称和对称伸缩振动，1461.27 cm⁻¹ 和717.44 cm⁻¹处的峰则分别对应C-H键的弯曲振动和结晶区的摇摆振动，这些特征峰是HDPE的典型标志。BC的光谱在3400 cm⁻¹附近出现宽峰，表明样品中含有-OH（羟基）官能团，同时在1541.78 cm⁻¹ 处的吸收峰代表了芳香环的C=C骨架振动。在1011.93 cm⁻¹处观察到C-O-C或C-OH的特征吸收峰，表明生物炭样品中含有一定量的氧化官能团。Mn改性样品在550cm⁻¹处表现出显著的吸收峰，与锰氧化物中Mn-O键（金属-氧键）的振动特征相对应。与其他样品相比，Mn在高波数区域（如3000 cm⁻¹以上）几乎没有吸收峰，进一步反映了其无机化学特性，验证了MnO₂已经负载到生物膜载体上^[12]。ZVI的光谱较为平坦，表明其无机金属本身在红外波段的吸收较弱，但在580 cm⁻¹处存在弱吸收峰，可能与金属表面部分氧化形成的铁氧化物相关。

2.2.2表面粗糙度

HDPE、BC、Mn-BC、ZVI-BC载体的表面粗糙度的检测结果如图5所示。

图5 不同载体表面粗糙度Ra值

HDPE对照组表面粗糙度平均值为2.24μm，而BC载体的表面粗糙度平均值提高至15.58μm，改性BC载体的表面粗糙度平均值则分别提高至9.28μm（Mn-BC载体）和13.69μm（ZVI-BC载体）。结果表明掺杂了生物炭粉末的生物膜载体与未改性载体相比，载体的表面粗糙度以及比表面积大大增加。这主要是由于BC的颗粒细小，比表面积大，具有丰富的孔隙结构和大量的吸附位点，并且BC粉末的热稳定性高，高温烧制过程中能保持结构稳定，不易被氧化或分解。因此BC载体和改性BC载体掺杂的生物炭粉末改变了生物膜载体表面的物理性质，提高了载体的表面粗糙度，为强化微生物的富集提供了物理条件。

2.2.3接触角

测量各载体的接触角2次，将检测结果绘制在图6中，分别记为1和2。

如图6所示，经过检测，R1的HDPE载体的接触角为84°±1°，R2的BC载体的接触角为110°±1°，R3的Mn-BC载体的接触角为109.5°±1°，R4的ZVI-BC载体的接触角为97°±1°。与R1反应器中载体相比，加入了生物炭的R2、R3、R4反应器中的接触角均增大。以上结果表明HDPE经过改性后有效提高生物膜载体的亲水性，加快了微生物的附着速率，从而加快微生物的挂膜速度，与林霄涵^[13]的研究结果一致，为提高污水的净化效率提供了物理条件。

图6 各载体接触角数值图

2.2.4 Zeta电位

如表3所示，HDPE载体在pH值为7条件下的Zeta电位均值为-37.43 mV，改性之后的Zeta电位值均分别为-16.67 mV（BC）、-16.16 mV（Mn-BC）、和-16.37 mV（ZVI-BC）。改性之后的载体Zeta电位值平均增加了21.029 mV。因此在起到主流脱氮作用的微生物表面电位多为负值的情况下，对生物膜载体的表面电位进行的正向改性，有利于显著提高生物膜的形成速度。

表3载体Zeta电位数据

2.3最优工况下不同载体表面微生物群落结构差异性分析

2.3.1 多样性分析

多样性分析结果如表4所示，每个样品的覆盖率都达到了0.99以上，证明了测序深度足够，结果有效。R2、R3、R4的Chao值都大于R1，表明R2、R3、R4的物种丰富度均大于R1。此外，R2、R3、R4的Simpson指数均高于R1，代表R2、R3、R4物种多样性优于相比R1有所增加。显然，与R1相比，改性载体改善了附着于表面生物膜的物种丰富度和物种多样性，为生物膜高效除污染物提供了潜力。

表4各反应器中的微生物丰度与多样性统计

2.3.2 微生物群落结构及代谢通路差异分析

微生物群落结构及其代谢路径对物质的转化具有重要影响。将属水平下相对丰度排20的物种统计绘制于图7中。同时参考MetaCyc，将造成反硝化代谢通路差异的的属水平下物种对该代谢通路的贡献值统计于图8中。MetaCyc是生命科学领域内已通过实验数据阐明的最大的代谢参考数据库，包含了参与初级和次级代谢的各种通路以及相关代谢物，生物化学反应，酶和基因等信息。提取平均丰度前50的ASV（扩增子序列变异）节点构建优势物种子网络，以饼图的形式展示该节点在R1、R2、R3、R4中的相对丰度比例，节点间连线表明被连接的两个节点之间存在相关性，图中线型颜色代表不同相关系数，正值表示正相关，负值表示负相关。

综合分析图7、8中数据可知，在属水平下，动胶菌属（Zoogloea）、罗尔斯通氏菌（Ralstonia）、未分类的丛毛单胞菌属（unclassified Comamonadaceae）是各组样品中的优势物种，且是差异MetaCyc反硝化代谢的主要贡献者，其中Zoogloea在R4中的反硝化贡献值显著高于其他组别，其相对丰度明显高于其他组别，分别为R1、R2、R3组的2倍、6.5倍和6.5倍。Zoogloea从属于根瘤菌目（Rhizobiales），大多具有固氮或者脱氮的功能，Zoogloea还可以通过分泌β-多糖蛋白（EPS含量32.7 mg/g-VSS），能够强化形成稳定的生物膜结构，增强微生物对水中NO₃^--N的吸附和降解能力。这说明载体经过零价铁改性后，可满足Zoogloea的生长环境需求并强化了其反硝化代谢通路的实现。除了以上三种菌属，反应器内相对丰度略低的优势菌属还有弯曲杆菌（Curvibacter）、多形单胞菌属（Pleomorphomonas）、金黄杆菌属（ChryseobacteriumQQ菌）、脱硝菌属（Denitratisoma）、沉积杆菌属(Sediminibacterium)和地发菌属。Curvibacter虽然在R4中属水平下相对丰度仅次于Zoogloea，但其对反硝化代谢通路的贡献远远低于Ralstonia；Denitratisoma是一种典型的反硝化细菌，该属的细菌通常具有将硝酸盐还原为氮气的能力，也是反硝化代谢通路的主要贡献者。因此在本反应器中Zoogloea、Ralstonia和unclassified Comamonadaceae在R4中的反硝化过程中起到主导作用，是决定反硝化效果的关键菌属，R4代表的ZVI-BC载体具有更大的脱氮潜力。

图7 属水平物种组成柱状图

图8 差异MetaCyc代谢通路物种组成图

由图9可知，提取的优势各物种之间在相关网络的拓扑学特征上存在差异。Zoogloea、unclassified Comamonadaceae、Curvibacter、未分类的黄单胞菌属（unclassified Xanthobacteraceae）、Ralstonia、黄单胞菌属（Xanthomonadaceae）两两间成正相关关系。其中Xanthomonadaceae分泌的qsdA酶可以将N-酰化高丝氨酸内酯类化合物中的内酯环水解以实现N-酰化高丝氨酸内酯类化合物降解，防止生物膜的过度增殖老化及脱落，从而保持生物膜内各微生物的活性处于较高水平，尤其有利于世代时间长的厌氧反硝化菌种的代谢及增殖。在它们的协同作用下，反硝化过程得以高效稳定进行。

图9 带分组丰度饼图的优势物种子网络图

注：网络图是使用ASV构建的，即每个节点代表1个ASV，结果中可能有不同的ASV注释到同一个物种，所以可能有相同属的节点。

3结论

本文探究了HDPE、BC、Mn-BC、ZVI-BC载体在不同工况下对模拟污水的NO₃^--N去除效果，并从材料特性和微生物群落结构角度解析其机理，得到以下结论：

1）在HRT为8h，C/N为4的情况下各载体具有更优异的NO₃^--N去除效果。且在此最优工况下，BC改性载体有更高的NO₃^--N去除率，挂膜速率更快，具有更短的启动时间。

2）添加BC等材料改性后的生物膜载体具有更好的表面特性，表面粗糙度明显增加，Zeta电位相比于未改性载体有明显提升，表面亲水性得到改善，为微生物的富集提供了环境条件。

3）微生物种群特征分析结果表明，改性后的载体具有更好的物种丰富度与多样性。Zoogloea、Ralstonia和unclassified Comamonadaceae在本反应器中起到主导作用，是决定反硝化效果的关键菌属。反应器内的反硝化功能微生物相互协作，有益于低C/N环境下的脱氮效果的提升，且ZVI-BC改性载体具有更大的脱氮潜力。

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