硝酸盐与氧生物除磷的对比研究

硝酸盐与氧生物除磷的对比研究

如果在环境中引入过量的磷，水体就会富营养化。近10a来我国富营养化水体的比例从5.0%增长到55%左右,而贫营养化的水体比例由3.2%减少到0.53%,因此,研究废水除磷技术,控制磷的排放,保护水体不受富营养化的影响已成为一个亟待解决的问题。目前一个使用很广的处理方法是强化生物除磷(EBPR),其利用聚磷菌在“压抑”(如:厌氧)条件下能利用分解体内聚磷酸盐产生的能量将碳源合成聚羟基烷酸(PHA)形式的储存物,同时释放磷。在随后存在电子受体(如:氧)的条件下能吸收比所释放的更多的磷合成聚磷酸盐颗粒储存于胞内,并通过排放剩余污泥达到从废水中除磷的目的。在实验室和实际运行中都是通过厌氧-好氧交替来实现释磷和摄磷。目前已经发现,聚磷菌在缺乏氧的情况下有可能以硝基氮作为替代氧的最终电子受体吸收磷,同时还能脱氮。如能利用硝酸盐作为最终电子受体,同时进行除磷脱氮,将能减少曝气量及运行费用;并能做到“一碳两用”,降低除磷脱氮对碳源的需求量;还可减少污泥产生量。其应用前景将是十分诱人的。因此,对硝酸盐作为电子受体的研究具有现实的意义。1材料和方法1.1实验设备及进水条件采用循环间歇式反应器(SBR)进行研究。反应器有效体积为2L,一个循环为7.5h(其中:厌氧2.5h,好氧或缺氧4h,沉降0.5h,排水、进水0.5h)。接种污泥为取自无锡芦村污水处理厂,经驯化有过量除磷效果的活性污泥。厌氧时进行搅拌以使污泥悬浮,用空气泵鼓入空气达到好氧条件,缺氧条件通过加入硝酸盐实现,同时搅拌使污泥悬浮。实验温度25℃,泥龄10d,MLSS3.96g/L。进水采用人工合成模拟废水,见表1,2。模拟废水COD为400mg/L;NH4+-N为40mg/L;PO43--P为15mg/L;pH为7.0。1.2冻干污泥、湿地、安息香酸、phbv的制备COD:采用5B-1型COD快速测定仪测定。总磷:采用钼锑抗分光光度法测定。硝酸盐:采用酚二磺酸光度法。胞内PHA:取适量污泥冻干。将定量冻干污泥装入螺纹封口管中,加入2mL含15%(V/V)浓H2SO4的甲醇及2g/L安息香酸(作为内标),加入2mL氯仿后,盖紧管子,80℃水浴4h。加入2mL去离子水,充分混匀。离心或室温沉降30min以上,分层,氯仿层(下层)用GC测定。用纯PHB(Aldrichcom.)和PHBV(MW400000,22%PHV)做标准。柱子:SE-20毛细管柱。经测定PHA主要为PHB、PHV和PHBV。2结果与讨论2.1总磷的去除效果为了解聚磷菌是否能以硝基氮作为电子受体进行吸收磷的过程,取长期运行的,具有高效除磷能力的SBR系统厌氧段结束时的混合液,分别进行下列实验:①曝气;②添加硝酸盐;③添加硝酸盐并添加150mg/L乙酸钠;④既不曝气也不添加硝酸盐。比较磷的去除效果,结果见表3。表3中的进水总磷指经过厌氧段释磷后,进入好氧或缺氧段的水中总磷,去除率是指出水相对于好氧或缺氧进水的总磷的去除率。由表3可知曝气时磷的去除率最高,可达96%;而不存在电子受体(氧或硝酸盐)的实验4中则没有除磷效果,相反还有少量磷的释放。以硝基氮作为替代的电子受体时,也有明显的除磷效果,与曝气系统相比磷的去除率较低为87.1%;但存在乙酸钠时磷的浓度只有极少量的减少。由实验2可知:聚磷菌能够以硝酸盐为电子受体进行除磷。由于实验用污泥取自厌氧/好氧工艺厌氧段,未经过厌氧/缺氧的驯化培养,可见污泥中的聚磷菌或者至少有一部分聚磷菌本来就有利用硝酸盐作为电子受体吸收磷的能力。但在缺氧段存在有机碳源的情况下,聚磷菌利用硝酸盐为电子受体的反应受到“抑制”,这是因为存在碳源时由于聚磷菌在利用硝酸盐为电子受体摄取磷的同时也存在反硝化作用(夺走了可利用的硝酸盐)及合成PHA释放磷的过程。从总体上观察就出现了摄磷被“抑制”的现象。这也就可解释为什么许多文献中对缺氧段是吸收磷还是释放磷的说法各不相同。在实际运行中若厌氧进水COD含量过高,未能在进入好氧或缺氧段前充分利用掉,导致好氧或缺氧段进水COD偏高,影响磷的去除,通过延长厌氧时间使碳源充分利用后再进入缺氧阶段的方法可有效的防止此抑制的发生。2.2设硝酸盐质量浓度a/l取沉淀污泥,离心,洗涤2次,加入合成废水厌氧3h(延长厌氧时间是为了使COD在厌氧段充分耗尽,不影响随后缺氧段磷的吸收)后,A:一次加入硝酸盐至质量浓度为52mg/L(即浓度为4mmol/L);B:曝气(对照);C:流加硝酸盐2h;D:流加硝酸盐3.5h(C,D中流加硝酸盐的流速恒定,流加的总量与A中相等)。定时取样测定NO3--N,总磷和COD,其变化情况见图1。图1中的A是在缺氧段开始时一次添加硝酸盐至52mg/L。由该图可见在缺氧段总磷质量浓度随着硝酸盐质量浓度的降低而降低,这是因为硝酸盐被用作电子受体参与分解PHA,合成聚磷酸盐的反应,故溶液中总磷的质量浓度随NO3--N的质量浓度一起降低。总磷最大吸收速度出现在缺氧段开始时,为17.2mg/(g·h)。而硝酸盐最大消耗速度也出现在缺氧段的开始为10.6mg/(g·h)。随后都逐渐减小,在缺氧段的最后还发现有少量的磷的释放。图1中的C和D为在缺氧段连续流加硝酸盐的情况。C为流加2h,D为流加3.5h,流加的硝酸盐总量与A中添加的量相同。可发现在恒定流速流加硝酸盐的情况下,溶液中总磷的质量浓度随时间基本成线性下降,C,D中磷的吸收速率分别为10.1和6.9mg/(g·h)。在停止流加硝酸盐后磷的去除速率下降,在C中还有微量的磷的释放,而D中没有,可见硝酸盐的连续稳定地加入有利于磷的去除。由于硝酸盐消耗速度相对于流加的速度比较大,故在缺氧段监测不到有硝酸盐的大量积累,硝酸盐质量浓度只有少量的增加随即又下降,在大部分时间内NO3--N的质量浓度因低于检测限而监测不到硝酸盐存在。由A,C,D可知硝酸盐质量浓度越高磷去除的速率也越高。图1中的B为曝气条件下的情况(对照实验)。氧作为电子受体参与分解PHA的反应,同时吸收水中的磷在胞内合成聚磷酸盐作为能源储存,故溶液中总磷的质量浓度迅速下降,同时由于硝化作用,氨氮被转化为硝基氮(NH4++2O2→NO3-+2H++H2O),使NO3--N质量浓度随时间上升。2.3亚硝酸盐和氧化是电子受体的比较2.3.1以硝酸盐为电子受体的磷氧比比较了缺氧和好氧条件下去除大致等量磷的情况下PHA的消耗量,结果见表4。由表4可见在吸收同样量的磷的情况下,利用硝酸盐为电子受体消耗的PHA比利用氧作为电子受体所消耗的多。缺氧系统中吸收的磷和耗PHA的比为0.63,比好氧系统中0.83低24%。也就是说,以硝酸盐为电子受体时聚磷菌对PHA利用效率不如氧。磷氧比(P/O)是指1molNADH2经过电子传递链被氧化磷酸化所产生的ATP的量,它是表现微生物效率高低的一个重要参数。由于以硝酸盐作为电子受体的P/O比氧为电子受体时低,好氧时为1.85而缺氧时为1。细胞效率的下降影响了聚磷菌的各种活性(如磷的摄取,细胞生长等),也导致了聚磷菌利用PHA的效率的下降,所以吸收相同数量的磷缺氧时所耗的PHA更多。2.3.2硝酸盐的消耗量图2是缺氧情况下磷的去除与硝酸盐消耗之间的关系曲线(由于连续流加硝酸盐的实验中无法测得NO3--N的变化,图2中数据取自一次性加入硝酸盐的实验)。由图2可见,硝酸盐的消耗量与磷的吸收量基本成线性关系,其关系式为:Premoved=1.51×Nconsumed(R2=0.9841)Ρremoved=1.51×Νconsumed(R2=0.9841)由方程可知吸收的磷与消耗的硝酸盐的比值为1.51,因而硝酸盐为电子受体时单位电子转移所吸收的磷为0.14。而根据Kuba等的文献,氧为电子受体时吸收磷与电子转移的关系为0.23。因此,硝酸盐为电子受体时单位电子转移所吸收的磷比氧为电子受体时低39.1%。3硝酸盐的加入时间ca.聚磷菌能以硝酸盐作为替代氧的电子受体进行分解PHA,吸收磷的过程,但前提是COD必须在厌氧段被充分利用,否则会抑制缺氧段磷的吸收。b.缺氧时磷的吸收速率与硝酸盐的质量浓度有关,质量浓度越高速度越快。在硝酸盐起始质量浓度为52mg/L时总磷最大吸收速度出