C/N对以消化污泥为碳源的反硝化效果影响*

2018-10-17刘元军韩英越郭一丁

中国海洋大学学报（自然科学版） 2018年12期

郭亮，刘元军，赵悦，韩英越，郭一丁

(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)

中国现行污水处理厂大多采用生物硝化反硝化工艺进行污水脱氮处理，反硝化菌利用污水中有机物作为电子供体将硝酸盐转化为氮气，从而达到脱氮效果。然而进水碳源匮乏是中国污水厂普遍面临的问题，碳源不足造成生物系统脱氮除磷效率低下和出水水质不稳定[1]。为了提高脱氮效率，在反硝化的过程中通常要加入大量的外碳源作为反硝化的能量，其中甲醇是最常用的反硝化碳源，但投加甲醇会大幅度增加污水处理成本，且往往会增加出水中的COD[2]。

Moser等[3]研究发现，初沉污泥水解产物中84%是易生物降解的短链脂肪酸，剩余污泥含有大量的有机质，是一种较理想的碳源。与投加外部碳源相比，充分发掘污水厂潜在的“内碳源”，无疑是绿色、可持续的发展方向[4]。近年来剩余污泥的水解发酵液作为反硝化碳源的研究逐渐成为热点[5-6]。Liu等[7]研究发现，使用初沉污泥发酵液作为补充碳源比用甲醇、乙酸和丙酸为碳源的反硝化效果更好。曹艳晓等[8]研究发现，剩余污泥碱解上清液回用于生活污水反硝化阶段,可提高反硝化速率。Gali等[9]发现，初沉污泥的水解产物作为碳源的反硝化速率比二沉污泥水解产物作碳源时高6倍左右。吴一平等[2]研究发现，初沉污泥水解产物为碳源进行反硝化，脱氮速率是投加甲醇的1.33倍。

三维荧光光谱(Excitation-Emission Matrix，EEM)技术具有灵敏度高、选择性好、不破坏样品等优点，广泛应用于测定水体中的溶解性有机物(DOM)[10]。根据荧光峰的位置及荧光强度可获得特定光谱范围内的DOM的化学组分构成及整体有机物分布[11]。三维荧光光谱分析技术也存在一定的局限及缺陷，所检测的物质必须有一定的吸收激发光的结构并且需要具有较高的荧光量子产率，另外温度，pH等环境因素对荧光强度也有一定的影响[12]。

1 材料与方法

1.1 污泥来源及发酵液制备

污泥取自青岛团岛污水处理厂初沉池，使用前将污泥过网筛筛去大颗粒物质，保存于4 ℃冰箱，然后对污泥进行嗜热菌预处理：将初沉污泥与培养好的嗜热菌按50∶1的比例混合均匀，置于水浴振荡器中振荡水解(65 ℃，150 r/min)12 h。将预处理后的样品转移至发酵罐中，充氮气直至厌氧，迅速密封发酵，转数为100 r/min，发酵60 h。发酵完成后4 000 r/min离心10 min得到发酵上清液，置于4 ℃冰箱中保存备用。

1.2 反应器及运行方式

实验采用SBR反应器，工作体积2 L，高25 cm、内径12 cm。反应器以“进水-搅拌-静置-出水-闲置”模式运行，反应器内温度控制在(25±2) ℃。反应器运行时间8 h，包括7 min进水，7 h搅拌，40 min静置，3 min出水，10 min闲置。反应器稳定后，测定一个周期内指标变化。

1.3 模拟污水成分

进水氮源为KNO3，硝氮浓度设定为50 mg/L；碳源为发酵液，碳氮比(C/N)按实验设计(9，8，7，6，5，4，3)进行调整；磷源为KH2PO4，碳磷比(C/P)为20；另外每升进水中加100 mg NaHCO3和1 mL微量元素[13]。

1.4 分析方法

荧光光谱用荧光分光光度计(F-4500，日本日立公司)测定。为消除拉曼散射和瑞利散射的影响，在三维荧光数据解析前进行预处理[16]。Chen等[17]提出的积分区域法(FRI)已成功用于解析水体的三维荧光光谱图。FRI方法按照有机物的类型将三维荧光区域分为5个区域，包括：蛋白质类物质酪氨酸、蛋白质类物质色氨酸、富里酸类物质、溶解性微生物代谢产物、腐殖酸类物质[18]。积分区域法计算某荧光区域的积分体积(Φi)，标准化体积(Φi,n)，表示这一区域的某一结构有机化合物含量的相对值，计算公式见(1)～(3)。

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

(1)

ΦT,n=∑Φi,n，

(2)

Pi,n=Φi,n×100%。

(3)

式中：Φi,n为荧光区域i的积分标准体积；Φi为荧光区域的积分体积,au·nm2；λex为激发波长，nm；λem为发射波长，nm；I(λexλem)为激发、发射波长对应的荧光强度，au；Pi,n为某一荧光区域的积分标准体积占总积分标准体积的比例；MFi为倍增系数，等于某一荧光区域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 C/N对反硝化效果的影响

2.2 不同C/N条件下的碳源利用情况分析

图1 不同C/N条件下的变化Fig.1 Variations of at different C/N

图2 不同C/N条件下，SCOD，VFAs，蛋白质和总糖的变化情况Fig.2 Variations of SCOD，VFAs，protein and carbohydrate at different C/N

图3为C/N为8，5和3条件下进出水的三维荧光光谱图。由图可知，初沉污泥发酵液中含有大量的溶解性微生物代谢产物(区域Ⅳ)，溶解性微生物代谢产物是微生物在降解环境中可以利用基质，进行内源呼吸或者应对环境压力的过程中产生的溶解性有机物，其能够在不破坏菌体细胞的情况下与微生物相分离，且离开该物质微生物细胞仍能存活[21-22]。如图4所示，在C/N为8，5和3时，区域Ⅳ在进水中分别占比69.2%、48.2%、54.6%；在出水中，分别下降至26.5%、13.9%、27.2%，表明溶解性细胞代谢产物极易被降解利用。由图3(a)可知，在C/N为8时，出水中残留有机物浓度较高，微生物未能完全利用，区域Ⅳ荧光强度下降幅度较大，而其他区域荧光强度均有不同程度的升高。在C/N为3时，区域Ⅲ与区域Ⅴ出水中荧光强度占比(Pi,n)相对于进水中升高，其他区域均有不同程度降低。研究表明，酪氨酸类物质、色氨酸类物质、溶解性微生物代谢产物易被微生物利用，而富里酸类物质和腐殖酸类物质较难被利用[13]。在C/N为8，5和3时区域Ⅳ占比下降了42.7%、34.3%、27.4%，随着C/N的下降，区域Ⅳ荧光强度所占比例下降幅度逐渐减小，表明在C/N较高的情况下，微生物优先利用溶解性微生物代谢产物，在C/N较低的情况下会增加蛋白质等物质的利用量。