两种挥发性有机酸的浓度比值对生物除磷的影响
摘要：在序批式反应器(SBR)中,研究了废水中 2 种挥发性脂肪酸(VFAs)丙酸/乙酸的浓度比值对生物除磷(EBPR)的影响.结果表明,突然增加丙酸/乙酸浓度比值,导致短时间内系统生物除磷的效果变差;但经过一段时间的驯化后,除磷效果明显变好,溶解正磷酸盐(SOP)的去除效率比改变丙酸/乙酸的浓度比值前提高10%左右.进一步研究表明,除磷效率得到显著提高的原因主要是 SBR2 系统较低的二次磷释放量。
关键词：生物除磷；挥发性有机酸；废水；聚羟基烷
厌氧和好氧生物除磷(EBPR)是废水除磷的一种有效技术.在 EBPR 的厌氧阶段,挥发性脂肪酸(VFAs)被消耗并以聚羟基烷酸(PHAs)的形式储存,PHAs 合成所需要的能量及还原物质通常由胞内聚磷(poly-P)和糖原的降解提供,体系中磷的浓度因此会上升;好氧阶段,聚磷菌依靠氧化胞内PHAs 为微生物生长、 磷吸收和糖原合成提供碳源和能源.由于好氧磷吸收超过厌氧磷释放,通过排泥达到磷去除.VFAs 作为 PHAs 生物合成的底物,在 EBPR 中起着关键的作用.乙酸和丙酸是生活废水中最常见的2种VFAs,但多数关于 EBPR 的研究都以乙酸或葡萄糖作为 PHAs合成的碳源[1-3],只有少数的研究探讨了丙酸对EBPR 的影响[4].作者研究了废水中不同丙酸与乙酸的浓度比值对溶解的正磷酸盐(SOP)厌氧释放、好氧吸收、净去除率的短期和长期影响,并探讨了其中的可能原因。
1 材料与方法
1.1 试验废水
采自上海某污水处理厂,其典型特性为总COD 400mg/L,总氮38mg/L,总磷 0.25mmol/L,乙酸、丙酸含量分别为 1.40, 0.60mmol/L(在 SBR实验的进水中,另外加入约 0.81mmol/L TP 和2.5mmol C/L VFAs)。1.2 SBR 运行与实验 在 2 个序批反应器(SBR)中进行,每个反应器体积3L.接种污水厂活性污泥,每天3个循环,每循环包括120min厌氧段和240min好氧段,其余为辅助或闲置时间.环境温度20℃;两SBR反应器加入废水后再加入 2.5mmolC/L 的乙酸,运行 4 个月后,SBR2 变为添加2.5mmolC/L 的丙酸;平均细胞停留时间(MCRT)控制在 9d左右。
1.3 分析方法
PHAs 采用气相色谱法[5];VFAs 采用气相色谱法[6];糖原采用蒽酮法测定[7];SOP 采用Vanadate-Molybdate 方法测定[8]。
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2 结果与讨论
2.1 2 个 SBR 中乙酸、丙酸和SOP 的变化
图 1 的横轴上-1d 表示以 SBR2 中进水补加乙酸切换为丙酸的前 1d.由图 1 可见,SBR1 中乙酸、丙酸、SOP 的浓度的平均值分别为 3.95, 0.61mmol C/L 和 0.78mmol P/L,丙酸对乙酸的浓度比值平均为 0.16。SBR2 中乙酸、丙酸、SOP浓度平均值分别为 1.42, 2.93mmol C/L 和0.80mmol P/L,丙酸/乙酸的浓度比值平均为2.06.从进水数据可以看出,两个SBR间丙酸与乙酸的比值明显不同。
图1 2个SBR进水中乙酸、丙酸和SOP的变化
实验表明,第 30d 和 70d 时两个 SBR 的 pH值变化情况相似,因此本研究忽略 pH 值对 2 个SBR 的影响。
由图 2 可见,在厌氧开始时,乙酸和丙酸的消耗非常快,45min 内被完全消耗.在这段时间内,2个反应器中SOP的释放也非常快,分别占总释放量的 90%和 95%.值得注意的是,在 45~120min内,SBR1 比 SBR2 对 SOP 二次释放的程度更高,大致等于好氧结束时两反应器净 SOP 去除量之差.这可能是导致 SBR2 比 SBR1 的除磷效率高的主要原因.
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从图2中还可以看出,好氧段SBR1和SBR2中分别有大约 55%和 60%的 SOP 在起初的30min 内被快速吸收.这些现象在所有实验中都是一致的,而且吸收的 SOP 都大大超过释放的SOP.此外,SBR1 和 SBR2 中的 SOP 吸收与 SOP释放的比例分别为1.29和1.36.显然, SBR2具有更高的 SOP 吸收与释放的比率。随着厌氧阶段VFAs 消耗、 SOP 释放及聚羟基丁酸(PHB)、聚羟基戊酸(PHV)的合成,微生物细胞的多糖被利用,结果见图 3.两反应器中的PHB 和 PHV 在厌氧条件的初始 45min 合成,与VFAs 和 SOP 的变化是一致的.SBR1 中合成的PHB 远多于 SBR2,但厌氧结束时 PHV 却少于SBR2.尽管两反应器中加入相同摩尔碳的 VFAs,但 SBR1 的 PHAs(PHB 与 PBV 之和)却高于SBR2.在好氧段,SBR1 和 SBR2 中 SOP 吸收与PHAs 降解的比例分别为 0.36,0.59。
2.2 2 个SBR 中SOP 去除
2 个 SBR 进水 SOP 稍微有些不同,它们的SOP 去除率结果见图 4.在乙酸切换为丙酸的前1d, SBR1和SBR2中SOP的去除率分别为73.2%和 77.3%,SBR2 高于 SBR1 4.1%.然而到补加丙
酸的第 6d,SBR2 的 SOP 去除率却低于 SBR17.7%.显然,突然将进水中补加的乙酸换为丙酸,将导致系统除磷功能的降低.随着培养时间的增加,从第 13d 以后,SBR2 的 SOP 去除率平均高于SBR1 10%以上.这表明,SBR2系统中的聚磷菌经过一段时间的驯化后,其除磷效果得到显著提高,而且比 SBR1 还高.图 5 还给出了好氧结束时SOP 浓度变化.可见,在 SBR2 运行稳定后(13~ 83d),其SOP 的浓度都低于 SBR1。
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3 结论
3.1 污水在序批式反应器运行过程中,突然增加废水中丙酸/乙酸的浓度比值,将立即导致系统除磷效率的明显下降,出水中磷的含量上升.然而,当系统经过一段时间的驯化后,高丙酸/乙酸的浓度比值除磷效果比低的除磷效果要高 10%左右。
3.2 SBR2 比 SBR1 的除磷效率高的原因可能是SBR2 具有较低的二次 P 释放。
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