苯酚对EBPR系统除磷性能的抑制作用

第39卷第8期2018年8月环境科学ENVIRONMENTALSCIENCEVol.39,No.8Aug.,2018苯酚对EBPR系统除磷性能的抑制作用马娟1,2,王谨1,俞小军1,周猛1,李光银1,孙洪伟1,2(1.兰州交通大学环境与市政工程学院,兰州730070；2.甘肃省污水处理行业技术中心,兰州730070)摘要:采用SBR反应器考察了投加不同浓度苯酚(5、10、30、50、100、150、200mg·L-1)对强化生物除磷工艺(EBPR)系统除磷性能的影响.结果表明,苯酚浓度≤50mg·L-1时,COD及PO3-4-P的去除率均在85%以上,系统具有较好的污染物去除性能；而投加高浓度苯酚(≥100mg·L-1),反应器除磷性能大幅降低；当苯酚浓度为200mg·L-1时,系统仅经过22个周期便丧失除磷性能,COD平均去除率降至61.3%,且在短期内难以恢复.同时发现,长期投加苯酚导致EBPR系统污泥除磷性能受到抑制,且对好氧吸磷的抑制作用大于厌氧释磷.此外,低浓度苯酚条件下(≤50mg·L-1),因污泥对苯酚毒性逐渐适应,系统污泥微膨胀现象逐渐消失,而由高浓度苯酚引发的污泥膨胀却难以恢复.短期冲击实验表明,由投加苯酚导致的出水COD和磷浓度的波动可随着苯酚撤去而逐渐恢复,由此可知,苯酚冲击对系统除磷性能的抑制可逆.关键词:苯酚；强化生物除磷工艺(EBPR)；除磷性能；污泥膨胀中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:0250-3301(2018)08-3775-07DOI:10.13227/j.hjkx.201801204收稿日期：2018-01-23；修订日期：2018-02-05基金项目：国家自然科学基金项目(51168027,51668031)；甘肃省大学生创新创业训练计划项目(201610732009)作者简介：马娟(1978~),女,博士,教授,主要研究方向为水污染控制,E-mail:[e-mail]nolonPhosphorusRemovalPerformanceofanEBPRSystemMAJuan1,2,WANGJin1,YUXiao-jun1,ZHOUMeng1,LIGuang-yin1,SUNHong-wei1,2(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China；2.SewageTreatmentIndustryTechnicalCenterofGansuProvince,Lanzhou730070,China)Abstract:AnSBRreactorwasoperatedtostudytheinhibitoryeffectofdifferentconcentrationsofphenol(5,10,30,50,100,150,and200mg·L-1)onthephosphorusremovalperformanceofanEBPRsystem.Theresultsshowedthatwhenthephenolconcentrationwasnohigherthan50mg·L-1,theremovalefficienciesofCODandPO3-4-Pwereabove85%.Thesystemshowedefficientpollutantremovalperformance.However,whenphenolwashigherthan100mg·L-1,phosphorusremovalperformanceofthereactordecreaseddrastically.Whenphenolconcentrationwas200mg·L-1,thesystemlostphosphorusremovalperformanceafteronly22cycles.TheaverageCODremovalefficiencydroppedto61.3%,andhighremovalperformancerecoverywasnotobservedintheshortterm.Meanwhile,itwasfoundthatlong-termdosingofphenolinhibitedphosphorusremovalofthesludgesubjectedtoEBPR.Furthermore,theinhibitiononaerobicphosphateuptakewasgreaterthanthatonanaerobicphosphaterelease.Inaddition,thelimitedsludgebulkingdisappearedgraduallyowingtoacclimationofthesludgetotoxicitywithalowphenolconcentration(≤50mg·L-1).However,highconcentrationofphenolinducedsludgebulkingwasdifficulttorecover.Theshort-termimpactexperimentsshowedthateffluentCODandphosphorusfluctuationcausedbyphenolcouldberecoveredgraduallybyremovingphenol,suggestingthattheinhibitoryeffectofphenolonphosphorusremovalwasreversible.Keywords:phenol；enhancedbiologicalphosphorusremoval(EBPR)；phosphorusremovalperformance；sludgebulking近年来,我国水体富营养化问题加剧,而磷是造成该问题的关键元素[1,2].因此我国污水排放标准中对总磷的控制极为严格,这使水体水质得到有力保障的同时也对污水生物除磷技术提出了更高的要求.强化生物除磷工艺(enhancedbiologicalphosphorusremoval,EBPR)因经济有效,可持续运行等优点在世界范围内被广泛接受并应用.该工艺通过厌氧段和好氧段的交替运行,在活性污泥中能富集一类聚磷微生物———聚磷菌(polyphosphateaccumulatingorganisms,PAOs),通过好氧段末期排放富磷剩余污泥达到除磷目的[3,4].苯酚是工业废水中常见的高毒性酚类有机物,常被用于生产粘合剂、合成橡胶、油漆以及染料等工业生产.在废水处理领域,苯酚已被我国环保总局纳入“水中优先控制的污染物黑名单”[5~8].工业废水时常由于各种原因进入城市污水处理系统,对生物脱氮除磷系统造成冲击,甚至抑制微生物活性,影响处理效果[9].近年来,关于苯酚对硝化、反硝化过程抑制的研究和对活性污泥菌群结构、代谢机制等方面的研究颇多,而关于苯酚对生物除磷过程方面的影响研究却鲜见报道[10~17].因此,考察苯酚对生物除磷的长期抑制及冲击作用尤为环境科学39卷必要.本实验通过向EBPR系统投加苯酚,考察其对该系统除磷性能的长期抑制作用及短期冲击影响,同时分析对系统活性污泥沉降性能的影响,以期为城市污水生物除磷系统应对苯酚的冲击提供技术支持.1材料与方法1.1实验装置及运行SBR反应器由有机玻璃制成,反应器总容积5.4L,有效容积4.2L.反应器的运行由定时器控制,根据需要对反应器的进水、搅拌、曝气、沉淀的启动和停止进行控制.其中溶解氧由Labview软件编程的计算机系统与便携式溶解氧测定仪进行在线监测控制.SBR反应器每天连续运行4个周期,每个周期运行6h,其中每周期进水为瞬时进水,厌氧运行2h,好氧运行3h,沉淀、排水和闲置共耗时1h.反应器排水比为1/3,污泥龄均为15d,温度控制在18~23℃,DO控制在2mg·L-1左右.反应器如图1所示.1.水箱；2.蠕动泵；3.搅拌装置；4.黏砂块曝气头；5.排泥口；6.pH探头；7.DO探头；8.Multi；3420在线测定仪；9.电磁阀；10.流量计；11.空气压缩机；12.；控制系统；13.计算机图1SBR实验装置示意Fig.1SchematicdiagramoftheSBRexperimentalsetup1.2实验水质及接种污泥本实验用水采用模拟废水,由碳源液、磷液、浓缩液及微量元素配制而成.碳源由摩尔比为3∶1的乙酸与丙酸配制,KH2PO4配制磷液,1L的浓缩液中加入21gNH4Cl,45gMgSO4·7H2O,80gMgCl2·6H2O,21gCaCl·2H2O,10g酵母浸膏,61g蛋白胨和0.25g硝化抑制剂(C4H8N2S),微量元素组成参照文献[18].进水水质为:COD400mg·L-1左右,PO3-4-P10mg·L-1左右,NH+4-N5.33mg·L-1左右.本实验用的污泥取自兰州市七里河污水处理厂二沉池,采用非限制性曝气方式培养驯化2d,其后按照各自的实验方案运行,定期检测出水水质并记录.1.3分析项目及方法所有水样均采用定性滤纸过滤后测定.水质分析项目中PO3-4-P采用钼锑抗分光光度法测定,COD采用COD快速测定仪测定,苯酚采用4-氨基安替比林分光光度法.MLSS(混合液悬浮固体浓度),MLVSS(混合液挥发性悬浮固体浓度)采用滤纸重量法测定,SV(污泥沉降比)采用30min沉降法测定.温度和溶解氧(DO)由德国Multi3420在线测定仪在线监测.2结果与讨论2.1苯酚浓度对EBPR系统污染物去除性能的长期影响图2为长期投加不同浓度苯酚条件下系统COD、PO3-4-P去除性能.图2中对照组运行期间,出水COD稳定维持在38.0mg·L-1,COD去除率均值为95%,去除性能良好.苯酚毒性实验组中,工况Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ分别代表苯酚投加浓度为5、10、30、50、100、150、200mg·L-1时的运行情况(工况Ⅰ为污泥驯化阶段).各工况下出水平均COD浓度分别为43.9、49.9、41.5、47.4、68.8、109.6、154.9mg·L-1,与之对应的去除率分别为89%、87.5%、89.6%、88.1%、82.8%、72.6%、61.3%.同对照组相比,苯酚毒性试验中COD去除性能有不同程度的降低.当苯酚浓度≤50mg·L-1,系统COD去除率均能维持在85%以上,平均出水COD低于50mg·L-1；而当苯酚浓度≥100mg·L-1,系统出水COD浓度逐渐增加,在工况Ⅷ时平均去除率仅为61.3%,微生物降解有机物的性能急速恶化,说明此时苯酚已严重抑制了微生物的活性.由图2可知,对照组运行期间,出水PO3-4-P浓度均值为0.59mg·L-1,除磷率稳定维持在94.1%左右,除磷性能优良.苯酚毒性实验组中,工况Ⅱ~Ⅶ系统出水浓度分别为0.6、0.82、0.84、1.21、2.5、5.1mg·L-1,可知,随着投加量的提高,苯酚对系统的抑制作用逐渐增强,尤其当苯酚投加量增加至200mg·L-1时,系统出水磷浓度迅速升至6.5mg·L-1,在该工况的第22个周期,出水磷浓度＞67738期马娟等:苯酚对EBPR系统除磷性能的抑制作用图2不同苯酚浓度梯度下EBPR系统各污染物去除性能Fig.2RemovalofpollutantsinEBPRsystemunderdifferentphenolconcentrations进水磷浓度(10mg·L-1),表明此时污泥已丧失吸磷能力,苯酚已严重抑制系统的除磷性能.但苯酚投加浓度≤50mg·L-1,除磷率均在85%以上,说明,苯酚虽然会引起微生物细胞蛋白质变性和凝固,但因微生物对苯酚毒性的逐步适应,EBPR系统仍具有良好的除磷性能.有研究发现苯酚仅能与胞外酶或细胞膜上的氨氧化单加氧酶(ammo