以PHBV为碳源和生物膜载体的生物反硝化研究

杨飞飞,吴为中(北京大学环境科学与工程学院,北京 100871)

以PHBV为碳源和生物膜载体的生物反硝化研究

杨飞飞,吴为中*(北京大学环境科学与工程学院,北京 100871)

采用了一种可生物降解聚合物(BDP)聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)作为碳源和生物膜载体去除水体中的硝酸盐.结果表明:以PHBV为碳源和载体的反硝化系统启动时间短,硝酸盐氮(NO3--N)去除率高于 93%;水力停留时间(HRT)对反硝化效果影响显著,但反硝化系统对进水硝酸盐氮负荷具有较好的抗冲击能力;出水DOC(溶解性有机碳)浓度低于27.5mg/L,表明PHBV具有一定的控释碳源的能力;反应器不同高度脱氮效果差异显著,反应器中层(10-15cm) 处获得最大NO3--N去除率.

聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)；碳源；生物膜载体；反硝化

近年来,人们生产和生活过程中产生和排放了大量的含氮污染物,对人体健康和湖泊富营养化都产生了较大的潜在危害.

在各种硝酸盐氮的去除方法中,异养反硝化作为最常用的生物脱氮方法而广泛应用于城市污水处理中[1].但我国现行污水处理厂出水普遍存在碳源不足的问题,成为制约生物脱氮效率的关键因素.传统工艺常采用液体碳源如甲醇、乙醇、乙酸[2-4]等作为补充碳源,但由于其投加量控制困难、出水水质易受到二次污染,人们逐渐开始对新型碳源进行研究.生物反硝化工艺中,使用固体碳源有望解决传统工艺中外加碳源投加控制困难的弊端,为反硝化细菌创造一个稳定、易于维护的环境.PHB[5]、PCL[6-8]、Bionolle[5]、PBS[8-9]、PCL与淀粉的复混聚合物[10]等可生物降解聚合物(BDPs)在应用于地下水、水源水、饮用水和闭合循环养殖系统废水的生物脱氮过程中得到了广泛的研究.

PHBV(聚羟基丁酸戊酸酯)是微生物在非平衡状态下(如缺乏氮、磷)在细胞内合成的一种热塑性聚酯,具有生物可降解性、生物相容性、压电性、光学活性等许多优良特性,因而在诸多领域如可降解生物塑料包装、组织工程材料、电学材料、医学等得到了广泛的应用.由于PHBV可以以各种有机物如淀粉糖、食品工业废物、废弃水果、蔬菜、植物残骸等为原料,因而具有广泛的来源[11].PHBV具有较好的生物降解性,同时能够以固体材料形式存在,使其在异养反硝化中的应用成为可能[12].近年来,将PHBV[13-15]及其与其他 BDPs共混物如 PHBV/PLA共混物[16-18]、PHBV/竹粉[19]等作为反硝化碳源和生物膜载体的研究逐渐增多,显示了PHBV应用于这一领域的巨大潜力.

本文以PHBV同时作为反硝化碳源和生物膜载体,对模拟城市污水处理厂一级A出水的脱氮效果和部分影响因素进行了研究,为新型BDPs的开发和实际应用提供了基础.

1 材料与方法

1.1 实验材料

PHBV材料为聚羟基丁酸戊酸酯,由生物发酵合成.本实验采用的PHBV材料颗粒成圆柱形,平均长度为0.32cm,平均截面直径为0.31cm.

模拟污水由自来水和硝酸钠(NaNO3)、磷酸二氢钾(KH2PO4)配制(N/P=5:1).实验期间根据需要对模拟污水中的硝酸钠和磷酸二氢钾投加量进行调整.模拟污水中COD、NH4+-N和NO2--N均为 0mg/L,pH值随具体环境条件变化而变化.其余试剂均由去离子水配制.

污泥取自昆明市第三污水处理厂二沉池.

1.2 实验装置及实验方法

如图 1所示,实验装置中填充反应柱高为55cm,内径为5cm,PHBV填充高度为25cm.通过将填充床反应柱置于恒温箱中,使温度控制在25℃.反应柱自下至上分布6个出水口,间隔高度为5cm.反应柱PHBV颗粒填充质量为360.40g.

模拟污水由配水箱经蠕动泵从底部进水口进入填充床反应器,经过填充填料后,出水由出水口6排出.反应以连续进水连续出水的方式进行.出水口 6处采集水样为填充床出水.出水口 1～6用于分层取样,以分析填充床反应器的沿程脱氮效果和水质.

将人工模拟污水(NO3--N浓度为 50mg/L, N/P=5:1)与活性污泥按体积比1:1完全混合.分别将300mL该混合液加入两个填充床反应器中,对填料进行静置挂膜,并定期更换模拟污水.静置3d后,填充床内填料表面形成一层浅黄色薄膜,随后定期监测出水NO3--N,待出水稳定至2mg/L时,挂膜完成.

挂膜完成后以1h为停留时间启动填充反应器,进水NO3--N浓度为15mg/L,P浓度为3mg/L,温度控制在 25℃.连续运行稳定后,对出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N、DOC(溶解性有机碳)、进出水pH值和进水NO3--N指标进行定期测定.填充床反应器出水水质稳定后,反应器启动完成.改变HRT和进水NO3--N浓度,探索其对连续流反应器脱氮效果和出水水质的影响.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic representation of the experimental set-up

1.3 分析方法

水样采集后经 0.45 µm滤膜过滤后分别对NO3--N、NO2--N、NH4+-N、pH和DOC进行分析测定.NO3--N、NO2--N和NH4+-N分别采用《水和废水监测分析方法》[20]中的紫外分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法和纳氏分光光度法测定.DOC 采用 TOC 分析仪(HACH, IL530TOC-TN)测定(差减法).pH采用雷磁便携式pH计(pHsj-4a)进行测定.

2 结果与讨论

2.1 不同 HRT运行条件下的脱氮效果和出水水质变化分析

2.1.1 出水NO3--N、NO2

--N、NH4+-N浓度变化分析 如图2所示,在HRT为1h的条件下,填充床反应器启动时间短,运行2d后出水NO3--N浓度降至0.4mg/L以下,并维持稳定,NO3--N去除率为96.91%～98.84%.出水无NO2--N积累,浓度低于 0.1mg/L.在运行初期,NH4+-N浓度较高,并随着运行时间由2.8mg/L逐渐降低至0.5mg/L以下,达到稳定状态.将 HRT调至 0.5h后,出水NO3--N浓度迅速上升,经过6d后再次稳定下来,浓度为0.7mg/L左右,NO3--N去除率为94.72%～95.80%,出水NO2--N浓度为0.1～0.3mg/L,略高于停HRT=1h运行条件下的出水NO2--N浓度,但无积累现象,出水NH4+-N浓度低于0.4mg/L.

图2 不同HRT运行条件下出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N变化Fig.2 Changes of effluent NO3--N、NO2--N and NH4+-N under different HRTs

反应器中的 PHBV填料在微生物外酶的作用下分解为可溶性有机物,并进一步进入生物膜内部,作为电子供体参与微生物的反硝化反应.由于 PHBV是一种微生物自身在非平衡条件下合成的聚合物,因而其具有较好的生物降解性.微生物能够较快地利用 PHBV产生溶解性有机物参与反硝化过程,启动时间较短.而 1h的停留时间为微生物与污水提供了足够的接触反应时间,使得反硝化过程进行比较完全,并未产生 NO2--N的积累.在HRT调整为0.5h后,生物膜与进水的接触时间减少,同时进水水流的剪切力增大,可能会导致微生物、酶的流失,进而使硝酸盐去除率略有降低,但处理量增加.同时由于生物膜与进水的接触时间减少,使得少部分中间产物 NO2--N未来得及参与反应,导致出水 NO2--N浓度略有上升,这与以PLA/PHBV为反硝化固相碳源的研究结果相类似[15,17].而运行初期 NH4+-N 浓度较高,可能是由于接种活性污泥所吸附的氨氮产生,而后期的氨氮可能是发生了硝酸盐异化还原为氨(DNRA)反应所致.有实验[21]表明反硝化反应器中NO3--N去除的主要原因是反硝化而不是硝酸盐异化还原为氨,同时在C/N较高的情况下可能会发生DNRA,而填充床反应器运行初期DOC较低,因而推测运行初期出水高 NH4+-N浓度并不是主要由DNRA所产生.而随着运行时间的增长,NH4+-N浓度逐渐降低也证明了这一点.

2.1.2 出水DOC浓度和进出水pH值变化 在HRT=1h的运行条件下,出水DOC浓度随着运行时间的增长而逐渐升高,最高浓度达 27.5mg/ L(图3).当缩短HRT至0.5h后,出水DOC浓度迅速降低,并逐渐降至10mg/L以下.进水pH值维持在7.5～8.5范围内,波动较小.在HRT=1h的运行条件下,反应器出水pH值呈下降趋势,最低pH值为5.8,所测数值均低于进水pH值.将HRT值缩短至0.5h后,pH值迅速上升,随后维持稳定,在6.7～7.1范围内波动.

图3 不同HRT运行条件下出水DOC浓度和pH值的变化Fig.3 Changes of effluent DOC and pH under different HRTs

由于 PHBV固体填料只能在微生物膜的作用下分解并释放DOC,因而在反应器运行初期随着生物量的增加,出水 DOC的浓度逐渐升高.当HRT缩短为1h时,部分微生物、酶等流失,同时水解释碳时间缩短,水流剪切力增强,传质快,使微生物水解释放的小分子有机碳迅速参与反硝化作用,进而使出水 DOC积累量减少,随后水解释碳速率与反硝化对释放碳源的利用速率达到平衡,出水DOC浓度趋于稳定.同时,实验结果表明该反应器出水的pH值低于进水pH值,这可能是微生物对 PHBV填料的水解作用产生了有机酸类物质,过度中和了反硝化过程产生的碱度,使出水pH值有所下降[22].这也表明以PHBV为碳源和载体的反硝化系统无需投加药剂以中和反硝化所产生的碱度.

2.1.3 反应器沿程NO3--N浓度和DOC浓度变化 由图4可见,在不同停留时间下,反应器不同高度出水 NO3--N浓度变化规律基本一致.在HRT=1h的运行条件下,填充床在六段分层NO3--N的去除率依次为 21.06%、15.73%、37.65%、16.09%、5.75%、0.65%,在 HRT=0.5h的运行条件下,相应的 NO3--N的去除率依次为7.18%、8.19%、29.09%、26.59%、18.42%、2.33%.而在不同HRT下不同填充床高度出水DOC浓度变化规律存在明显差异.在HRT=1h时,填充床自下向上出水DOC浓度逐渐升高,在HRT=0.5h的运行条件下,自下向上填充床出水 DOC浓度略有升高.

图4 不同HRT下不同高度出水NO3--N和DOC浓度变化Fig.4 Changes of effluent NO3--N and DOC according to the height under different HRTs

由于进水自下而上呈上流式通过反应器,类似于推流式反应器,在反应器底部营养丰富,顶部营养匮乏,微生物量的分布存在明显差异,从而使反应器不同高度层脱氮不同.在两种HRT运行条件下,反应器中部(10～15cm处)均获得了最高的NO3--N去除率.反应器底部微生物可能受进水内 DO影响明显,NO3--N去除率较低.反应器内

PHBV固体碳源填充高度为25cm,但在运行过程中,固体碳源填料会出现吸水膨胀现象,使有效高度增加,使反应器上层(25～30cm)具有一定的脱氮作用.在 HRT较长的条件下,每一分层微生物的水解释碳时间长, DOC积累量大,出水DOC浓度自下至上增加趋势明显.HRT缩短,水流剪切力增强,每一分层微生物水解释碳时间和作用强度降低, DOC积累量减少,使出水DOC浓度自下至上增加趋势变缓.这表明在保证脱氮率的前提下,可适当缩短反应器的停留时间以降低出水DOC浓度.

2.2 不同进水 NO3--N运行条件下的脱氮效果和出水水质变化分析

为模拟城镇污水处理厂出水,将进水NO3--N浓度依次调整为 15、20、25mg/L,出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N浓度和进水NO3--N浓度的变化如图5所示,图6和图7所示为出水DOC浓度与pH值变化.

图5 不同进水NO3--N浓度条件下出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N浓度的变化Fig.5 Changes of effluent NO3--N、NO2--N、NH4+-N with different influent NO3--N

在进水NO3--N浓度为15mg/L时,填充床反应器启动较快,运行2d后出水NO3--N浓度降至0.4mg/L以下,NO3--N去除率达到97%以上,平均反硝化速率为 14.69mg N/(L·h).在进水 NO3--N浓度增大至20mg/L时,填充床运行3d后达到稳定状态,出水 NO3--N浓度低于 1.4mg/L,最大NO3--N去除率为 93.18%,平均反硝化速率为18.24mg N/(L·h).当进水 NO3--N 浓度增大至25mg/L时,达到稳定状态所需时间增长为 4d,出水NO3--N浓度低于1.7mg/L,最高NO3--N去除率为93.32%,平均反硝化速率为22.89mg N/(L·h).在进水NO3--N浓度为15、20、25mg/L时,对应的 NO3--N反硝化速率分别为 14.69、18.24、22.89mg N/(L·h),两者较好地符合线性变化规律,这与赖才胜等[22]人的研究结果相一致.在3种进水NO3--N浓度的运行条件下,出水NO2--N浓度均低于 0.2mg/L,无积累现象.进水 NO3--N为15mg/L时,NH4+-N浓度随运行时间增长逐渐降低,当进水NO3--N浓度提高时,NH4+-N浓度略有上升.

图6 不同进水NO3--N浓度条件下出水DOC浓度的变化Fig.6 Changes of effluent DOC under different influent NO3--N

在反应器运行初期,出水 DOC浓度随着运行时间的增长(图6),而升高当进水NO3--N浓度增大时,出水DOC浓度略有降低,随后趋于稳定.进水pH值为7.5～8.5,出水pH值低于进水pH值,不同进水NO3--N浓度的运行条件下,出水pH无明显差异,在6.5～7.5范围内波动.

由实验结果可以看到,随着进水 NO3--N负荷的增加,反应器达到稳定状态所需时间增长,同时出水NO3--N浓度随之上升[15,17],但对NO3--N去除率均能保持93%以上,表明以PHBV为碳源和载体的反硝化系统具有较好的抗冲击负荷能力.同时,随着进水NO3--N浓度增大,微生物在更丰富的营养条件下生长,反硝化过程对电子供体的需求量增加,使出水 DOC浓度有所降低,同时微生物量有所增加,水解释碳能力增强,使 DOC的释放与利用过程很快达到平衡,出水 DOC浓度趋于稳定.出水 pH值的变化规律表明进水NO3--N浓度不是影响出水pH值的关键因素.由于进水 NO3--N浓度增加,反硝化所需碳源的量也增加,因此对微生物水解释放的碳源利用率提高,使每层DOC净积累量降低.

图7 不同进水NO3--N浓度条件下pH值的变化Fig.7 Changes of pH with different influent NO3--N

3 结论

3.1 PHBV是一种具有较好的可生物降解性固体碳源,同时也为微生物提供了良好的载体,在本实验所有运行条件下脱氮率均高于93%.

3.2 HRT对以PHBV为碳源和载体的反硝化系统影响明显,HRT增大会使脱氮率下降,出水DOC浓度大幅度降低,选择合适的HRT可在保证NO3--N去除率的条件下减少DOC积累带来的二次污染问题.

3.3 进水 NO3--N浓度对系统的脱氮效果影响较小,表明在以模拟城镇污水处理厂一级A出水为进水的条件下,该系统具有较好的抗冲击负荷能力.

3.4 反应器不同高度脱氮效果差异显著,中层段具有最高的 NO3--N去除率,在实际应用过程中设计合适滤池结构与深度,可改善反硝化系统的脱氮效果.

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Biological denitrification using PHBV as carbon source and biofilm carrier.

YANG Fei-fei, WU Wei-zhong*(College

of Environmental Science and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1703～1708

PHBV (poly-3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) as a biodegradable polymer was used as carbon source and biofilm carrier to remove nitrate in water. A short start-up period was observed and nitrate-nitrogen (NO3--N) removal rates were greater than 93%. With a decrease of HRT from 1h to 0.5h, denitrification changed remarkably. The denitrification system was however found to be resistant to the shock load of influent NO3--N. The concentrations of effluent DOC (Dissolved Organic Carbon) were lower than 27.5mg/L, indicating that controlled carbonrelease was applicable to PHBV. Nitrate removal rates varied significantly with reactor height while the highest was obtained at the middle height layer (10～15cm).

poly-3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate (PHBV)；carbon source；biofilm carrier；denitrification

X703.1

A

1000-6923(2014)07-1703-06

杨飞飞(1988-),女,山东东营人,硕士研究生,主要从事水污染控制与环境生物技术研究.

2013-10-16

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07102002);国家自然科学基金项目(51378021);国家环保公益性行业科研专项(2010467012-02)

* 责任作者, 副教授, wzwu@pku.edu.cn