胞内有机聚合物PHB为反硝化碳源的研究王红武

中国环魔科学学会学术年会论文集(2仪刃)胞内有机聚合物尸HB为反硝化碳源的研究王红武,樊金红,吴德礼,刘志刚’刘燕21.同济大学城市污染控制国家工程研究中心上海2《拟)922.复旦大学环境科学与工程系上海2仪阵33摘要胞内有机聚合物为碳源可为反硝化工艺的改进提供新的思路。实验以苯甲酸钠为底物配制有机废水,用序批式反应器(SBR),以好氧/缺氧方式交替运行进行污泥培养。好氧阶段进有机废水,考察胞内有机聚合物的形成;缺氧阶段进硝酸盐废水,考察反硝化效果。结果表明:有机废水的COD在曝气初期迅速下降,与此同时,活性污泥细胞内的PHB含量增加;缺氧阶段,随着反硝化的进行,PHB的含量逐渐减少。缺氧运行60imn,富含PHB的污泥,反硝化速率平均达173一385mg一N/g-SS/d,缺氧运行270imn,反硝化效率大于95%。并且,与外加苯甲酸钠为碳源的反硝化过程相比,其No3一N的去除效率和速率基本相当。关健词反硝化胞内有机聚合物PHB废水生物处理一、引言在一定的条件下,微生物可以贮藏诸如聚经基链烷酸(醋)(PHsA)、糖原、聚磷、硫粒等胞内聚合物。最早发现(1925年)的聚经基一日一丁酸(醋)(PHB)是PHAs中存在最广泛的一种。通常认为PHB是细胞内碳源和能源的贮藏物,是在营养受限制或在厌氧并伴随着磷释放的条件下产生的。人们已在传统的污水处理厂[’浏或生物除磷污水厂L’一’〕的活性污泥样品中发现了这些贮藏物的存在。但近年来发现,28种有机物可以在不涉及磷释放的条件下被微生物吸收并转化为PHA贮藏于细胞内[6】。在活性污泥法中,曝气初期进水中的部分有机物可以被快速除去,基于这一认识,vanNiekekr等;[]曾推论这些有机物可能被转化为如PHB或糖原等形式的胞内有机聚合物而被储积,近年已证实如乙酸、苯甲酸钠、葡萄糖等可溶有机物在曝气初期可被微生物转化为PHB或糖原储积在细胞内〔一’0;]而且Majon。等〔川和eBn。等{”〕还发现在好氧阶段有丰富外加底物的时候,微生物可储积PHB,而在厌氧没有外加底物的阶段,PHB作为内碳源和能源被使用。iQn等[”一’4]的实验发现好氧颗粒污泥可利用储积的PHB反硝化28m岁L的硝酸盐氮。目前,水体中氮污染的危害已成为人们普遍关注的问题之一,生物脱氮则是一种经济有效的方法。但应用广泛的0/A和刀0法均存在着缺陷。前者需要投加甲醇、乙醇等有机物作为外加碳源,后者则需要大量的回流。以胞内聚合物作为反硝化的碳源可克服这两大缺陷,但在这个领域所做的研究还很少。本实验考察好氧阶段PHB的形成及其在缺氧段作为碳源的反硝化效果,并与外加相应有机物为碳源的反硝化过程进行比较,为生物反硝化工艺的改进提供一个新的思路。二、材料与方法有机玻璃制序批式反应器(eSquecnignBathceRacotr,SBR)内径loollun,总容积1.SL,有效容积1.Z;L由OLGO时间编程控制器(iSmens,eGmrayn)控制运行周期。接种污泥取自生活污水处理厂。有机废水为人工配制,碳、氮、磷分别由苯甲酸钠、氯化铁、磷酸盐提供,并加人微营养物质(见表1)。COD:N:P约为1100:loo:4,磷的浓度保持在较低的水平,足够微生物生长的需要但又可以抑制积磷菌的生长。pH值维持在6.7一7.0,必要时可加人碳酸氢钠作为缓冲物质。实验用硝酸盐废水以NK03配制,运行的浓度为20一25mg第二章环境污染防治技术研究与开发一N/L。所有实验在室温20一25℃下进行。表1配制有机废水中的橄曹养物营营养物物浓度/mg·L一’’MMM薛04·7H20005.0777FFFeSO二7H20002.4999NNN内Mn以·7H20001.2666MMMnSO`·4H20000.3111CCCuSO``0.2555ZZZnS04·7H20000.科科NNNaCIII0.2555CCCaso4·2H20000.4333CCCoC12·6H20000.4111(一)胞内有机聚合物为破源的反峭化实验第一阶段:SBR以好氧方式运行,每天运行三个周期,每一周期为h8:进水30而n,曝气4卜,沉淀3h,出水30min。观察周期内底物浓度与细胞内有机聚合物含量随时间的变化情况,以确定下一阶段的好氧运行时间以获得富含胞内有机聚合物的污泥。第二阶段:SBR以好氧/缺氧的方式交替运行,每天运行两个周期(见表2)。好氧情况下,污泥降解有机废水并形成胞内聚合物贮藏于体内;缺氧状态则利用富含胞内有机聚合物的污泥对含NO,一N的废水进行反硝化。表2胞内报合物为碳源反硝化实验的运行周期运行项目时间/min有机废水进水好氧段出水硝酸盐进水缺氧段出水(二)外加相应有机物为碳源反硝化实验另加一套相同的SBR,同样再好氧段加入苯甲酸钠废水,但曝气时间均延长至240min,每一周期为1h8(见表3)。且在缺氧阶段于反应器中加人苯甲酸钠为外加碳源进行反硝化。衰3有机废水进水外加相应有机物为碳诬反硝化实脸的运行周期运行项目时间/min好氧段出水硝酸盐进水缺氧段出水(三)PHBNO3’分析方法:气相色谱法s1[。一N,N02-一N,M岱S,COD等均采用标准分析方法〔”]。三、结果与讨论(一)胞内有机聚合物的形成为考察胞内聚合物的形成,反应器在好氧方式下共运行了90d。反应器中的污泥浓度保持在1400m扩L左右,泥龄平均为12d。实验发现每一运行周期内,底物浓度和胞内聚合物浓度呈一中国环境科学学会学术年会论文集(2《X刃)定规律变化(如图1所示)。曝气初期,底物浓度迅速降低,60minCOD去除率均可达85%以上;相应地胞内有机聚合物PHB含量增加,在曝气30而n时可达到最高值,转化率平均为45.3%;继续曝气,底物浓度已基本降至最低值,污泥开始进人内源呼吸阶段,PHB作为提供能源和碳源的物质而被逐渐消耗,其含量开始下降,至曝气4h,PHB含量基本趋近于起始值。oo2502鸽11与·50(二)胞内有机聚杏物为破源的反峭化反应器以好氧/缺氧的方式交替运行,好氧段时间的长短依据胞内,PHB含量增加的时间而定,根据实验结果,PHB在曝气30min时升至最高值,因此,好氧段的曝气时间定为30min《,缺氧段进行反硝化过程。两反应器均具有高且稳定的反硝化能力。缺氧段进的硝酸盐废水溶液的浓度增高维持在20一30mgN03一N/L,缺氧段出水的硝酸盐浓度在1.Omg一N/L左右,反硝化效率平均为95%。缺氧阶段,不含任何有机物的硝酸盐废水进人反应器,硝态氮、亚硝态氮浓度和污泥胞内有一,卜-COD(3叼)-,`-COD(5d2)-叫卜-PHB(3d0)~PHB俘Zd)罗、苗工ó8绷姗ó日、00口0501加1502X()250时间油jn圈,好权周期内笨甲酸钠废水COO和胞内PHB含,的变化划250机聚合物含量随时间发生变化(如图2所示)。,缺氧初期巧min内,硝酸根浓度快速下降,而亚硝酸根浓度则快速上升,反应器中N侧一N浓度降低的速率为67息mg二N/g一ssd。霍接下来的45min,No:一N浓度快速降低,降低速率为71mg一Ng/一ss;d此后,无论是N03一N的浓度或是NO:一N的浓度降低的速率均减慢。经60min的搅拌,约有97%的N03一N被去除,相应的反硝化效率为88%,同时可见泥样所含的PHB从243m『gM巧S1210的的é昌工场oo502--.亡卜一硝态氮一刁卜-亚硝态氮一X一PHBd凡6了闷。。呼二、山国山oo4,`0的遏喊寸\__二1002朋缺氧段反应时间/min降至207m内M哪,相当舌有59m岁“的要的碳源应满足这一比例:BOD犷N)3:圈2低浓度硝酸盐度水胞内PHB为碳派的反硝化c0D在这15而n内被消耗。一般认为反硝化过程中需1。因此,减少的PHB提供了足够的碳源供微生物进行反硝化过程使NO,一N浓度从or.smg一N/L降至.0’3mg一N/L。70年代aBmadr在处理城市污水中发现存在三阶段不同的反硝化速率,第一段的反硝化速率最快,为SOm岁L·h.共持续了5一15min,这是因为反硝化细菌利用厌氧发酵产物挥发性脂肪酸和醇类作为碳源所致;第二阶段反硝化细菌利用颗粒有机物和复杂有机物为碳源,一直持续至全部外碳源被耗尽,其反硝化速率较利用易生物降解物质如脂肪酸,低级醇类等为碳源的反硝化低,为16m岁L·h。第三阶段为内源呼吸反硝化,反硝化速率为5.4m酬L·h。可见在本实验中,利用PHB为碳源进行反硝化,其在巧而n内的平均速率22.7m扩L·h,介于以上两种速率之间,而hl内的平均反硝化速率仍然高于内源呼吸阶段的5.4m岁L·h。反应器运行至第51d,硝酸根废水的浓度提高至原来的两倍左右,该条件下共运行了40d,所得反硝化过程的结果如图3所示。在反应器中,前15minNO3一N的去除速率最快,平均为776mg一N/g一ssd。60min内的反硝化速率平均为384mg一N/g一sSd,反硝化效率达86%。在初期的15intn内同样有NO:一N的积累,但在巧而n后即开始减少,出水已测不出其浓度。在第二章环境污染防治技术研究与开发整个反硝化过程中,胞内聚合物PHB的含量持续下降,60而n内从237m岁gM巧S降至136m岁gM“S,为反硝化过程提供了足够的碳源。850内,à,`的的é龙一与·(三)不同破源生物反峭化的比较为了比较以PHB为胞内碳源的反硝化与外碳源反硝化的效果,将外加苯甲酸钠为碳源的反应器好氧段的运行时间延长至240min,使胞内形成的碳源几乎消耗殆尽,而后加人一定量的苯甲酸钠(作为外碳源,控制C:N二5:1),搅拌使之发生反硝化反应。为了增加可比性,外加苯甲酸钠为碳源的反硝化和以PHB为碳源的反硝化的硝酸钾废水的N03一N浓度大约控制在20m『L左右。连续测定硝酸根离子的浓度变化,结果显示两反应器中-么-硝态氮-闷卜-亚硝态氮-X一PHB001全J00侣.胜.二气ù0寸\__二富公白64ó.四月喊1002X()缺氧段反应时间/而n圈3离浓度硝酸盐度水胞内pHB为碳派的反硝化ù.ha气à0工tà0ǎé飞日à喊的N03一N去除效率和平均去除速率均相当(见图4和表4)。由此可见,SBR中在没有外加碳源,即没有其他有机物可作为电子供体的情况下,使硝酸盐废水与富含PHB的污泥相混,反硝化过程依然进行,且hl内的反硝化的平均速率远大于己报道的内源碳反硝化速率,而与外加相应有机物一苯甲酸钠为碳源的反硝化速率相近,反硝化效率相当。过程中随着硝酸盐氮的减少,胞内聚合物的含量也在减少可见PHB参与了反硝化过程,且可能在过程中作为电子供体而被消耗。说明以胞内聚合物PHB为碳源进行反硝化是可行的。PHB苯甲酸钠2503X()350圈4胞内外碳派反硝化比较四、结论以好氧/缺氧方式交替运行的SBR,在缺氧段不外加碳源也可以有较高并且稳定的反硝化效果。在相对稳定状态下,反硝化效率平均可高于95%。衰4胞内外碳旅反硝化的效果时时间/而nnnNo,一N的去除毅%%%No3一N的平均去除速率/mg一N·g一’一sSddd胞胞胞内PHB为碳源源苯甲酸钠为碳源源胞内PHB为碳源源苯甲酸钠为碳源源lll5553666399950111542223330006777733347000511116660008666oooo30333317290中国环瑰科学学会学术年会论丈集(2仪为)可溶性有机物苯甲酸钠在好氧阶段可被微生物吸收并部分转化为胞内聚合物PHB。在紧接着的缺氧阶段,胞内聚合物PHB可被用做为反硝化的碳源。反硝化印而n,其效率平均值均高于82%,反硝化速率可达为173一385mg一N/g一ssd。反硝化初期的15而n有NO:一N的积累,但该积累不抑制反硝化过程的进行,反硝化过程的出水中未检出NO:一N。在SBR装置中以胞内聚合物PHB为碳源的反硝化过程,与以外加相应有机物苯甲酸钠为碳源的反硝化过程相比,其硝酸盐的去除速率和效率相当。参考文献WALLENLL,ORHWEDDERWK.oPly一日一hy如xyalkanaoteformactivatdeslud罗〔J].Envio