好氧颗粒污泥对污泥碳源的反硝化出水处理效果❋

陈 月， 郭 亮,2,3❋❋， 孙 美

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100； 3.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

好氧颗粒污泥对污泥碳源的反硝化出水处理效果❋

陈 月1， 郭 亮1,2,3❋❋， 孙 美1

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100； 3.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

反硝化出水；好氧颗粒污泥；污泥水解液；反硝化；有机物去除

农药流失、养殖废水和生活污水等均会引起水体中氮浓度的超标，导致水体的富营养化现象，造成水环境恶化，危害人类及其他生物健康[1]。目前，废水生物脱氮最常用的方法是硝化与反硝化过程联合，反硝化是以有机物为电子供体，把硝酸盐转化为氮气释放出来的过程[2]，但实际污水的C/N低，脱氮过程中有机碳源不足，结果导致脱氮效率低下[3]。目前解决该问题的主要方法之一是添加外加碳源，如甲醇等，但由于添加成本较高，在实际生产中没有被广泛运用。如何降低废水反硝化碳源的成本是生物脱氮面临的主要问题[4]。

活性污泥法因处理污水效率高、出水水质好在我国被广泛应用，但在污水处理过程中产生大量剩余污泥，并逐年增加[5]，若处置不当将会带来二次污染。剩余污泥中含有丰富的有机质，是一种优质碳源[6]。吴一平等[7]以初沉污泥厌氧水解酸化液为反硝化的碳源，发现初沉污泥水解酸化液的脱氮速率是投加甲醇脱氮速率的1.33倍。由于污泥微生物细胞中含有各种蛋白质和糖类等复杂的有机物，造成污泥碳源利用不完全，反硝化出水中仍存在一定量的SCOD和氨氮，导致出水不达标。

好氧颗粒污泥是由细胞自凝聚组成的一种特殊生物膜结构，因污泥浓度高，沉降性能好，微生物种群多样已经成功用于多种废水的处理[8]。但好氧颗粒污泥对污泥做碳源反硝化出水的处理鲜有报道。因此，本试验利用SBR反应器接种好氧颗粒污泥，探究好氧颗粒污泥对污泥水解液做碳源的反硝化出水中有机物和含氮化合物的去除效果，用三维荧光光谱技术(EEM)结合荧光积分区域分析方法(FRI)解析溶解性微生物产物(SMP)的组分构成及利用情况，为污泥碳源的利用提供必要的补充。

1 材料和方法

1.1 反应器设置及运行

实验采用高140 cm、内径5.5 cm、工作体积2 L的SBR反应器，反应器接种200 mL性状良好的成熟好氧颗粒污泥。该颗粒污泥SS为4.12 g/L，SVI为19 mL/g。反应系统采用序批式操作，周期为8 h，分别为进料40 min、曝气430 min、沉降9 min、排水1 min。进水pH在7.5～8.5，反应器中水温为(14±1) ℃，曝气速率为1.7 cm/s。

1.2 分析方法

EEM光谱的测定采用荧光分光光度计(Hitachi F-4500, 日本日立公司)。EEM光谱数据采用积分区域法解析(FRI)[12]。将三维荧光光谱划分为5个区域，代表的五类有机物和相应的激发发射波长范围为酪氨酸类(Ⅰ)Ex/Em=(200～250)nm/(200～330)nm; 色氨酸类(Ⅱ)=Ex/Em=(200～250)nm/(330～380)nm; 富里酸类(Ⅲ)Ex/Em=(200～250)nm/(380～500)nm；溶解性细胞物质(Ⅳ)Ex/Em=(250～400)nm/(200～380)nm；腐殖酸类(Ⅴ)Ex/Em=(200～250)nm/ (380～500)nm。采用FRI技术对EEM光谱的区域进行积分，荧光区域i的积分体积为Φi，即具有相似性质有机物的累积荧光强度。对荧光区域i的积分体积进行标准化，得到标准化区域体积Φi。n、Φt,n，采用等式(1)和(2)计算，从而反应某区域特定结构有机物的相对含量。最后计算某荧光区域积分标准体积占总积分标准体积的比例Pi,n，用等式(3)计算。

Φi,n=MFiΦi=MFi∑ex∑emI(λexλem)ΔλexΔλem，

(1)

ΦT,n=∑Φi,n，

(2)

Pi,n=Φi,n/ΦT,n×100。

(3)

式中：Φi,n为荧光区域i的积分标准体积；Φi为荧光区域i的积分体积，au·nm2；λex激发波长，nm；λem发射波长，nm；I(λexλem) 激发，发射波长对应的荧光强度，au；Pi,n某一荧光区域i的积分标准体积占总积分标准体积的比例，%；MFi倍增系数，等于某一荧光区域i的积分面积占总的荧光区域积分面积比例的倒数。

2 结果与分析

2.1 反应器运行试验结果及讨论

利用三维荧光技术检测反应器进出中溶解性有机物的组成及变化。图2所示为一组进出水的荧光光谱，在进水EEM光谱的EX/Em=275/325 nm位置出现了一个相对较强的荧光峰，属于溶解性细胞物质 (Ⅳ)。另外在区域 Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ都出现了相对较弱的荧光峰，分别代表类色氨酸、类富里酸和类腐殖酸物质。经过好氧颗粒污泥的处理后，类腐殖酸(Ⅴ)的荧光强度增加了18.0%，其他区域荧光强度均下降，尤其以Ⅰ区、Ⅱ区的类蛋白荧光强度下降最明显，分别降低了36.8%和40.8%，说明蛋白类有机物属于易被生物降解的物质。

用FRI技术对图2中进出水的EEM光谱进行计算，分别得出各水样中5个区域标准体积所占的比例Pi，n。反硝化出水中类蛋白物质 (PⅠ，n和PⅡ，n)所占比例约为50%，在好氧颗粒污泥处理后，其值降低了22.2%。类蛋白物质属于SMP中的基质利用相关型产物 (UAP)，主要来源于微生物分解基质释放出的产物和外源底物的有机碳化合物，可以继续被微生物降解[15]。类富里酸(Ⅲ)所占比例保持相对稳定，微生物细胞物质 (Ⅳ)和类腐殖酸(Ⅴ)所占比例均上升。反硝化出水中可利用的有机物很少，当可利用基质被耗尽时，微生物只能通过胞内物质的代谢来满足自身的能量需求，从而产生生物量相关型 (BAP)的SMP，即细胞裂解或衰亡产生的芳化程度高的大分子难降解物质[14]。主要存在于Ⅳ区和Ⅴ区中，最终导致Ⅳ和Ⅴ的占比增加。

图1 反应器进出水水质变化

Fig.1 Variation of substrates in SBR reactor

图2 SMP的EEM光谱和荧光区域标准积分体积组成(W: 未加水解液)

2.2 提高进水COD负荷的反应器性能

由于反硝化出水中残留的有机碳源不易被反硝化菌等微生物利用，造成反硝化出水的反硝化效果差。因此在反硝化出水中添加一定量的污泥水解液碳源，使SCOD维持在400～600 mg/L，反应器运行试验结果见图3。

图3 反应器进出水水质变化

Fig.3 Variation of substrates in SBR reactor

加入水解液后SMP的三维荧光测定结果和FRI计算结果如图4所示。在反硝化出水和水解液混合液的EEM光谱中，溶解性细胞物质(Ⅳ)的荧光峰最明显。在好氧颗粒污泥处理后，Ⅳ区的荧光峰消失，5个区域的荧光强度均下降。Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区的荧光强度分别下降了74.1%、66.1%和79.4%。Ⅳ区主要包括蛋白、小分子有机酸等物质容易被降解[15]。酪氨酸类(Ⅰ)和色氨酸类(Ⅱ)也属于易生物降解有机物[16]，而Ⅲ区包含的富里酸、醌类物质，Ⅴ区包含的腐殖酸、胡敏酸和多环芳烃等物质，不易被继续利用[17]。由FRI计算结果也可知，在反硝化出水和水解液的混合液中，溶解性细胞物质(Ⅳ)和类蛋白物质(Ⅰ和Ⅱ)的Pi,n分别为47%和26.5%，出水各降低到38.1%和14.9%。类富里酸和类腐殖酸所占比例(PⅢ，n和PⅤ，n)均上升。

图4 SMP的EEM光谱和荧光区域标准积分体积组成(J: 加入水解液)

2.3 反应时间的变化

图5 SBR循环周期内底物的变化和SMP的荧光区域标准积分体积组成

3 结论

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Study on Effect of Aerobic Granules Treatment on Denitrification

Key words: denitrification effluent; aerobic granules; hydrolysate; denitrification; organics removal

责任编辑 庞 旻

Effluent Used Sludge Hydrolysate as Carbon Sources

CHEN Yue1, GUO Liang1,2,3, SUN Mei1

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Laboratory of Ocean Environmental Geology Engineering, Shandong Province, Ocean University of China, Qingdao 266100，China;3.The Key Laboratory of Marine Environmental and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

国家自然科学基金项目(51208481)资助 Supported by the Natural Science Foundation of China (51208481)

2016-07-01；

2016-11-16

陈月(1989-)，女，硕士生。

❋❋ 通讯作者：E-mail：geletu@ouc.edu.cn

X703.1

A

1672-5174(2017)09-104-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20160242

陈月， 郭亮， 孙美.好氧颗粒污泥对污泥碳源的反硝化出水处理效果研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2017, 47(9): 104-109.

CHEN Yue, GUO Liang, SUN Mei.Study on effect of aerobic granules treatment on denitrification effluent used sludge hydrolysate as carbon sources[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(9): 104-109.