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木薯酒糟及其厌氧发酵液作为外加碳源强化城市生活污水生物营养盐去除研究

Fan BU, Xiang HU^{dagger;Dagger;}, Li XIE, Qi ZHOU

摘要：本研究的目的是探讨一种食品工业废水——木薯酒糟及其厌氧发酵液——在城市污水厌氧-缺氧-好氧序列间歇式反应器（SBR）中生物营养盐去除（BNR）的影响。实验是用木薯酒精上清液及其厌氧发酵的液体，和一个纯化合物（乙酸钠）担任外部碳源。循环的研究表明，木薯副产品不仅影响氮、磷、聚羟基烷酸(PHA)和糖原在生物营养盐去除中的变换，同时也导致了比乙酸钠情况下更高的磷和氮的去除效率。此外，对聚磷菌（PAOs）和反硝化聚磷菌（DPAOs）的分析表明，当使用木薯酒精及其厌氧发酵液分别作为外部碳源时反硝化聚磷菌到聚磷菌的变换比例分别达到62.6%（86天）和61.8%（65天）。此外，木薯产品的硝酸产能利用率（NURs）的范围分别在5.49-5.99gN/（kg MLVSS·h）（MLVSS混合液体中的挥发性悬浮固体）和6.63-6.81gN/（kg MLVSS·h）。在生物营养盐去除过程中，去除性能的改善和木薯酒精用量的减少使木薯酒精及其厌氧发酵液体代替乙酸钠作为外部碳源更具吸引力。

关键词：生物营养盐去除，反硝化，强化生物除磷，外加碳源

1简介

由于氮、磷去除愈来愈额严格的限制，影响流入污水中有机化合物含量通常是生物营养盐去初中不够高效的脱氮和除磷工艺。在这种状况下，特定而又易获得的商业化合物（“常规”外部碳源），如甲醇、乙醇、乙酸、乙酸钠，通常添加到改善整体生物营养盐去除性能并获得较低的污水氮、磷水平。然而，这些商业外部碳源通常是昂贵的，并且需要一段时间适应。这样的属性不推荐把他们应用在工厂装置上。另一方面，如果工业污水——像啤酒废水——是易于达到标准的，那么商业有机化合物的高成本问题在许多情况下又是可以克服的（Henze et al.,1995）。各种工业副产品或废物材料最近被作为反硝化反应中具有高成本效益的外部碳源这种“另类”受到了更多的关注(Makinia et al., 2012)。在这些材料中，食品工业废水由于其较高的C/N比率和更容易进行微生物降解有机化合物的性能而作为潜在的替代“常规”外部碳源的存在脱颖而出(Lim et al. , 2000; Cappai et al., 2004; Quan et al., 2005; Sage et al., 2006; Swinarski et al., 2009a)。但是，食品工业废水的使用可能会导致一些操作问题，包括由于季节性生产周期导致的质量和数量的变化。

不同食品工业废水作为外部碳源已被证明在生物营养盐去除系统中有提升反硝化能力的作用。Swinarski et al. (2009b)研究了三种不同类型的工业废水（从酒厂废水、啤酒和腌鱼工厂）在波兰北部一个全面的生物营养盐去除试验地去除原生生物质的反硝化能力。这三种食品工业废水的特点是含有极高的易生物降解化学需氧量（COD）（总COD含量的33.7%-88.5%）和低营养浓度（COD/总氮（（TN）比例在15.1-80.6范围内）。观察三个工业废水的单个的硝酸产能利用率，范围分别为4.8-5.1mg N/(g VSS·h)，2.4-6.0mg N/(g VSS·h)和4.0-6.0mg N/(g VSS·h)（VSS挥发性悬浮固体），分别与已处理废水中的易生物降解化学需氧量利用率做比较。Quan et al. (2005)建议水解糖蜜为一种在氮去除方面经济有效的外部碳源。他们发现水解糖蜜的脱氮率为2.9-3.6mg N/(g VSS·h)并且发现其拥有比使用甲醇（（85.3plusmn;2.0）%）时更高的总氮去除效率（（91.6plusmn;1.6）%）。Rodriacute;guez et al. (2007b)从奶酪生产、牛奶灌装、马铃薯加工、甜菜糖加工、番茄加工到酿酒厂，分别研究了这六种不同的农产品废水。虽然用脱氮率——在范围2.0-4.1mg N/(g VSS·h)——来衡量比获得了醋酸（4.7mg N/(g VSS·h)）和城市废水（4.3mg N/(g VSS·h)）要低，添加番茄加工废水作为外部碳源的脱氮能力显著提高，有99%的硝态氮在全面污水处理厂（WWTP）中被去除。此外，通过使用工业废水获得更高的脱氮率的例子可以在文献中找到。Cappai et al. (2004)测试冰淇淋行业和甜菜工厂的污水发现其脱氮率分别为6.7和5.5mg N/(g VSS·h)。类似的，在乳制品废水、甘油和肉类加工的废水中也发现了类似的情况。一些对于甘油、杂醇油、啤酒厂废水、葡萄酒厂废水的研究都显示其脱氮率超过13mg N/(g VSS·h)。(Monteith et al., 1980; Bernet et al., 1996; Hinojosa et al., 2008; Kampas et al., 2009).

工业废水在去除生物营养盐中加强外部碳源脱氮的效果已经被广泛研究和报道，但是很少有人知道其作为除磷工艺中作为外部碳源的影响。众所周知，在除磷工艺新陈代谢中，多beta;羟基烷酸盐（PHAs聚羟基烷酸）的构成，包括聚-beta;羟基丁酸酯（PHB聚羟基丁酸酯）、聚-beta;羟基戊酸酯（PHV聚羟基戊酸酯）和聚二甲基三羟基戊酸（PH2MV），基于不同碳源由不同类型的聚磷菌（PAOs）和反硝化聚磷菌（DPAOs）在厌氧阶段产生。然而，聚磷菌和反硝化聚磷菌在随后的缺氧阶段无法以相同速度代谢这些不同类型的聚羟基脂肪酸酯(Oehmen et al., 2005a)。因此，不同的碳源可能会导致不同的磷代谢和去除情况。Rodriacute;guez et al. (2007a)评估使用酒厂的使用性能以增强生物营养盐去除过程 。一剂酒厂废水显著增强氮去除（从58%到75%）。然而，除磷能力并没有变化。同样的Rodriacute;guez et al. (2007b)发现番茄加工废水的最佳剂量可以作为外部碳源增强硝酸盐的去除能力，但是对于COD和磷的去除没有显著的影响。但是，其他研究表明氮磷的去除都是通过增加外部碳源进行的。Lee et al. (2003)调查食物垃圾的厌氧发酵渗滤液（AFLFW）在C/N低至4.4.的实验室规模的生活污水处理中生物营养盐去除的可行性和适用性。以食物垃圾的厌氧发酵渗滤液作为碳源时，不仅总氮（TN）的平均去除效率从53%上升至74%，总磷（TP）的去除效率也从21%上升至68%。之后Chae et al. (2004)发现了以食物垃圾的厌氧发酵渗滤液作为碳源时处理能力的更高值，总氮和总磷的平均去除效率分别为从53%上升至97%和从55%上升至93%。他们认为在外部碳源中，脱氮效率和除磷与挥发性脂肪酸（VFAs）的浓度息息相关。

在这项研究某种食品工业废水影响的研究中，木薯酒精及其厌氧发酵液体作为外部碳源在脱氮除磷能力上被研究。细胞内包括聚羟基脂肪酸酯和糖原这些材料的行为对除磷能力的影响也将被检查。

2材料与方法

2.1序列间歇式反应器（SBR）设置和操作

我们比较了在氮磷去除方面三个工作容积为3.0L的小型厌氧-缺氧-好氧SBR的性能。三个SBR（SA-SBR,CS-SBR和CSF-SBR）的碳源分别是醋酸钠（SA）、木薯酒精上清液（CS）和木薯酒精厌氧发酵液体（CSF）。这些SBR都是完全自动化的，由时间控制器调节蠕动泵、搅拌器、气泵和各阶段长度。从一个污水处理厂（中国上海曲阳污水处理厂）取用原始污泥来保证进行生物营养盐去除过程。三个SBR以每天三个八小时为周期循环，每个周期为10分钟进食阶段，90分钟厌氧阶段，210分钟缺氧阶段，40分钟好氧阶段，随后60分钟沉淀阶段，10分钟抽滤阶段和70分钟空闲阶段。在每个反应堆前10分钟的进食阶段，1.5L的合成废水注入反应堆，同时在缺氧阶段的开始时期，50ml的硝酸钾原液以脉冲的形式加入反应堆，给反应堆一个初始硝酸盐即35mg/L的氮浓度。在好养阶段，每个SBR的溶解氧（DO）浓度约为3mg/L，同时每天在好养阶段的末期，有50mg的污泥被去除，固体保留时间（SRT）约为20天。三个SBR的混合液悬浮固体颗粒（MLSS）浓度约为3000mg/L，同时其水力停留时间（HRT）约为16小时。

2.2食品工业废水的特点

木薯酒精从一个全剂量木薯乙醇厂（中国江苏）取得作为碳源。在实验前，木薯酒精需要放置在4℃的环境下24小时并取上清液（CS）在pH为9.0，温度为35℃的环境下进行5天的厌氧碱性发酵。发酵后，液相（CSF）在1000r/min速度下离心10min，并保存在4℃环境下以待使用。CS和CSF的样本分析显示出高COD浓度和低总养分浓度（COD/TN比率为84plusmn;5.4和53plusmn;4.2CS和CSF）（表1）。CSF中产生的挥发性有机酸包含35.8%的醋酸、20.9%的丙酸、42.8%的丁酸盐和0.5%的异丁酸。挥发性酸是COD中的主要物质，这是由于挥发性酸与COD的平均比值为（73plusmn;0.9）%，该值可与当使用食品垃圾的渗滤液作为外部碳源时获得的79-80%相比较(Lee et al., 2003)。在CSF，发酵液体中残留的碳水化合物有助于其中剩下的COD。与CSF相比，主要的化合物还导致CS中的COD变成碳水化合物和蛋白质。更多详细的碳源测试特征在表1中给出。

表1木薯酒精（CS）和其厌氧发酵液体（CSF）的特点

数值表示平均值plusmn;标准偏差（n=3）

2.3合成废水

本研究中使用的合成废水含有（每升）：13.16mgKH₂PO₄（P有3.0mg），16.84mgK₂HPO₄（P有3.0mg），57.4mgNH₄Cl （N有15.0mg），85mgMgSO₄·7H₂O，10mgCaCl₂和110mgNaHCO₃。三个SBR分别充入SA，CS和CSF作为唯一碳源来达到300ng/L的COD进水浓度。此外，每1公升合成废水中需加入0.5mg的无机盐。每公升无机盐溶液是由5 g FeCl₃ ·6H₂O, 0.15 g H₃BO₃, 0.03 g CuSO₄ ·5H₂O, 0.18 g KI, 0.12 g MnCl₂ ·4H₂O, 0.06 g Na₂MoO₄·2H₂O, 0.12 g ZnSO₄·7H₂O, 0.15

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