好氧顆粒污泥對(duì)污泥碳源的反硝化出水處理效果?

陳 月， 郭 亮,2,3??， 孫 美

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 3.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

好氧顆粒污泥對(duì)污泥碳源的反硝化出水處理效果?

陳 月1， 郭 亮1,2,3??， 孫 美1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 3.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

反硝化出水；好氧顆粒污泥；污泥水解液；反硝化；有機(jī)物去除

農(nóng)藥流失、養(yǎng)殖廢水和生活污水等均會(huì)引起水體中氮濃度的超標(biāo)，導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，造成水環(huán)境惡化，危害人類(lèi)及其他生物健康[1]。目前，廢水生物脫氮最常用的方法是硝化與反硝化過(guò)程聯(lián)合，反硝化是以有機(jī)物為電子供體，把硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)忉尫懦鰜?lái)的過(guò)程[2]，但實(shí)際污水的C/N低，脫氮過(guò)程中有機(jī)碳源不足，結(jié)果導(dǎo)致脫氮效率低下[3]。目前解決該問(wèn)題的主要方法之一是添加外加碳源，如甲醇等，但由于添加成本較高，在實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有被廣泛運(yùn)用。如何降低廢水反硝化碳源的成本是生物脫氮面臨的主要問(wèn)題[4]。

活性污泥法因處理污水效率高、出水水質(zhì)好在我國(guó)被廣泛應(yīng)用，但在污水處理過(guò)程中產(chǎn)生大量剩余污泥，并逐年增加[5]，若處置不當(dāng)將會(huì)帶來(lái)二次污染。剩余污泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，是一種優(yōu)質(zhì)碳源[6]。吳一平等[7]以初沉污泥厭氧水解酸化液為反硝化的碳源，發(fā)現(xiàn)初沉污泥水解酸化液的脫氮速率是投加甲醇脫氮速率的1.33倍。由于污泥微生物細(xì)胞中含有各種蛋白質(zhì)和糖類(lèi)等復(fù)雜的有機(jī)物，造成污泥碳源利用不完全，反硝化出水中仍存在一定量的SCOD和氨氮，導(dǎo)致出水不達(dá)標(biāo)。

好氧顆粒污泥是由細(xì)胞自凝聚組成的一種特殊生物膜結(jié)構(gòu)，因污泥濃度高，沉降性能好，微生物種群多樣已經(jīng)成功用于多種廢水的處理[8]。但好氧顆粒污泥對(duì)污泥做碳源反硝化出水的處理鮮有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)利用SBR反應(yīng)器接種好氧顆粒污泥，探究好氧顆粒污泥對(duì)污泥水解液做碳源的反硝化出水中有機(jī)物和含氮化合物的去除效果，用三維熒光光譜技術(shù)(EEM)結(jié)合熒光積分區(qū)域分析方法(FRI)解析溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的組分構(gòu)成及利用情況，為污泥碳源的利用提供必要的補(bǔ)充。

1 材料和方法

1.1 反應(yīng)器設(shè)置及運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)采用高140 cm、內(nèi)徑5.5 cm、工作體積2 L的SBR反應(yīng)器，反應(yīng)器接種200 mL性狀良好的成熟好氧顆粒污泥。該顆粒污泥SS為4.12 g/L，SVI為19 mL/g。反應(yīng)系統(tǒng)采用序批式操作，周期為8 h，分別為進(jìn)料40 min、曝氣430 min、沉降9 min、排水1 min。進(jìn)水pH在7.5～8.5，反應(yīng)器中水溫為(14±1) ℃，曝氣速率為1.7 cm/s。

1.2 分析方法

EEM光譜的測(cè)定采用熒光分光光度計(jì)(Hitachi F-4500, 日本日立公司)。EEM光譜數(shù)據(jù)采用積分區(qū)域法解析(FRI)[12]。將三維熒光光譜劃分為5個(gè)區(qū)域，代表的五類(lèi)有機(jī)物和相應(yīng)的激發(fā)發(fā)射波長(zhǎng)范圍為酪氨酸類(lèi)(Ⅰ)Ex/Em=(200～250)nm/(200～330)nm; 色氨酸類(lèi)(Ⅱ)=Ex/Em=(200～250)nm/(330～380)nm; 富里酸類(lèi)(Ⅲ)Ex/Em=(200～250)nm/(380～500)nm；溶解性細(xì)胞物質(zhì)(Ⅳ)Ex/Em=(250～400)nm/(200～380)nm；腐殖酸類(lèi)(Ⅴ)Ex/Em=(200～250)nm/ (380～500)nm。采用FRI技術(shù)對(duì)EEM光譜的區(qū)域進(jìn)行積分，熒光區(qū)域i的積分體積為Φi，即具有相似性質(zhì)有機(jī)物的累積熒光強(qiáng)度。對(duì)熒光區(qū)域i的積分體積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化區(qū)域體積Φi。n、Φt,n，采用等式(1)和(2)計(jì)算，從而反應(yīng)某區(qū)域特定結(jié)構(gòu)有機(jī)物的相對(duì)含量。最后計(jì)算某熒光區(qū)域積分標(biāo)準(zhǔn)體積占總積分標(biāo)準(zhǔn)體積的比例Pi,n，用等式(3)計(jì)算。

Φi,n=MFiΦi=MFi∑ex∑emI(λexλem)ΔλexΔλem，

(1)

ΦT,n=∑Φi,n，

(2)

Pi,n=Φi,n/ΦT,n×100。

(3)

式中：Φi,n為熒光區(qū)域i的積分標(biāo)準(zhǔn)體積；Φi為熒光區(qū)域i的積分體積，au·nm2；λex激發(fā)波長(zhǎng)，nm；λem發(fā)射波長(zhǎng)，nm；I(λexλem) 激發(fā)，發(fā)射波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度，au；Pi,n某一熒光區(qū)域i的積分標(biāo)準(zhǔn)體積占總積分標(biāo)準(zhǔn)體積的比例，%；MFi倍增系數(shù)，等于某一熒光區(qū)域i的積分面積占總的熒光區(qū)域積分面積比例的倒數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)器運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果及討論

利用三維熒光技術(shù)檢測(cè)反應(yīng)器進(jìn)出中溶解性有機(jī)物的組成及變化。圖2所示為一組進(jìn)出水的熒光光譜，在進(jìn)水EEM光譜的EX/Em=275/325 nm位置出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的熒光峰，屬于溶解性細(xì)胞物質(zhì) (Ⅳ)。另外在區(qū)域 Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ都出現(xiàn)了相對(duì)較弱的熒光峰，分別代表類(lèi)色氨酸、類(lèi)富里酸和類(lèi)腐殖酸物質(zhì)。經(jīng)過(guò)好氧顆粒污泥的處理后，類(lèi)腐殖酸(Ⅴ)的熒光強(qiáng)度增加了18.0%，其他區(qū)域熒光強(qiáng)度均下降，尤其以Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的類(lèi)蛋白熒光強(qiáng)度下降最明顯，分別降低了36.8%和40.8%，說(shuō)明蛋白類(lèi)有機(jī)物屬于易被生物降解的物質(zhì)。

用FRI技術(shù)對(duì)圖2中進(jìn)出水的EEM光譜進(jìn)行計(jì)算，分別得出各水樣中5個(gè)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)體積所占的比例Pi，n。反硝化出水中類(lèi)蛋白物質(zhì) (PⅠ，n和PⅡ，n)所占比例約為50%，在好氧顆粒污泥處理后，其值降低了22.2%。類(lèi)蛋白物質(zhì)屬于SMP中的基質(zhì)利用相關(guān)型產(chǎn)物 (UAP)，主要來(lái)源于微生物分解基質(zhì)釋放出的產(chǎn)物和外源底物的有機(jī)碳化合物，可以繼續(xù)被微生物降解[15]。類(lèi)富里酸(Ⅲ)所占比例保持相對(duì)穩(wěn)定，微生物細(xì)胞物質(zhì) (Ⅳ)和類(lèi)腐殖酸(Ⅴ)所占比例均上升。反硝化出水中可利用的有機(jī)物很少，當(dāng)可利用基質(zhì)被耗盡時(shí)，微生物只能通過(guò)胞內(nèi)物質(zhì)的代謝來(lái)滿足自身的能量需求，從而產(chǎn)生生物量相關(guān)型 (BAP)的SMP，即細(xì)胞裂解或衰亡產(chǎn)生的芳化程度高的大分子難降解物質(zhì)[14]。主要存在于Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)中，最終導(dǎo)致Ⅳ和Ⅴ的占比增加。

圖1 反應(yīng)器進(jìn)出水水質(zhì)變化

Fig.1 Variation of substrates in SBR reactor

圖2 SMP的EEM光譜和熒光區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)積分體積組成(W: 未加水解液)

2.2 提高進(jìn)水COD負(fù)荷的反應(yīng)器性能

由于反硝化出水中殘留的有機(jī)碳源不易被反硝化菌等微生物利用，造成反硝化出水的反硝化效果差。因此在反硝化出水中添加一定量的污泥水解液碳源，使SCOD維持在400～600 mg/L，反應(yīng)器運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 反應(yīng)器進(jìn)出水水質(zhì)變化

Fig.3 Variation of substrates in SBR reactor

加入水解液后SMP的三維熒光測(cè)定結(jié)果和FRI計(jì)算結(jié)果如圖4所示。在反硝化出水和水解液混合液的EEM光譜中，溶解性細(xì)胞物質(zhì)(Ⅳ)的熒光峰最明顯。在好氧顆粒污泥處理后，Ⅳ區(qū)的熒光峰消失，5個(gè)區(qū)域的熒光強(qiáng)度均下降。Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區(qū)的熒光強(qiáng)度分別下降了74.1%、66.1%和79.4%。Ⅳ區(qū)主要包括蛋白、小分子有機(jī)酸等物質(zhì)容易被降解[15]。酪氨酸類(lèi)(Ⅰ)和色氨酸類(lèi)(Ⅱ)也屬于易生物降解有機(jī)物[16]，而Ⅲ區(qū)包含的富里酸、醌類(lèi)物質(zhì)，Ⅴ區(qū)包含的腐殖酸、胡敏酸和多環(huán)芳烴等物質(zhì)，不易被繼續(xù)利用[17]。由FRI計(jì)算結(jié)果也可知，在反硝化出水和水解液的混合液中，溶解性細(xì)胞物質(zhì)(Ⅳ)和類(lèi)蛋白物質(zhì)(Ⅰ和Ⅱ)的Pi,n分別為47%和26.5%，出水各降低到38.1%和14.9%。類(lèi)富里酸和類(lèi)腐殖酸所占比例(PⅢ，n和PⅤ，n)均上升。

圖4 SMP的EEM光譜和熒光區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)積分體積組成(J: 加入水解液)

2.3 反應(yīng)時(shí)間的變化

圖5 SBR循環(huán)周期內(nèi)底物的變化和SMP的熒光區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)積分體積組成

3 結(jié)論

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Study on Effect of Aerobic Granules Treatment on Denitrification

Key words: denitrification effluent; aerobic granules; hydrolysate; denitrification; organics removal

責(zé)任編輯 龐 旻

Effluent Used Sludge Hydrolysate as Carbon Sources

CHEN Yue1, GUO Liang1,2,3, SUN Mei1

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Laboratory of Ocean Environmental Geology Engineering, Shandong Province, Ocean University of China, Qingdao 266100，China;3.The Key Laboratory of Marine Environmental and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208481)資助 Supported by the Natural Science Foundation of China (51208481)

2016-07-01；

2016-11-16

陳月(1989-)，女，碩士生。

?? 通訊作者：E-mail：geletu@ouc.edu.cn

X703.1

A

1672-5174(2017)09-104-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20160242

陳月， 郭亮， 孫美.好氧顆粒污泥對(duì)污泥碳源的反硝化出水處理效果研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017, 47(9): 104-109.

CHEN Yue, GUO Liang, SUN Mei.Study on effect of aerobic granules treatment on denitrification effluent used sludge hydrolysate as carbon sources[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(9): 104-109.