丙酸乙酸对低能耗生物除磷脱氮系统的影响李洪静

中国环境科学2008,28(8)：673~678ChinaEnvironmentalScience丙酸/乙酸对低能耗生物除磷脱氮系统的影响李洪静,陈银广*,顾国维(同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)摘要：以厌氧-低氧(0.15~0.45mg/L)条件下的序批式反应器(SBR)为研究对象,探讨了丙酸/乙酸比例对低能耗同时生物除磷脱氮系统的影响.结果表明,以丙酸/乙酸比为1/1(SBR-A)或2/1(碳摩尔比)为碳源(SBR-B),系统中均发生同时生物氮和磷的去除,低氧阶段氨氮被全部氧化,并且没有亚硝酸盐的大量累积.与SBR-A相比,SBR-B中厌氧阶段磷释放量少,聚羟基戊酸(PHV)和二甲基三羟基戊酸(PH2MV)合成量高,低氧末磷剩余量少,硝态氮累积少,SBR-B中总氮和磷的去除率(分别为82%和97%)比SBR-A(分别为68%和94%)高.因此,丙酸/乙酸比例的增加有助于提高同时生物除磷脱氮系统中氮和磷的去除效果.关键词：序批式反应器；丙酸/乙酸；低能耗；同时生物除磷脱氮中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2008)08-0673-06Effectofpropionictoaceticacidratioonbiologicalnitrogenandphosphorusremovalwithlowenergyconsumption.LIHong-jing,CHENYin-guang*,GUGuo-wei(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China).ChinaEnvironmentalScience,2008,28(8)：673~678Abstract：Twosequencingbatchreactors,SBR-AandSBR-Bwithpropionic/aceticacidcarbonmolarratioof1/1and2/1,respectively,Whichwereoperatedunderconditionsofanaerobic-lowdissolvedoxygen(DO)(0.15~0.45mg/L),andtheinfluencesofpropionictoaceticacidratioonbiologicalnitrogenandphosphorusremovalwereinvestigated.TheresultsshowedthatthesimultaneousbiologicalnitrogenandphosphorusremovaloccurredinbothSBR-AandSBR-B,andtheammoniawascompletelyoxidizedduringthelowDOperiodwithoutsubstantivenitriteaccumulation.ComparedwithSBR-A,SBR-Bshowedlessanaerobicphosphorusreleaseandmoreanaerobicpolyhydroxyvalerate(PHV)andpolyhydroxy-2-methylvalerate(PH2MV)syntheses,buthadlowerphosphorusandnitrateconcentrationsattheendoflowDOstage.ThetotalnitrogenandphosphorusremovalefficiencieswerehigherinSBR-B(82%and97%,respectively)thaninSBR-A(68%and94%,respectively)suggestingthattheincreaseofpropionic/aceticacidratiowouldbehelpfultobothnitrogenandphosphorusremovalinanaerobic-lowDObiologicalwastewatertreatmentsystem.Keywords：sequencingbatchreactor(SBR)；propionic/aceticacidratio；lowenergyconsumption；simultaneousbiologicalnitrogenandphosphorusremoval污水中氮和磷的去除能降低水体的富营养化进程.利用厌氧-好氧[溶解氧(DO)2mg/L]交替操作的活性污泥系统除磷脱氮已有较多研究[1-3].在低DO条件下,微生物的生长速率较慢,因此剩余污泥的排放量减少,污泥的处理和处置费用随之降低.降低好氧段(DO0.5mg/L),活性污泥系统能否继续进行同时除磷脱氮,已引起国内外学者的关注.Zeng等[4]报道,在厌氧-好氧反应器中DO浓度很低的情况下,能同时发生硝化反硝化及磷的去除,可有效降低营养物质去除过程中对有机碳源的需求.Meyer等[5]进一步研究表明,该系统中在好氧阶段末有大量的NO3--N累积.Lemaire等[6]在对同时除磷脱氮的SBR反应器的出水分析时,也发现了NO3--N的存在.上述研究表明,在厌氧-低氧磷和氮的去除系统中发生了不完全的同时硝化收稿日期：2007-12-07基金项目：国家“863”项目(2007AA06Z326);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20060247006)*责任作者,教授,[e-mail]674中国环境科学28卷反硝化现象.这些研究均使用乙酸钠作为有机碳源,但乙酸和丙酸都是实际废水中所占比例较大的短链脂肪酸(SCFA)[7].在单独的厌氧-好氧(DO6mg/L)增强生物除磷(EBPR)系统中,丙酸/乙酸的提高对EBPR产生了显著影响[8].丙酸/乙酸比例的增加是否对厌氧-低氧同时生物除磷脱氮系统产生影响,还未见报道.鉴于此,作者研究了不同的丙酸/乙酸对厌氧-低氧(DO为0.15~0.45mg/L)生物系统除磷脱氮效果的影响.1材料与方法1.1反应器设置与运行接种污泥取自上海市某污水处理厂.微生物在实验室规模的厌氧-低氧序批式反应器(SBR)中富集,SBR反应器的工作容积为3.5L,每昼夜运行3个周期,每个周期8h,其中厌氧阶段2h,低氧阶段3h,沉淀1h,排水10min,闲置110min.在厌氧阶段前7min,1.75L人工配水由蠕动泵加入;在低氧阶段,空气用开关控制系统结合在线溶解氧测定仪,使DO控制在0.15~0.45mg/L.剩余污泥排放量为175mL/d,以保持污泥平均停留时间为22d左右.沉淀结束后,排出1.75L上清液.2个SBR反应器放置在(21±1)℃的恒温室中,污泥浓度(MLSS)维持在3200~3500mg/L,挥发性悬浮固体(MLVSS)维持在2200~2500mg/L,经过3个月的驯化,系统达到稳定.1.2人工配水组成1号序批式反应器(SBR-A)中丙酸和乙酸碳摩尔比为1/1;2号序批式反应器(SBR-B)中丙酸和乙酸碳摩尔比为2/1.容积为1.75L的人工配制污水由90mL溶液A,1.65L溶液B和10mL的短链脂肪酸(SCFA)水溶液组成.溶液A(g/L):MgSO4·7H2O1,CaCl2·H2O0.45,NH4Cl2.34,蛋白胨0.5.加营养液6mL.溶液B(mg/L):KH2PO429,K2HPO433.营养液(g/L):FeCl3·6H2O1.5,H3BO30.15,CuSO4·5H2O0.03,KI0.18,MnCl2·4H2O0.12,Na2MoO4·2H2O0.06,ZnSO4·7H2O0.12,CoCl2·6H2O0.15,乙二胺四乙酸(EDTA)10.SBR-A和SBR-B中乙酸的浓度分别为4.33,2.79mmol/L,丙酸的浓度分别为4.33,5.63mmol/L(以C计).2套SBRs的进水有机酸COD均为300mg/L,NH4+-N为35mg/L,正磷酸(SOP)为12mg/L.1.3测定方法微生物细胞内糖原含量的变化采用蒽酮比色法测定[9].乙酸和丙酸采用气相色谱法测定[10](HP5980II型).聚羟基烷酸(PHA)采用气相色谱法测定[11](Agilent4890型).将测得的聚羟基丁酸(PHB),聚羟基戊酸(PHV)和二甲基三羟基戊酸(PH2MV)作为总PHA的量.pH值、MLSS、MLVSS、COD、SOP,氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N),总氮(TN)等参数测定参见文献[12].2结果与分析2.12个SBR中1个反应周期内各种物质的变化051015202530354045505560012345a(mmol/L)(SBR-A)(SBR-B)(SBR-A)(SBR-B)(min)0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5024681012141618b(h)(mmol/g)SBR-ASBR-B图1在1个反应周期内2个SBR中短链脂肪酸和糖原的变化Fig.1VariationsofSCFAandglycogenduringonecycleintwoSBR8期李洪静等：丙酸/乙酸对低能耗生物除磷脱氮系统的影响6750.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50.00.60.91.21.5a低氧厌氧NH4+-N(mmol/L)SBR-ASBR-B0.30.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50.00.10.20.30.40.50.6bNO3--N(mmol/L)SBR-ASBR-B0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50.000.050.100.150.20c(h)NO2--N(mmol/L)SBR-ASBR-B0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4d(h)PO43--P(mmol/L)SBR-ASBR-B图2在1个反应周期内2个SBR中N和P的变化Fig.2VariationsofNandPduringonecycleintwoSBR0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0a低氧厌氧PHB(mmol/L)SBR-ASBR-B0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50.00.51.01.52.02.53.0b低氧厌氧PHV(mmol/L)SBR-ASBR-B0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50.00.10.20.30.40.5c低氧厌氧时间(h)PH2MV(mmol/L)SBR-ASBR-B0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5d低氧厌氧时间(h)PHA(mmol/L)SBR-ASBR-B图3在1个反应周期内2个SBR中PHB,PHV,PH2MV和PHA的变化Fig.3VariationsofPHB,PHV,PH2MVandPHAduringonecycleintwoSBR2个SBR中1个反应周期内短链脂肪酸,糖原,氮,磷和PHA随时间的变化如图1~图3所示.在厌氧段,外碳源(乙酸和丙酸)在40min内被全部消耗,同时出现明显的磷释放,糖原降解和PHA合成.在676中国环境科学28卷低氧曝气阶段,由于不存在易利用的外碳源,微生物将利用内碳源(PHB,PHV和PH2MV)作为其生长、反硝化