三维荧光光谱解析城市污水有机物的去除特征

李海波,孙 晨,刘晓玲,田智勇*,向连城,王思宇,周北海



三维荧光光谱解析城市污水有机物的去除特征

李海波1,2,3,孙 晨2,3,刘晓玲2,3,田智勇2,3*,向连城2,3,王思宇2,3,周北海1

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083；2.中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012；3.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地,北京 100012)

利用荧光区域积分结合物料平衡计算及多元直接梯度分析,考察强化除磷-硫自养系统对低COD/TN比市政污水中有机物、氮和磷污染物的去除特性.结果表明,在进水COD/TN比为4.5~6.0的条件下,强化除磷-硫自养系统出水中的TN、NH4+-N和TP浓度分别降至1.31、1.11和0.23mg/L,其去除率分别达到了96.3%、96.0%和86.9%.强化除磷-硫自养系统对荧光区域Ⅰ~Ⅴ标准积分体积的去除率分别为73.7%、64.3%、50.6%、61.3%和28.1%.物料平衡计算表明,非曝气区对荧光区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的物质有明显的去除效果;好氧区对荧光区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的物质有明显的去除效果.多元直接梯度分析表明,磷的释放过程可能与溶解性微生物代谢产物荧光区中的有机物相关,而自养的硝化反应、吸磷过程和有机物的去除可在好氧区达到统一.

低COD/TN比市政污水；溶解性有机物；荧光区域积分；物料平衡；多元直接梯度分析

有机物及氮磷过量排放所引发的环境问题引起国内外学者的关注[1-4].国家"水污染防治行动计划"提出,现有城镇污水处理厂应分类分阶段提标改造,使出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)一级A[5].由于市政污水COD/TN比普遍较低(4~6),污水处理厂现有工艺难以满足出水排放要求[6-8].但是将强化除磷与硫自养两个工艺单元相结合,可能实现氮磷污染物的高效去除.然而,国内外针对强化除磷-硫自养系统的研究却鲜少涉及.

在强化除磷-硫自养系统中,进水中溶解性有机物的类型及含量可显著影响工艺的生物处理效果,系统出水也可影响受纳水体的水环境[9-13].然而,现有研究常采用COD作为水处理过程中溶解性有机物去除的表征手段.这难以反映各工艺单元微生物对不同类型溶解性有机物去除效果的差异性[14-15].由于三维荧光光谱技术可获得荧光有机物完整的光谱信息,故该技术被广泛用于水环境中有机物的识别和解析[16-20].

本研究在考察强化除磷-硫自养系统对氮磷污染物的去除效果的基础上,采用三维荧光光谱技术结合荧光区域积分方法,分析了溶解性有机物在强化除磷-硫自养系统不同单元中的变化规律.同时,配合物料平衡计算研究了溶解性有机物在上述系统中的去除特性.此外,通过多元直接梯度分析评估标准化荧光体积与氮、磷污染物浓度及去除量之间的相关性,以期为强化除磷-硫自养系统的正常运行及管理提供一定的参考意义.

1 材料与方法

1.1 试验系统和样品的采集

试验装置位于国电沈阳北部污水处理厂,试验污水取自该污水处理厂进水管网,水质特性见表1所示.

表1 强化除磷-硫自养系统进水水质特性 Table 1 Influent characteristics of Enhanced Biological Phosphorus Removal-Sulfur Autotrophic system

市政污水处理工艺采用强化除磷-硫自养系统,工艺流程图如图1所示.各功能区的有效容积为:0.831m3(预缺氧区)、1.164m3(厌氧区)、2.769m3(好氧区)和1.070m3(二沉池);各功能区的水力停留时间分别为:1.49h、2.08h、4.95h和1.91h.强化除磷工艺段的进水流量为0.56m3/h;预缺氧区和厌氧区的分段进水比例为3:7;污泥回流比为100%.好氧区溶解氧控制在1.8~2.5mg/L.污泥浓度控制在2300~ 2700mg/L.通过排放剩余污泥,系统的污泥龄控制在17~23天.由于进水COD/TN比较低(4.5~6.0),导致强化除磷工艺段出水总氮主要以硝酸盐氮的形式存在.为强化脱氮效果,硫自养工艺段用于处理强化除磷工艺段的出水.硫自养反应器采用上流式运行方式,其有效高度和内径分别为75cm和14cm.粒径为3~4mm的颗粒硫磺和0.8~1.2mm的石灰石按照质量比2:1均匀填装至硫自养反应器,填装高度为70cm,孔隙率为45.7%.硫自养工艺段的实际水力停留时间设定为10min,即空床水力停留时间为22min,故实际上升流速为4.2m/h,表观上升流速为1.92m/h.

污水样品沿进水、预缺氧区、厌氧区、好氧区、二沉池和硫自养区依次采集.样品经孔径为0.45μm玻璃纤维滤膜过滤后,装入玻璃瓶中,储存于4℃冰箱中.

1.2 样品测量方法

溶解性COD采用COD快速消解测定仪(5B-3C,连华科技股份有限公司)进行测定.总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)和总磷(TP)根据《水和废水监测分析方法(第四版)》[21].

三维荧光光谱通过荧光分光度计测定(F-7000,日本日立公司).其参数设定为:PMT电压:700V;激发波长Ex:200~450nm;发射波长为Em:260~500nm;狭缝宽带:Ex=5nm,Em=5nm;扫描速度:1200nm/min.在1cm石英荧光比色皿中测定,试验空白水为Milli-Q超纯水.

1.3 荧光数据分析

三维荧光光谱在分析之前,样品的荧光强度减去空白水样的荧光强度,以修正样品的瑞利散射和拉曼散射所影响的荧光区域.随后再使用荧光区域积分对三维荧光光谱进行定量分析.荧光区域积分分析参考姚璐璐等的方法[22].具体为:将三维荧光光谱分为5个区域,区域Ⅰ为芳香蛋白类物质Ⅰ荧光区,范围为Ex/Em= 200~250nm/ 260~320nm;区域Ⅱ为芳香蛋白类物质Ⅱ荧光区,范围为Ex/Em=200~250nm/320~ 380nm;区域Ⅲ为富里酸类物质荧光区,范围为Ex/Em=200~ 250nm/380~550nm;区域Ⅳ为溶解性微生物代谢产物荧光区,范围为Ex/Em= 250~450nm/260~ 380nm;区域Ⅴ为腐殖酸类物质荧光区,范围为Ex/Em= 250~450nm/380~550nm.

通过Origin8.0软件计算积分体积C,即得到荧光区域i的累积荧光强度.然后对区域i的积分体积进行标准化,得到区域的积分标准化体积C,n,从而反映了荧光区域中特定结构有机物的相对含量.相关计算公式见式(1)和(2)[15].

=MFdd(1)

式中:C为荧光区域的积分体积,au·nm2;C为荧光区域的标准积分体积,au·nm2;为激发波长,nm;em为发射波长,nm;(exem)为激发、发射波长对应的荧光强度,au;MF为倍增系数,等于荧光区域的积分面积占总荧光区域积分面积比例的倒数;S为总荧光区域积分面积,nm2;S为荧光区域i的积分面积,nm2.

此外,基于物料平衡,计算不同类型有机物在强化除磷-硫自养系统中各功能区的去除率.

1.4 标准积分体积与溶解性COD浓度及氮磷污染之间的关系

为研究荧光指数与溶解性有机物浓度之间的相关性,线性回归方程用于拟合溶解性COD浓度和各区域标准荧光体积,见公式(3)

式中:为溶解性COD的浓度,mg/L;为区域的标准积分体积,au·nm2;,0为常数.

另外,利用Canoco for Windows 4.5软件进行多元直接梯度分析,计算标准化荧光体积与氮、磷污染物浓度及去除量之间的相关性,从而评估各类有机物与氮、磷污染物在强化除磷-硫自养系统中相互作用关系.

2 结果与讨论

2.1 强化除磷-硫自养系统的脱氮除磷效果

强化除磷-硫自养系统对氮磷污染物的去除性能如图2所示.强化除磷工艺段主要用于去除有机物、氮和磷.预缺氧区中,由于回流污泥的稀释作用,TP浓度由进水的1.80mg/L降至0.71mg/L.70%的进水流入厌氧区,TP浓度由1.09mg/L升至6.57mg/L,这表明磷在厌氧区聚磷菌的作用下得到了较好的释放.好氧区中,聚磷菌通过聚磷作用使该区出水中的TP浓度降至0.13mg/L.

TN、NH4+-N和NO3--N在强化除磷工艺段的变化呈现较大的差异.预缺氧区中NO3--N浓度明显降低,从二沉池的11.2mg/L降至2.07mg/L.原因如下:预缺氧区中的反硝化微生物利用30%进水中的有机物通过反硝化作用有效去除了回流污泥中携带的NO3--N.这避免了厌氧区中聚磷菌和反硝化菌对有机物的竞争,有利于该区磷的释放[23-24].厌氧区中,TN主要以NH4+-N的形式存在,其浓度达到14.3mg/L.在好氧区中,NH4+-N经硝化作用转化为NO3--N,NH4+-N浓度降至1.61mg/L,而NO3--N浓度升至11.1mg/L.二沉池中NO3--N浓度占TN含量的81.8%.强化除磷工艺段对磷、氨氮达到较好的处理效果,TP和NH4+-N去除率分别达到91.0%和94.2%.但由于进水COD/TN比较低,导致该工艺段对TN的去除率偏低,只有58.3%,且出水氮污染物主要以NO3--N形式存在.故硫自养工艺段用于进一步处理强化除磷工艺段出水中的NO3--N.硫自养工艺段出水中TN、NH4+-N和NO3--N的浓度分别为:1.31、1.11和0.36mg/L,强化除磷工艺段出水经硫自养工艺段处理后NO3--N和TN浓度明显降低.结果表明,在低碳氮比条件下(4.5~6.0),强化除磷-硫自养系统获得了良好的脱氮除磷效果,TP和TN去除率达到了86.9%和96.3 %.

2.2 强化除磷-硫自养系统中溶解性有机物的三维荧光光谱特性变化

溶解性有机物在强化除磷-硫自养系统中各功能区的三维荧光光谱特性见图3.进水的三维荧光光谱中有4个明显的荧光峰(B1、B2、T1和T2).峰B1和B2分别位于荧光区域Ⅰ和Ⅳ,其荧光峰的中心分别位于Ex/Em=225~235nm/305 ~315nm和Ex/Em=275~280nm/305~310nm,属于类酪氨酸荧光峰[11,20].峰T1和T2分别位于荧光区域Ⅱ和Ⅳ,其荧光峰的中心分别位于Ex/Em= 225~235nm/345~350nm和Ex/Em= 280nm/350~ 355nm,属于类色氨酸荧光峰[11,22].荧光强度表明类酪氨酸和类色氨酸物质为进水中溶解性有机物的主要成分,这两类蛋白物质可能来源于洗涤废水、排泄物和餐厨废液等[25].经强化除磷工艺处理后,类蛋白物质荧光峰B1、B2、T1和T2的荧光强度明显下降,表明该工艺段可显著降解类蛋白物质.但荧光峰B1和T1的荧光强度在硫自养工艺段中略有增长.这是由于硫自养反硝化过程中产生与荧光峰B1、T1相关的类蛋白代谢产物,而硫自养微生物属于自养型微生物,不能将有机物有效降解所导致.

进水中还含有1个峰值不突出的肩峰C1,位于荧光区域Ⅴ,荧光峰中心位于Ex/Em=315~ 320nm/405~410nm,属于类可见光区富里酸荧光峰[26-27].荧光强度表明与荧光峰C1相关的腐殖质类物质为进水中溶解性有机物的次要成分,这类物质可能来源于饮用水处理过程中残留的类腐殖质物质[28].与荧光峰B1、B2、T1和T2相比,富里酸荧光峰C1的荧光强度在强化除磷-硫自养系统处理前后变化较小,表明微生物对类富里酸物质的去除效果不如类蛋白物质.

在强化除磷-硫自养系统中出现了一个新的荧光峰A1,其中心位于Ex/Em=240~250nm/390~ 410nm,属类紫外光区富里酸荧光峰[26-27].在硫自养工艺段中出现了荧光峰C2,荧光峰中心位于Ex/ Em=270nm/410~415nm,属类紫外光区富里酸荧光峰.微生物可产生多种类型的分泌物,包括蛋白质、辅酶、腐殖质等[29-30].新出现的荧光峰A1和C2可能与微生物的代谢活动相关,而这些物质的可生化性较差造成了其在水处理系统中的积累[22].

2.3 溶解性有机物在强化除磷-硫自养系统的去除特性

标准积分体积可间接反映污水处理中各类溶解性有机物的相对含量[22].根据荧光区域积分方法结合物料平衡计算分析强化除磷-硫自养系统中各功能区的三维荧光光谱图,得到了各功能区的5个荧光区域的标准积分体积变化及其去除率(图4).从图4(a)可见,进水中芳香蛋白类物质Ⅰ(区域Ⅰ)和芳香蛋白类物质Ⅱ(区域Ⅱ)的标准积分体积分别为1.41×106au·nm2和2.16×106au·nm2,这两个荧光区的信号分别由类酪氨酸和类色氨酸物质引起,是污水中的主要污染物质.其次,溶解性微生物代谢产物荧光区(区域Ⅳ)的标准积分体积为9.80×105au·nm2,该区主要由蛋白、辅酶、小分子有机酸、色素等物质的荧光引起[8,21].芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ和溶解性微生物代谢产物的标准积分体积在经过强化除磷-硫自养系统后,分别下降至3.70×105au·nm2、7.71×105au·nm2和3.79×105au·nm2;与进水相比它们的相对含量分别下降了73.7%、64.3%和61.3%.芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ和溶解性微生物代谢产物的降解特性在强化除磷-硫自养系统的各功能区呈现较大的差异性,见图4(b)所示.芳香蛋白类物质Ⅰ和溶解性微生物代谢产物主要在预缺氧区、厌氧区和好氧区得到降解,而芳香蛋白类物质Ⅱ主要在厌氧区和好氧区得以去除.芳香蛋白类物质Ⅰ和芳香蛋白类物质Ⅱ在预缺氧区、厌氧区和好氧区的去除率皆逐渐升高.对于芳香蛋白类物质Ⅰ,去除率在3个单元分别达到7.54%、25.0%和50.7%;而对于芳香蛋白类物质Ⅱ,它们分别为1.48%、17.1%和52.7%.溶解性微生物代谢产物在预缺氧区、厌氧区和好氧区的去除率比较平均,在15.8%~25.5%之间.上述结果表明,芳香蛋白类物质Ⅰ和芳香蛋白类物质Ⅱ需经非曝气区的预处理过程初步降解,然后在好氧区得到大量的去除;而溶解性微生物代谢产物荧光区的物质均可被非曝气区和曝气区的微生物较好的利用.

进水中富里酸类物质荧光区(区域Ⅲ)的标准积分体积为3.81×105au·nm2,其荧光信号主要由类紫外光区富里酸、酚类、醌类等物质产生[14].而腐殖酸类物质荧光区(区域Ⅴ)的标准积分体积为5.54×104au·nm2,该荧光区域主要与可见光区富里酸、胡敏酸、多环芳烃等分子量较大且芳构化程度较高的有机物相关[20,24].经强化除磷-硫自养系统处理后,富里酸类物质荧光区的标准积分体积降至2.02×105au·nm2,降幅为50.6%,而且富里酸类物质荧光区的物质主要集中在强化除磷-硫自养系统的好氧区降解,在该区的去除率为54.6%;而腐殖酸类物质荧光区的标准积分体积降至3.98×104au·nm2,其降幅最小仅为28.1%,并且腐殖酸物质荧光区的物质主要在预缺氧区、厌氧区和好氧区得到降解,其去除率在7.77%~12.1%之间.结果表明,好氧区的微生物对富里酸类物质荧光区的物质有明显的去除效果;而强化除磷-硫自养系统对腐殖酸物质荧光区的物质去除效果相对较差.

物料平衡分析结果表明,非曝气区(预缺氧区和厌氧区)主要对芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ和溶解性微生物代谢产物荧光区的物质有明显的去除效果;对腐殖酸类物质荧光区的物质也有去除效果;而对富里酸类物质荧光区的物质基本没有去除效果.好氧区则对各荧光区所代表的物质均有去除效果,尤其是对位于芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ和富里酸类物质荧光区的物质.此外,位于芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ和富里酸类物质荧光区的物质在硫自养工艺段有少量释放,导致这些物质在该工艺段去除率的下降.这可能与硫自养微生物分泌的代谢产物相关.硫自养微生物属于自养型微生物,利用无机碳作为碳源,因此代谢过程中产生的代谢产物不能被硫自养微生物降解,这就造成了该类物质在硫自养工艺段的积累.相比之下,强化除磷工艺段中各荧光区域的标准积分体积是呈现下降趋势的.虽然在强化除磷工艺段中微生物也会产生代谢产物,但产生的物质可以被工艺中的异养微生物作为碳源或电子供体所利用.

2.4 标准积分体积与溶解性COD及氮磷污染物之间的关系

溶解性COD代表了溶解性有机物的总含量,而各区域的标准积分体积反映了不同类型物质的相对含量,两者的变化存在一定的相关性.因此,利用线性回归方程=+C,拟合溶解性COD浓度与各区域的标准化积分体积(图5).拟合结果显示,各区域的标准积分体积与溶解性COD浓度呈正相关,相关性大小顺序为:区域Ⅳ>区域Ⅰ>区域Ⅴ>区域Ⅱ>区域Ⅲ.因此,采用荧光区域的标准积分体积可反映各类溶解性有机物在强化除磷-硫自养系统中的变化趋势.

多元直接梯度分析用于评估标准化标准积分体积与氮、磷之间的相互作用关系(图6).其中,箭头代表氮、磷理化因子在平面上的相对位置,箭头越长,说明其作用越大;样点-中心连线与箭头的夹角,代表了样本与理化因子之间的相关性(锐角,正相关;钝角,负相关;直角,不相关);样点(或各区域的标准积分体积及去除量)对箭头的连线做投影,投影点距离箭头越近,说明该环境因子对样点产生的影响越大.

图6表明,区域Ⅰ~Ⅴ的标准积分体积与厌氧区的相关性最大,这是由于厌氧区接纳了70%的污水,使得标准积分体积在厌氧区最大所致.荧光区域Ⅰ~Ⅲ及荧光区域Ⅳ的标准积分体积去除量分别与好氧区及厌氧区的相关性最大,这是因为芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ和富里酸类物质荧光区的物质在好氧区得到了最大量的降解,而溶解性微生物代谢产物荧光区的物质在厌氧区的去除量最大.TP浓度与厌氧区及区域Ⅳ标准积分体积的去除量具有较大的相关性,这表明聚磷菌可能利用了区域Ⅳ中的有机物所产生的挥发性脂肪酸和成内贮物(如聚-β-羟基丁酸)并进行聚磷酸盐和糖原的分解,从而在厌氧区达到了良好的释磷效果.由于缺氧区异养反硝化和硫自养工艺段的自养反硝化对氮污染物的去除作用,导致TN和NO3--N的去除与发生在预缺氧区和硫自养反应器中代谢过程相关性较大.由于聚磷菌的好氧吸磷作用和硝化菌的硝化作用,导致TP和NH4+-N的去除量与好氧区相关度较大.另一方面,区域Ⅰ~Ⅲ的荧光物质也主要在好氧区去除,这表明聚磷菌的吸磷过程、硝化反应和有机物的去除可在好氧区达到统一,这是因为进水中较高的有机物在预缺氧区和厌氧区得到了充分的预处理加之污泥回流的稀释作用,进入好氧区的有机质浓度较低,并不影响自养硝化反应的进行,而好氧区对低水平浓度的有机物也有较好的去除效果.

3 结论

3.1 低COD/TN比(4.5~6.0)条件下,强化除磷-硫自养系统出水中的TN、NH4+-N、NO3--N和TP浓度分别达到1.31、1.11、0.36和0.23mg/L,TN和TP的去除率分别为96.3%和86.9%.

3.2 三维荧光光谱表明,类酪氨酸和类色氨酸等蛋白类物质是国电沈阳北部污水处理厂进水中的主要污染物.强化除磷-硫自养系统对荧光区域Ⅰ~Ⅴ标准积分体积的去除率分别为73.7%、64.3%、50.6%、61.3%和28.1%.该系统对类蛋白物质的去除效果要好于类富里酸物质.物料平衡计算结果表明,非曝气区对位于荧光区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ的物质有明显的去除效果,其去除率分别为32.5%、18.6%、43.6%和21.1%;曝气区对各荧光区物质的去除效果要好于非曝气区,其去除率分别为50.7%、52.7%、54.6%、15.8%和11.5%.

3.3 多元直接梯度分析表明,荧光区域Ⅰ~Ⅴ的标准积分体积与厌氧区的相关性最大,而区域Ⅰ~Ⅲ及区域Ⅳ标准积分体积的去除量分别与好氧区及厌氧区的相关度较大,而磷的释放过程可能与区域Ⅳ中的有机物相关,此外,磷的过量吸收、自养的硝化反应和有机物的去除可在好氧区达到统一.

[1] Zhang Y, WANG X C, GE Y, et al. Effects of annual harvesting on plants growth and nutrients removal in surface-flow constructed wetlands in northwestern China [J]. Ecol. Eng., 2015, 83:268-275.

[2] Huang J, Xu J, Liu X, et al. Spatial distribution pattern analysis of groundwater nitrate nitrogen pollution in Shandong intensive farming regions of China using neural network method [J]. Math. Comput. Model., 2011,54:995-1004.

[3] 范 彬,曲久辉,刘锁祥,等.饮用水中硝酸盐的脱除 [J]. 环境污染治理技术与设备, 2000,1:44-50.

[4] Show K, Lee D, Pan X. Simultaneous biological removal of nitrogen–sulfur–carbon: Recent advances and challenges [J]. Biotechnol. Adv., 2013,31:409-420.

[5] 中华人民共和国国务院.水污染防治行动计划 [M]. 北京:人民出版社, 2015.

[6] Henze M, Van Loosdrecht M C M, Ekama G A, et al. Biological wastewater treatment: principles, modelling and design [M]. London: IWA Publishing, 2008.

[7] Cao G, Wang S, Peng Y, et al. Biological nutrient removal by applying modified four step-feed technology to treat weak wastewater [J]. Bioresour. Technol., 2013,128:604-611.

[8] Chen Y, Li B, Ye L, et al. The combined effects of COD/N ratio and nitrate recycling ratio on nitrogen and phosphorus removal in anaerobic/anoxic/aerobic (A2/O)-biological aerated filter (BAF) systems [J]. Biochem. Eng. J., 2015,93:235-242.

[9] Khin T, Annachhatre A P. Novel microbial nitrogen removal processes [J]. Biotechnol. Adv., 2004,22:519-532.

[10] Oehmen A, Lemos P C, Carvalho G, et al. Advances in enhanced biological phosphorus removal: From micro to macro scale [J]. Water Res., 2007,41:2271-2300.

[11] Chen W, Westerhoff P, Leenheer J A, et al. Fluorescence excitation-emission matrix regional integration to quantify spectra for dissolved organic matter [J]. Environ. Sci. Technol., 2003,37:5701-5710.

[12] Ou H S, Wei C H, Wu H Z, et al. Novel insights into anoxic/ aerobic1/aerobic2biological fluidized-bed process for coke wastewater treatment by fluorescence excitation–emission matrix spectra coupled with parallel factor analysis [J]. Chemosphere, 2014,113:158-164.

[13] 陈 玲.污水处理厂达标外排水对受纳水体及修复植物的影响研究 [D]. 苏州:苏州大学, 2009.

[14] 杨 琳,黄显怀,薛莉娉,等.城市污水处理过程中有机污染物的荧光光谱表征 [J]. 工业用水与废水, 2013,44:10-13.

[15] 高连敬,杜尔登,崔旭峰,等.三维荧光结合荧光区域积分法评估净水厂有机物去除效果 [J]. 给水排水, 2012,38:51-56.

[16] Yang L, Shin H S, Hur J. Estimating the concentration and biodegradability of organic matter in 22wastewater treatment plants using fluorescence excitation emission matrices and parallel factor analysis [J]. Sensors, 2014,14:1771-1786.

[17] 安 莹,王志伟,李 彬,等.盐度冲击下MBR污泥SMP和EPS的三维荧光光谱解析 [J]. 中国环境科学, 2014,34(7):1754- 1762.

[18] Wu J, ZHANG H, HE P J, et al. Insight into the heavy metal binding potential of dissolved organic matter in MSW leachate using EEM quenching combined with PARAFAC analysis [J]. Water Res., 2011,45:1711-1719.

[19] 卢 松,江 韬,张进忠,等.两个水库型湖泊中溶解性有机质三维荧光特征差异 [J]. 中国环境科学, 2015,35(2):516-523.

[20] Yu H, Song Y, Tu X, et al. Assessing removal efficiency of dissolved organic matter in wastewater treatment using fluorescence excitation emission matrices with parallel factor analysis and second derivative synchronous fluorescence [J]. Bioresour. Technol., 2013,144:595-601.

[21] 国家环境保护总局,水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法,第四版 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 2002.

[22] 姚璐璐,涂 响,于会彬,等.三维荧光区域积分评估城市污水中溶解性有机物的去除 [J]. 环境工程学报, 2013,7:411-416.

[23] Zou J, Li Y, Zhang L, et al. Understanding the impact of influent nitrogen concentration on granule size and microbial community in a granule-based enhanced biological phosphorus removal system [J]. Bioresour. Technol., 2015,177:209-216.

[24] Wu D, Ekama G A, Wang H G, et al. Simultaneous nitrogen and phosphorus removal in the sulfur cycle-associated Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) process [J]. Water Res., 2014,49:251-264.

[25] 陈茂福,吴 静,律严励,等.城市污水的三维荧光指纹特征 [J]. 光学学报, 2008,28:578-582.

[26] 吴 静,崔 硕,谢超波,等.好氧处理后城市污水荧光指纹的变化 [J]. 光谱学与光谱分析, 2011,31:3302-3306.

[27] 郝瑞霞,曹可心,邓亦文.城市污水处理过程中有机污染物三维荧光特性的变化规律 [J]. 分析测试学报, 2007,26:789-792.

[28] Bafhoth S A, Sharma S K, Amy G L. Tracking natural organic matter (NOM) in a drinking water treatment plant using fluorescence excitation–emission matrices and PARAFAC [J]. Water Res., 2011,45:797-809.

[29] Barker D J, Stuckey D C. A review of soluble microbial products (SMP) in wastewater treatment system [J]. Water Res., 1999,33:3063-3082.

[30] Li W H, Sheng G P, Liu X W, et al. Characterizing the extracellular and intracellular fluorescent products of activated sludge in a sequencing batch reactor [J]. Water Res., 2008,42: 3173-3181.

* 责任作者, 研究员, hkytzy2008@163.com

Assessing organic matter removal from municipal wastewater by excitation-emission matrix fluorescence

LI Hai-bo1,2,3, SUN Chen2,3, LIU Xiao-ling2,3, TIAN Zhi-yong2,3*, XIANG Lian-cheng2,3, WANG Si-yu2,3, ZHOU Bei-hai1

(1.Department of Environmental Engineering, School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)., 2016,36(8)：2371~2379

A novel Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR)-Sulfur Autotrophic Denitrification integrated system was applied to treatment of municipal wastewater with low COD/TN ratio. Its pollutants removal performance was evaluated by the combination of fluorescence regional integration, materials balance calculation and redundancy analysis. The results showed that, with the influent COD/TN ratio of 4.5~6.0, the average effluent concentrations of TN, NH4+-N and TP were 1.31, 1.11 and 0.23mg/L, and the corresponding removal rates reached 96.3%, 96.0% and 86.9%, respectively. Moreover, the normalized integral volumes of regions I~V were decreased by 73.7%, 64.3%, 46.9%, 61.3% and 31.8%, respectively. Material balance calculation further indicated that the aromatic protein-like and the soluble microbial byproduct-like materials were significantly decreased in the non-aerobic zones; the aromatic protein-like and the fulvic acid-like materials were more effectively removed in the aerobic zone. Meanwhile, redundancy analysis showed that phosphorus releasing was correlated with soluble microbial byproduct-like materials. In addition, autotrophic nitrification, phosphorus uptake and organic matter removal could simultaneously occur in the aerobic zone.

municipal wastewater with a low COD/TN ratio；soluble organic matter；fluorescence regional integration；material balance calculation；redundancy analysis

X703,X132

A

1000-6923(2016)08-2371-09

李海波(1985-),男,山东广饶人,北京科技大学土木与环境工程学院博士研究生,研究方向为水污染控制技术.发表论文8篇.

2016-01-06

国家科技重大水专项课题(2012ZX07202-005, 2013ZX07202-010);国家自然科学基金项目(21306180)