三維熒光光譜解析城市污水有機物的去除特征

李海波,孫 晨,劉曉玲,田智勇*,向連城,王思宇,周北海

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三維熒光光譜解析城市污水有機物的去除特征

李海波1,2,3,孫 晨2,3,劉曉玲2,3,田智勇2,3*,向連城2,3,王思宇2,3,周北海1

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室,北京 100012；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地,北京 100012)

利用熒光區(qū)域積分結(jié)合物料平衡計算及多元直接梯度分析,考察強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)對低COD/TN比市政污水中有機物、氮和磷污染物的去除特性.結(jié)果表明,在進水COD/TN比為4.5~6.0的條件下,強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)出水中的TN、NH4+-N和TP濃度分別降至1.31、1.11和0.23mg/L,其去除率分別達到了96.3%、96.0%和86.9%.強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)對熒光區(qū)域Ⅰ~Ⅴ標準積分體積的去除率分別為73.7%、64.3%、50.6%、61.3%和28.1%.物料平衡計算表明,非曝氣區(qū)對熒光區(qū)域Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的物質(zhì)有明顯的去除效果;好氧區(qū)對熒光區(qū)域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的物質(zhì)有明顯的去除效果.多元直接梯度分析表明,磷的釋放過程可能與溶解性微生物代謝產(chǎn)物熒光區(qū)中的有機物相關(guān),而自養(yǎng)的硝化反應(yīng)、吸磷過程和有機物的去除可在好氧區(qū)達到統(tǒng)一.

低COD/TN比市政污水；溶解性有機物；熒光區(qū)域積分；物料平衡；多元直接梯度分析

有機物及氮磷過量排放所引發(fā)的環(huán)境問題引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1-4].國家"水污染防治行動計劃"提出,現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)分類分階段提標改造,使出水滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)一級A[5].由于市政污水COD/TN比普遍較低(4~6),污水處理廠現(xiàn)有工藝難以滿足出水排放要求[6-8].但是將強化除磷與硫自養(yǎng)兩個工藝單元相結(jié)合,可能實現(xiàn)氮磷污染物的高效去除.然而,國內(nèi)外針對強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)的研究卻鮮少涉及.

在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)中,進水中溶解性有機物的類型及含量可顯著影響工藝的生物處理效果,系統(tǒng)出水也可影響受納水體的水環(huán)境[9-13].然而,現(xiàn)有研究常采用COD作為水處理過程中溶解性有機物去除的表征手段.這難以反映各工藝單元微生物對不同類型溶解性有機物去除效果的差異性[14-15].由于三維熒光光譜技術(shù)可獲得熒光有機物完整的光譜信息,故該技術(shù)被廣泛用于水環(huán)境中有機物的識別和解析[16-20].

本研究在考察強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)對氮磷污染物的去除效果的基礎(chǔ)上,采用三維熒光光譜技術(shù)結(jié)合熒光區(qū)域積分方法,分析了溶解性有機物在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)不同單元中的變化規(guī)律.同時,配合物料平衡計算研究了溶解性有機物在上述系統(tǒng)中的去除特性.此外,通過多元直接梯度分析評估標準化熒光體積與氮、磷污染物濃度及去除量之間的相關(guān)性,以期為強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)的正常運行及管理提供一定的參考意義.

1 材料與方法

1.1 試驗系統(tǒng)和樣品的采集

試驗裝置位于國電沈陽北部污水處理廠,試驗污水取自該污水處理廠進水管網(wǎng),水質(zhì)特性見表1所示.

表1 強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)進水水質(zhì)特性 Table 1 Influent characteristics of Enhanced Biological Phosphorus Removal-Sulfur Autotrophic system

市政污水處理工藝采用強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng),工藝流程圖如圖1所示.各功能區(qū)的有效容積為:0.831m3(預(yù)缺氧區(qū))、1.164m3(厭氧區(qū))、2.769m3(好氧區(qū))和1.070m3(二沉池);各功能區(qū)的水力停留時間分別為:1.49h、2.08h、4.95h和1.91h.強化除磷工藝段的進水流量為0.56m3/h;預(yù)缺氧區(qū)和厭氧區(qū)的分段進水比例為3:7;污泥回流比為100%.好氧區(qū)溶解氧控制在1.8~2.5mg/L.污泥濃度控制在2300~ 2700mg/L.通過排放剩余污泥,系統(tǒng)的污泥齡控制在17~23天.由于進水COD/TN比較低(4.5~6.0),導(dǎo)致強化除磷工藝段出水總氮主要以硝酸鹽氮的形式存在.為強化脫氮效果,硫自養(yǎng)工藝段用于處理強化除磷工藝段的出水.硫自養(yǎng)反應(yīng)器采用上流式運行方式,其有效高度和內(nèi)徑分別為75cm和14cm.粒徑為3~4mm的顆粒硫磺和0.8~1.2mm的石灰石按照質(zhì)量比2:1均勻填裝至硫自養(yǎng)反應(yīng)器,填裝高度為70cm,孔隙率為45.7%.硫自養(yǎng)工藝段的實際水力停留時間設(shè)定為10min,即空床水力停留時間為22min,故實際上升流速為4.2m/h,表觀上升流速為1.92m/h.

污水樣品沿進水、預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、好氧區(qū)、二沉池和硫自養(yǎng)區(qū)依次采集.樣品經(jīng)孔徑為0.45μm玻璃纖維濾膜過濾后,裝入玻璃瓶中,儲存于4℃冰箱中.

1.2 樣品測量方法

溶解性COD采用COD快速消解測定儀(5B-3C,連華科技股份有限公司)進行測定.總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)和總磷(TP)根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[21].

三維熒光光譜通過熒光分光度計測定(F-7000,日本日立公司).其參數(shù)設(shè)定為:PMT電壓:700V;激發(fā)波長Ex:200~450nm;發(fā)射波長為Em:260~500nm;狹縫寬帶:Ex=5nm,Em=5nm;掃描速度:1200nm/min.在1cm石英熒光比色皿中測定,試驗空白水為Milli-Q超純水.

1.3 熒光數(shù)據(jù)分析

三維熒光光譜在分析之前,樣品的熒光強度減去空白水樣的熒光強度,以修正樣品的瑞利散射和拉曼散射所影響的熒光區(qū)域.隨后再使用熒光區(qū)域積分對三維熒光光譜進行定量分析.熒光區(qū)域積分分析參考姚璐璐等的方法[22].具體為:將三維熒光光譜分為5個區(qū)域,區(qū)域Ⅰ為芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ熒光區(qū),范圍為Ex/Em= 200~250nm/ 260~320nm;區(qū)域Ⅱ為芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ熒光區(qū),范圍為Ex/Em=200~250nm/320~ 380nm;區(qū)域Ⅲ為富里酸類物質(zhì)熒光區(qū),范圍為Ex/Em=200~ 250nm/380~550nm;區(qū)域Ⅳ為溶解性微生物代謝產(chǎn)物熒光區(qū),范圍為Ex/Em= 250~450nm/260~ 380nm;區(qū)域Ⅴ為腐殖酸類物質(zhì)熒光區(qū),范圍為Ex/Em= 250~450nm/380~550nm.

通過Origin8.0軟件計算積分體積C,即得到熒光區(qū)域i的累積熒光強度.然后對區(qū)域i的積分體積進行標準化,得到區(qū)域的積分標準化體積C,n,從而反映了熒光區(qū)域中特定結(jié)構(gòu)有機物的相對含量.相關(guān)計算公式見式(1)和(2)[15].

=MFdd(1)

式中:C為熒光區(qū)域的積分體積,au·nm2;C為熒光區(qū)域的標準積分體積,au·nm2;為激發(fā)波長,nm;em為發(fā)射波長,nm;(exem)為激發(fā)、發(fā)射波長對應(yīng)的熒光強度,au;MF為倍增系數(shù),等于熒光區(qū)域的積分面積占總熒光區(qū)域積分面積比例的倒數(shù);S為總熒光區(qū)域積分面積,nm2;S為熒光區(qū)域i的積分面積,nm2.

此外,基于物料平衡,計算不同類型有機物在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)中各功能區(qū)的去除率.

1.4 標準積分體積與溶解性COD濃度及氮磷污染之間的關(guān)系

為研究熒光指數(shù)與溶解性有機物濃度之間的相關(guān)性,線性回歸方程用于擬合溶解性COD濃度和各區(qū)域標準熒光體積,見公式(3)

式中:為溶解性COD的濃度,mg/L;為區(qū)域的標準積分體積,au·nm2;,0為常數(shù).

另外,利用Canoco for Windows 4.5軟件進行多元直接梯度分析,計算標準化熒光體積與氮、磷污染物濃度及去除量之間的相關(guān)性,從而評估各類有機物與氮、磷污染物在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)中相互作用關(guān)系.

2 結(jié)果與討論

2.1 強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)的脫氮除磷效果

強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)對氮磷污染物的去除性能如圖2所示.強化除磷工藝段主要用于去除有機物、氮和磷.預(yù)缺氧區(qū)中,由于回流污泥的稀釋作用,TP濃度由進水的1.80mg/L降至0.71mg/L.70%的進水流入?yún)捬鯀^(qū),TP濃度由1.09mg/L升至6.57mg/L,這表明磷在厭氧區(qū)聚磷菌的作用下得到了較好的釋放.好氧區(qū)中,聚磷菌通過聚磷作用使該區(qū)出水中的TP濃度降至0.13mg/L.

TN、NH4+-N和NO3--N在強化除磷工藝段的變化呈現(xiàn)較大的差異.預(yù)缺氧區(qū)中NO3--N濃度明顯降低,從二沉池的11.2mg/L降至2.07mg/L.原因如下:預(yù)缺氧區(qū)中的反硝化微生物利用30%進水中的有機物通過反硝化作用有效去除了回流污泥中攜帶的NO3--N.這避免了厭氧區(qū)中聚磷菌和反硝化菌對有機物的競爭,有利于該區(qū)磷的釋放[23-24].厭氧區(qū)中,TN主要以NH4+-N的形式存在,其濃度達到14.3mg/L.在好氧區(qū)中,NH4+-N經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N,NH4+-N濃度降至1.61mg/L,而NO3--N濃度升至11.1mg/L.二沉池中NO3--N濃度占TN含量的81.8%.強化除磷工藝段對磷、氨氮達到較好的處理效果,TP和NH4+-N去除率分別達到91.0%和94.2%.但由于進水COD/TN比較低,導(dǎo)致該工藝段對TN的去除率偏低,只有58.3%,且出水氮污染物主要以NO3--N形式存在.故硫自養(yǎng)工藝段用于進一步處理強化除磷工藝段出水中的NO3--N.硫自養(yǎng)工藝段出水中TN、NH4+-N和NO3--N的濃度分別為:1.31、1.11和0.36mg/L,強化除磷工藝段出水經(jīng)硫自養(yǎng)工藝段處理后NO3--N和TN濃度明顯降低.結(jié)果表明,在低碳氮比條件下(4.5~6.0),強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)獲得了良好的脫氮除磷效果,TP和TN去除率達到了86.9%和96.3 %.

2.2 強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)中溶解性有機物的三維熒光光譜特性變化

溶解性有機物在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)中各功能區(qū)的三維熒光光譜特性見圖3.進水的三維熒光光譜中有4個明顯的熒光峰(B1、B2、T1和T2).峰B1和B2分別位于熒光區(qū)域Ⅰ和Ⅳ,其熒光峰的中心分別位于Ex/Em=225~235nm/305 ~315nm和Ex/Em=275~280nm/305~310nm,屬于類酪氨酸熒光峰[11,20].峰T1和T2分別位于熒光區(qū)域Ⅱ和Ⅳ,其熒光峰的中心分別位于Ex/Em= 225~235nm/345~350nm和Ex/Em= 280nm/350~ 355nm,屬于類色氨酸熒光峰[11,22].熒光強度表明類酪氨酸和類色氨酸物質(zhì)為進水中溶解性有機物的主要成分,這兩類蛋白物質(zhì)可能來源于洗滌廢水、排泄物和餐廚廢液等[25].經(jīng)強化除磷工藝處理后,類蛋白物質(zhì)熒光峰B1、B2、T1和T2的熒光強度明顯下降,表明該工藝段可顯著降解類蛋白物質(zhì).但熒光峰B1和T1的熒光強度在硫自養(yǎng)工藝段中略有增長.這是由于硫自養(yǎng)反硝化過程中產(chǎn)生與熒光峰B1、T1相關(guān)的類蛋白代謝產(chǎn)物,而硫自養(yǎng)微生物屬于自養(yǎng)型微生物,不能將有機物有效降解所導(dǎo)致.

進水中還含有1個峰值不突出的肩峰C1,位于熒光區(qū)域Ⅴ,熒光峰中心位于Ex/Em=315~ 320nm/405~410nm,屬于類可見光區(qū)富里酸熒光峰[26-27].熒光強度表明與熒光峰C1相關(guān)的腐殖質(zhì)類物質(zhì)為進水中溶解性有機物的次要成分,這類物質(zhì)可能來源于飲用水處理過程中殘留的類腐殖質(zhì)物質(zhì)[28].與熒光峰B1、B2、T1和T2相比,富里酸熒光峰C1的熒光強度在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)處理前后變化較小,表明微生物對類富里酸物質(zhì)的去除效果不如類蛋白物質(zhì).

在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)了一個新的熒光峰A1,其中心位于Ex/Em=240~250nm/390~ 410nm,屬類紫外光區(qū)富里酸熒光峰[26-27].在硫自養(yǎng)工藝段中出現(xiàn)了熒光峰C2,熒光峰中心位于Ex/ Em=270nm/410~415nm,屬類紫外光區(qū)富里酸熒光峰.微生物可產(chǎn)生多種類型的分泌物,包括蛋白質(zhì)、輔酶、腐殖質(zhì)等[29-30].新出現(xiàn)的熒光峰A1和C2可能與微生物的代謝活動相關(guān),而這些物質(zhì)的可生化性較差造成了其在水處理系統(tǒng)中的積累[22].

2.3 溶解性有機物在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)的去除特性

標準積分體積可間接反映污水處理中各類溶解性有機物的相對含量[22].根據(jù)熒光區(qū)域積分方法結(jié)合物料平衡計算分析強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)中各功能區(qū)的三維熒光光譜圖,得到了各功能區(qū)的5個熒光區(qū)域的標準積分體積變化及其去除率(圖4).從圖4(a)可見,進水中芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ(區(qū)域Ⅰ)和芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ(區(qū)域Ⅱ)的標準積分體積分別為1.41×106au·nm2和2.16×106au·nm2,這兩個熒光區(qū)的信號分別由類酪氨酸和類色氨酸物質(zhì)引起,是污水中的主要污染物質(zhì).其次,溶解性微生物代謝產(chǎn)物熒光區(qū)(區(qū)域Ⅳ)的標準積分體積為9.80×105au·nm2,該區(qū)主要由蛋白、輔酶、小分子有機酸、色素等物質(zhì)的熒光引起[8,21].芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ、芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ和溶解性微生物代謝產(chǎn)物的標準積分體積在經(jīng)過強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)后,分別下降至3.70×105au·nm2、7.71×105au·nm2和3.79×105au·nm2;與進水相比它們的相對含量分別下降了73.7%、64.3%和61.3%.芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ、芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ和溶解性微生物代謝產(chǎn)物的降解特性在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)的各功能區(qū)呈現(xiàn)較大的差異性,見圖4(b)所示.芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ和溶解性微生物代謝產(chǎn)物主要在預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和好氧區(qū)得到降解,而芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ主要在厭氧區(qū)和好氧區(qū)得以去除.芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ和芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ在預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和好氧區(qū)的去除率皆逐漸升高.對于芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ,去除率在3個單元分別達到7.54%、25.0%和50.7%;而對于芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ,它們分別為1.48%、17.1%和52.7%.溶解性微生物代謝產(chǎn)物在預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和好氧區(qū)的去除率比較平均,在15.8%~25.5%之間.上述結(jié)果表明,芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ和芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ需經(jīng)非曝氣區(qū)的預(yù)處理過程初步降解,然后在好氧區(qū)得到大量的去除;而溶解性微生物代謝產(chǎn)物熒光區(qū)的物質(zhì)均可被非曝氣區(qū)和曝氣區(qū)的微生物較好的利用.

進水中富里酸類物質(zhì)熒光區(qū)(區(qū)域Ⅲ)的標準積分體積為3.81×105au·nm2,其熒光信號主要由類紫外光區(qū)富里酸、酚類、醌類等物質(zhì)產(chǎn)生[14].而腐殖酸類物質(zhì)熒光區(qū)(區(qū)域Ⅴ)的標準積分體積為5.54×104au·nm2,該熒光區(qū)域主要與可見光區(qū)富里酸、胡敏酸、多環(huán)芳烴等分子量較大且芳構(gòu)化程度較高的有機物相關(guān)[20,24].經(jīng)強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)處理后,富里酸類物質(zhì)熒光區(qū)的標準積分體積降至2.02×105au·nm2,降幅為50.6%,而且富里酸類物質(zhì)熒光區(qū)的物質(zhì)主要集中在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)的好氧區(qū)降解,在該區(qū)的去除率為54.6%;而腐殖酸類物質(zhì)熒光區(qū)的標準積分體積降至3.98×104au·nm2,其降幅最小僅為28.1%,并且腐殖酸物質(zhì)熒光區(qū)的物質(zhì)主要在預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和好氧區(qū)得到降解,其去除率在7.77%~12.1%之間.結(jié)果表明,好氧區(qū)的微生物對富里酸類物質(zhì)熒光區(qū)的物質(zhì)有明顯的去除效果;而強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)對腐殖酸物質(zhì)熒光區(qū)的物質(zhì)去除效果相對較差.

物料平衡分析結(jié)果表明,非曝氣區(qū)(預(yù)缺氧區(qū)和厭氧區(qū))主要對芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ、芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ和溶解性微生物代謝產(chǎn)物熒光區(qū)的物質(zhì)有明顯的去除效果;對腐殖酸類物質(zhì)熒光區(qū)的物質(zhì)也有去除效果;而對富里酸類物質(zhì)熒光區(qū)的物質(zhì)基本沒有去除效果.好氧區(qū)則對各熒光區(qū)所代表的物質(zhì)均有去除效果,尤其是對位于芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ、芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ和富里酸類物質(zhì)熒光區(qū)的物質(zhì).此外,位于芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ、芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ和富里酸類物質(zhì)熒光區(qū)的物質(zhì)在硫自養(yǎng)工藝段有少量釋放,導(dǎo)致這些物質(zhì)在該工藝段去除率的下降.這可能與硫自養(yǎng)微生物分泌的代謝產(chǎn)物相關(guān).硫自養(yǎng)微生物屬于自養(yǎng)型微生物,利用無機碳作為碳源,因此代謝過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物不能被硫自養(yǎng)微生物降解,這就造成了該類物質(zhì)在硫自養(yǎng)工藝段的積累.相比之下,強化除磷工藝段中各熒光區(qū)域的標準積分體積是呈現(xiàn)下降趨勢的.雖然在強化除磷工藝段中微生物也會產(chǎn)生代謝產(chǎn)物,但產(chǎn)生的物質(zhì)可以被工藝中的異養(yǎng)微生物作為碳源或電子供體所利用.

2.4 標準積分體積與溶解性COD及氮磷污染物之間的關(guān)系

溶解性COD代表了溶解性有機物的總含量,而各區(qū)域的標準積分體積反映了不同類型物質(zhì)的相對含量,兩者的變化存在一定的相關(guān)性.因此,利用線性回歸方程=+C,擬合溶解性COD濃度與各區(qū)域的標準化積分體積(圖5).擬合結(jié)果顯示,各區(qū)域的標準積分體積與溶解性COD濃度呈正相關(guān),相關(guān)性大小順序為:區(qū)域Ⅳ>區(qū)域Ⅰ>區(qū)域Ⅴ>區(qū)域Ⅱ>區(qū)域Ⅲ.因此,采用熒光區(qū)域的標準積分體積可反映各類溶解性有機物在強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)中的變化趨勢.

多元直接梯度分析用于評估標準化標準積分體積與氮、磷之間的相互作用關(guān)系(圖6).其中,箭頭代表氮、磷理化因子在平面上的相對位置,箭頭越長,說明其作用越大;樣點-中心連線與箭頭的夾角,代表了樣本與理化因子之間的相關(guān)性(銳角,正相關(guān);鈍角,負相關(guān);直角,不相關(guān));樣點(或各區(qū)域的標準積分體積及去除量)對箭頭的連線做投影,投影點距離箭頭越近,說明該環(huán)境因子對樣點產(chǎn)生的影響越大.

圖6表明,區(qū)域Ⅰ~Ⅴ的標準積分體積與厭氧區(qū)的相關(guān)性最大,這是由于厭氧區(qū)接納了70%的污水,使得標準積分體積在厭氧區(qū)最大所致.熒光區(qū)域Ⅰ~Ⅲ及熒光區(qū)域Ⅳ的標準積分體積去除量分別與好氧區(qū)及厭氧區(qū)的相關(guān)性最大,這是因為芳香蛋白類物質(zhì)Ⅰ、芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ和富里酸類物質(zhì)熒光區(qū)的物質(zhì)在好氧區(qū)得到了最大量的降解,而溶解性微生物代謝產(chǎn)物熒光區(qū)的物質(zhì)在厭氧區(qū)的去除量最大.TP濃度與厭氧區(qū)及區(qū)域Ⅳ標準積分體積的去除量具有較大的相關(guān)性,這表明聚磷菌可能利用了區(qū)域Ⅳ中的有機物所產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸和成內(nèi)貯物(如聚-β-羥基丁酸)并進行聚磷酸鹽和糖原的分解,從而在厭氧區(qū)達到了良好的釋磷效果.由于缺氧區(qū)異養(yǎng)反硝化和硫自養(yǎng)工藝段的自養(yǎng)反硝化對氮污染物的去除作用,導(dǎo)致TN和NO3--N的去除與發(fā)生在預(yù)缺氧區(qū)和硫自養(yǎng)反應(yīng)器中代謝過程相關(guān)性較大.由于聚磷菌的好氧吸磷作用和硝化菌的硝化作用,導(dǎo)致TP和NH4+-N的去除量與好氧區(qū)相關(guān)度較大.另一方面,區(qū)域Ⅰ~Ⅲ的熒光物質(zhì)也主要在好氧區(qū)去除,這表明聚磷菌的吸磷過程、硝化反應(yīng)和有機物的去除可在好氧區(qū)達到統(tǒng)一,這是因為進水中較高的有機物在預(yù)缺氧區(qū)和厭氧區(qū)得到了充分的預(yù)處理加之污泥回流的稀釋作用,進入好氧區(qū)的有機質(zhì)濃度較低,并不影響自養(yǎng)硝化反應(yīng)的進行,而好氧區(qū)對低水平濃度的有機物也有較好的去除效果.

3 結(jié)論

3.1 低COD/TN比(4.5~6.0)條件下,強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)出水中的TN、NH4+-N、NO3--N和TP濃度分別達到1.31、1.11、0.36和0.23mg/L,TN和TP的去除率分別為96.3%和86.9%.

3.2 三維熒光光譜表明,類酪氨酸和類色氨酸等蛋白類物質(zhì)是國電沈陽北部污水處理廠進水中的主要污染物.強化除磷-硫自養(yǎng)系統(tǒng)對熒光區(qū)域Ⅰ~Ⅴ標準積分體積的去除率分別為73.7%、64.3%、50.6%、61.3%和28.1%.該系統(tǒng)對類蛋白物質(zhì)的去除效果要好于類富里酸物質(zhì).物料平衡計算結(jié)果表明,非曝氣區(qū)對位于熒光區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ的物質(zhì)有明顯的去除效果,其去除率分別為32.5%、18.6%、43.6%和21.1%;曝氣區(qū)對各熒光區(qū)物質(zhì)的去除效果要好于非曝氣區(qū),其去除率分別為50.7%、52.7%、54.6%、15.8%和11.5%.

3.3 多元直接梯度分析表明,熒光區(qū)域Ⅰ~Ⅴ的標準積分體積與厭氧區(qū)的相關(guān)性最大,而區(qū)域Ⅰ~Ⅲ及區(qū)域Ⅳ標準積分體積的去除量分別與好氧區(qū)及厭氧區(qū)的相關(guān)度較大,而磷的釋放過程可能與區(qū)域Ⅳ中的有機物相關(guān),此外,磷的過量吸收、自養(yǎng)的硝化反應(yīng)和有機物的去除可在好氧區(qū)達到統(tǒng)一.

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* 責(zé)任作者, 研究員, hkytzy2008@163.com

Assessing organic matter removal from municipal wastewater by excitation-emission matrix fluorescence

LI Hai-bo1,2,3, SUN Chen2,3, LIU Xiao-ling2,3, TIAN Zhi-yong2,3*, XIANG Lian-cheng2,3, WANG Si-yu2,3, ZHOU Bei-hai1

(1.Department of Environmental Engineering, School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)., 2016,36(8)：2371~2379

A novel Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR)-Sulfur Autotrophic Denitrification integrated system was applied to treatment of municipal wastewater with low COD/TN ratio. Its pollutants removal performance was evaluated by the combination of fluorescence regional integration, materials balance calculation and redundancy analysis. The results showed that, with the influent COD/TN ratio of 4.5~6.0, the average effluent concentrations of TN, NH4+-N and TP were 1.31, 1.11 and 0.23mg/L, and the corresponding removal rates reached 96.3%, 96.0% and 86.9%, respectively. Moreover, the normalized integral volumes of regions I~V were decreased by 73.7%, 64.3%, 46.9%, 61.3% and 31.8%, respectively. Material balance calculation further indicated that the aromatic protein-like and the soluble microbial byproduct-like materials were significantly decreased in the non-aerobic zones; the aromatic protein-like and the fulvic acid-like materials were more effectively removed in the aerobic zone. Meanwhile, redundancy analysis showed that phosphorus releasing was correlated with soluble microbial byproduct-like materials. In addition, autotrophic nitrification, phosphorus uptake and organic matter removal could simultaneously occur in the aerobic zone.

municipal wastewater with a low COD/TN ratio；soluble organic matter；fluorescence regional integration；material balance calculation；redundancy analysis

X703,X132

A

1000-6923(2016)08-2371-09

李海波(1985-),男,山東廣饒人,北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院博士研究生,研究方向為水污染控制技術(shù).發(fā)表論文8篇.

2016-01-06

國家科技重大水專項課題(2012ZX07202-005, 2013ZX07202-010);國家自然科學(xué)基金項目(21306180)