不同来源生物炭对活性污泥特性及脱氮除磷影响机理研究

张季,周香琴,罗枭,马志飞,1b,吴代赦,陈龙,汪楚乔

(1.南昌大学a.资源与环境学院;b.鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室,江西 南昌 330031;2.萍乡学院材料与化学工程学院,江西 萍乡 337000;3.江西省华赣环境集团有限公司,江西 南昌 330200;4.华东交通大学土木建筑学院,江西 南昌 330013)

序批式活性污泥法以其工艺简单、占地面积小、运行成本低等优点已然成为国内外污水处理的主流工艺之一。近年来,为确保水环境质量持续改善,北京、巢湖、岷江、太湖、沱江等重点区域和流域率先制定了严于国家标准的地方标准[1]。为了更好地满足现有标准要求,探索提升SBR系统污水处理性能的途径,对此工艺的可持续发展具有重要的现实意义。

目前,SBR系统通常采用调整操作条件、接种功能菌、投加载体等方法来增强污水的处理效果。其中,投加载体的方法操作简单,应用广泛,能够在载体表面逐步形成生物膜,从而显著提升污水处理性能[2]。但以往的研究大多采用塑料、纤维、植物残体等用来充当载体,存在更新成本高、生物膜易脱落、污泥难沉降或二次污染等问题,因此寻找能够提升污水处理效果的新型载体尤为重要[3]。

生物炭是一种由生物质残渣在限氧条件下热解炭化形成的碳质材料[4]。生物炭具备高芳香性、微孔结构、比表面积大、制备简单、成本低廉、富含多种官能团,对水中的重金属离子、抗生素、C、N、P等污染物具备良好的吸附能力[5]。但目前生物炭在污水处理领域的应用研究多将其添加到人工湿地、生物滤池等固定床系统或仅用于去除单一污染物,应用于活性污泥系统的研究很少被报道。胡岚[6]采用生物炭作为投加材料,发现生物炭的加入能够使活性污泥具备良好的沉降性能,有利于活性污泥的反硝化。但是,有关生物炭对活性污泥中溶解性微生物代谢产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)的研究较少。SMP主要在微生物的基质分解和内源呼吸过程中产生,SMP的含量与出水水质有重要关系[7]。活性污泥EPS有利于微生物分泌相关酶类的积累和保留,对污泥的絮凝与稳定具有重要作用[8]。

基于此,本研究选用3种不同生物质原料(稻壳、玉米秸秆及鸡粪)制成生物炭,通过测定活性污泥SMP和EPS中的蛋白质(PN)、多糖(PS)、腐殖质(HA)和核酸(DNA)含量,采用三维荧光平行因子分析方法对EPS做定性和半定量分析,监测活性污泥体积指数(SVI)和MLVSS的质量浓度变化,分析SBR反应器稳定运行时C、N、P的变化趋势,并分析了不同生物炭对SBR反应器中活性污泥特性及污水脱氮除磷效果的影响,从而为生物炭的再利用及污水脱氮除磷提供一定理论依据与数据支持。

1 实验部分

1.1 实验装置

图1为实验装置简图。本研究在序批式反应器内进行,采用4套规格相同的SBR反应器,该反应器有效容积3 L,壁厚0.5 cm,封底0.8 cm,内径14 cm,高27 cm。反应器的底部设有排泥口,上部设有进水口,侧部设有排水口。

图1 实验装置简图Fig.1 Schematic diagram of the test apparatus

SBR反应器采用空气泵提供氧气,池底部放置有曝气头,用硅胶管连接,控制反应阶段溶解氧(DO)的质量浓度在2.0～4.0 mg·L-1。SBR每日运行3个周期,每个周期换水80%,每周期8 h,运行期间采用电子定时器控制各阶段时间分别为:好氧300 min,厌氧120 min,沉淀50 min,排水10 min。好氧期结束后补加0.26 g乙酸钠,以保证厌氧期有足够的碳源。SBR反应器采用磁力搅拌器,转速为80 r·min-1,厌氧搅拌120 min。

1.2 实验污水

本实验为了使实验进水数据各项污染数值稳定,采取配制实验所用生活污水。配水指标见表1:

表1 模拟污水水质指标Tab.1 Simulated sewage water quality indicators

1.3 接种污泥

1.4 生物炭材料

生物炭以生物质原材料(稻壳、玉米秸秆、鸡粪),热解法制得稻壳生物炭(rice husk biochar,RHB)、玉米秸秆生物炭(corn stover biochar,CSB)、鸡粪生物炭(chicken manure biochar,CMB)。

生物炭制备:取回后的稻壳、玉米秸秆和鸡粪自然风干后经粉碎机粉碎,过筛后置于瓷坩埚内,加盖后置于马弗炉内以10 ℃·min-1速率升温至500 ℃并炭化3 h,自然冷却至室温后,制得生物炭样品。将生物炭样品置于1 L 1 mol·L-1HCl中浸泡1 h,然后用纯水冲洗过滤,直至过滤液呈中性(这一步是为了除去生物炭中的灰分),然后置于105 ℃烘箱中烘干,放入真空干燥器中冷却备用。研磨,过孔径为0.150 mm的筛,即制得稻壳生物炭、玉米秸秆生物炭、鸡粪生物炭,分别标记为RHB、CSB、CMB,密封备用。

1.5 实验方案

采用4套相同SBR反应器进行启动实验,依次编号为K0、RHB、CSB、CMB。其中,K0为对照组,不投加生物炭,其余3组分别投加0.8 g·L-1的稻壳生物炭、玉米秸秆生物炭、鸡粪生物炭。整个实验过程在中温(20～25 ℃)环境下进行,进水pH通过添加盐酸或碳酸氢钠调至(7.5±0.1),实验过程中不进行pH调控。

1.6 试验检测项目与方法

1.6.1 常规水质指标的测定

1.6.2 污泥特性分析

SV30的测定方法为100 mL混合液静沉30 min后污泥的体积;SVI是混合液静置30 min后,每克干污泥所占的体积[9];MLSS和MLVSS采用重量法测定[10]。不同类型生物炭和污泥内部结构通过扫描电镜SEM(TM-3000型,日立公司,日本)观察。

1.6.3 SMP与EPS的提取与测定

1)SMP与EPS的提取分别采用离心过滤法和加热法提取[11-12]。二者成分测定:蛋白质[13]和腐殖酸[14]采用改进Lowry法,多糖[15]采用苯酚-硫酸法测定,DNA[16]采用二苯胺显色法测定。

2)EPS三维荧光光谱(3D-EEM):采用荧光分光光度计(F-4600,HITACHI,日本)测定,三维荧光光谱激发光源为氙弧灯。荧光参数设定为:发射波长Em以1 nm为增量从220 nm扫描到550 nm,激发波长Ex以5 nm为增量从200 nm扫描到400 nm,激发和发射狭缝均为5 nm,光电倍增管电压400 V,扫描速度为1 200 nm·min-1[17]。

2 结果与讨论

2.1 不同生物炭强化活性污泥SEM

不同类型生物炭强化活性污泥的见图2。通过SEM可以观察到SBR反应器中的微生物的生长情况,结果表明,添加生物炭的反应器中含有更多更密集的杆状菌以及少量丝状菌,然而对照组(K0)存在一些离散的杆状菌和丝状菌,说明生物炭的存在可为微生物提供更多的附着位点和良好的栖息空间[18],主要归因于生物炭能够连接活性污泥絮体,从而不断强化污泥絮体结构,进一步提高了污泥的稳定性,促进反应器中微生物的增殖,从而导致数量变多。

图2 不同生物炭强化活性污泥SEMFig.2 Activated sludge SEM for different biochars

2.2 不同生物炭对活性污泥沉降性能及生物量的影响

不同生物炭对污泥系统沉降性能及生物量的影响见图3。对照组SVI基本维持在55.7～63.4 mL·g-1,当分别投加RHB、CSB及CMB时,SVI值范围为44.8～48.0、43.5～45.4、46.3～47.5 mL·g-1(图3(a))。结果表明生物炭存在可有效降低SVI值,提高了污泥沉降性能。此外,生物炭添加后随着培养时间延长,SVI逐渐降低,沉降性能越来越好。生物炭可以为活性污泥提供一个絮凝核心,有利于微生物吸附和增殖,所形成的污泥絮体密度比原污泥大,有利于活性污泥沉降[19],从而保证好氧阶段的出水水质。

t/d(a) t/d(b)图3 不同生物炭对活性污泥沉降性能及生物量的影响Fig.3 Effect of different biochar on the settling performance and biomass of activated sludge

SBR体系中初始MLVSS的质量浓度为2 561 mg·L-1,随着SBR反应器的连续运行,对照组K0内MLVSS的质量浓度基本维持在2 588～2 614 mg·L-1。当投加RHB、CSB及CMB时,MLVSS的质量浓度最大升高了分别为125、224、168 mg·L-1,表明生物炭存在提高活性污泥生物量,从而有利于污染物的高效去除。可能原因生物炭改变活性污泥絮体尺寸结构,减少了污泥内有机物向外部环境的释放[20]。其中,玉米秸秆制备的生物炭具有更好的提高生物量能力。

2.3 不同生物炭强化活性污泥对污染物去除的影响

图4(a)为SBR反应器稳定运行期不同生物炭对活性污泥各系统出水COD质量浓度的影响。由图可知,对照组K0内出水COD的质量浓度在20～24 mg·L-1。在RHB组中,出水COD的质量浓度在19～24 mg·L-1;在CSB组中,出水COD的质量浓度在17～23 mg·L-1;在CMB组中,出水COD的质量浓度在18～24 mg·L-1。结果表明生物炭对SBR好氧阶段COD去除影响较小,主要是污泥活化效率过快[8]。

T/8 h(a) t/min(b)

图4(d)为添加不同生物炭对活性污泥系统内各组别磷含量变化的影响,有研究表明,在一定范围内活性污泥对磷的吸附作用与EPS有重要的关系,EPS浓度越高组成越复杂,对磷的吸附作用越强[20]。由图可知,投加RHB、CSB和CMB组相比于K0组TP降解效率更高,其中在好氧末期(240 min)时,RHB、CSB和CMB组TP的质量浓度分别为1.28 mg·L-1、1.23 mg·L-1和1.27 mg·L-1,都低于K0组TP的质量浓度1.55 mg·L-1。研究证明了添加生物炭会使活性污泥沉降性能更好,稳定性更强,EPS含量越多,可在一定程度上说明添加生物炭的活性污泥更有利于TP的去除。在厌氧阶段,TP含量略有升高可能因为DO降低,兼性厌氧菌通过发酵作用将溶解性有机物转化为挥发性有机酸(VFA),聚磷菌吸收VFA并进入细胞内,同化合成为胞内碳源的储存物——聚-β-羟基丁酸盐(PHB),所需的能量来源于聚磷菌将其细胞内的有机态磷转化为无机态磷的反应,并导致PO43--P的释放[24]。

2.4 不同生物炭对溶解性微生物代谢产物及污泥胞外聚合物影响

上清液SMP和污泥EPS主要成分均为蛋白质、多糖和腐殖酸[25]。SMP含量及其组分对污水出水水质有重要的影响(图5)。由图5(a)可知,对照组内运行稳定时期SMP的含量为19.3 mg·L-1。在投加RHB、CSB和CMB组内,SMP的含量分别下降至12.4 mg·L-1、13.3 mg·L-1和14.6 mg·L-1。结果表明,生物炭能抑制SMP的分泌,进而降低SMP的含量。生物炭存在对蛋白质的含量影响最为明显,在对照组内,PN的含量为7.7 mg·L-1,显著高于RHB、CSB和CMB组的2.7 mg·L-1、2.6 mg·L-1和2.4 mg·L-1。生物炭的添加对SMP内PS、HA和DNA的影响并不显著。可见投加的生物炭能吸附SMP(主要为PN),降低微生物细胞裂解产生SMP,有助于改善污泥混合液的性质[26]。

(a) (b)图5 不同生物炭对活性污泥系统SMP(EPS)含量及其组分的影响Fig.5 Effect of biochar on SMP(EPS)content and components of activated sludge system

由图5(b)可知,在RHB、CSB和CMB的组别中,EPS含量分别升高至114.20、118.17和113.37 mg·g-1,均显著高于对照组K0。添加生物炭的活性污泥EPS中PN含量更高,相比于K0组PN的含量增加了17.7%～21.3%,PN含量最高的在EPSCSB中可达到69.5 mg·g-1。生物炭的添加对EPS中PS、HA和DNA的影响并不显著。PN显著增加主要归因于生物炭的存在更有利于富N微生物群落的增加,进而增加PN的量。同时,EPS含量增加可促进微生物与微生物、微生物与填料之间的相互黏附,有助于维持活性污泥空间结构的稳定性和完整性[27]。然而,关于EPS中各组分的构成对活性污泥稳定性的影响尚不清晰[28]。蛋白质与多糖比值(PN/PS)可以间接说明活性污泥的脱水效率[29-30]。图5(b)可知,添加生物炭的活性污泥提高了EPS内PN/PS,各组别内PN/PS的顺序为K0

2.5 不同生物炭对活性污泥EPS的三维荧光光谱分析

添加不同生物炭的活性污泥提取EPS的三维荧光光谱[33]见图6。加热法提取的EPS的EEM光谱可以分为5个区域:区域Ⅰ(Ex/Em=(220～270) nm/(280～330) nm)和区域Ⅱ(Ex/Em=(275～290) nm/(320～380) nm)对应于芳香族蛋白质(AP)、区域Ⅲ(Ex/Em=220～270 nm/380～540 nm)可能对应于类富里酸(FA)、区域Ⅳ(Ex/Em=(270～440) nm/(280～380) nm)代表可溶性微生物产物(例如蛋白质和多糖类物质)和区域Ⅴ(Ex/Em=(270～440) nm/(380～540) nm)代表腐殖酸(HA)类物质[34]。由图6可知,与K0组相比,RHB、CSB和CMB的EPS荧光特征峰的荧光强度较大,说明添加生物炭的组别,其微生物大量增殖,利用底物越来越多,代谢活动增强,提高了芳香类蛋白质和腐殖质的荧光强度。

Ex/nm(a) K0 Ex/nm(b) RHB

平行因子分析法(PARAFAC)用于分析三维荧光,可进一步对荧光成分做定性和半定量分析,其在有机物研究中,已被广泛用于分析溶解性有机物中的蛋白质和腐殖质组成成分[35]。本文遵循Stedmon等[36]介绍的方法教程,使用MATLAB R2021b进行PARAFAC建模,对PARAFAC组分进行了识别和验证。最大荧光强度(Fmax)用来代表各荧光成分的相对浓度。

图7为根据EEM-PARAFAC分析确定的三维荧光成分图。实验中对添加不同生物炭的EPS组分EEM数据在MATLAB分析中确定了4个成分,具体分析结果如图7所示。荧光组分Comp1在Ex为285 nm,Em为354 nm处出现峰值,与高激发光类色氨酸类似[37]。荧光组分Comp2出现一个主荧光峰和一个没有荧光中心的小荧光峰,激发/发射波长分别在370 nm/470 nm和270 nm/470 nm,表明组分2可能为可见腐殖质和紫外类富里酸[38]。荧光组分Comp3在Ex为345 nm,Em为420 nm处出现峰值,表明组分3可能是可溶性微生物产物[39](EPS,例如蛋白质和多糖类物质)。荧光组分Comp4在Ex为270 nm,Em为280 nm处出现峰值,这与高激发光类酪氨酸相似。上述结果表明,EPS主要包括色氨酸类蛋白和腐殖酸类物质。

Ex/nm(a) 组分1 Ex/nm(b) 组分2

为确定添加不同生物炭的EPS组分中各类主要荧光物质的占比,对4种主要荧光物质进行响应值分析,结果如图8所示,不同组分的主要荧光物质组成成分基本相同,但含量有所差异。对于组分1响应值顺序为EPSCSB>EPSCMB>EPSRHB>EPSK0,其中响应值最高的是EPSCSB,其最大响应值为Fmax=2 841.05,RHB和CMB组的最大响应值略小于CSB,但都高于对照组K0,其最大响应值为2 497.51。对于组分2来说,最大响应值顺序与组分1的规律基本相同。对于组分3最大响应值大小顺序为EPSCMB>EPSCSB>EPSRHB>EPSK0,其中响应值最高的是EPSCMB,其最大响应值为Fmax=1 036.16。对于组分4来说,EPSRHB、EPSCSB和EPSCMB最大响应值差别不大,但均高于K0组。上述结果表明,添加生物炭的组别EPS中含有更多的芳香类蛋白质和腐殖质类物质,说明系统中微生物活性更强。

图8 PARAFAC模型各组分的Fmax值Fig.8 Fmax value of components from the PARAFAC model

3 结论

1)生物炭具有丰富的微孔结构和较大的比表面积,可提高污染物的吸附,同时作为微生物附着生长的载体,提高了污泥MLVSS,有助于强化活性污泥的沉降性能。

3)生物炭存在改变了活性污泥SMP和EPS的含量和组分。相较于对照组K0,添加生物炭后污泥的SMP含量降低,有利于改善污水出水水质。在RHB、CSB和CMB的组别中,EPS含量分别升高至114.20、118.17和113.37 mg·g-1,均显著高于对照组K0。与此同时,添加生物炭还提高了EPS内PN/PS比值,使活性污泥稳定性增强,利于后续污泥脱水。

4)对加热法提取的EPS进行EEM分析可知,相较于对照组K0,添加生物炭的活性污泥EPS中含有更多的芳香类、多芳香类蛋白和腐殖质类物质。

5)生物炭的添加有利于改善活性污泥的性能。综合考虑,CSB对活性污泥沉降性能、污染物去除效率以及SMP和EPS含量影响较为明显,而RHB和CMB次之。