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乙醇外碳源驱动新型生物脱氮除磷工艺 对营养盐的去除及其机理探究

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  • 标签:乙醇; 反应器; 生物脱氮除磷; 聚磷菌
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为了探究乙醇外碳源驱动新型好氧/厌氧/好氧/延长闲置( O/A/O/EI) 工艺生物脱氮除磷的可行性,以实际废水为研
究对象,建立序批式反应器,探究了乙醇外碳源驱动下 O/A/O/EI 工艺中间代谢产物的变化、微生物种群的相对丰度,并阐
明了乙醇外碳源驱动 O/A/O/EI 工艺生物除磷的机理。实验结果表明:乙醇可作为外碳源强化生物脱氮除磷,?#39029;?#27700;ρ( TN)
和 ρ( TP) 分别为1. 2~1. 6,0. 2~0. 6 mg/L,脱氮和除磷效率分别为91. 2% ~92. 5%和92. 4% ~93. 6%; 内聚物聚羟基脂肪酸酯的
最大含量为2. 4 mmol/g( 挥发性悬浮物) ,而糖原质的含量为2. 7 mmol/g; 荧光原位杂交?#38469;?#26174;示乙醇驱动下PAO 和 GAO 的
相对丰度分别为 39%和 8%。乙醇可作为廉价碳源强化新型反应器 O/A/O/EI 生物脱氮除磷。
关键词: 乙醇; 反应器; 生物脱氮除磷; 聚磷菌
DOI: 10. 13205 /j.hjgc.201901016
REMOVAL OF NUTRIENTS BY ALCOHOL-DRIVEN NEW BIOLOGICAL
NITROGEN AND PHOSPHORUS REMOVAL PROCESS AND ITS MECHANISM
WANG Yi-bing
( Yantai Vocational College,Yantai 264670,China)
Abstract: In order to explore the feasibility of biological nitrogen and phosphorus removal in a new oxic /anoxic /oxic /
extended-idel ( O/A/O/EI) process driven by alcohol as the external carbon source,we took actual wastewater as the research
object and established sequencing-batch reactor,explored the changes in intermediate metabolites and the relative abundance
of microbial communities in O/A/O/EI process,and elaborated the mechanism of biological phosphorus removal of the O/A/
O/EI process. Experimental results showed that alcohol can serve as an external carbon source to enhance biological nitrogen
and phosphorus removal,and the effluent concentrations of total nitrogen and total phosphorus were respectively 1. 2~ 1. 6 mg/L
and 0. 2 ~ 0. 6 mg /L,with the corresponding nitrogen and phosphorus removal efficiency being 91. 2 ~ 92. 5% and 92. 4 ~
93. 6% respectively. The maximal content of intracellular polymer polyhydroxyalkanoate was 2. 4 m mol-C/g VSS ( volatile
suspended solids) while the content of glycogen was 2. 7 m mol-C/g VSS. Fluorescence in-situ hybridization revealed that the
relative abundance of PAO and GAO under alcohol driving was 39% and 8%,respectively.
Keywords: alcohol; reactor; biological nitrogen and phosphorus removal; phosphorus accumulating organisms
收稿日期: 2018-05-23
0 引 言
生物强化除磷( EBRP) 工艺是各国普遍应用的
一种生物除磷工艺,该工艺能够在厌氧环境吸收水体
中的挥发性脂肪酸( VFAs) ,并在聚磷菌体内合成内
碳源聚羟基脂肪酸酯( PHA) ,而在随后的好氧环境
中分解前期贮存的内碳源产生能量超量吸收水体中
的磷酸盐,然后通过排放含有聚磷的污泥实现磷的生
物去除
[1-3]
EBPR 对外界操作条件要求较为严格,当运行环
境适宜时,EBPR 是一种经?#20204;?#39640;效的生物除磷技
术。然而在实际水体环境中,该?#38469;?#24120;常会因为暴
雨、超量的硝酸盐等而发生不可预知的?#25910;?
[4]
。外界
不适环境往往导致聚磷菌生物量的减少。此外,生物
除磷效率对碳源的依赖性较强,在某些进水碳源不足
的地区,生物除磷系统的崩溃也常有发生。考虑到目环 境 工 程 第 37 卷
前我国每日污水庞大的处理数量( 近似 695 亿 t /a) ,现
有的生物除磷系统需要得?#25945;?#21319;及改进
[5]
Wang 等
[6-9]
在研究了传统生物除磷工艺基础上
提出了好氧/延长闲置新型处理工艺,对碳源的选择
性更广且对硝酸盐有较强的耐受能力,然而该工艺对
氮的去除效?#24335;系汀?#22312;此基础上,Zhao 等
[10]
开发了
新型同步脱氮除磷工艺,即好氧/缺氧/好氧/延长闲
置( O /A /O /EI) ,该工艺能够减少生物脱氮过程中游
离亚硝酸的产生,并增强聚磷菌( PAO) 对游离亚硝
酸的耐受性。因此,O /A /O /EI 工艺具有一定的应用
前景和开发价值
[11]
。进水碳源不足同样会导致生物
脱氮除磷效率的下降,污水厂常通过向废水?#22411;?#21152;外
碳源来解决碳源不足的问题。这样污水厂废水量大
?#39029;?#26399;运营必然会导致经济成本升高,因此有必要寻
求一种价格低廉且生物效益高的外在碳源。工业乙
醇产量大且价格低廉,且 Puig 等
[12]
报道传统厌氧/
好氧除磷工艺能依赖乙醇实现良好的生物除磷。然
而乙醇作为外碳源能否实现新型 O /A /O /EI 工艺驱
动除磷至今尚未报道。O /A /O /EI 工艺中 PAO 的代
谢过程与传统的 A /O 工艺不同,因此有必要探究乙
醇对新型 O /A /O /EI 工艺驱动除磷的影响。本文以
实际废水为研究对象,建立以乙醇为外碳源的序批式
反应器,探究了 PAO 中间代谢产物的变化及内聚物
的贮存情况,并阐明了乙醇驱动新型 O /A /O /EI 工艺
除磷机理。
1 实验部分
1. 1 实验材料
实验所用废水为武威市污水处理厂初沉池出口
污水,该污水厂采用厌氧/缺氧/好氧( A
2
/O) 工艺。
接种污泥取自污水处理厂二沉池,主要性质如表 1
所示。
表 1 实验污水和接种污泥的主要性质
Table 1 Main characteristics of wastewater and inoculated
sludge used in the experiment mg /L( pH 除外)
指标 实际污水 接种污泥
pH 6. 9±0. 1 7. 1±0. 1
ρ( VSS) 135±4 12500±220
ρ( TSS) 295±6 7900±320
ρ( NH
+
4 -N) 32. 3±1. 0 42. 6±1. 2
ρ( SOP) 6. 8±0. 3 15. 6±0. 8
ρ( TCOD) 125. 6±8. 7 15600±340
ρ( 乙酸) 23. 5±0. 1 10. 6±0. 8
ρ( 乙醇) 0. 2±0. 06 0. 1±0. 02
1. 2 实验设置
序批式 反 应 器 为 有 机 玻 璃 构 造,有 效 体 积 为
2. 0 L,反应器内置搅拌器,在厌氧和缺氧时搅拌速度
为 120 r /min。设置新型反应器 R1 和 R2,每日运行 3
个周期,每个周期包含 120 min 好氧+90 min 缺氧+
30 min好氧+ 30 min 沉淀出水+ 210 min 延长闲置。
反应器 R1 作为对照反应器,在进水?#22411;?#21152;适量的乙
酸钠作为补充碳源; 反应器 R2 作为实验反应器,进
水中补充一定量的乙醇,2 个反应器中进水 ρ( COD)
控制在 300 mg /L。设置传统的反应器 R3 和 R4,每
日同样运行 3 个周期,每个周期包含 90 min 厌氧+
150 min好 氧 + 120 min 缺 氧 + 60 min 沉 淀 出 水 +
60 min闲置期。R3 进水中添加相同量的乙酸钠而
R4 进水中添加相同量的乙醇。好氧阶段通过鼓风曝
气控制 ρ ( DO) 为 3. 5 mg /L 左右,反应器在室温为
35 ℃ 的恒温房间内进行。通过投加 2. 0 mol /L 的
HCl 或者 NaOH 控制进水 pH 在 7. 0。上述反应器的
水力停留时间和污泥停留时间控制在 15,20 d。
1. 3 检测方法
COD 采用重铬酸钾氧化法测定; 氨氮采用纳什
试剂法测定; TSS 和 VSS 采用重量法测定; 磷酸盐采
用钼锑抗分光光度法; 微生物种群采用荧光原位杂交
?#38469;? FISH) 测定,测定方法详见文献[13]; 聚羟基脂
肪酸酯( PHA) 采用气相色谱法测定; 乙酸采用气相
色谱法测定,检测器为氢火焰离子检测器( FID) ,色
谱柱的型号为 PE WAX ETR( 规格为: 30 m×250 μm×
0. 25 μm) 。生物除磷和脱氮过程关键酶( 亚硝酸盐
还原酶( NOR) ,硝酸盐还原酶( NR) ,亚硝酸还原酶
( NIR) 外切聚磷酸酶( PPX) 和磷酸激酶( PPK) ) 的测
定参照文献[14]。
2 结果与讨论
2. 1 乙醇对 O /A /O /EI 工艺生物除磷效能的影响
碳源是生物脱氮除磷的重要影响因素,如图 1 所
示为乙醇对新型反应器 O/A/O/EI 长期脱氮除磷的影
响。可知: 乙醇和乙酸作用下长期出水中氨氮的变化
差异较小,2 个反应器出水氨氮的浓度长期稳定在
2. 47~ 3. 01 mg /L,相应的氨氮去除效率为 90. 6% ~
92. 3%,说明乙醇作为添加碳源对原有污水氨氮的去
除影响不明显。而 R1 和 R2 出水中磷酸盐的含量具
有明显的差异。两反应器稳定运行期间,R1 出水中磷
酸盐的 含 量 稳 定 在 0. 78 ~ 0. 97 mg /L,除 磷 效 率 为
85. 7% ~ 88. 5%。但乙醇作为外碳源投加至反应器时,
48第 1 期 王一冰: 乙醇外碳源驱动新型生物脱氮除磷工艺对营养盐的去除及其机理探究
出水磷酸盐的含量下降至 0. 49~0. 61 mg/L,与之对应的
除磷效率为 91. 0% ~ 92. 7%。上述实验结果表明,乙醇
作为外碳源能够提高 O/A/O/EI 工艺生物除磷效率。
— —R1 出水 NH
+
4 -N; — —R2 出水 NH
+
4 -N;
—▲—R1 出水 PO
3-
4 ; ——R2 出水 PO
3-
4 。
图 1 乙醇对 O /A /O /EI 工艺长期出水氨氮,磷酸盐的影响
Fig.1 Long term effect of ethanol on effluent ammonia nitrogen
and phosphate in O /A /O /EI process
2. 2 乙醇驱动 O /A /O /EI 工艺单位周期中间产物的
变化
乙醇投加对污水中氮的去除影响不明显,但对生
物除磷具有一定的促进作用,因此有必要研究乙醇作
用下 O /A /O /EI 工艺典型周期中物质的变化。如
图 2所示为单位周期中磷酸盐和 COD 随时间变化的
过程。可知: 在好氧初期 2 个反应器中均出?#36136;?#30967;现
象,且 R1 反应器中释磷量最大为 24. 9 mg /L,而 R2
中的最大释磷量为 27. 1 mg /L,?#28304;?#20110; R1 中的释磷
量。聚磷菌水解体内的聚磷产能吸收水体中的
VFA,并且水解产生的磷酸盐会释放到环境水体
[15]
,释磷量与 VFA 的吸收量?#25910;?#30456;关性,这一点
也从 R2 中 COD 的消耗量得到验证。在好氧末期,
2 个反应器中均发生了超量吸磷的现象,R1 的吸磷
量为 23. 9 mg /L,而 R2 中的吸磷量为 26. 8 mg /L。上
述实验结果表明,乙醇强化作用下好氧吸磷量要高于
乙酸实验组。与此同时,R2 中 COD 的消耗速率要高
于 R1,乙醇实验组中有机质的利用速?#24335;?#39640;。
2. 3 乙醇驱动 O/A/O/EI 工艺单位周期内聚物的变化
内聚物对微生物的活性具有关键作用,聚磷菌内
存储的内聚物主要有 PHA 和糖原质 2 种。如图 3 所
示为乙醇驱动下稳定运行时期 PHA 和糖原质随时间
的变化。PHA 的组成与糖原的种类有着密切的关
联。当以乙酸钠为主要糖原时,PAOs 在厌氧期合成
的 PHA 主要以聚羟基丁酸酯( PHB) 为主,而碳源主
—■—R1 磷酸盐; —◆—R2 磷酸盐; — —R1 COD; — —R2 COD。
图 2 典型周期中磷酸盐和 COD 的变化比较
Fig.2 Comparison of phosphate and COD changes in a typical cycle
要?#21592;?#37240;盐为主时,PAO 合成的内碳源主要以 PHV
为主。由图 3 可知: 好氧期中 2 个反应器中 PHA 的
含量呈上升趋势,但是在 R2 中 PHA 的最大合成量为
2. 4 mmol-C /g VSS,而 R1 中 PHA 的最大合成量仅为
2. 1 mmol-C /g VSS,乙醇的投加有
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