如何去除合成废水中的磷

2017-03-15 05:45:00 4

  1 引言

  目前,水体富营养化问题日益严峻,而磷是导致水体富营养化的重要元素,因此,将磷从 废水中去除意义重大.与化学除磷和物理除磷相比,强化生物除磷(Enhanced Biological Phosphorus Removal,EBPR)因具有除磷效果好、投资少、污泥产量少等优点而在世界各地的污水处理厂中得到广泛应用.EBPR中起主要作用的微生物为聚磷菌(Phosphate Accumulating Organisms,PAOs),PAOs能够在厌氧的环境中利用细胞内多聚磷酸盐(Polyphosphate,Poly-P)的水解产生腺嘌呤核苷三磷酸(Adenosine Triphosphat,ATP)吸收水体中的挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFAs),并利用糖酵解(Embden-Meyerhof-Parnas Pathway,EMP)途径或者乙酰辅酶A(acetyl-CoA)通过三羧酸循环(Tricarboxylic acid cycle,TCA)来提供烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide,NADH)在胞内合成聚羟基脂肪酸酯(Poly-β-polyhydroxyalkanoates,PHA).聚磷水解后产生的磷酸盐被释放到水体中,在随后的好氧或者缺氧环境中,PAOs利用水体中的氧气或者硝酸盐(亚硝酸盐)等为电子受体氧化PHA,PHA氧化产生的能量用于超量吸收水体中的磷酸盐并贮存在体内生成聚磷等,最后通过排放富磷污泥来达到减少水体磷含量的目的.

  在实际的污水处理中,亚硝酸盐作为硝化和反硝化的中间产物广泛存在于污水的脱氮除磷系统中,且在一定条件下能够积累,如DO、温度、pH的变化,以及高浓度的氨氮、硝态氮等.Zeng等(研究发现,亚硝酸盐在传统的A/O工艺中积累量可高达20 mg · L-1.亚硝酸盐积累浓度过高会导致EBPR崩溃.Saito等报道2 mg · L-1 NO-2-N已对PAOs的好氧吸磷造成严重的抑制,而Zeng等报道10 mg · L-1 NO-2-N未对磷的吸收和释放产生抑制.以往研究中对微生物起抑制作用的亚硝酸盐浓度不尽相同,甚至差别很大,这可能与污泥种类、进水成分及反应器的运行条件有关.亚硝酸盐对污水处理厂中微生物的代谢具有严重的抑制作用,包括EBPR中起主要作用的PAOs.亚硝酸盐能够抑制PAOs的好氧吸磷、底物氧化磷酸化、物质主动运输等作用,从而对EBPR造成严重影响的研究表明,PAOs的同化作用(微生物的生长、磷的吸收、糖原质的补给)和异化作用(PHA的氧化)均不同程度地受到亚硝酸盐的影响,且异化作用受抑制程度相对同化作用要小.近期研究发现,在亚硝酸盐的水溶液中真正对微生物代谢起抑制作用的为游离亚硝酸(Free Nitrous Acid,FNA),FNA为亚硝酸盐的的质子化形态,它能够自由地穿过细胞膜.通过严格控制pH等外界条件证实,好氧吸磷的真正抑制成分是亚硝酸盐的质子化形态(即FNA).FNA的浓度与溶液中亚硝酸盐的浓度、温度和pH密切相关,其关系可通过以下公式表示:

  ,其中,T为溶液的温度(℃),Ka为亚硝酸在T温度下的电离平衡常数.

  本课题组前期研究发现,序批式反应器进水后未经严格厌氧段而适当延长闲置时间在处理合成废水和实际生活污时均能保持良好的除磷性能.将其定义为A/EI(Aerobic/Extended Idle)工艺,A/EI工艺较传统厌氧/好氧(Anaerobic/Oxic,A/O)工艺具有对碳源依赖程度低、操作简单及对pH耐受范围广等优点.不同EBPR工艺中聚磷菌对亚硝酸盐的耐受能力不同,且A/EI工艺特有的运行模式将会导致PAOs代谢机理较传统A/O工艺不同.当进水中含有FNA时是否会对A/EI工艺除磷性能产生影响,至今尚未明确,这严重阻碍着工艺的进一步完善和推广应用.本文旨在考察FNA对A/EI序批式反应器除磷性能的影响,并通过比较微生物体内储能物质的变化,探究FNA对A/EI反应器除磷性能的影响机制,最后通过恢复试验研究FNA对A/EI反应器抑制作用的可逆性.

  2 实验材料与方法(Materials and methods) 2.1 实验装置及运行方法

  活性污泥取自长沙第一污水处理厂回流池,经驯化15 d后平均分配到4个序批式反应器(R1、R2、R3、R4)中.序批式反应器有效容积为1.8 L,各反应器中初始污泥浓度(SS)为4000 mg · L-1左右.污泥沉降性能良好,反应器除磷率均稳定在90%以上.整个实验包含3个时期:驯化期(0~15 d)、试验期(16~105 d)和恢复期(106~130 d).反应器每天运行3个周期,每个周期包含4 h好氧曝气、0.5 h静置沉淀、3.5 h闲置.静置沉淀完成后排出上清液1 L,水力停留时间(HRT)为14.4 h,好氧曝气结束后期排泥水混合物60 mL,污泥停留时间(SRT)为10 d.反应器采用空气压缩机进行鼓风曝气,曝气强度为2 L · min-1.

  2.2 合成废水

  本研究进水采用人工合成废水,以磷酸二氢钾作为磷源,浓度为20 mg · L-1(以PO3-4-P计),以乙酸钠作为单一外加碳源,进水COD值为500 mg · L-1,C/P比(质量比)为25 ∶ 1,进水氨氮浓度为20 mg · L-1.合成废水其他营养成分包括(以每升计)5 mg CaCl2、5 mg MgSO4、1 mL微量元素,每升微量元素中含有1.5 g FeCl3 · 6H2O、0.15 g H3BO3、0.03 g CuSO4 · 5H2O、0.18 g KI、0.12 g MnCl2 · 4H2O、0.06 g Na2MoO4 · 2H2O、0.12 g ZnSO4 · 7H2O、0.15 g CoCl2 · 6H2O和10 g EDTA.鉴于亚硝酸盐浓度低于2 mg · L-1时对PAOs的好氧吸磷抑制不明显,而当积累量高达20 mg · L-1时会导致EBPR崩溃,本研究选取2 mg · L-1(R1)和20 mg · L-1(R3)及中间浓度10 mg · L-1(R2)3个亚硝酸盐浓度值考察FNA对A/EI工艺除磷性能的影响,R1~R3各反应器FNA浓度分别为5.13×10-5、2.57×10-4和5.13×10-4 mg · L-1,R4作为空白对照.同时,在各反应器进水中添加少量的烯丙基硫脲(ATU)以抑制硝化作用和少量的NaClO3以抑制NO-2-N的氧化.

  2.3 分析方法

  SOP(Soluble Orthophosphate)、COD、SS、VSS、氨氮的测定可根据标准检测方法;PHA测定采用气相色谱法,色谱仪型号为安捷伦6890N;糖原质测定采用苯酚-硫酸法;溶解氧(DO)采用便携式溶解氧仪测定;pH测定采用玻璃电极法

  3 结果与讨论

  3.1 FNA对污泥沉降性能的影响

  各反应器长期运行过程中的污泥体积指数(Sludge Volume Index,SVI)变化情况如图 1所示.由图 1可知,在污泥驯化时期,污泥的SVI值基本维持在103~126 mL · g-1之间,污泥沉降性能良好.在添加亚硝酸盐后,R1、R2和R3中的SVI值均有不同程度的上升,而R4中SVI值始终维持在初始水平,这表明R4中污泥的沉降性能未受到影响.R1中SVI值最高达120 mL · g-1,仍处于正常的沉降范围(50~150 mL · g-1);而R2、R3中最大SVI值分别为211 mL · g-1和310 mL · g-1,表明R2和R3中污泥物沉降性能变差,出现不同程度的污泥膨胀.这些研究结果表明FNA浓度大于2.57×10-4 mg · L-1时会导致污泥沉降性能变差,甚至引发污泥膨胀,而FNA小于5.13×10-5 mg · L-1时对A/EI工艺的污泥沉降性能无明显影响.往的研究也表明,在FNA浓度较低时对系统污泥沉降性影响不明显,而浓度较高时会产生严重的污泥膨胀.

  图 1 长期运行过程中各反应器内SVI值变化情况

  3.2 FNA对A/EI反应器除磷性能的影响

  经15 d驯化完成后,4个反应器中磷的去除率均在90%以上,在130 d的长期运行过程中出水磷浓度如图 2所示,各反应器平均出水磷浓度分别为2.3、7.4、11.9和2.0 mg · L-1.各反应器长期运行过程中VSS及SS的平均值见表 1,则各反应器中单位VSS磷的去除量分别为6.0、4.3、3.5和6.3 mg · g-1.可见R1、R4反应器的除磷性能明显强于R2、R3,即FNA抑制了反应器内微生物的除磷能力,并且FNA浓度越高,抑制作用越大.且当FNA浓度为2.57×10-4 mg · L-1时反应器除磷受到严重影响,单位VSS除磷量抑制达到38%.然而,当FNA浓度为5.13×10-5 mg · L-1时反应器仍表现出良好的除磷性能,磷的平均去除率高达89%,单位VSS去磷量的抑制仅为4.75%.可见当FNA的浓度大于2.57×10-4 mg · L-1.时会严重抑制A/EI工艺的除磷效率,而FNA浓度低于5.13×10-5 mg · L-1时对A/EI工艺除磷性能的影响并不明显.

  图 2 长期运行过程中各反应器出水SOP浓度

  表1 各反应器平均VSS、SS及出水氮浓度

  3.3 典型周期内SOP、DO、COD、PHA及糖原质的变化

  典型周期内SOP、DO、COD、PHA及糖原质的变化情况如图 3所示.好氧期内,R3和R4的吸磷量分别为3.5和6.3 mg · g-1(以单位VSS的吸P量计),R3的吸磷量远小于R4,这表明FNA能抑制反应器中PAOs的好氧吸磷.即FNA浓度为5.13×10-4 mg · L-1时,反应器中PAOs好氧吸磷受抑制程度达44%.以往研究也曾报道FNA对PAOs的好氧吸磷具有抑制作用,如Pijuan等的研究表明,FNA浓度为5.0×10-4 mg · L-1(相当于2.0 mg · L-1 NO-2-N,pH=7.0)时对A/O工艺好氧吸磷可造成50%的抑制.Saito等研究表明,拥有较高缺氧活动能力的PAOs能够减缓FNA的抑制作用.而本研究系统所特有的延长闲置时期恰好为PAOs提供了缺氧环境,这或许是本研究系统较传统系统拥有较高FNA耐受能力的原因.

  图 3 典型周期内SOP、DO、COD、PHA及糖原质的变化(实验数据是稳定试验期第40、55、70、85和100 d数据的平均值)

  除磷的能力取决于聚磷在微生物代谢过程中所起到的作用,当聚磷作为能源物质在代谢过程中提供能量时,就能诱导聚磷微生物过量摄取污水中的磷酸盐.Wang等研究表明,A/EI工艺在延长闲置期释磷能诱导下一周期好氧吸磷,且闲置期释磷的多少与整个周期磷的去除有极大的关系,闲置期释磷量越大,整个周期磷的去除量就越大.本研究中4个反应器在延长闲置时期均有释磷,而R1和R4闲置期磷的释放量分别为2.28和2.43 mg · g-1,相比之下,R2和R3闲置期释磷量仅为1.21和1.09 mg · g-1.各反应器中聚磷对微生物在延长闲置期前期维持自身的代谢都起到了重要作用,因而释磷量的不同说明聚磷水解在各反应器中提供的能量不尽相同.由于R1、R4闲置期释磷量大于R2、R3,因而R1和R4中磷的去除量明显大于R2和R3.R1仍表现出良好的摄磷和释磷性能,表明FNA小于5.13×10-5 mg · L-1时对A/EI反应器好氧吸磷和闲置释磷影响不明显;而FNA大于2.57×10-4 mg · L-1时对A/EI反应器中微生物的好氧吸磷和闲置时期的释磷有严重的影响.

  生物除磷性能的高低同时还与周期内PHA及糖原质的转化密切相关.以乙酸钠为单一碳源时,微生物在体内通过TCA循环将乙酸钠主要转化成聚-β-羟丁酸(Poly-β-hydroxybutyrate,PHB)和少量糖原质.由图 3可知,R4中好氧段前60 min内COD已基本消耗完全,同时PHA合成量达2.7 mmol · g-1(以每g VSS合成的C量计),反应器中出现少量释磷.随后PHA被迅速氧化,且混合液中磷酸盐迅速减少,反应器内出现超量吸磷,吸磷量达6.12 mg · g-1.此外,整个周期中糖原质变化不明显.R1典型周期的变化趋势基本与R4类似,而R2、R3中各物质变化规律与R4相比有显著不同.在好氧段,R2和R3中COD的去除较慢,曝气结束时R2和R3中COD的去除率分别为82%和90%,PHA最大合成量分别为1.65和1.38 mmol · g-1,糖原质积累量分别为3.61和3.65 mmol · g-1(以每g VSS积累的C量计).R2、R3中PHA合成量小于R1和R4,而糖原质合成明显比R1、R4多.

  PHA氧化产生的能量用于好氧吸磷、糖原质的补给及微生物自身的生长,R1和R4在60 min后表现出超量吸磷的原因正是胞内PHA的迅速氧化,而R2和R3没有表现出明显的超量吸磷也正是好氧初期没有合成充足的PHA,以至于整个好氧时期的吸磷量仅为3.87和2.54 mg · g-1.4个反应器进水均采用乙酸钠为单一碳源,乙酸钠进入细胞内经过TCA循环产生的能量及微生物的生长代谢消耗量应一致,理论上生成PHA的量也应一致,而R2、R3中PHA合成明显少于R1、R4.底物合成PHA的过程也就是合成ATP的过程,而FNA作为一种解偶联剂,对ADP+Pi合成ATP的磷酸化过程具有抑制作用,使生成的能量不能用于ADP的磷酸化,且FNA能提高质子通透膜的通透性,从而导致质子驱动力被破坏,氧化磷酸化的作用随即也被破坏.因此,FNA对A/EI好氧吸磷的抑制可能是由于抑制了PHA的合成,PHA氧化产生的能量不足,进而用于吸磷的能量受到限制.此外,研究发现,FNA浓度越高,PHA合成量就越小,好氧吸磷量也越小.4个反应器好氧段末PHA的含量均降低到初始水平,表明PAOs前期合成的PHA均被充分地利用.

  PHA的合成量、好氧吸磷及闲置释磷量均与FNA有密切关系.FNA抑制PHA合成,进而导致后续氧化产能不足影响好氧吸磷.由于好氧末期各反应器碳源消耗殆尽且PHA的含量均已降至初始水平(图 3),因此,聚磷水解对闲置期微生物维持自身生命活动意义重大,研究系统闲置时期聚磷的水解是了解除磷性能的关键因素.本研究中FNA抑制闲置时期聚磷的水解,进而下个好氧初期释磷量不明显.

  生物除磷中普遍存在运行不稳定的现象,聚糖菌(Glycogen accumulating organisms,GAOs)与PAOs的竞争往往是引起不稳定运行的一个因素,GAOs会与PAOs竞争有限的碳源,而对除磷无任何贡献,因而会导致系统除磷性能下降.Mino等和Wang等研究表明,EBPR系统中较高的糖原质转化表明系统中GAOs活性较强,因为糖原质是GAOs主要形式的胞内聚合物.本研究中R2和R3中糖原质合成量明显高于R1和R4,说明R2和R3中GAOs活性相比R1、R4更强.GAOs活性增强会加速其与PAOs之间的竞争,从而导致系统除磷性能下降.可见,FNA能加速GAOs与PAOs的竞争,为GAOs在竞争中占据优势提供有利条件,同时也说明PAOs相比GAOs对FNA更敏感.

  3.4 恢复试验

  恢复试验期停止添加亚硝酸盐,并用去离子水反复清洗污泥以去除污泥表面残留的亚硝酸盐.由图 1可知,R2和R3中SVI值逐渐下降,污泥沉降性能有所提升,然而其SVI值始终未能恢复至初始水平.相比而言,R1中SVI值迅速下降并恢复至初始水平.由图 2可知,经恢复稳定后,R1出水磷浓度为1.99 mg · L-1,和R4中的1.97 mg · L-1相差不大,而R2和R3经恢复稳定后出水磷浓度分别为5.4 mg · L-1和8.46 mg · L-1,磷的平均去除率分别为73%和58%,除磷性能相比R1及空白组R4较弱.结果表明,FNA浓度高于2.57×10-4 mg · L-1时对A/EI工艺除磷性能的影响较严重,撤销影响后系统的除磷能力和沉降性能虽有明显回升,但无法恢复至初始水平.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  4 结论

  1)FNA浓度小于5.13×10-5 mg · L-1时对好氧/延长闲置序批式反应器除磷性能影响不明显,而当FNA浓度大于2.57×10-4 mg · L-1时对反应器除磷性能有明显的抑制作用,包括污泥沉降性能、好氧吸磷、PHA合成及闲置期释磷,且FNA浓度越高,抑制作用越强.

  2)FNA浓度大于2.57×10-4 mg · L-1时对A/EI工艺除磷性能的抑制不可逆.

电话咨询
客户案例
服务项目
QQ客服