O_%283%29氧化-SBBR组合工艺深度脱除生化尾水TN的效能及机制研究.pdf

第 卷第 期 年 月环境生态学 氧化 组合工艺深度脱除生化尾水 的效能及机制研究罗新浩胡勇有(.珠海联誉兴环保科技有限公司广东 珠海.华南理工大学 环境与能源学院广东 广州)摘要:采用臭氧()序批式膜生物反应器()组合工艺深度处理印染工业园生化尾水运用控制变量法和对比研究法探究 组合工艺的脱氮特性和机理 结果表明:)碳源种类、碳氮比(/)、水力停留时间()和曝气强度是影响 组合工艺效能的关键因素当以乙酸钠为外加碳源、/、曝气强度 /时组合工艺对生化尾水中 的去除率可达 以上 负荷达到 /()组合工艺处理生化尾水的主要步骤为:先将尾水中残留的难生物降解有机物转化为小分子物质提高废水的可生化性在适当投加碳源的条件下由 完成去碳和脱氮脱氮主要由 生物膜中的微生物进行同步硝化反硝化()过程来完成关键词:印染生化尾水氧化生物脱氮中图分类号:文献标识码:文章编号:().(.).().:.:/./.().:收稿日期:作者简介:罗新浩()男广东龙川人博士注册环保工程师主要研究方向为污染控制与环境修复技术通讯作者:胡勇有:.印染工业园废水经过二级生物处理后的尾水仍残留一定浓度的难生物降解有机物和含氮化合物残留物的主要特征为难以通过物理及生物方法去除且对生物的毒性较大影响印染废水的稳定达标排放 因此亟需开发有效的印染工业园生化尾水处理方法电催化氧化法、光催化法、氧化法等被广泛用于处理印染废水生化尾水 氧化法作为主流的生化尾水处理技术之一主要分为直接 氧化法和催化 氧化法 直接 氧化法是指 分子直接与污染物接触利用 的强氧化性氧化分解污染物反应过程中具有一定的选择性反应速率及能否实现完全矿化取决于污染物结构的复杂程度催化 氧化法是指加入某些特定催化剂催化生成具有强氧化性的活泼自由基从而提高氧化效率、缩短反应时间的一种高级氧化技术 氧化法操作简便、占地面积小、效果稳定因而在印染废水处理领域具有广阔的应用前景 但采用单一 氧化法并不能解决印染工业园尾水中总氮()超标的问题 序批式膜生物反应器简称 是一种新环 境 生 态 学第 期型的生物膜污水处理技术具有生物量高、结构紧凑、耐冲击负荷和启动快速等优势 生物膜从内至外存在氧浓度梯度因此分为好氧、缺氧及厌氧区各区域包含不同功能的微生物构成复杂的生物系统保证了 脱氮效能的稳定构建 组合工艺用于脱除印染工业园生化尾水中的 通过优化外加碳源种类、/、和曝气强度等运行参数考察 对 的去除效果通过构建不同反应体系分别探究 氧化、及外加碳源对生化尾水中 去除的贡献度利用三维荧光光谱分析、激光共聚焦显微镜和高通量测序等测定分析手段进一步分析该工艺的脱氮机制 材料与方法 试验材料 试剂乙酸钠(分析纯)、甲醇(分析纯)和葡萄糖(分析纯)均购置于美国阿拉丁工业公司 供试水样供试水样为佛山市三水区大塘污水处理有限公司的二级生化尾水 该生化尾水盐度高、可生化性差、成分复杂、浓度高 具体水质如下:浓度 /浓度 /盐度 污泥驯化接种污泥为印染工业园污水处理厂二沉池浓缩污泥 将 的浓缩污泥倒入充满生化尾水的 反应器中添加 /乙酸钠为碳源 开启曝气泵闷曝 后排出 的废水并补充 的碳源和原水以上流程重复进行 次使柱状生物碳上逐渐生成致密的生物膜 发生器 型工业 发生器购置于广州创环臭氧电器设备有限公司主要参数如下:外接气流量为 /浓度 /产量为 /功率为 组合工艺试验设备主要包括 氧化反应器和 生物反应器 氧化反应器为不锈钢圆柱体管径和高度分别为 和 容积为 生物反应器为有机玻璃圆柱体分为内圈和外圈直径分别为 和 有效水深为 内部填充棒状活性炭生物填料填料粒径为 棒状活性炭生物填料的填充比和空隙率分别为 和 试验中先由蠕动泵将废水提升至 氧化反应器中开启 发生器由反应器底部进入通过调节功率及阀门控制 浓度及流速 氧化反应结束后由蠕动泵将废水提升至 生物反应器中由底部曝气泵提供 生物膜所需(图)每批次试验处理废水规模为 图 组合工艺流程图.试验方法 氧化法与 组合工艺氧化试验中进水 和 平均浓度分别为 /和 /在 投加量为 /、反应时间为 的条件下进行氧化试验并在反应前后分别测定 及 的浓度将 的二沉池浓缩污泥和 的生化尾水注入 生物反应器中添加 /乙酸钠为碳源 开启曝气泵进行 的闷曝后排出 的废水并补充 的碳源和生化尾水 以上流程重复 次直至柱状生物碳上形成致密的生物膜将 氧化后的生化尾水通入 生物反应器中进行脱氮试验分析不同(、和 )下 的去除率确定最佳 在最佳 条件下添加不同外加碳源(乙酸钠、甲醇和葡萄糖)分析 的去除率确定适宜碳源当 最佳、投加适宜碳源时分析不同/(、和)条件下 的去除率获得适宜/当 最佳、碳源和/适宜时分析不同曝气强度(、和 /)下 的去除率获得适宜的曝气强度在适宜的 运行条件下考察 氧化及外加碳源对 组合工艺中生物膜活性的影响设置 组不同的反应条件:组 无 氧化无外加 年罗新浩等:氧化 组合工艺深度脱除生化尾水 的效能及机制研究碳源 组组 无 氧化外加碳源 组组 氧化无外加碳源 组组 氧化外加碳源 组 比较不同组中 的去除率探讨 氧化、及外加碳源分别对组合工艺脱氮的贡献程度以及组合工艺脱氮的可靠性 高通量测序为进一步从生物学角度确定 氧化与外加碳源对 中微生物群落结构及脱氮效能的影响反应器在不同条件下分别运行 分别取 个生物膜样品:(无 氧化无外加碳源 组)、(无 氧化外加碳源 组)、(氧化无外加碳源 组)和(氧化外加碳源 组)样品通过 提取试剂盒(.)提取细菌基因组 运用高通量测序仪 对生物膜上的微生物群落结构进行检测分析 激光共聚焦显微镜采用共聚焦激光扫描显微镜()成像技术观察生物膜的形态结构变化 在 生物反应器稳定运行期间分别取 个生物膜样品:无 氧化无外加碳源 组、无 氧化外加碳源 组、氧化无外加碳源 组、氧化外加碳源 组 使用 /生物膜检测试剂对生物膜上细菌进行染色并对活/死细胞的含量进行检测 样品的制备过程如下:清洗含有生物膜的填料在黑暗条件下用碘化丙啶()和 对生物膜进行 的染色染色后用超纯水清洗多余的染料去除多余水分后在 下随机观察生物膜样本 三维荧光光谱分析利用 荧光分光光度计检测生化尾水及不同工艺(氧化、和)处理后的尾水中所含溶解性有机物的种类及荧光强度扫描中发射波长及激发波长均设置为 间距为 光谱扫描速率设置为 /扫描结果通过软件 进行分析后绘制 水质分析测试 浓度采用重铬酸钾法测定 浓度采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法()测定 数据处理数据采用 和 等软件计算图形 由 、等 软 件生成 结果与讨论 组合工艺去碳脱氮的影响因素如图 所示当 从 (阶段)提高到(阶段)时 的去除率分别为 ()、()、()、()结果表明随着 的延长 的去除率逐渐提高尤其是当 由 延长至 时 的去除率有较大幅度的提高当 由 提升至 时 的去除率略有上升可能是因为过长的 导致大量有机碳源被微生物好氧呼吸消耗生物脱氮电子供体及碳源不足 因此 应控制在一定范围内才能保证 具有较好的脱氮效率 脱氮的适宜 范围为 ()进出水 浓度()去除率图 不同因素对 脱除印染生化尾水中 的影响.添加不同碳源(乙酸钠、甲醇和葡萄糖)探究碳源种类对 脱氮效能的影响 如图 所示当分别用乙酸钠、甲醇和葡萄糖作为碳源时 去除效率分别为 、和 结果表明:中 的去除率随外加碳源的变化而变化相比于甲醇和葡萄糖以乙酸钠作为碳源的 具有更高的脱氮效能 这可能是因为填料上环 境 生 态 学第 期的微生物更倾向于将能够直接参与三羧酸循环的有机酸(醋酸盐)作为碳源及电子供体而不是糖类和醇类有机物 等的研究中也表明相比于糖类有机物有机酸作为碳源时 展现出更强的脱氮效能/对 的 脱除效率的影响如图 所示 当/从 逐渐上升至 时 去除率分别为 、和 结果表明:中 的去除率随/的升高而提升这与以往的研究结论一致 这可能是因为/为 时充足的碳源为微生物脱氮提供较为充足的电子供体进而有效地提高 的脱氮效能 此外其他研究结果也表明适当的/能够为微生物的生长代谢提供充足的电子供体并提升功能微生物对污染物的去除效能反应器的曝气强度会显著影响微生物的生长及脱 氮 效 能 由 图 可 知 当 曝 气 强 度 由/上升到 /时 的去除率分别为 (/)、(/)和(/)结果表明:对 的去除率先随曝气量的增加而上升(/)后随曝气量的增加而下降(/)其他研究也表明适当提高曝气量能够显著影响还原型辅酶()浓度及微生物之间的相互作用方式进而提高、和 等污染物的去除效率 氧化和外加碳源对 脱除的贡献程度为确定 氧化和外加碳源对 中 去除率的影响进行 组对照试验:组 无 氧化无外加碳源 组 无 氧化外加碳源 组 氧化无外加碳源 组 氧化外加碳源 试验结果如图 所示组 的 去除率最佳为 去除速率达 /()与组 相比组 的 去除率下降了 组 的 去除率仅降低了 组 的 去除率仅为 结果表明:)废水中含有的有机碳源大多为难生物降解碳源功能微生物无法将其作为电子供体进行脱氮)氧化能将废水中部分难生物降解有机碳源氧化成可供微生物利用的小分子有机物从而提高组合工艺的 去除率)外加碳源能够为功能微生物提供充足的电子供体有效提高 及组合工艺对 的去除效能)氧化、及外加碳源对组合工艺 脱除效能的贡献程度分别为 、及 前期的研究也证明了 氧化法能将毒性强、生物难利用的有机物转化为低毒、生化性高的小分子物质()进出水 浓度()去除率图 不同运行条件下 对生化尾水中 的脱除效能.组合工艺的作用机理 中微生物群落结构特征通过对 中微生物群落结构进行深入分析探究组合工艺在不同条件下脱氮效能变化与生物学特征之间的联系 个生物膜样品(、及)分别取自无 氧化无外加碳源 组、无 氧化外加碳源 组、氧化无外加碳源 组和 氧化外加碳源 组并在 个水平(门、纲和属)上对微生物群落结构的演化进行检测和分析 如图 所示 个样本中检测到的主要菌门相同但优势菌门及其相对丰度有所不同样品 中的优势菌门为变形菌门()、拟杆菌门()和厚壁菌门()样品 的优势菌门为、大肠菌门()和浮霉菌门()样品 中的优势菌门为、硝化螺菌门()和 样品 中的优势菌门 为、和 结果表明:和 在所有样品中均占主导地位且样品中检测到的优势菌门(、年罗新浩等:氧化 组合工艺深度脱除生化尾水 的效能及机制研究、)大多具有脱氮功能 氧化及外加有机碳源诱导了 中优势菌门的演化对极端环境有较强抗性的微生物逐渐成为优势菌门如 由图 可知在纲水平上 个样品中相对丰度较高的菌群为 变形菌纲()、拟杆菌纲()、变形菌纲()、变形菌纲()及梭菌纲()随着 氧化和外加有机碳源样品中对不良环境抵抗力较强的菌群 逐渐被、和 取代 而、和 纲中包含大量具有脱氮功能的微生物 结果表明氧化及有机碳源会影响 中微生物群落在纲水平上的演替进而影响 的脱氮效能()门()纲()属图 系统在门、纲和属水平上的细菌群落结构.中微生物群落结构在属水平上的演化如图 所示 个样品中的优势菌属存在明显的差异样品 中的优势菌属为固氮弧菌属()、陶厄氏菌属()和亚硝化单胞菌属()样品 中的优势菌属分别是、和氢噬胞菌属()样品 中的优势菌属为、和黄杆菌属()样品 中的优势菌属为、和 通过以上数据可知 和 等具有脱氮功能菌属的相对丰度会随着 氧化预处理及有机碳源的添加而升高表明 氧化及有机碳源的添加能够一定程度上提高脱氮功能菌在生物膜上的相对丰度相反 和 的相对丰度会随着 氧化及有机碳源的添加而降低说明一些自养及对有机碳源竞争力不强的微生物相对丰度会随着有机碳源浓度的提高而逐渐减低 所有样本中均检测到、等具有脱氮能力的菌株这些功能菌株的存在保证 的脱氮效能 氧化及有机碳源的添加会一定程度上影响 中的优势菌属从而影响其脱氮效能不同条件下中均含有大量具有脱氮功能的菌属因此即使在无 氧化及外加碳源条件下 仍然具有脱氮功能 个生物膜样品(、及)分别取自无 氧化无外加碳源 组、无 氧化外加碳源 组、氧化无外加碳源 组和 氧化外加碳源 组 采用激光共聚焦荧光显微镜()观察不同生物膜中活/死细胞的相对含量 检测前用碘化丙啶()和 荧光染料对活/死细胞进行染色活细胞染为绿色荧光死细胞染为红色荧光 如图 所示 组棒状生物炭上仅附着少量的活性微生物活性微生物(绿色荧光部分)的占比远小于不具有活性的微生物(红色荧光部分)和 组的活性微生物占比显著上升因为外加乙酸钠作碳源能刺激微生物的生长、代谢活性提高生物膜中活性微生物的含量进而提高 的脱氮效能 等也指出添加有机碳源能提高异养微生物的生物量和代谢活性 组中生物载体上附着的活性微生物量与 组类似结果说明氧化虽然能将大分子有机物氧化成小分子物质为微生物生长及脱氮提供可利用的碳源但不足以有效提高载体上的活性微生物含量环 境 生 态 学第 期()()()()图 不同运行条件下生物膜的 图像.不同阶段出水的三维荧光特性为进一步探究 中可溶性有机物()浓度的变化与 氧化、外加碳源之间的关系利用 荧光光谱测定 个样品中 浓度的变化样品分别取自二沉池出水(生化尾水)、氧化出水、出水氧化 出水 据 等报道 荧光光谱主要分为 个区域分别代表酪氨酸芳香蛋白(区)、色氨酸芳香蛋白(区)、黄腐酸(区)、可溶性代谢物(区)和腐殖酸(区)由图 可见 个样品中均检测到 个不同的荧光特征峰:个蛋白峰(峰/:/峰/:/)、个富里酸特征峰(峰/:/)二沉池出水中、及 峰的荧光强度分别为 、及 说明二沉池出水中含有大量的难生物降解大分子腐殖质类物质 等的研究也表明在生物处理废水过程中微生物会产生 二沉池废水直接进入 进行生化处理后废水中、及 峰的荧光强度基本不变进一步说明废水中包含的大分子腐殖质类物质为难生物降解有机物 经过 氧化后废水的、及 峰的荧光强度分别降至、和 说明 氧化能将二沉池出水中的难生物降解大分子腐殖质类物质氧化成小分子物质杨佳鑫等的研究也表明经 催化氧化后废水中的脂肪酸类和其他类有机物被分解成简单的酯类和部分链状烷烃类有机物显著改善尾水的可生化性 经 氧化后的废水通过 处理后 和 峰的荧光强度基本不变而 峰的荧光强度升至 表明 中的微生物能够利用 氧化后的小分子有机物并产生富里酸类腐殖质图 运行过程中 的 荧光光谱分析.组合工艺中的 平衡为探究 处理过程印染生化尾水中含 有机物的转化特性检测 进出水中含 污染物的种类及含量结果如图 所示 印染生化尾水中 含量为 /其中 占比 占比 有机 占比 占比 在适宜条件下通过 组合工艺处理后废水中的 浓度降至 /其中()反应前()反应后图 反硝化的 平衡.年罗新浩等:氧化 组合工艺深度脱除生化尾水 的效能及机制研究 的 素转化成了 其余残留 的 的 和 的有机 等的研究也表明在好氧条件下利用有机碳源作为电子供体菌株可以实现高效脱氮 组合工艺去碳脱氮机制组合工艺的脱氮机制主要包括 氧化机制和生物脱氮机制 氧化机制主要以 直接氧化为主结合羟基自由基反应将废水中的有机 转化为无机(或)同时将生化尾水中难生物降解的有机物转化为小分子、可生化的有机物从而改善其可生化性 反应器中的柱状生物碳上挂满了致密的生物膜由于氧在生物膜上的传质限制使得生物膜表层溶解氧浓度较高从外至内溶解氧浓度逐渐降低 因此生物膜上微生物从外层到内层依次为好氧、兼氧和厌氧微生物 外层的好氧微生物主要进行硝化反应内层的兼氧、厌氧微生物主要进行反硝化反应 反应器具备同步硝化反硝化能力保证 组合工艺处理生化尾水中 的效能 组合工艺稳定运行的调控策略进行不同条件下组合工艺的脱氮效能试验发现 组合工艺对 的脱除效能明显受碳源种类和/的影响 组合工艺运行过程中可调控的参数为外加碳源种类、/及曝气强度其中碳源种类及/尤为重要关系着组合工艺是否具备稳定而高效的脱氮效能 当外加碳源为乙酸钠时组合工艺脱氮效率高效稳定当换成甲醇等其他碳源时微生物难以利用外加碳源导致脱氮效率快速降低 当/时组合工艺能够保持较高的脱氮效率当/由 降至 时组合工艺的脱氮效率快速降低 因此要保证组合工艺具备较高的脱氮效率必须使/提升至 以上 组合工艺脱氮的适宜条件为:外加乙酸钠作为碳源调整/至 以上、保持 以及曝气强度 /结论通过结合 氧化及 构建 组合工艺用于印染工业园生化尾水 处理 结果表明组合工艺的适宜的脱氮条件为:外加乙酸钠为碳源、/、曝气强度 /在适宜条件下 组合工艺对 的去除率达到 氧化、及外加碳源对生化尾水脱氮的贡献度分别为 、及 组合工艺的脱氮机制为:将尾水中难生物降解的有机物转化易生物利用有机物为生物脱氮提供充足的电子供体 生物膜中包含好氧、兼氧和厌氧微生物外层的好氧微生物主要进行硝化反应内层的兼氧和厌氧微生物进行反硝化反应保证 组合工艺的 去除率参考文献 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