摘要


本研究旨在研究反硝化除磷過(guò)程中進(jìn)水磷濃度對反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的長(cháng)期影響。結果表明,通過(guò)提供最佳培養條件,反硝化聚磷菌(DPAOs)能迅速成為厭氧/缺氧SBR中的優(yōu)勢菌群,且反應器具有良好的反硝化除磷性能。在反硝化除磷過(guò)程中,進(jìn)水磷濃度顯著(zhù)影響厭氧聚-b-羥基烷酸酯(PHA)的合成、反硝化除磷和N2O的產(chǎn)生。當進(jìn)水磷濃度超過(guò)20 mg L-1時(shí),由于有效碳源類(lèi)型的轉變,DPAOs的活性開(kāi)始受到抑制。同時(shí),隨著(zhù)缺氧NO2--N積累的減少,N2O的產(chǎn)生受到抑制。在反硝化除磷過(guò)程中,采用改性投料可以提高反硝化除磷效果,抑制N2O的產(chǎn)生。


1.介紹


眾所周知,氮(N)和磷(P)在水體富營(yíng)養化中起著(zhù)至關(guān)重要的作用,應該從廢水中去除。在傳統的生物脫氮除磷(BNR)工藝中,氮磷的去除分別由異養反硝化細菌和聚磷菌(PAO)完成,這兩種生物都需要碳源。然而,COD通常是磷釋放和反硝化的限制因素(Hu等人,2011年;Naessens等人,2012年)。強化生物除磷(EBPR)工藝中反硝化聚磷生物(DPAO)的發(fā)現為與COD限制相關(guān)的問(wèn)題提供了合適的解決方案(Zeng等人,2003年;Xu等人,2011年)。


反硝化除磷是一種新型的生物脫氮除磷技術(shù)。反硝化除磷是由于DPAOs能夠將NOX--N用作缺氧除磷的電子受體,而不是氧氣(Carvalho et al.,2007)。DPAOs可在交替厭氧/缺氧條件下被激活,并具有與PAOs相似的代謝特征(Li等人,2013a,b,c)。DPAOs利用外部碳源在厭氧條件下儲存聚-b-羥基烷酸酯(PHA)。然后,DPAOs氧化細胞內PHA,并在缺氧條件下利用硝酸鹽/亞硝酸鹽作為磷吸收的電子受體(Wang et al.,2012)。與傳統的EBPR工藝相比,反硝化除磷工藝可減少30%的曝氣需求,同時(shí)減少50%的污泥產(chǎn)量和碳源需求(Kuba et al.,1996)。


眾所周知,厭氧階段的PHA合成對于反硝化除磷過(guò)程至關(guān)重要,因為DPAOs將PHA用作反硝化的碳源(Zhu和Chen,2011)。因此,DPAOs的代謝紊亂可能會(huì )對厭氧階段PHA的合成產(chǎn)生負面影響,最終導致反硝化除磷效果的惡化。


通常,DPAOs的厭氧PHA合成會(huì )受到許多因素的影響,如進(jìn)水水質(zhì)、溫度、pH值、厭氧/缺氧反應時(shí)間等。在這些因素中,進(jìn)水水質(zhì)對厭氧階段甚至設計反硝化除磷工藝都很重要。眾所周知,反硝化除磷開(kāi)始用于不同類(lèi)型的廢水處理(如城市廢水、屠宰場(chǎng)廢水、豬場(chǎng)廢水、垃圾滲濾液等),不同類(lèi)型廢水中的COD、N和P濃度差異很大(Merzouki et al.,2005)。因此,進(jìn)水水質(zhì)的變化將顯著(zhù)影響PHA合成量,這可能導致不同的N和P去除率。此外,一些研究報告,當DPAOs在反硝化除磷過(guò)程中將PHA用作碳源進(jìn)行反硝化時(shí),N2O而不是N2是主要的反硝化產(chǎn)物(Lemaire et al.,2006;Jia et al.,2012)。N2O是一種重要的溫室氣體,其升溫潛能約為CO2的300倍,它不僅會(huì )造成溫室效應,還會(huì )破壞臭氧層(Ravishankara等人,2009年)。大量研究表明,反硝化除磷系統報告的N2O生成量為進(jìn)水氮負荷的2.3%至21.6%(Wang等人,2011a,b;Zhou等人,2012)。因此,反硝化除磷過(guò)程中N2O的產(chǎn)生應受到顯著(zhù)影響,因為厭氧PHA合成量受進(jìn)水水質(zhì)的影響,同時(shí)還應注意反硝化除磷過(guò)程中N2O的產(chǎn)生。在這種情況下,進(jìn)水水質(zhì)的影響應該是反硝化除磷工藝性能評估中最重要的問(wèn)題之一,特別是在保證穩定的反硝化除磷和最小化N2O產(chǎn)生方面。然而,目前還不清楚進(jìn)水水質(zhì)如何以及為什么會(huì )影響反硝化除磷和N2O的產(chǎn)生。特別是,進(jìn)水磷濃度與厭氧PHA合成之間的關(guān)系,對于理解DPAOs中氮和磷的去除以及N2O產(chǎn)生機制非常重要,但尚未完全了解。


因此,本研究旨在研究反硝化除磷過(guò)程中進(jìn)水磷濃度對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的長(cháng)期影響。研究了進(jìn)水磷濃度對反硝化除磷和N2O生成的影響機理。最后,在SBR上采用改進(jìn)的投料方式,以緩解進(jìn)水P濃度對反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的影響。


2.方法


2.1.SBR反硝化除磷的運行


DPAOs在六個(gè)SBR中富集,SBR中的污泥來(lái)自中國廈門(mén)的一個(gè)城市污水處理廠(chǎng)。每個(gè)密封實(shí)驗室規模SBR(工作容積為5L,頂部空間為0.5L)在25±1℃下運行。Wang et al.(2009)報道,在采用兩次進(jìn)料模式的厭氧/缺氧SBR中,DPAOs可以快速成為優(yōu)勢種群,并且反應器在反硝化除磷方面表現良好。因此,通過(guò)提供適宜的培養條件,特別是厭氧/缺氧交替環(huán)境和適宜的飼養方式,DPAOs可以迅速成為優(yōu)勢種群。在這種情況下,每個(gè)SBR都加入合成廢水,并以8小時(shí)的循環(huán)時(shí)間運行,包括3分鐘進(jìn)料、150分鐘厭氧反應、30分鐘設置、12分鐘傾析、3分鐘進(jìn)料、240分鐘缺氧反應和30分鐘設置,然后是12分鐘傾析。


在厭氧期開(kāi)始時(shí),將3L含有COD的合成廢水泵入每個(gè)反應器,使厭氧初始COD濃度約為200mg L-1。缺氧期開(kāi)始時(shí),立即向反應器中加入3L含NO3--N和PO43--P的合成廢水,NO3--N和PO43--P的缺氧初始濃度分別約為30mg L-1和12mg L-1。浪費一定量的污泥混合物,以將固體保留時(shí)間(SRT)控制在約15天,混合液懸浮固體(MLSS)水平為3.0 g L-1。在反應期間,每個(gè)SBR用磁力攪拌器混合。


取液相和固相樣品進(jìn)行化學(xué)分析,在厭氧期取樣間隔為30分鐘,缺氧期取樣間隔為40分鐘。使用微型傳感器在線(xiàn)監測溶解的N2O濃度,使用氣密收集袋和注射器收集氣體樣品,然后立即通過(guò)氣相色譜(GC)進(jìn)行分析。


SBR運行超過(guò)30天后,DPAO富集,反映在恒定的磷去除率和生物量濃度上。此后,進(jìn)行了以下報告的實(shí)驗。


2.2.合成廢水


厭氧期間用作飼料的合成廢水包括(每升):440 mg CH3COONa、58 mg NH4Cl、200 mg NaHCO3、10 mg MgSO4·7H2O、10 mg FeSO4·7H2O、10 mg CaCl2·2H2O和1 mL微量元素溶液。缺氧期間用作飼料的合成廢水包括(每升):360mg KNO3、200mg NaHCO3、10mg MgSO4·7H2O、10mg FeSO4·7H2O、10mg CaCl2·2H2O和1ml微量元素溶液。Zhou等人(2008)描述了溶液中微量元素的組成。合成廢水中的COD、NO3--N濃度分別約為300和50 mg L-1。通過(guò)向合成廢水中添加KH2PO4,根據實(shí)驗需要設定PO43--P濃度。本研究中的化學(xué)品由國藥集團化學(xué)試劑有限公司(SCRC)提供,純度高于98%。


2.3.連續實(shí)驗


通過(guò)兩個(gè)系列的連續實(shí)驗,研究了進(jìn)水磷濃度對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的影響。工作容積為1.6 L的可密封反應器用于連續實(shí)驗。在開(kāi)始每次連續試驗之前,在缺氧期結束時(shí),向反應器中注入從母體反應器中提取的1.5 L混合液,然后在30分鐘后,去除1.0 L上清液。所有連續實(shí)驗均在系統穩定階段進(jìn)行,溫度控制在25±1℃。取液相和固相樣品進(jìn)行化學(xué)分析,在厭氧期間采樣間隔為30分鐘,缺氧期間每30分鐘采樣一次。采用氣相色譜法和N2O微傳感器分別測定了氣相和液相的N2O濃度。每個(gè)連續試驗中的所有運行均在以下相同操作條件下進(jìn)行。


2.3.1.實(shí)驗1:進(jìn)水P濃度對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的長(cháng)期影響


在進(jìn)水磷濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1的情況下,進(jìn)行了連續試驗,以研究進(jìn)水磷濃度對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的長(cháng)期影響。在每個(gè)循環(huán)開(kāi)始時(shí),將1.0升含有COD和PO43--P的合成廢水送入間歇式反應器,使COD的初始濃度約為240 mg L-1。反應器在150分鐘的厭氧反應和240分鐘的缺氧反應中運行,并且在厭氧期結束時(shí)脈沖添加KNO3,使NO3--N的初始濃度約為30 mg L-1。


2.3.2.實(shí)驗2:改性投料方式對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的長(cháng)期影響


通過(guò)連續實(shí)驗,研究了在進(jìn)水磷濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1的情況下,優(yōu)化的進(jìn)水模式是否能提高反硝化除磷率并減少N2O的產(chǎn)生。在本實(shí)驗中,將1.0升含有COD的合成廢水送入間歇式反應器,使COD的初始濃度約為240 mg L-1。在150 min厭氧期開(kāi)始時(shí),通過(guò)蠕動(dòng)泵(BQ50-1J,更長(cháng))將20 mL KH2PO4溶液連續注入反應器超過(guò)1.0 h。然后,缺氧反應持續240 min,并且自缺氧期開(kāi)始以來(lái),通過(guò)蠕動(dòng)泵將40 mL KNO3溶液連續注入反應器超過(guò)2.0 h。


2.4.動(dòng)力學(xué)實(shí)驗


對于“實(shí)驗1”,對不同進(jìn)水P濃度的反應器中活性污泥的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了研究。根據公式(1)計算最大比降解率(qmax)和表觀(guān)半速率常數(K):

其中S0是基質(zhì)的起始濃度,S是時(shí)間t后的基質(zhì)濃度,X是污泥生物量的濃度。


理論產(chǎn)量系數(Y)和比生物量衰減率(kd)由式(2)計算得出。

這里Q(Sa?Se)是基質(zhì)降解量,XvV是反應器的總生物量,DX是生物量增長(cháng)。


式(3)可用于計算每個(gè)反應器中活性污泥的固體停留時(shí)間(hc),其中US為污泥負荷。由于內源代謝和死亡,觀(guān)察到的生物量產(chǎn)量(Yobs)與Y不同,可根據式(4)計算得出。


2.5.分析方法


按照標準方法(APHA,2002)測定COD、NO3--N、NO2--N、PO43--P、MLSS和MLVSS。氣相色譜(安捷倫7820,美國)和N2O微型傳感器(Unisense,丹麥)分別用于測量氣相和液相的N2O濃度。PHA(包括聚-b-羥基丁酸酯(PHB)、聚羥基戊酸鹽(PHV)和聚-3-羥基-2-甲基戊酸鹽(PH2MV))的濃度根據Oehen等人(2005)描述的方法進(jìn)行測量。根據Jenkins等人(2003)提出的方法分析糖原。


2.6.統計分析


所有實(shí)驗數據均以標準偏差的三倍平均值表示。所有統計分析均采用SPSS 21.0軟件,單因素方差分析檢驗。如果p<0.05,則認為差異顯著(zhù)。均值內差異的顯著(zhù)性采用鄧肯檢驗進(jìn)行評估。皮爾遜相關(guān)用于顯著(zhù)線(xiàn)性關(guān)系評估。