以PHBV為碳源和生物膜載體的生物反硝化研究

楊飛飛,吳為中(北京大學環(huán)境科學與工程學院,北京 100871)

以PHBV為碳源和生物膜載體的生物反硝化研究

楊飛飛,吳為中*(北京大學環(huán)境科學與工程學院,北京 100871)

采用了一種可生物降解聚合物(BDP)聚羥基丁酸戊酸酯(PHBV)作為碳源和生物膜載體去除水體中的硝酸鹽.結果表明:以PHBV為碳源和載體的反硝化系統(tǒng)啟動時間短,硝酸鹽氮(NO3--N)去除率高于 93%;水力停留時間(HRT)對反硝化效果影響顯著,但反硝化系統(tǒng)對進水硝酸鹽氮負荷具有較好的抗沖擊能力;出水DOC(溶解性有機碳)濃度低于27.5mg/L,表明PHBV具有一定的控釋碳源的能力;反應器不同高度脫氮效果差異顯著,反應器中層(10-15cm) 處獲得最大NO3--N去除率.

聚羥基丁酸戊酸酯(PHBV)；碳源；生物膜載體；反硝化

近年來,人們生產(chǎn)和生活過程中產(chǎn)生和排放了大量的含氮污染物,對人體健康和湖泊富營養(yǎng)化都產(chǎn)生了較大的潛在危害.

在各種硝酸鹽氮的去除方法中,異養(yǎng)反硝化作為最常用的生物脫氮方法而廣泛應用于城市污水處理中[1].但我國現(xiàn)行污水處理廠出水普遍存在碳源不足的問題,成為制約生物脫氮效率的關鍵因素.傳統(tǒng)工藝常采用液體碳源如甲醇、乙醇、乙酸[2-4]等作為補充碳源,但由于其投加量控制困難、出水水質易受到二次污染,人們逐漸開始對新型碳源進行研究.生物反硝化工藝中,使用固體碳源有望解決傳統(tǒng)工藝中外加碳源投加控制困難的弊端,為反硝化細菌創(chuàng)造一個穩(wěn)定、易于維護的環(huán)境.PHB[5]、PCL[6-8]、Bionolle[5]、PBS[8-9]、PCL與淀粉的復混聚合物[10]等可生物降解聚合物(BDPs)在應用于地下水、水源水、飲用水和閉合循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)廢水的生物脫氮過程中得到了廣泛的研究.

PHBV(聚羥基丁酸戊酸酯)是微生物在非平衡狀態(tài)下(如缺乏氮、磷)在細胞內合成的一種熱塑性聚酯,具有生物可降解性、生物相容性、壓電性、光學活性等許多優(yōu)良特性,因而在諸多領域如可降解生物塑料包裝、組織工程材料、電學材料、醫(yī)學等得到了廣泛的應用.由于PHBV可以以各種有機物如淀粉糖、食品工業(yè)廢物、廢棄水果、蔬菜、植物殘骸等為原料,因而具有廣泛的來源[11].PHBV具有較好的生物降解性,同時能夠以固體材料形式存在,使其在異養(yǎng)反硝化中的應用成為可能[12].近年來,將PHBV[13-15]及其與其他 BDPs共混物如 PHBV/PLA共混物[16-18]、PHBV/竹粉[19]等作為反硝化碳源和生物膜載體的研究逐漸增多,顯示了PHBV應用于這一領域的巨大潛力.

本文以PHBV同時作為反硝化碳源和生物膜載體,對模擬城市污水處理廠一級A出水的脫氮效果和部分影響因素進行了研究,為新型BDPs的開發(fā)和實際應用提供了基礎.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

PHBV材料為聚羥基丁酸戊酸酯,由生物發(fā)酵合成.本實驗采用的PHBV材料顆粒成圓柱形,平均長度為0.32cm,平均截面直徑為0.31cm.

模擬污水由自來水和硝酸鈉(NaNO3)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)配制(N/P=5:1).實驗期間根據(jù)需要對模擬污水中的硝酸鈉和磷酸二氫鉀投加量進行調整.模擬污水中COD、NH4+-N和NO2--N均為 0mg/L,pH值隨具體環(huán)境條件變化而變化.其余試劑均由去離子水配制.

污泥取自昆明市第三污水處理廠二沉池.

1.2 實驗裝置及實驗方法

如圖 1所示,實驗裝置中填充反應柱高為55cm,內徑為5cm,PHBV填充高度為25cm.通過將填充床反應柱置于恒溫箱中,使溫度控制在25℃.反應柱自下至上分布6個出水口,間隔高度為5cm.反應柱PHBV顆粒填充質量為360.40g.

模擬污水由配水箱經(jīng)蠕動泵從底部進水口進入填充床反應器,經(jīng)過填充填料后,出水由出水口6排出.反應以連續(xù)進水連續(xù)出水的方式進行.出水口 6處采集水樣為填充床出水.出水口 1～6用于分層取樣,以分析填充床反應器的沿程脫氮效果和水質.

將人工模擬污水(NO3--N濃度為 50mg/L, N/P=5:1)與活性污泥按體積比1:1完全混合.分別將300mL該混合液加入兩個填充床反應器中,對填料進行靜置掛膜,并定期更換模擬污水.靜置3d后,填充床內填料表面形成一層淺黃色薄膜,隨后定期監(jiān)測出水NO3--N,待出水穩(wěn)定至2mg/L時,掛膜完成.

掛膜完成后以1h為停留時間啟動填充反應器,進水NO3--N濃度為15mg/L,P濃度為3mg/L,溫度控制在 25℃.連續(xù)運行穩(wěn)定后,對出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N、DOC(溶解性有機碳)、進出水pH值和進水NO3--N指標進行定期測定.填充床反應器出水水質穩(wěn)定后,反應器啟動完成.改變HRT和進水NO3--N濃度,探索其對連續(xù)流反應器脫氮效果和出水水質的影響.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic representation of the experimental set-up

1.3 分析方法

水樣采集后經(jīng) 0.45 μm濾膜過濾后分別對NO3--N、NO2--N、NH4+-N、pH和DOC進行分析測定.NO3--N、NO2--N和NH4+-N分別采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》[20]中的紫外分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法和納氏分光光度法測定.DOC 采用 TOC 分析儀(HACH, IL530TOC-TN)測定(差減法).pH采用雷磁便攜式pH計(pHsj-4a)進行測定.

2 結果與討論

2.1 不同 HRT運行條件下的脫氮效果和出水水質變化分析

2.1.1 出水NO3--N、NO2

--N、NH4+-N濃度變化分析 如圖2所示,在HRT為1h的條件下,填充床反應器啟動時間短,運行2d后出水NO3--N濃度降至0.4mg/L以下,并維持穩(wěn)定,NO3--N去除率為96.91%～98.84%.出水無NO2--N積累,濃度低于 0.1mg/L.在運行初期,NH4+-N濃度較高,并隨著運行時間由2.8mg/L逐漸降低至0.5mg/L以下,達到穩(wěn)定狀態(tài).將 HRT調至 0.5h后,出水NO3--N濃度迅速上升,經(jīng)過6d后再次穩(wěn)定下來,濃度為0.7mg/L左右,NO3--N去除率為94.72%～95.80%,出水NO2--N濃度為0.1～0.3mg/L,略高于停HRT=1h運行條件下的出水NO2--N濃度,但無積累現(xiàn)象,出水NH4+-N濃度低于0.4mg/L.

圖2 不同HRT運行條件下出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N變化Fig.2 Changes of effluent NO3--N、NO2--N and NH4+-N under different HRTs

反應器中的 PHBV填料在微生物外酶的作用下分解為可溶性有機物,并進一步進入生物膜內部,作為電子供體參與微生物的反硝化反應.由于 PHBV是一種微生物自身在非平衡條件下合成的聚合物,因而其具有較好的生物降解性.微生物能夠較快地利用 PHBV產(chǎn)生溶解性有機物參與反硝化過程,啟動時間較短.而 1h的停留時間為微生物與污水提供了足夠的接觸反應時間,使得反硝化過程進行比較完全,并未產(chǎn)生 NO2--N的積累.在HRT調整為0.5h后,生物膜與進水的接觸時間減少,同時進水水流的剪切力增大,可能會導致微生物、酶的流失,進而使硝酸鹽去除率略有降低,但處理量增加.同時由于生物膜與進水的接觸時間減少,使得少部分中間產(chǎn)物 NO2--N未來得及參與反應,導致出水 NO2--N濃度略有上升,這與以PLA/PHBV為反硝化固相碳源的研究結果相類似[15,17].而運行初期 NH4+-N 濃度較高,可能是由于接種活性污泥所吸附的氨氮產(chǎn)生,而后期的氨氮可能是發(fā)生了硝酸鹽異化還原為氨(DNRA)反應所致.有實驗[21]表明反硝化反應器中NO3--N去除的主要原因是反硝化而不是硝酸鹽異化還原為氨,同時在C/N較高的情況下可能會發(fā)生DNRA,而填充床反應器運行初期DOC較低,因而推測運行初期出水高 NH4+-N濃度并不是主要由DNRA所產(chǎn)生.而隨著運行時間的增長,NH4+-N濃度逐漸降低也證明了這一點.

2.1.2 出水DOC濃度和進出水pH值變化 在HRT=1h的運行條件下,出水DOC濃度隨著運行時間的增長而逐漸升高,最高濃度達 27.5mg/ L(圖3).當縮短HRT至0.5h后,出水DOC濃度迅速降低,并逐漸降至10mg/L以下.進水pH值維持在7.5～8.5范圍內,波動較小.在HRT=1h的運行條件下,反應器出水pH值呈下降趨勢,最低pH值為5.8,所測數(shù)值均低于進水pH值.將HRT值縮短至0.5h后,pH值迅速上升,隨后維持穩(wěn)定,在6.7～7.1范圍內波動.

圖3 不同HRT運行條件下出水DOC濃度和pH值的變化Fig.3 Changes of effluent DOC and pH under different HRTs

由于 PHBV固體填料只能在微生物膜的作用下分解并釋放DOC,因而在反應器運行初期隨著生物量的增加,出水 DOC的濃度逐漸升高.當HRT縮短為1h時,部分微生物、酶等流失,同時水解釋碳時間縮短,水流剪切力增強,傳質快,使微生物水解釋放的小分子有機碳迅速參與反硝化作用,進而使出水 DOC積累量減少,隨后水解釋碳速率與反硝化對釋放碳源的利用速率達到平衡,出水DOC濃度趨于穩(wěn)定.同時,實驗結果表明該反應器出水的pH值低于進水pH值,這可能是微生物對 PHBV填料的水解作用產(chǎn)生了有機酸類物質,過度中和了反硝化過程產(chǎn)生的堿度,使出水pH值有所下降[22].這也表明以PHBV為碳源和載體的反硝化系統(tǒng)無需投加藥劑以中和反硝化所產(chǎn)生的堿度.

2.1.3 反應器沿程NO3--N濃度和DOC濃度變化 由圖4可見,在不同停留時間下,反應器不同高度出水 NO3--N濃度變化規(guī)律基本一致.在HRT=1h的運行條件下,填充床在六段分層NO3--N的去除率依次為 21.06%、15.73%、37.65%、16.09%、5.75%、0.65%,在 HRT=0.5h的運行條件下,相應的 NO3--N的去除率依次為7.18%、8.19%、29.09%、26.59%、18.42%、2.33%.而在不同HRT下不同填充床高度出水DOC濃度變化規(guī)律存在明顯差異.在HRT=1h時,填充床自下向上出水DOC濃度逐漸升高,在HRT=0.5h的運行條件下,自下向上填充床出水 DOC濃度略有升高.

圖4 不同HRT下不同高度出水NO3--N和DOC濃度變化Fig.4 Changes of effluent NO3--N and DOC according to the height under different HRTs

由于進水自下而上呈上流式通過反應器,類似于推流式反應器,在反應器底部營養(yǎng)豐富,頂部營養(yǎng)匱乏,微生物量的分布存在明顯差異,從而使反應器不同高度層脫氮不同.在兩種HRT運行條件下,反應器中部(10～15cm處)均獲得了最高的NO3--N去除率.反應器底部微生物可能受進水內 DO影響明顯,NO3--N去除率較低.反應器內

PHBV固體碳源填充高度為25cm,但在運行過程中,固體碳源填料會出現(xiàn)吸水膨脹現(xiàn)象,使有效高度增加,使反應器上層(25～30cm)具有一定的脫氮作用.在 HRT較長的條件下,每一分層微生物的水解釋碳時間長, DOC積累量大,出水DOC濃度自下至上增加趨勢明顯.HRT縮短,水流剪切力增強,每一分層微生物水解釋碳時間和作用強度降低, DOC積累量減少,使出水DOC濃度自下至上增加趨勢變緩.這表明在保證脫氮率的前提下,可適當縮短反應器的停留時間以降低出水DOC濃度.

2.2 不同進水 NO3--N運行條件下的脫氮效果和出水水質變化分析

為模擬城鎮(zhèn)污水處理廠出水,將進水NO3--N濃度依次調整為 15、20、25mg/L,出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N濃度和進水NO3--N濃度的變化如圖5所示,圖6和圖7所示為出水DOC濃度與pH值變化.

圖5 不同進水NO3--N濃度條件下出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N濃度的變化Fig.5 Changes of effluent NO3--N、NO2--N、NH4+-N with different influent NO3--N

在進水NO3--N濃度為15mg/L時,填充床反應器啟動較快,運行2d后出水NO3--N濃度降至0.4mg/L以下,NO3--N去除率達到97%以上,平均反硝化速率為 14.69mg N/(L·h).在進水 NO3--N濃度增大至20mg/L時,填充床運行3d后達到穩(wěn)定狀態(tài),出水 NO3--N濃度低于 1.4mg/L,最大NO3--N去除率為 93.18%,平均反硝化速率為18.24mg N/(L·h).當進水 NO3--N 濃度增大至25mg/L時,達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間增長為 4d,出水NO3--N濃度低于1.7mg/L,最高NO3--N去除率為93.32%,平均反硝化速率為22.89mg N/(L·h).在進水NO3--N濃度為15、20、25mg/L時,對應的 NO3--N反硝化速率分別為 14.69、18.24、22.89mg N/(L·h),兩者較好地符合線性變化規(guī)律,這與賴才勝等[22]人的研究結果相一致.在3種進水NO3--N濃度的運行條件下,出水NO2--N濃度均低于 0.2mg/L,無積累現(xiàn)象.進水 NO3--N為15mg/L時,NH4+-N濃度隨運行時間增長逐漸降低,當進水NO3--N濃度提高時,NH4+-N濃度略有上升.

圖6 不同進水NO3--N濃度條件下出水DOC濃度的變化Fig.6 Changes of effluent DOC under different influent NO3--N

在反應器運行初期,出水 DOC濃度隨著運行時間的增長(圖6),而升高當進水NO3--N濃度增大時,出水DOC濃度略有降低,隨后趨于穩(wěn)定.進水pH值為7.5～8.5,出水pH值低于進水pH值,不同進水NO3--N濃度的運行條件下,出水pH無明顯差異,在6.5～7.5范圍內波動.

由實驗結果可以看到,隨著進水 NO3--N負荷的增加,反應器達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間增長,同時出水NO3--N濃度隨之上升[15,17],但對NO3--N去除率均能保持93%以上,表明以PHBV為碳源和載體的反硝化系統(tǒng)具有較好的抗沖擊負荷能力.同時,隨著進水NO3--N濃度增大,微生物在更豐富的營養(yǎng)條件下生長,反硝化過程對電子供體的需求量增加,使出水 DOC濃度有所降低,同時微生物量有所增加,水解釋碳能力增強,使 DOC的釋放與利用過程很快達到平衡,出水 DOC濃度趨于穩(wěn)定.出水 pH值的變化規(guī)律表明進水NO3--N濃度不是影響出水pH值的關鍵因素.由于進水 NO3--N濃度增加,反硝化所需碳源的量也增加,因此對微生物水解釋放的碳源利用率提高,使每層DOC凈積累量降低.

圖7 不同進水NO3--N濃度條件下pH值的變化Fig.7 Changes of pH with different influent NO3--N

3 結論

3.1 PHBV是一種具有較好的可生物降解性固體碳源,同時也為微生物提供了良好的載體,在本實驗所有運行條件下脫氮率均高于93%.

3.2 HRT對以PHBV為碳源和載體的反硝化系統(tǒng)影響明顯,HRT增大會使脫氮率下降,出水DOC濃度大幅度降低,選擇合適的HRT可在保證NO3--N去除率的條件下減少DOC積累帶來的二次污染問題.

3.3 進水 NO3--N濃度對系統(tǒng)的脫氮效果影響較小,表明在以模擬城鎮(zhèn)污水處理廠一級A出水為進水的條件下,該系統(tǒng)具有較好的抗沖擊負荷能力.

3.4 反應器不同高度脫氮效果差異顯著,中層段具有最高的 NO3--N去除率,在實際應用過程中設計合適濾池結構與深度,可改善反硝化系統(tǒng)的脫氮效果.

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Biological denitrification using PHBV as carbon source and biofilm carrier.

YANG Fei-fei, WU Wei-zhong*(College

of Environmental Science and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1703～1708

PHBV (poly-3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) as a biodegradable polymer was used as carbon source and biofilm carrier to remove nitrate in water. A short start-up period was observed and nitrate-nitrogen (NO3--N) removal rates were greater than 93%. With a decrease of HRT from 1h to 0.5h, denitrification changed remarkably. The denitrification system was however found to be resistant to the shock load of influent NO3--N. The concentrations of effluent DOC (Dissolved Organic Carbon) were lower than 27.5mg/L, indicating that controlled carbonrelease was applicable to PHBV. Nitrate removal rates varied significantly with reactor height while the highest was obtained at the middle height layer (10～15cm).

poly-3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate (PHBV)；carbon source；biofilm carrier；denitrification

X703.1

A

1000-6923(2014)07-1703-06

楊飛飛(1988-),女,山東東營人,碩士研究生,主要從事水污染控制與環(huán)境生物技術研究.

2013-10-16

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07102002);國家自然科學基金項目(51378021);國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(2010467012-02)

* 責任作者, 副教授, wzwu@pku.edu.cn