硝酸鹽與氧生物除磷的對(duì)比研究

硝酸鹽與氧生物除磷的對(duì)比研究

如果在環(huán)境中引入過量的磷，水體就會(huì)富營養(yǎng)化。近10a來我國富營養(yǎng)化水體的比例從5.0%增長到55%左右,而貧營養(yǎng)化的水體比例由3.2%減少到0.53%,因此,研究廢水除磷技術(shù),控制磷的排放,保護(hù)水體不受富營養(yǎng)化的影響已成為一個(gè)亟待解決的問題。目前一個(gè)使用很廣的處理方法是強(qiáng)化生物除磷(EBPR),其利用聚磷菌在“壓抑”(如:厭氧)條件下能利用分解體內(nèi)聚磷酸鹽產(chǎn)生的能量將碳源合成聚羥基烷酸(PHA)形式的儲(chǔ)存物,同時(shí)釋放磷。在隨后存在電子受體(如:氧)的條件下能吸收比所釋放的更多的磷合成聚磷酸鹽顆粒儲(chǔ)存于胞內(nèi),并通過排放剩余污泥達(dá)到從廢水中除磷的目的。在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際運(yùn)行中都是通過厭氧-好氧交替來實(shí)現(xiàn)釋磷和攝磷。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn),聚磷菌在缺乏氧的情況下有可能以硝基氮作為替代氧的最終電子受體吸收磷,同時(shí)還能脫氮。如能利用硝酸鹽作為最終電子受體,同時(shí)進(jìn)行除磷脫氮,將能減少曝氣量及運(yùn)行費(fèi)用;并能做到“一碳兩用”,降低除磷脫氮對(duì)碳源的需求量;還可減少污泥產(chǎn)生量。其應(yīng)用前景將是十分誘人的。因此,對(duì)硝酸鹽作為電子受體的研究具有現(xiàn)實(shí)的意義。1材料和方法1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及進(jìn)水條件采用循環(huán)間歇式反應(yīng)器(SBR)進(jìn)行研究。反應(yīng)器有效體積為2L,一個(gè)循環(huán)為7.5h(其中:厭氧2.5h,好氧或缺氧4h,沉降0.5h,排水、進(jìn)水0.5h)。接種污泥為取自無錫蘆村污水處理廠,經(jīng)馴化有過量除磷效果的活性污泥。厭氧時(shí)進(jìn)行攪拌以使污泥懸浮,用空氣泵鼓入空氣達(dá)到好氧條件,缺氧條件通過加入硝酸鹽實(shí)現(xiàn),同時(shí)攪拌使污泥懸浮。實(shí)驗(yàn)溫度25℃,泥齡10d,MLSS3.96g/L。進(jìn)水采用人工合成模擬廢水,見表1,2。模擬廢水COD為400mg/L;NH4+-N為40mg/L;PO43--P為15mg/L;pH為7.0。1.2凍干污泥、濕地、安息香酸、phbv的制備COD:采用5B-1型COD快速測定儀測定?？偭?采用鉬銻抗分光光度法測定。硝酸鹽:采用酚二磺酸光度法。胞內(nèi)PHA:取適量污泥凍干。將定量凍干污泥裝入螺紋封口管中,加入2mL含15%(V/V)濃H2SO4的甲醇及2g/L安息香酸(作為內(nèi)標(biāo)),加入2mL氯仿后,蓋緊管子,80℃水浴4h。加入2mL去離子水,充分混勻。離心或室溫沉降30min以上,分層,氯仿層(下層)用GC測定。用純PHB(Aldrichcom.)和PHBV(MW400000,22%PHV)做標(biāo)準(zhǔn)。柱子:SE-20毛細(xì)管柱。經(jīng)測定PHA主要為PHB、PHV和PHBV。2結(jié)果與討論2.1總磷的去除效果為了解聚磷菌是否能以硝基氮作為電子受體進(jìn)行吸收磷的過程,取長期運(yùn)行的,具有高效除磷能力的SBR系統(tǒng)厭氧段結(jié)束時(shí)的混合液,分別進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn):①曝氣;②添加硝酸鹽;③添加硝酸鹽并添加150mg/L乙酸鈉;④既不曝氣也不添加硝酸鹽。比較磷的去除效果,結(jié)果見表3。表3中的進(jìn)水總磷指經(jīng)過厭氧段釋磷后,進(jìn)入好氧或缺氧段的水中總磷,去除率是指出水相對(duì)于好氧或缺氧進(jìn)水的總磷的去除率。由表3可知曝氣時(shí)磷的去除率最高,可達(dá)96%;而不存在電子受體(氧或硝酸鹽)的實(shí)驗(yàn)4中則沒有除磷效果,相反還有少量磷的釋放。以硝基氮作為替代的電子受體時(shí),也有明顯的除磷效果,與曝氣系統(tǒng)相比磷的去除率較低為87.1%;但存在乙酸鈉時(shí)磷的濃度只有極少量的減少。由實(shí)驗(yàn)2可知:聚磷菌能夠以硝酸鹽為電子受體進(jìn)行除磷。由于實(shí)驗(yàn)用污泥取自厭氧/好氧工藝厭氧段,未經(jīng)過厭氧/缺氧的馴化培養(yǎng),可見污泥中的聚磷菌或者至少有一部分聚磷菌本來就有利用硝酸鹽作為電子受體吸收磷的能力。但在缺氧段存在有機(jī)碳源的情況下,聚磷菌利用硝酸鹽為電子受體的反應(yīng)受到“抑制”,這是因?yàn)榇嬖谔荚磿r(shí)由于聚磷菌在利用硝酸鹽為電子受體攝取磷的同時(shí)也存在反硝化作用(奪走了可利用的硝酸鹽)及合成PHA釋放磷的過程。從總體上觀察就出現(xiàn)了攝磷被“抑制”的現(xiàn)象。這也就可解釋為什么許多文獻(xiàn)中對(duì)缺氧段是吸收磷還是釋放磷的說法各不相同。在實(shí)際運(yùn)行中若厭氧進(jìn)水COD含量過高,未能在進(jìn)入好氧或缺氧段前充分利用掉,導(dǎo)致好氧或缺氧段進(jìn)水COD偏高,影響磷的去除,通過延長厭氧時(shí)間使碳源充分利用后再進(jìn)入缺氧階段的方法可有效的防止此抑制的發(fā)生。2.2設(shè)硝酸鹽質(zhì)量濃度a/l取沉淀污泥,離心,洗滌2次,加入合成廢水厭氧3h(延長厭氧時(shí)間是為了使COD在厭氧段充分耗盡,不影響隨后缺氧段磷的吸收)后,A:一次加入硝酸鹽至質(zhì)量濃度為52mg/L(即濃度為4mmol/L);B:曝氣(對(duì)照);C:流加硝酸鹽2h;D:流加硝酸鹽3.5h(C,D中流加硝酸鹽的流速恒定,流加的總量與A中相等)。定時(shí)取樣測定NO3--N,總磷和COD,其變化情況見圖1。圖1中的A是在缺氧段開始時(shí)一次添加硝酸鹽至52mg/L。由該圖可見在缺氧段總磷質(zhì)量濃度隨著硝酸鹽質(zhì)量濃度的降低而降低,這是因?yàn)橄跛猁}被用作電子受體參與分解PHA,合成聚磷酸鹽的反應(yīng),故溶液中總磷的質(zhì)量濃度隨NO3--N的質(zhì)量濃度一起降低?？偭鬃畲笪账俣瘸霈F(xiàn)在缺氧段開始時(shí),為17.2mg/(g·h)。而硝酸鹽最大消耗速度也出現(xiàn)在缺氧段的開始為10.6mg/(g·h)。隨后都逐漸減小,在缺氧段的最后還發(fā)現(xiàn)有少量的磷的釋放。圖1中的C和D為在缺氧段連續(xù)流加硝酸鹽的情況。C為流加2h,D為流加3.5h,流加的硝酸鹽總量與A中添加的量相同?？砂l(fā)現(xiàn)在恒定流速流加硝酸鹽的情況下,溶液中總磷的質(zhì)量濃度隨時(shí)間基本成線性下降,C,D中磷的吸收速率分別為10.1和6.9mg/(g·h)。在停止流加硝酸鹽后磷的去除速率下降,在C中還有微量的磷的釋放,而D中沒有,可見硝酸鹽的連續(xù)穩(wěn)定地加入有利于磷的去除。由于硝酸鹽消耗速度相對(duì)于流加的速度比較大,故在缺氧段監(jiān)測不到有硝酸鹽的大量積累,硝酸鹽質(zhì)量濃度只有少量的增加隨即又下降,在大部分時(shí)間內(nèi)NO3--N的質(zhì)量濃度因低于檢測限而監(jiān)測不到硝酸鹽存在。由A,C,D可知硝酸鹽質(zhì)量濃度越高磷去除的速率也越高。圖1中的B為曝氣條件下的情況(對(duì)照實(shí)驗(yàn))。氧作為電子受體參與分解PHA的反應(yīng),同時(shí)吸收水中的磷在胞內(nèi)合成聚磷酸鹽作為能源儲(chǔ)存,故溶液中總磷的質(zhì)量濃度迅速下降,同時(shí)由于硝化作用,氨氮被轉(zhuǎn)化為硝基氮(NH4++2O2→NO3-+2H++H2O),使NO3--N質(zhì)量濃度隨時(shí)間上升。2.3亞硝酸鹽和氧化是電子受體的比較2.3.1以硝酸鹽為電子受體的磷氧比比較了缺氧和好氧條件下去除大致等量磷的情況下PHA的消耗量,結(jié)果見表4。由表4可見在吸收同樣量的磷的情況下,利用硝酸鹽為電子受體消耗的PHA比利用氧作為電子受體所消耗的多。缺氧系統(tǒng)中吸收的磷和耗PHA的比為0.63,比好氧系統(tǒng)中0.83低24%。也就是說,以硝酸鹽為電子受體時(shí)聚磷菌對(duì)PHA利用效率不如氧。磷氧比(P/O)是指1molNADH2經(jīng)過電子傳遞鏈被氧化磷酸化所產(chǎn)生的ATP的量,它是表現(xiàn)微生物效率高低的一個(gè)重要參數(shù)。由于以硝酸鹽作為電子受體的P/O比氧為電子受體時(shí)低,好氧時(shí)為1.85而缺氧時(shí)為1。細(xì)胞效率的下降影響了聚磷菌的各種活性(如磷的攝取,細(xì)胞生長等),也導(dǎo)致了聚磷菌利用PHA的效率的下降,所以吸收相同數(shù)量的磷缺氧時(shí)所耗的PHA更多。2.3.2硝酸鹽的消耗量圖2是缺氧情況下磷的去除與硝酸鹽消耗之間的關(guān)系曲線(由于連續(xù)流加硝酸鹽的實(shí)驗(yàn)中無法測得NO3--N的變化,圖2中數(shù)據(jù)取自一次性加入硝酸鹽的實(shí)驗(yàn))。由圖2可見,硝酸鹽的消耗量與磷的吸收量基本成線性關(guān)系,其關(guān)系式為:Premoved=1.51×Nconsumed(R2=0.9841)Ρremoved=1.51×Νconsumed(R2=0.9841)由方程可知吸收的磷與消耗的硝酸鹽的比值為1.51,因而硝酸鹽為電子受體時(shí)單位電子轉(zhuǎn)移所吸收的磷為0.14。而根據(jù)Kuba等的文獻(xiàn),氧為電子受體時(shí)吸收磷與電子轉(zhuǎn)移的關(guān)系為0.23。因此,硝酸鹽為電子受體時(shí)單位電子轉(zhuǎn)移所吸收的磷比氧為電子受體時(shí)低39.1%。3硝酸鹽的加入時(shí)間ca.聚磷菌能以硝酸鹽作為替代氧的電子受體進(jìn)行分解PHA,吸收磷的過程,但前提是COD必須在厭氧段被充分利用,否則會(huì)抑制缺氧段磷的吸收。b.缺氧時(shí)磷的吸收速率與硝酸鹽的質(zhì)量濃度有關(guān),質(zhì)量濃度越高速度越快。在硝酸鹽起始質(zhì)量濃度為52mg/L時(shí)總磷最大吸收速度出