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后置反硝化的设置对低温下碳源调控-回收磷工艺系统(BBNR-CPR)脱氮除磷的影响

林欢, 焦彭博, 田晴, 蒋涛, 董雪彤, 朱艳彬, 李方, 杨波. 后置反硝化的设置对低温下碳源调控-回收磷工艺系统(BBNR-CPR)脱氮除磷的影响[J]. 环境工程学报, 2021, 15(4): 1260-1269. doi: 10.12030/j.cjee.202009144
引用本文: 林欢, 焦彭博, 田晴, 蒋涛, 董雪彤, 朱艳彬, 李方, 杨波. 后置反硝化的设置对低温下碳源调控-回收磷工艺系统(BBNR-CPR)脱氮除磷的影响[J]. 环境工程学报, 2021, 15(4): 1260-1269. doi: 10.12030/j.cjee.202009144
LIN Huan, JIAO Pengbo, TIAN Qing, JIANG Tao, DONG Xuetong, ZHU Yanbin, LI Fang, YANG Bo. Effect of post-denitrifying setup on nitrogen and phosphorus removal in the biofilm bio-nutrients removal-carbon source regulated phosphorus recovery process (BBNR-CPR) at low temperature[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(4): 1260-1269. doi: 10.12030/j.cjee.202009144
Citation: LIN Huan, JIAO Pengbo, TIAN Qing, JIANG Tao, DONG Xuetong, ZHU Yanbin, LI Fang, YANG Bo. Effect of post-denitrifying setup on nitrogen and phosphorus removal in the biofilm bio-nutrients removal-carbon source regulated phosphorus recovery process (BBNR-CPR) at low temperature[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(4): 1260-1269. doi: 10.12030/j.cjee.202009144

后置反硝化的设置对低温下碳源调控-回收磷工艺系统(BBNR-CPR)脱氮除磷的影响

    作者简介: 林欢(1995—),男,硕士研究生。研究方向:污水生物脱氮除磷。E-mail:2181477@mail.dhu.edu.cn
    通讯作者: 田晴(1971—),女,博士,副教授。研究方向:污水生物脱氮除磷。E-mail:tq2004@dhu.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金资助项目(21777024);上海自然科学基金资助项目(16ZR1402000);国家重点研发计划(2019YFC0408503)
  • 中图分类号: X703.1

Effect of post-denitrifying setup on nitrogen and phosphorus removal in the biofilm bio-nutrients removal-carbon source regulated phosphorus recovery process (BBNR-CPR) at low temperature

    Corresponding author: TIAN Qing, tq2004@dhu.edu.cn
  • 摘要: 采用连续运行式生物膜脱氮蓄磷-碳源调控回收磷系统(biofilm bio-nutrient removal carbon source regulated phosphorus removal,BBNR-CPR)处理低C/N比(3.4~6.9)模拟生活污水。通过反应器内生物膜来蓄积废水中的磷,同时采用周期性投加高浓度的外加碳源,诱导释放生物膜内蓄积的磷且对其进行回收。在此基础上,通过增设后置缺氧段,同时增加好氧内循环量、提高磷回收阶段补充碳源浓度等方式,强化BBNR-CPR系统的运行,以期实现低温下(<15 ℃)系统的同步脱氮蓄磷/回收磷的目标。结果表明,在低温下引入后置缺氧段,可节省27%的曝气能耗,并能维持该系统脱氮除磷性能的稳定性。在进水NH+4-N、TP浓度分别为50 mg·L−1、15 mg·L−1的条件下,该系统对NH+4-N、TN和TP的平均去除率分别达到了89.12%、82.14%和89.24%。在单个生物蓄磷-磷回收周期(7 d)内,随着系统运行时间的延长(第3~6天),生物膜内反硝化聚磷菌体内的PHA的不断消耗,系统的缺氧吸磷速率仍可维持稳定,第3和6天分别为7.51 mg·(L·h)−1和7.83 mg·(L·h)−1)。在该运行方式下,系统后置缺氧段每去除1.00 mg NO3-N可耦合去除0.76 mg TP;且该阶段限制反硝化除磷的主要因素是进水氨氮转化时产生的硝态氮(反硝化吸磷电子受体)的浓度。通过对生物膜样本进行16S rRNA高通量测序分析,发现系统内的优势菌群为Candidatus CompetibacterCandidatus NitrotogaPhaeodactylibacterThiothrixDechloromonas
  • 随着石油工业、机械加工、食品加工与餐饮业的不断发展,含油废水的排放量日益增大。不经处理的含油废水直接排放会对周边环境造成严重的危害。含油废水中的油可分为浮油、分散油、乳化油和溶解油4种[1]。其中乳化油因其油滴尺寸较小,油水二元体系稳定性强,难以通过重力、气浮等方式实现油水分离,是最难处理的一类含油废水[2]。目前,乳化油废水处理方法包括:膜分离法、吸附法、絮凝法等[3-5]。其中的电絮凝法具有除油能力强、操作简便、自动化程度高、无需添加化学药剂等优点,是一种高效、经济、环保的含油污水处理方法[6]。电絮凝法的缺点在于废水处理过程需要消耗大量电能,导致其水处理成本相对较高。

    为了降低废水处理过程的电能消耗,降低废水处理成本。近些年来提出了一种利用工作溶液盐/浓差能驱动的逆电渗析(reverse electrodialysis,RED)技术来处理各种有机/无机废水的技术[7-12]。工作溶液盐/浓差能即可来自于自然界(海水/盐湖水与入海/入盐湖的河水之间的盐差),也可以来自盐/海水分离副产物(浓盐/海水与自然盐/海水之间的盐差),还可以通过废热转换(溶液热分离)获得[13]

    1954年PATTLE[14]首次提出利用自然界盐差能的RED发电技术以来,对该技术的研究逐渐深入,各国学者发表了大量有关RED技术的研究论文。RED电堆/反应器的结构和工作原理类似。他们都是由端板、阴/阳电极,交错布置的阴/阳离子交换膜(AEM/CEM)及隔垫所构成。当浓/稀盐溶液分别流经由膜隔垫所隔两电极会产生得失电子的氧化还原反应。电子通过外部电路从阳极流向阴极,从而在外电路中产生电流。发电用的RED电堆与水处理用的RED反应器不同之处在于:电极液在RED电堆内作可逆的闭式循环,而废水作为电极液流经RED反应器电极流道并因电极的氧化还原反应生成各种反应物来降解废水中的污染物。不同的电极材料和废水成分在RED反应器电极氧化还原反应过程中会生成不同的反应物。理论上而言,若RED反应器阳极选用铁或铝作为牺牲阳极时,RED反应器可以产生电絮凝效果来处理一些难以生化降解的有机或无机废水[15]

    但实际上,因在使用过程中牺牲阳极会被不断消耗而需要定期换新,导致需要不断拆装RED反应器造成使用不便。另外,在处理含油废水过程时电极表面易被油膜污染,减弱含油废水的处理效果。为此,本课题组提出了一种如图1所示的RED电堆与常规电絮凝器耦合的乳化油废水处理系统。该系统由工作溶液的盐差能驱动RED电堆发电,电絮凝器作为负载连接在电堆的外部电路中。由于盐差能驱动的RED电堆属于内生电源。在RED电堆结构参数确定的条件下,其输出电参数(电压与电流)与外部电路负载(电絮凝器)电阻有关。而电极材料、电极间隙、处理时间、阳极钝化、含油废水参数(初始pH、电导率和温度)等变化会影响电絮凝器电阻,进而影响其工作效率。因此,本研究采用单因素法,在RED电堆结构和操作参数不变的条件下,考察电絮凝器电极材料、电极间距、支撑电解质浓度、含油废水初始pH及温度对耦合系统的乳化油废水处理效果的影响。

    图 1  逆电渗析电堆与电絮凝器耦合处理乳化油废水实验系统
    Figure 1.  Experimental system of reverse electrodialysis reactor coupled with electrocoagulation for emulsified oil wastewater treatment

    逆电渗析电堆与电絮凝器耦合系统合处理乳化油废水实验系统流程如图1所示。由图1可见,RED电堆与电絮凝器构成一串联电路。实验所用的RED电堆和电絮凝器均为自制。RED电堆由离子交换膜、丝网隔垫及电极构成,离子交换膜有40张CEM以及41张AEM(最外两侧膜采用AEM),均购自日本富士公司,型号为type 10,厚度为0.12 mm;丝网隔垫厚度为0.38 mm,孔隙率为80%;2个10 cm×10 cm×1.5 cm的钛镀钌铱板构成电极。电絮凝器由有机玻璃(透明亚克力板)制成,电解槽尺寸为20 cm×10 cm×15 cm。槽内壁设有0.3 cm宽的竖直凹槽,用来放置电极板(10 cm×10 cm×0.3 cm)。凹槽下端距电解槽底面1 cm,电极板实际有效浸没面积为90 cm2。电解槽放置在磁力搅拌器上,转子以400 r·min−1的速度不断搅拌电解槽内的含油废水,以使其保持油水均匀状态。选择这个搅拌速度值,是因为它促进了胶体和不稳定物质之间的相遇,而不会在所使用的实验装置内造成任何可察觉的聚合体破裂[16]

    人工配置浓度分别为0.03 mol·L−1和3 mol·L−1的稀/浓NaCl水溶液作为工作溶液并储存在相应的玻璃瓶内(5和7)。0.1 mol·L−1 的铁氰化钾水溶液作为电极液储存在避光的玻璃瓶(3)内。2台蠕动泵(6和8)泵送稀/浓溶液工作溶液流经RED电堆(11)。在稀/浓溶液盐差的作用下,浓溶液中的盐分跨膜迁移到稀溶液中,使得浓溶液浓度降低,稀溶液浓度升高。流出RED电堆的稀/浓溶液分别储存在其相应的玻璃瓶内(9和10)。一台蠕动泵(4)泵送电极液,并在RED阴/阳极回路内作循环流动,以将电荷快速转移到RED正/负极。RED电堆输出电能驱动电絮凝器工作。RED阴/阳(正/负)极与电絮凝器对应的阳/阴极用铜导线相接,构成外部电路。利用数字万用表(12和13)在线检测RED电堆输出电流和电压。RED电堆的理论开路电压可按能斯特(Nernst)方程(式(1))计算[13]。离子活度系数可用扩展的 Debye-Hückel方程(式(2))表示。

    U=(αCEM+αAEM)NmRTzFln(γCSCCSγDSCDS) (1)

    式中:U为理论开路电压,V;α为离子交换膜的选择性透过系数;Nm为膜对(membrane pair)数;z为离子价数;R为通用气体常数,8.314 J·(mol·K)−1T为温度,K;F为法拉第常数,96 485 C·mol−1γ为离子活度系数;C为浓度,mol·L−1。下标CEM、AEM分别代表阴、阳离子交换膜;CS和DS分别为浓和稀溶液。

    γ(x)=exp[0.51z2Λ(x)1+(A/305)Λ(x)] (2)

    式中:z为离子化合价;A为有效水合离子半径(ANa+=450pmACl=300pm);Λ为离子浓度,mol·L−1

    由于流经RED电堆的浓、稀溶液浓度会发生变化,因此RED电堆理论开路电压需按浓、稀溶液平均浓度计算。本次实验固定RED电堆结构和操作参数[浓溶液浓度为3 mol·L−1,稀溶液浓度恒定为0.03 mol·L−1,过膜流速均为0.35 cm·s−1(稀/浓溶液流率均为0.134 4 L·min−1)]不变,计算得理论开路电压为6.335 V。RED电堆输出(端)电压为式(3)计算值,在RED输出电能的驱动下,电絮凝器的阳极和阴极发生的电化学反应如式(4)~式(6)所示

    Uo=UIRi (3)

    式中:Ri为RED电堆的内电阻,Ω,其由膜电阻,稀/浓溶液流道电阻和电极液流道及电极电阻所组成。

    M=Mn++ne (4)
    2H2O+2e2OH+H2 (5)
    Mn++nOHM(OH)n (6)

    反应生成的单体和聚合氢氧化物作为絮凝剂具有高吸附性能,它与废水中分散的颗粒和溶解的污染物具有很强的亲和力。因此,可以通过絮凝作用去除废水中的污染物。絮凝后的产物可以通过漂浮或沉淀的方法从水相中分离出来。阴极还原反应所产生的氢气气泡可促进污染物聚结过程,有助于采用浮选去除乳化油废水中的油组份。氢气泡尺寸越小,絮凝体的截留面积越大,污染物与水的分离效果也越好[17]。此外,电场也被证明是一种有效的破乳方法。在电场力的驱动下,油滴沿着电场的方向运动,然后聚集并破乳[18]。油滴在电场中极化,导致相邻油滴之间的静电吸引力增强[19]

    以自制乳化油废水作为研究对象。乳化油制备过程为:每升水中含40 g15#机油(购自德国德殻石化(中国)发展有限公司)并添加8 g十二烷基苯磺酸钠作为稳定剂。采用磁力搅拌器以1 000 r·min−1的速度搅拌30 min,形成稳定的油水乳状液。去除表面浮油后的乳化油再作进一步稀释。稀释后取2 L含油量为1 g·L−1的含油废水进行实验研究。利用氢氧化钠和硫酸来调节含油废水的初始pH,并通过添加支撑电解质(Na2SO4)来调节含油废水的电导率。

    实验中各种溶液配制所需的溶剂水为去离子水,所用的盐/电解质购自天津大茂化学试剂厂,为分析纯级,其所含杂质可以忽略。

    实验所用的仪器有,紫外可见分光光度计(UV1780,日本岛津有限公司);蠕动泵(BT100-2J,保定兰格恒流泵有限公司);蠕动泵(KCP PRO-2-N16,卡默尔流体科技(上海)有限公司);电子天平(JJ1023BC,G电子秤有限公司);数字万用表(KEITHLEY 2110-220,美国泰克科技有限公司);低速离心机(LSC-20,上海秋佐科学有限公司);热力磁力搅拌器(EMS-9A,天津欧诺仪器股份有限公司);电导率仪(FE38,梅特勒托利多科技(中国)有限公司);pH测试仪(PXSJ-226,上海雷磁仪器有限公司)。

    每次实验前,铁或铝阳极先要在稀硫酸溶液中浸泡15 min,捞出后用砂纸打磨再用去离子水冲洗,去除表面氧化层。在实验过程中,含油废水处理时长为60 min,每隔10 min抽取电解槽(18)中的水样。对所有水样进行离心处理,将电絮凝过程中形成的絮凝物从水相中分离出来。在每份水样中取1 mL加入氯化钠进行破乳。氯化钠投加量为总体积的5%。然后用10 mL石油醚萃取水样中的油以便测量。测量时通过紫外可见分光光度仪测试水样的吸光度,通过依据绘制的标准曲线反推其浓度。按式(7)计算除油率。为了探索操作参数变化对含油废水处理效果的影响,采用单一变量法进行实验。相同的实验重复2次。

    R=(1Ct/C0)×100% (7)

    式中:C0为含油废水中油初始质量浓度,mg·L−1Ct为絮凝处理t时间后测得含油废水中油质量浓度(乳化后的含油废水紫外光吸收波长峰值λ=225 nm),mg·L−1

    电絮凝器电极选用不锈钢-铁、不锈钢-铝、石墨-铁、石墨-铝、钛镀钌铱-铁、钛镀钌铱-铝6种阴-阳极材料组合,用以考察不同阴-阳材料组合对乳化油废水去除效果的影响。图2给出了不同电极组合下极板间电压及除油率随时间的变化关系。其中,实验条件为:极板间距1 cm、含油废水中添加0.1 mol·L−1硫酸钠,pH为7.8 (pH不为7的原因是配备的乳化油中添加了支撑电解质Na2SO4,SO42-离子可以少量结合H+离子,间接引起pH升高),温度20 ℃。

    图 2  不同电极组合下极板间电压及除油率随反应时间的变化
    Figure 2.  Variation of inter-plate voltage and oil removal rate with time at different electrode combinations

    图2(a)可见,采用铝阳极时极板间电压远高于采用铁阳极,而RED的输出电压与电絮凝器采用何种阳极材料关联不大。此外,实验还发现采用铝阳极时串联电路的电流远低于采用铁阳极时的电流,因此,虽然采用铝阳极时极板间电压较高,但采用铁阳极絮凝时,RED电堆可以输出更大的电流。

    根据法拉第电解定律,通过的总电荷越多,电极产生的混凝剂也越多。一方面,电流密度越大,产生的絮凝剂越多[20];另一方面,电流密度越大,阴极还原生成的氢气气泡量越大且气泡尺寸越小[21],导致气泡密度的增加,更多的小气泡也为油微粒附着于絮凝剂提供了更大的表面积,使得油水分离效率提高。

    图2(b)可见,采用铁阳极对乳化油废水的处理效果要优越于铝阳极。一方面是因为采用铁阳极可以获得较大的电流密度,有利于产生更多的絮凝剂;另一方面,铝阳极氧化过程中易形成致密的表面氧化层,导致电极电阻增大。由于表面氧化层在pH为4~10内的水溶液中非常稳定,氧化层后的铝不易被氧化成铝离子,使得铝离子与氢氧根结合生成的絮凝剂Al(OH)3量减小,絮凝效率变差。

    从实验结果可以发现,采用不锈钢-铁电极组合处理含油废水的除油率最高,石墨-铁电极以及钛镀辽铱-铁电极组合处理效果次之,采用铝阳极组合电极处理含油废水的除油率最差。因此,后续均采用不锈钢-铁电极组合进行实验。

    图3给出了不同极板间距下极板间电压及除油率随时间的变化关系。除电极间距外,其他操作参数与电极材料实验时的操作条件相同。由图3(a)可见,随着时间的延长,极板间电压均会降低。其原因在于,电解过程中电极的氧化还原反应均产生阴、阳离子且溶于废水中,会使废水的电导率逐渐增大,废水的电阻减小,极板间电压降低。由图3(a)还可见,随着极板间距的增大,电极间的电压随之增大。这是由于在相同的废水电导率下,极板间距越大,废水的电阻就越大。因此,用来克服溶液间的电阻的电压也就越大。

    图 3  不同极板间距下极板间电压及除油率随反应时间的变化
    Figure 3.  Variation of inter-plate voltage and oil removal rate over time at different plate spacing

    图3(b)可见,当极板间距由1 cm增大至2.5 cm时,系统的除油率降低。其原因在于,絮凝器电极电阻增大,导致电流密度降低。然而,当极板间距由0.5 cm增大至1 cm时,系统的除油率反而上升。其原因在于,当絮凝器电极间距较小时,适当增大电极间距有利于改善电极间溶液的混合状态,减轻极板附近的浓差极化现象,进而有利于金属离子的溶出,形成絮凝体。

    由于需要处理的乳化油废水电导率较低,采用较小的极板间距可以降低用于克服溶液电阻所损失的电压。但极板间距过小时,电极氧化还原反应过程的浓差极化现象较为严重。通过实验发现,对于所研究的RED-EC耦合废水处理系统,采用1 cm的极板间距较为合适。因此,后续实验中极板间距均为1 cm。

    支撑电解质浓度变化会影响废水电导率变化,进而会影响电絮凝器电极间废水电阻值,从而影响RED电堆的输出电流和系统的除油率。为了考察支撑电解质浓度变化对除油率的影响,在模拟乳化油废水中添加不同浓度的硫酸钠。图4给出了不同支撑电解质浓度下,极板间电压及除油率随时间的变化关系(除废水中支撑电解质浓度外,其他操作参数与电极材料实验时的操作参数条件相同)。

    图 4  不同支撑电解质浓度下,极板间电压及除油率随反应时间的变化
    Figure 4.  Variation of inter-plate voltage and oil removal rate over time at different supporting electrolyte concentrations

    比较图4(a)和图4(b)可见,当模拟乳化油废水中不添加支撑电解质(硫酸钠浓度为0 mol·L−1)时,极板电压很高,RED电堆的输出电流很小,除油率较低,仅为36.7%。其原因在于,配制的不含支撑电解质的模拟乳化油废水的电导率很低,溶液电阻很大,导致极板间废水所损失的电压很大,RED电堆输出电流减小,除油率降低。当向模拟乳化油废水加入少量支撑电解质(硫酸钠浓度为0.05 mol·L−1)后,废水的电导率会迅速增加,废水的电阻迅速降低,电极电压也随之降低,RED电堆的输出电流随之增加,除油率也随之增大。如果继续增加废水中的支撑电解质浓度,尽管废水电导率会增大,但增大的幅度逐渐变小,对电絮凝器电极电压的影响也会逐渐降低,除油率增速逐渐减小。因此,在采用电絮凝法处理含油废水时,可根据废水的实际电导率来添加支撑电解质量。

    由于含油废水初始pH会影响影响金属氢氧化物(絮凝剂)的形成。因此,该值变化对电絮凝过程会产生较大的影响[22]。为了探索不同初始pH对实验系统除油率的影响,在其它操作参数不变的情况下,通过添加氢氧化钠或硫酸调节废水初始pH(初始pH为3~11),考察初始pH对RED-EC耦合废水处理系统的除油率的影响关系。

    图5给出了在不同初始pH条件下,含油废水pH随处理时间的变化情况。由图5可见,当含油废水初始pH较低时,随着处理时间的增加,废水的pH也会随之增加。其原因是由于在电絮凝过程中阴极还原反应产生了氢氧根(OH)((5))。但随着含油废水初始pH的增大,随着处理时间而变化的废水pH增速逐渐减小。当初始pH为11时,废水的pH不再随处理时间的变化而变化,几乎保持恒定。

    图 5  含油废水pH
    Figure 5.  Oily wastewater pH

    图6给出了不同初始pH条件下,极板间电压及除油率随时间的变化关系。由图6(a)可见,当初始pH偏离7(中性)越多,电极电压相对越低,相应的RED电堆输出电流也就相对越大。其原因在于,添加的酸或碱都属于强电解质,其浓度越高废水的电导率越大,极板间溶液电阻越小,极板间电压越小。当废水初始pH为3时,极板间电压随着处理时间的延长而增大。其原因在于,电絮凝反应产生的部分OH与酸中的H+中和成水,废水的pH升高(图5),电导率降低所致。而当废水初始pH为中性或弱碱性时,极板间电压随着处理时间的延长而减小,原因在上述分析中已有阐述。

    图 6  不同初始pH条件下,极板间电压及除油率随反应时间的变化
    Figure 6.  Variation of inter-plate voltage and oil removal rate over time at different initial pHs

    图6(b)可见,当废水初始pH为中性时,耦合系统的除油率最高。而初始pH太低或太高均对耦合系统的除油率不利。影响耦合系统电絮凝除油效果是多方面的。从预防电极钝化的思路考虑,当pH较低时,电极氧化膜易于溶解,使得电极钝化现象得到延缓。而从絮凝的角度看,中性偏碱性条件更有利于Fe(OH)3絮体形成,以达到较好的絮凝效果[23]。正是由于这两种相互矛盾关系的影响,初始pH在5~9内含油废水经耦合系统处理60 min后的除油率可达到80%以上。

    电絮凝处理含油废水时,废水温度变化会对除油率产生影响。在电极为不锈钢-铁电极、极板间距1 cm、支撑电解质浓度0.1 mol·L−1、pH为7.8的条件下,不同温度下极板间电压及除油率随时间的变化情况如图7所示。由图7(a)可见,随着电解槽内的含油废水温度升高,电极板间的工作电压降低,RED电堆输出电流增加。其原因在于,随着废水温度的升高,溶解于废水中的金属盐溶质“颗粒”的布朗运动强度增加,溶液电导率增大,电极板间的溶液电阻减小,使得电极电压降低。PAZENKO等[24]研究了废水温度对电絮凝法处理含油废水的影响,得出温度越高,电导率越高,能耗越低的结论。由图7(b)可见,在相同的处理时间内,耦合系统对含油废水的除油率随温度的升高而增加,验证了PAZENKO文献[24]得出的结论。因此,在有条件时,适当提高含油废水温度有利于提高耦合系统处理效率。

    图 7  不同温度下极板间电压及除油率随反应时间的变化
    Figure 7.  Variation of inter-plate voltage and oil removal rate over time at different temperatures

    1)与采用铝阳极材料相比,采用铁阳极材料的耦合废水处理系统具有更高的除油率。

    2)极板间距和含油废水参数(电导率、初始pH和温度)变化会对耦合废水处理系统的除油率产生影响。过大或过小的极板间距均对系统的除油率不利,在所研究的系统中,电絮凝器极板间距为1 cm时最佳;当废水的电导率很低时,系统的除油率很小,适当增加废水的电导率可以迅速提高系统的除油率;中性或微碱性条件下系统的除油率较高;温度越高,系统的除油率也越高。

    3)采用不锈钢-铁电极,1 cm电极间距,0.1 mol·L−1支撑电解质(Na2SO4)浓度,pH 7.8和40 ℃的实验条件下,经耦合废水处理系统处理60分钟后的含油废水除油率可达到98.39%。

  • 图 1  BBNR-CPR运行机理

    Figure 1.  Operation mechanism of BBNR-CPR reactor

    图 2  系统内氨氮、总氮的长期去除效果

    Figure 2.  Long-term ammonia nitrogen removal in the system

    图 3  系统内总磷不同阶段去除效果

    Figure 3.  Total phosphorus removal at different stages in the system

    图 4  在A/O/A模式下的1个磷回收周期内的反硝化除磷效率

    Figure 4.  Efficiency of denitrifying phosphorus removal in a phosphorus recovery cycle of AOA mode

    图 5  A/O(阶段)和A/O +A/O/A工艺(阶段)生物膜种群组成(属水平)对比

    Figure 5.  Relative abundances of dominant communities at genus level in the biomass of BBNR-CPR system in the A/O process (stage Ⅲ) and the A/O + A/O/A process (stage Ⅳ)

    表 1  BBNR-CPR系统的运行设置

    Table 1.  Operational configuration of BBNR-CPR system

    阶段温度/℃时间/dNH+4-N/(mg·L−1)TN/(mg·L−1)C/Na流量Q/(L·h−1)b磷回收当量值(以COD计)/(mg·L−1)进水添加NO3-N/(mg·L−1)运行方式
    20~254570703.873.33800A/O
    25~30487075~803.443.338005~10A/O
    15~254065654.073.33800A/O
    8~156855556.915.001 750A/O+A/O/A
      注:a表示C量由磷回收时的补充碳源和蓄磷阶段模拟废水中进水碳源两部分组成;b表示好氧(缺氧段进水流量变化),而厌氧阶段进水流量始终保持为3.33 L·h−1
    阶段温度/℃时间/dNH+4-N/(mg·L−1)TN/(mg·L−1)C/Na流量Q/(L·h−1)b磷回收当量值(以COD计)/(mg·L−1)进水添加NO3-N/(mg·L−1)运行方式
    20~254570703.873.33800A/O
    25~30487075~803.443.338005~10A/O
    15~254065654.073.33800A/O
    8~156855556.915.001 750A/O+A/O/A
      注:a表示C量由磷回收时的补充碳源和蓄磷阶段模拟废水中进水碳源两部分组成;b表示好氧(缺氧段进水流量变化),而厌氧阶段进水流量始终保持为3.33 L·h−1
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    表 2  不同运行条件下缺氧段氮磷消耗比值

    Table 2.  Comparison of nitrogen and phosphorus consumption ratio at anoxic stage in different studies

    运行工艺C∶N∶P缺氧段进水硝态氮浓度/(mg·L−1)进水TP/(mg·L−1)温度/℃吸磷速率(好氧/缺氧)/(mg·(L·h)−1)ΔP/ΔN(缺氧阶段)来源
    AO/AOA25∶3.7∶114.414.9~16.58~1519.93/7.67a0.76本研究
    AO/AA20.0∶1.5∶140.020.025~2913.87~16.32/6.30~11.380.29/0.43[15]
    AAO26.7∶4.2∶150.010.0~15.0258.40/8.001.00[26]
    AAO36.6∶10.3∶130.03.6~9.319~211.25[27]
    AO/AA25.3∶2.5∶135.512.0~17.021~R2315.59/13.110.23[28]
    AO20.8∶4.8∶144.29.0~12.014.17/12.85b0.80[29]
      注:a表示本研究A/O/A模式中,缺氧阶段2 h的平均吸磷速率;b表示研究中3 h去除速率的均值;“—”表示数据未提及。
    运行工艺C∶N∶P缺氧段进水硝态氮浓度/(mg·L−1)进水TP/(mg·L−1)温度/℃吸磷速率(好氧/缺氧)/(mg·(L·h)−1)ΔP/ΔN(缺氧阶段)来源
    AO/AOA25∶3.7∶114.414.9~16.58~1519.93/7.67a0.76本研究
    AO/AA20.0∶1.5∶140.020.025~2913.87~16.32/6.30~11.380.29/0.43[15]
    AAO26.7∶4.2∶150.010.0~15.0258.40/8.001.00[26]
    AAO36.6∶10.3∶130.03.6~9.319~211.25[27]
    AO/AA25.3∶2.5∶135.512.0~17.021~R2315.59/13.110.23[28]
    AO20.8∶4.8∶144.29.0~12.014.17/12.85b0.80[29]
      注:a表示本研究A/O/A模式中,缺氧阶段2 h的平均吸磷速率;b表示研究中3 h去除速率的均值;“—”表示数据未提及。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-21
  • 录用日期:  2021-01-12
  • 刊出日期:  2021-04-10
林欢, 焦彭博, 田晴, 蒋涛, 董雪彤, 朱艳彬, 李方, 杨波. 后置反硝化的设置对低温下碳源调控-回收磷工艺系统(BBNR-CPR)脱氮除磷的影响[J]. 环境工程学报, 2021, 15(4): 1260-1269. doi: 10.12030/j.cjee.202009144
引用本文: 林欢, 焦彭博, 田晴, 蒋涛, 董雪彤, 朱艳彬, 李方, 杨波. 后置反硝化的设置对低温下碳源调控-回收磷工艺系统(BBNR-CPR)脱氮除磷的影响[J]. 环境工程学报, 2021, 15(4): 1260-1269. doi: 10.12030/j.cjee.202009144
LIN Huan, JIAO Pengbo, TIAN Qing, JIANG Tao, DONG Xuetong, ZHU Yanbin, LI Fang, YANG Bo. Effect of post-denitrifying setup on nitrogen and phosphorus removal in the biofilm bio-nutrients removal-carbon source regulated phosphorus recovery process (BBNR-CPR) at low temperature[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(4): 1260-1269. doi: 10.12030/j.cjee.202009144
Citation: LIN Huan, JIAO Pengbo, TIAN Qing, JIANG Tao, DONG Xuetong, ZHU Yanbin, LI Fang, YANG Bo. Effect of post-denitrifying setup on nitrogen and phosphorus removal in the biofilm bio-nutrients removal-carbon source regulated phosphorus recovery process (BBNR-CPR) at low temperature[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(4): 1260-1269. doi: 10.12030/j.cjee.202009144

后置反硝化的设置对低温下碳源调控-回收磷工艺系统(BBNR-CPR)脱氮除磷的影响

    通讯作者: 田晴(1971—),女,博士,副教授。研究方向:污水生物脱氮除磷。E-mail:tq2004@dhu.edu.cn
    作者简介: 林欢(1995—),男,硕士研究生。研究方向:污水生物脱氮除磷。E-mail:2181477@mail.dhu.edu.cn
  • 1. 国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心,上海 201620
  • 2. 东华大学环境科学与工程学院,上海 201620
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(21777024);上海自然科学基金资助项目(16ZR1402000);国家重点研发计划(2019YFC0408503)

摘要: 采用连续运行式生物膜脱氮蓄磷-碳源调控回收磷系统(biofilm bio-nutrient removal carbon source regulated phosphorus removal,BBNR-CPR)处理低C/N比(3.4~6.9)模拟生活污水。通过反应器内生物膜来蓄积废水中的磷,同时采用周期性投加高浓度的外加碳源,诱导释放生物膜内蓄积的磷且对其进行回收。在此基础上,通过增设后置缺氧段,同时增加好氧内循环量、提高磷回收阶段补充碳源浓度等方式,强化BBNR-CPR系统的运行,以期实现低温下(<15 ℃)系统的同步脱氮蓄磷/回收磷的目标。结果表明,在低温下引入后置缺氧段,可节省27%的曝气能耗,并能维持该系统脱氮除磷性能的稳定性。在进水NH+4-N、TP浓度分别为50 mg·L−1、15 mg·L−1的条件下,该系统对NH+4-N、TN和TP的平均去除率分别达到了89.12%、82.14%和89.24%。在单个生物蓄磷-磷回收周期(7 d)内,随着系统运行时间的延长(第3~6天),生物膜内反硝化聚磷菌体内的PHA的不断消耗,系统的缺氧吸磷速率仍可维持稳定,第3和6天分别为7.51 mg·(L·h)−1和7.83 mg·(L·h)−1)。在该运行方式下,系统后置缺氧段每去除1.00 mg NO3-N可耦合去除0.76 mg TP;且该阶段限制反硝化除磷的主要因素是进水氨氮转化时产生的硝态氮(反硝化吸磷电子受体)的浓度。通过对生物膜样本进行16S rRNA高通量测序分析,发现系统内的优势菌群为Candidatus CompetibacterCandidatus NitrotogaPhaeodactylibacterThiothrixDechloromonas

English Abstract

  • 我国目前生活污水普遍具有含碳量低的特点,这使得污水处理尾水中常含有大量的硝酸盐[1]。现有的污水处理厂中常因碳源不足而导致出水难以达到日益严格的N、P排放标准[2]。而后置反硝化生物滤池因其占地面积小、效率高、耐冲击负荷强等优点被广泛应用于各种深度脱氮(硝酸盐去除)的研究与实践中[3]。此外,由于季节变化导致的气温波动,冬季污水处理厂内的水温可降至10 ℃以内[4]。由于微生物生长普遍具有强温度依赖性[5-6],因此,低温环境下维持废水的生物处理效率较为困难。

    污水中的磷通常以化学沉淀的形式外排,这既污染环境又浪费了磷资源。而磷矿石作为一种不可再生资源,其储量已经濒于枯竭[7]。因此,国内外对磷的研究更倾向于对其进行回收利用,以期实现磷资源的可持续利用[8-10]。而近期基于内碳源(聚羟基烷酸,PHA)的反硝化聚磷菌(DPAOs)的研究引起了人们的广泛关注[11-12]。DPAOs在缺氧段以PHA作为电子供体,以NO3-N/NO2-N为电子受体吸磷,从而实现“一碳两用”[13-14]。DPAOs能够在厌氧/缺氧交替运行的反应器(A/A)内大量富集,在缺氧环境中DPAOs缺氧吸磷速率(以NO3-N/NO2-N为电子受体)仅仅略低于好氧吸磷速率(以O2为电子受体)[15]。还有部分DPAOs也可在厌氧/好氧交替的反应器(A/O)内大量富集。WONG等[16]研究发现,即使反应器内的DO浓度较高,DPAOs也可利用污水与生物膜(絮体)内氧浓度的差异,根据需要选择性地利用O2NO3-N/NO2-N作为电子受体吸磷。根据这一特性开发的反硝化除磷(DPR)技术能够缓解污水碳源含量不足所带来的难题,反硝化聚磷菌(DPAOs)工艺可降低30%的能源需求和50%的污泥产量[17-19]。而将后置DPR工艺与厌氧/好氧(A/O)工艺联合,在后置缺氧阶段利用内源碳(PHA)来驱动DPR过程,可实现脱氮除磷的同时节省外碳源的投加量。

    杨建鹏等提出了碳源调控-回收磷工艺系统(BBNR-CPR),发现利用内源碳能够改善系统的耐低温特性[20]。本研究在此基础上,引入后置反硝化段,构建出A/O复合A/O/A(厌氧/好氧/缺氧)工艺,采用延长好氧内循环时长等运行策略,以期实现以下3点目标。一是培养与富集DPAOs,强化系统的反硝化除磷性能;二是在保证系统脱氮除磷效果的基础上降低系统能耗;三是比较微生物菌群结构,探明DPAOs菌群的组成。

  • 图1(a)所示,BBNR-CPR系统是由上流式厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)生物滤池、中间水箱、曝气装置以及配套的时间控制系统组成。反应器连续型进(出)水、内回流、阶段性曝气均由可编程时间控制器控制。如图1(a)所示,本研究中连续流反应器的工作容积为8 L(高1.6 m、内径100 mm),采用火山岩及石英砂作为生物载体,运行时有效水位为1.1 m,出水经过滤器去除微小生物膜后从滤池上部自动流出。如图1(b)所示,系统运行由交替型生物蓄磷阶段/磷回收阶段组成。单个生物蓄磷/磷回收的周期为7 d。如图1(b)所示:在生物蓄磷阶段(持续时长为6 d),生物滤池以A/O(/A)模式交替运行,每个运行周期为8 h,包括厌氧运行3 h(连续进出水,出水进入中间水箱),好氧连续进、出水5 h(A/O/A模式下为3) (连续进出水,出水进入中间水箱,系统保持内循环状态),缺氧运行2 h(连续进出水);磷回收阶段(1 d)为序批式进水,厌氧进水为0.5 h,静置释磷为2 h。

    在BBNR-CPR的蓄磷阶段,单个A/O或A/O/A周期(8 h)内可处理10 L模拟污水,完整生物蓄磷阶段总共处理模拟生活污水为180 L;在生物磷回收阶段,配置20 L高浓度补充碳源废水并间歇泵入生物滤池主体内,厌氧静置2 h后,排放反应器内高含磷液,并将这部分高磷液以液态磷肥的方式用于后续磷回收的研究。

  • 实验用废水采用人工配制的模拟废水。在生物蓄磷阶段的水质成分为NaH2PO4 58 mg·L−1NH+4-N 50~75 mg·L−1、乙酸钠200 mg·L−1 (以COD计),MgSO4·7H2O 70 mg·L−1、KCl 40 mg·L−1、NaHCO3 200 mg·L−1、CaCl2 20 mg·L−1和FeCl3 2 mg·L−1;在磷回收阶段中,丙酸钠(补充碳源)的浓度为800/1 750 mg·L−1(以COD计)。

    实验中以温度为节点分为4个运行阶段,在各阶段系统的运行参数如表1所示。

  • 系统出水水样每2 d测量1次,样品监测前均经过0.45 µm膜过滤。pH (PHS-2F,中国)和ORP (WTW,德国)数据由自动监测获得。此外,采用微波消解法测定COD,碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定TN,过硫酸钾消解钼酸铵显色紫外分光光度法测定TP,采用纳氏试剂分光光度法测定NH+4-N,而NO3-N和NO2-N则分别采用紫外分光光度法和重氮耦合分光光度法测定。

  • 将生物膜从填料上剥离后,使用E.Z.N.A.®DNA萃取试剂盒提取DNA。采用引物338F(5'+ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'),806R(5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')对微生物菌群菌属扩增内保守区域16S rDNA的V3和V4区进行PCR扩增。DNA经纯化和量化处理后,委托上海美吉生物科技有限公司进行高通量测序分析生物种群多样性变化,扩增的具体操作细节参见以往的研究[20]。最后,登录美国国立生物技术信息中心(NCBI)数据库官网,将测序所得原始数据上传入库,获得序列号为SRR12574466,SRR12574468。

  • 1) BBNR-CPR系统在不同阶段运行过程中对氮(氨氮、总氮)的处理效果。由图2可知,第0~45天为稳定阶段(阶段I),平均进水和出水氨氮浓度分别为70.13 mg·L−1和0.38 mg·L−1,该阶段氨氮和总氮平均去除率分别为99.45%和66.91%。第46~93天为阶段Ⅱ,厌氧进水中加入NO3-N模拟出水回流引入的NO3-N,以探究前置缺氧对系统脱氮和除磷效果的影响。在进水NO3-N浓度为5.0 mg·L−1时,TN平均去除率由66.91%升至76.45%(出水平均NO3-N浓度为17.80 mg·L−1)。这一结果与文献报道的“通过回流方式在进水中引入一定数量NO3-N可显著提升系统的脱氮效率”这一结论[21]一致。此外,在厌氧段进水中加入NO3-N后,系统依然能保持较高的脱氮效率,这得益于周期性磷回收的过程。然而,当进水NO3-N为10.0 mg·L−1时,系统TN去除率开始降低,平均去除率降低至72.57%。这可能是因为在加入过量硝态氮条件下,缺氧环境会诱导DPAOs进行反硝化吸磷,与普通反硝化细菌竞争碳源,进而限制了好氧段的同步硝化反硝化。

    在阶段Ⅲ,反应器运行温度开始逐渐降低,在进水以氯化铵为氮源的条件下,系统的脱氮效能仍可以不断提高。在该阶段运行的前30 d内,系统对氨氮和总氮的平均去除率分别为99.28%和77.04%。然而,当系统运行到第124天时,环境温度发生骤降,导致溶解氧在水中的饱和度增加,在相同曝气量下,反应器内溶解氧变大,为充分利用这部分溶解氧,反应器运行条件开始进行调整。从第134天起,系统的运行方式由A/O工艺转变为A/O+A/O/A混合工艺,即在蓄磷过程的前2 d以A/O工艺运行,后4 d以A/O/A工艺运行。在A/O/A的运行方式中,好氧阶段时长由A/O工艺的5 h缩短至3 h。通过该运行模式,蓄磷周期内系统减少了27%的曝气时长,节约了大量曝气能耗;同时,好氧段的内循环比由67%提升至150%,内循环比的增加也缓解了低温对硝化/反硝化活性的影响。在改变运行条件的前期,系统对氨氮和总氮的去除率仍不稳定,这说明低温和运行条件的改变影响了系统内硝化反硝化过程。随着反应器长时间的运行,系统对氨氮和总氮的去除率呈现上升趋势。这表明反应器内混合生长的微生物菌群逐渐适应了新的运行方式。在第1个蓄磷/磷回收周期内,氨氮去除率降至82.24%,总氮去除率为77.98%。该阶段进入稳定运行后,系统对氨氮和总氮的去除率分别达到89.12%和82.14%。LIN等[12]在低温((12±2) ℃)下探究内碳源深度脱氮中,TN去除率为71.08%。黄剑明等[22]利用A2O-BAF工艺在低温(11~14 ℃)下运行,TN去除率达到78.3%。这说明低温下引入后置反硝化除磷工艺是提高TN去除系统性能的有效手段。

    为强化低温(8~15 ℃)下微生物的脱氮除磷效果,在阶段IV,将系统磷回收过程补充的碳源浓度由800 mg·L−1提升至1 750 mg·L−1,使得系统进水平均C/N提升了2.8,这样可大幅提高系统内菌群体内贮存的PHA含量,强化好氧阶段的同时硝化反硝化作用[23]。由于引入了后置缺氧段,反硝化聚磷菌也可以在后置缺氧段继续发挥反硝化除磷作用,使得系统的总氮去除效率明显增加。在低温冲击下,系统的总氮去除效率仍达到64.74%,这说明BBNR-CPR系统对温度骤变具有一定的耐受性。

    2)不同阶段系统除磷效果的对比。如图3所示,在厌氧段引入低浓度硝酸盐后(阶段Ⅱ),系统对磷的平均去除率由84.56%降至60.23%。其原因可能是,由于引入5~10 mg·L−1NO3-N,在生物蓄磷后期,厌氧阶段出现缺氧吸磷而非释磷现象,DPAOs会在生物蓄磷后期优先吸收进水中的碳源,导致普通PAOs在好氧阶段能量不足而大幅减少了吸磷量,造成系统除磷效率大幅下降。在阶段Ⅲ,为防止进水NO3-N引入造成系统除磷的恶化,停止在厌氧阶段向进水添加NO3-N,重新富集PAOs,系统除磷效果随之明显改善。在第116天时,反应器的除磷率高达98.51%,在116~132 d内TP平均去除率达到了90.19%(高于常温运行的阶段Ⅰ)。在阶段Ⅳ的初期,TP去除率仅为65.06%。随着微生物逐渐适应,新运行(A/O+A/O/A复合运行)系统的除磷效率逐步提升,在本阶段系统稳定运行后,系统对TP平均去除率达到了89.75%。

  • 在单个蓄磷-磷回收周期内,PHA随时间的延续不断被消耗。为了解PHA含量变化对系统脱氮除磷性能的影响,对磷回收后的第1、3、5天出水的水质变化进行了监测。由图4(a)可见,磷回收阶段生物膜内的PHA储备充足,使得蓄磷前期普通反硝化菌活性较高,代谢旺盛,生物膜内的微生物能在好氧阶段进行快速同时硝化反硝化,好氧末期出水NO3-N仅为3.54 mg·L−1。此外,磷回收中生物膜内蓄磷量的大幅降低导致厌氧释磷浓度的下降,故在蓄磷前期,系统磷出水浓度能够保持较低水平,系统整体的脱氮和除磷效果较好。在单个蓄磷周期内,随着蓄磷时长的不断增加,生物膜内的蓄磷量增长迅速,反应器厌氧阶段的释磷量也明显增加;且随着生物膜内贮存的PHA消耗量增加,好氧段同时硝化反硝化效果下降,造成出水NO3-N浓度增加(NO3-N浓度高于25 mg·L−1),为后续缺氧段提供了充足的电子受体,可以保证稳定的除磷率(平均为93%)。

    根据蓄磷周期内1 h滤池进、出水磷浓度,计算了单个蓄磷/磷回收周期内的吸磷速率,结果如图4(b)所示。由图4(b)可见,第3天和第5天的缺氧吸磷速率相似。这说明,虽然在蓄磷周期内系统生物膜中PHA贮量随时间不断下降[23],但其对于(D)PAOs吸磷而言仍是充足的。因此,限制后置反硝化吸磷速率的主要原因仍是水体中总磷和电子受体(NO3-N)的浓度。

    图4所示,本系统在低温下的缺氧阶段,每去除1.00 mg NO3-N平均耦合去除0.76 mg PO34-P,其他研究工艺在反硝化除磷过程中的氮/磷消耗比如表2所示。电子受体的种类、PHA含量和厌氧释磷量是影响吸磷速率的主要因素。其中,以交替厌氧好氧(A/O)方式运行,即以氧气作为电子受体,产生的同时硝化/反硝化吸磷速率远高于以硝酸根作为电子受体的吸磷速率[13,24],而以厌氧/缺氧交替(A/A)方式运行下系统的最大反硝化吸磷速率则次之。此外,提高释磷量是提高吸磷速率的关键,而释磷量提高与聚磷菌在厌氧段吸收的VFA的量相关,聚磷菌吸收VFA的量越多,其在后续好氧/缺氧阶段的吸磷速率就越大。因此,高浓度的补充碳源促使本研究的好氧吸磷速率显著高于其他研究的结果(表2)。

    本研究在低温厌氧条件下,采用丙酸钠作为补充碳源(1 750 mg·L−1,以COD计)的模拟废水,连续进入反应器,高浓度的补充碳源激发了磷在生物膜内单个生物蓄磷周期内的蓄积,并以PO34-P的形式过量释放进入到磷回收液内。该方法不仅可以回收反应器内生物膜在生物蓄磷周期内富集的磷酸盐,还能够在生物膜内富集大量的PHA[23]。然而,有研究[25-26]表明,DPAOs可在不摄磷状态下可进行反硝化作用,且DGAOs/DPAOs胞内PHA含量水平高时,PHA优先用于反硝化去除NO3-N。在本研究中,生物膜内PHA含量具有在蓄磷周期内随着蓄磷时间增加而逐渐下降的独特优势,反应器在好氧阶段出水NO3-N浓度随着蓄磷周期的延长而不断增加。因此,在低温下,可以运用系统这一运行特点,在系统原有A/O运行基础上,增设后置缺氧段充分利用好氧段出水NO3-N代替O2作为电子受体,不仅能够节约曝气量,还能够充分利用反应器生物膜内残留的PHA贮存量,真正实现反硝化除磷过程的一碳双用。

  • 图5所示,运行工艺的变换及温度变化导致反应器内部的群落结构发生明显的变化。其中,A/O工艺系统中丰度较高的菌属为Candidatus Competibacter (53.34%)、Defluviicoccus (12.65%)、Run-SP154 (6.79%)、Dechloromonas (6.14%)、Thiothrix (5.29%)。随着温度的降低以及运行工艺的变化,系统内的优势菌群变为Candidatus Competibacter (20.09%)、Candidatus Nitrotoga (8.82%)、Phaeodactylibacter (8.75%)、Thiothrix (3.30%)、Dechloromonas (2.71%),且阶段Ⅳ中系统群落多样性明显更丰富。Candidatus Competibacter (Ca. Competibacter)在2种条件下丰度均最高。TU等[30]的研究表明,除磷系统中乙酸钠含量高于200 mg·L−1时,GAOs便成为系统的优势菌属。Ca. Competibacter能够利用VFA合成PHA,具有更强的反硝化特性和耐逆性。此外,Ca. Competibacter中一些菌属已被证明具有吸收磷酸盐的能力,但无法释磷[20]Candidatus Nitrotoga作为一种耐低温的硝化菌属,其丰度也显著提高。好氧反硝化细菌Phaeodactylibacter存在于污水处理系统的低温阶段,主要功能是降解污水中的有机物[31]。低温下,这2种菌属与系统在好氧阶段仍能保持较高的TN去除率密切相关。更重要的是,系统在A/O方式运行中Phaeodactylibacter从未成为BBNR-CPR系统的优势菌群。同时,NCBI数据库中(Genome ID为83475和88035)已经发现Phaeodactylibacter属中的成员编码了PPK1 (polyphosphate kinase)基因,而PPK1一般被认为是传统聚磷菌的系统发育标记基因[32]。因此,我们推测,本研究中Phaeodactylibacter可能在缺氧阶段起到反硝化吸磷的作用。

    然而,在本研究中作为聚磷菌,Candidatus Accumulibacter(Ca. Accumulibacter)的相对丰度仅为1.36%。有研究[33]表明,Ca. Accumulibacter不仅能利用O2作为电子受体吸磷,还能利用NO3-N作为电子受体氧化PHA进行反硝化吸磷。在本研究中,Ca. Accumulibacter的丰度显然没有随着后置反硝化段的引入而大幅提升,相反,被少量研究报道的PAOs物种(Thiothrix)的丰度仍达3.30%。NIELSEN等[34]的研究表明,Thiothrix广泛存在于EBPR系统中,其具有反硝化除磷的功能。此外,Thauera、DechloromonasAcinetobacterPesudomonasFlavobacterium等物种丰度总计达到8.93%。而这些物种在各类具有反硝化除磷的功能系统中大量富集[35-38],但其是否是潜在的DPAOs还需要进一步研究加以证明。以上研究结果说明,后置反硝化段的引入可增加系统内潜在的聚磷菌的物种多样性,从而提高系统脱氮除磷性能。

  • 1)在低温条件下,可在生物蓄磷/回收磷系统BBNR-CPR基础上引入后置缺氧运行的新模式;相比原系统的厌氧/好氧运行方式,利用PHA驱动后置反硝化吸磷过程,能够使系统节省27%的曝气成本。

    2)引入后置缺氧段,系统生物膜内菌群可在厌氧条件下利用磷回收过程中过量贮存的内碳源进行反硝化吸磷,强化低温下的脱氮除磷性能,从而节省外加碳源。

    3)通过提高补充碳源的浓度,延长内循环时长,同时引入后置缺氧段,可以增加BBNR-CPR系统内聚磷菌的物种多样性,从而改善系统在低温下的氮磷去除性能。

参考文献 (38)

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