王 振,齊 冉,李瑩瑩,杜宇能,范世鎖,王 毅

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,安徽 合肥 230036)

潮汐流人工濕地中生物蓄磷的強(qiáng)化及其穩(wěn)定性

王 振1*,齊 冉1,李瑩瑩1,杜宇能2,范世鎖1,王 毅1

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,安徽 合肥 230036)

通過(guò)改進(jìn)潮汐流人工濕地(TFCW)的運(yùn)行方式,開(kāi)展了TFCW中生物蓄磷作用的強(qiáng)化及其穩(wěn)定性研究.結(jié)果表明,兩段進(jìn)水潮汐流運(yùn)行方式有利于TFCW中聚磷菌群(PA Os)的富集,進(jìn)而可強(qiáng)化濕地中的生物蓄磷作用;采用周期性補(bǔ)充碳源的磷移除操作可誘導(dǎo)生物膜中的PA Os充分釋磷,避免系統(tǒng)中磷素的過(guò)量積累,同時(shí)可增加PA Os胞內(nèi)內(nèi)源性碳源的含量,強(qiáng)化系統(tǒng)中的生物蓄磷作用并有利于系統(tǒng)除磷效果的穩(wěn)定;當(dāng)生物蓄磷/磷移除(PB-PH)周期時(shí)長(zhǎng)為30d時(shí),TFCW在生物蓄磷過(guò)程中的磷素去除率可達(dá)96.04%,而其在磷移除過(guò)程中的磷素移除率和補(bǔ)充碳源利用率亦分別可達(dá)70.45%和98.22%.此時(shí),PA Os的過(guò)量吸磷作用成為濕地系統(tǒng)除磷的主要途徑.

潮汐流人工濕地(TFCW)；生物蓄磷；磷移除；聚磷菌(PA Os)；碳源

填料的吸附沉淀作用通常被認(rèn)為是人工濕地系統(tǒng)除磷的最主要途徑[1-2].然而,在實(shí)際運(yùn)行時(shí),填料的除磷效果會(huì)隨人工濕地運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而急劇下降,且填料在運(yùn)行后期亦會(huì)出現(xiàn)磷素解吸的現(xiàn)象,從而使得濕地系統(tǒng)對(duì)于磷素的去除不甚理想[3-4].因此,有必要探尋其他措施強(qiáng)化人工濕地的除磷效果,以期解決濕地系統(tǒng)除磷效率低的瓶頸.Li等[5]研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)負(fù)荷的提高可在一定程度上強(qiáng)化潮汐流人工濕地(TFCW)的除磷效果,由此推測(cè)潮汐式的運(yùn)行方式有利于系統(tǒng)中除磷菌(PA Os)的富集,即微生物對(duì)磷素的轉(zhuǎn)化吸收作用可在TFCW中得以強(qiáng)化.然而,該研究并未對(duì)TFCW中生物除磷作用的強(qiáng)化進(jìn)行深入研究,亦未考察系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)除磷效果的穩(wěn)定性.

對(duì)于生物膜系統(tǒng)而言,系統(tǒng)中連續(xù)交替的厭氧/好氧環(huán)境有助于PA Os的富集,而PA Os的附著生長(zhǎng)方式則決定了生物除磷過(guò)程中富集的磷素必須及時(shí)從系統(tǒng)中移出.由于人工濕地在某種程度上可視為生物膜反應(yīng)器,TFCW的運(yùn)行方式又可在填料層中造成厭氧/好氧連續(xù)交替的環(huán)境,則其生物除磷過(guò)程即可被視為填料層中生物膜的蓄磷過(guò)程[6].在該系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中,過(guò)量磷素的移除便成為保障TFCW除磷性能穩(wěn)定的關(guān)鍵[7-8].研究表明,周期性地排除厭氧富磷液是生物膜除磷工藝中移除過(guò)量磷素的一種有效手段,此方法可減緩系統(tǒng)中磷素的積累,保障其在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下的除磷性能,而系統(tǒng)中排出的厭氧富磷溶液亦可用于后續(xù)的磷回收工藝,實(shí)現(xiàn)污水的資源化處理[9].近年來(lái),諸多學(xué)者相繼開(kāi)展了生物膜法蓄磷/磷移除-磷回收聯(lián)用工藝的研究,并取得了較好的效果[10-12].為此,如能在改進(jìn)人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行方式的同時(shí)輔以磷移除操作,不但可成功構(gòu)建生物除磷型人工濕地系統(tǒng),又能在一定程度上保障系統(tǒng)生物蓄磷作用的高效性與穩(wěn)定性.

本研究以TFCW為試驗(yàn)裝置,通過(guò)改進(jìn)TFCW的運(yùn)行方式并輔以磷移除操作,強(qiáng)化了系統(tǒng)中的生物蓄磷作用,嘗試進(jìn)行了生物蓄磷型人工濕地系統(tǒng)的構(gòu)建,并初步探究了磷移除操作保障系統(tǒng)中生物蓄磷作用效能及其穩(wěn)定性的作用機(jī)理.期望通過(guò)此研究,可為人工濕地技術(shù)在廢水除磷及磷回收方面的研發(fā)與應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

TFCW試驗(yàn)裝置位于溫室內(nèi)(T≈25℃),數(shù)量為20個(gè),各裝置面積約為78.50cm2(d=10cm).濕地填料層厚度為90cm:下層(80～90cm)為礫石支撐層(填充粒徑:20～30mm);上層(0～80cm)為沸石填料層(填充粒徑:2～5mm).濕地中種植蘆葦(Phragmites australis).各TFCW頂部均設(shè)置有“?”型穿孔管,以此作為系統(tǒng)的頂部進(jìn)水管,出水管則設(shè)置于距試驗(yàn)裝置底部5cm處.為強(qiáng)化TFCW中的生物除磷作用,濕地裝置底部設(shè)置有另一個(gè)“?”型穿孔管作為其底部進(jìn)水管,另外還設(shè)置有中間水箱用以臨時(shí)放置TFCW的中間排水.TFCW開(kāi)始運(yùn)行之前,以合肥市望塘污水處理廠的二沉池污泥作為接種污泥,對(duì)填料進(jìn)行3個(gè)月的掛膜.而后,TFCW進(jìn)入后續(xù)試驗(yàn)階段.

1.2 生物蓄磷/磷移除

1.2.1 生物蓄磷過(guò)程 人工濕地的生物除磷過(guò)程可被視為磷素在填料層生物膜中的蓄積過(guò)程.TFCW在該過(guò)程中按照兩段進(jìn)水潮汐流運(yùn)行方式連續(xù)運(yùn)行,生物膜中的PA Os則可在厭氧/好氧的交替環(huán)境中完成磷素的超量吸收,將其以聚磷酸鹽的形式貯存于胞內(nèi).一個(gè)生物蓄磷過(guò)程通常包括若干個(gè)循環(huán)周期(CD),每個(gè)CD時(shí)長(zhǎng)為12h,其運(yùn)行方式為:每個(gè)CD之初利用蠕動(dòng)泵將3.00L進(jìn)水由底部進(jìn)水管泵入系統(tǒng)中(t=15min),使填料層處于淹水狀態(tài),反應(yīng)3h后通過(guò)集水管將系統(tǒng)內(nèi)污水排入中間水箱(t=15min),系統(tǒng)閑置3h后,再將中間水箱內(nèi)的中間排水由頂部進(jìn)水管泵入系統(tǒng)中(t=15min),反應(yīng)5h后通過(guò)集水管將系統(tǒng)排空(t=15min).一個(gè)CD共包括進(jìn)水期-1、反應(yīng)期-1、中間排水期、閑置期、進(jìn)水期-2、反應(yīng)期-2和排水期7個(gè)階段.該過(guò)程中TFCW的水力負(fù)荷(HLR)為0.76m3/(m2·d).

1.2.2 磷移除過(guò)程 磷移除過(guò)程是指將上述生物蓄磷過(guò)程中積累的磷素定期移出TFCW的過(guò)程.在厭氧條件下,PA Os可利用污水中易降解的小分子有機(jī)物,如揮發(fā)性脂肪酸(VFA),合成內(nèi)貯物[如聚β-羥基丁酸(PHB)]于胞內(nèi),并將磷素以正磷酸鹽的形式釋放到污水中.因此,采用調(diào)控進(jìn)水碳源(數(shù)量與濃度)的方式可提高生物膜的厭氧釋磷量,形成高濃度厭氧富磷液,由此可減緩系統(tǒng)中磷素的過(guò)量積累.本研究采用人工配水作為該過(guò)程的系統(tǒng)進(jìn)水,參照連續(xù)循環(huán)方式開(kāi)展磷移除操作[10]:設(shè)置磷濃縮池以便收集磷移除操作中的厭氧富磷液,在其中加入3.00L乙酸鈉溶液作為T(mén)FCW的補(bǔ)充碳源.在厭氧條件下,通過(guò)頂部進(jìn)水管向TFCW泵入補(bǔ)充碳源,同時(shí)將集水管處收集的厭氧釋磷液回流入磷濃縮池,該過(guò)程連續(xù)運(yùn)行10h,流量設(shè)置為1.00L/h.而后,向TFCW中泵入3.00L純水用以清洗生物膜釋磷后殘留于系統(tǒng)中的磷素,該清洗過(guò)程持續(xù)2h,清洗液亦流入磷濃縮池.系統(tǒng)中積累的磷素可由此移出并濃縮于6.00L的厭氧釋磷液中.該過(guò)程中TFCW的HLR為1.52m3/(m2·d).

一個(gè)生物蓄磷過(guò)程及其后續(xù)的一個(gè)磷移除過(guò)程被定義為一個(gè)生物蓄磷/磷移除(PB-PH)周期.在生物蓄磷作用的強(qiáng)化階段,系統(tǒng)不設(shè)置磷移除過(guò)程.而當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,TFCW按照生物蓄磷/磷移除交替方式連續(xù)運(yùn)行,將TFCW的PB-PH周期時(shí)長(zhǎng)設(shè)為30d,其中的生物蓄磷過(guò)程則包括59個(gè)CD,HLR為0.76m3/(m2·d). PB-PH周期內(nèi)系統(tǒng)污水處理量與厭氧富磷液的體積比為177:6.穩(wěn)定運(yùn)行階段TFCW總共運(yùn)行了12個(gè)PB-PH周期.

1.3 進(jìn)水水質(zhì)

生物蓄磷過(guò)程中的試驗(yàn)用水為安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)園區(qū)內(nèi)生活污水,原水經(jīng)沉淀處理后,取上清液作為T(mén)FCW進(jìn)水.其中,進(jìn)水中COD濃度為308.13～342.28mg/L,TN濃度為35.41～42.53mg/L,濃度為32.70～35.46mg/L,TP濃度為9.71～12.64mg/L,進(jìn)水pH值為7.74～8.23.磷移除過(guò)程中的試驗(yàn)用水為人工配制[10],水質(zhì)成分及濃度如表1所示.

表1 磷移除過(guò)程中的進(jìn)水成分與平均濃度Table 1 Influent composition and mean concentrations during phosphorus harvesting process

1.4 分析方法

1.4.1 水樣采集及分析方法 每天采集TFCW進(jìn)出水水樣進(jìn)行分析,水樣中COD、TN、-N、、和TP的測(cè)定方法均參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[13]中的標(biāo)準(zhǔn)方法.

1.4.2 濕地填料層生物膜的測(cè)定 采用“超聲+化學(xué)剝落法”[14]去除填料表面的生物膜,而后通過(guò)重量法計(jì)算出濕地填料層中生物膜的含量.生物膜中PHB和TP的定量分析則參照文獻(xiàn)[15]中的方法執(zhí)行.

1.4.3 FISH分析 采用熒光原位雜交(FISH)技術(shù)分析系統(tǒng)生物膜中PA Os的含量,試驗(yàn)中所用到的寡核苷酸探針均由生工生物工程(上海)股份有限公司提供(表2).其中,EUB338探針用來(lái)檢測(cè)全菌,PAO(462、651、846)探針用來(lái)檢測(cè)β-Proteobacteria中紅環(huán)菌屬(Rhodocyclus)相關(guān)的PA Os,GAMA42a探針用來(lái)檢測(cè)γ-Proteobacteria中假單胞菌屬(Pseudomonas)相關(guān)的PA Os. EUB338用異硫氰酸熒光素(FITC)標(biāo)記,其激發(fā)后顯綠色,PAO(462、651、846)及GAMA42a用Cy5標(biāo)記(此為PAO混合探針,簡(jiǎn)記為PAO探針),其激發(fā)后則顯紅色.雜交后樣品用激光共聚焦顯微鏡LSM510META(Zeiss, Germany)觀察,FISH圖片則用Image-Pro Plus 6.0(Media Cybernetics, America)軟件分析生物膜樣品中聚磷菌所占的比例.

表2 細(xì)菌和聚磷菌的寡核苷酸探針Table 2 Oligonucleotide probes for bacteria and PA Os

1.4.4 植物全磷的測(cè)定 將植物樣品冷凍干燥至恒重并過(guò)100目篩,準(zhǔn)確稱(chēng)量0.5000g用于植物全磷測(cè)定,測(cè)定方法采用硫酸/H2O2消解-鉬銻抗分光光度法[18].

1.4.5 填料中全磷的測(cè)定 填料樣品經(jīng)烘干并過(guò)100目篩后,分別準(zhǔn)確稱(chēng)量0.1000g用于填料全磷的測(cè)定,測(cè)定方法采用硫酸/高氯酸消解-鉬銻抗分光光度法[19].

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.5和SPSS 21.0等軟件處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 生物蓄磷作用的強(qiáng)化

2.1.1 生物膜含量 由圖1可知,在生物蓄磷作用的強(qiáng)化階段,TFCW中的生物膜含量隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增加.當(dāng)TFCW運(yùn)行至第90個(gè)CD時(shí),其生物膜含量趨于穩(wěn)定[≈(12.62±1.27)mg/g填料].研究表明,沸石的比表面積較大(≈8.81m2/g),其表面粗糙且呈多孔結(jié)構(gòu)(孔徑≈2μm),有利于微生物的附著[2],這便為T(mén)FCW中較高的生物膜含量提供了前提條件.另外,兩段進(jìn)水潮汐流運(yùn)行方式的采用也對(duì)系統(tǒng)中生物膜含量的提高有著積極作用.高生物膜含量是強(qiáng)化TFCW中生物除磷作用的必要條件,當(dāng)TFCW中的生物除磷作用得到強(qiáng)化時(shí),其生物膜含量可達(dá)11.80mg/g[5].因此,本研究中TFCW的生物膜含量可滿(mǎn)足強(qiáng)化生物蓄磷作用的需求.

圖1 生物蓄磷作用強(qiáng)化階段系統(tǒng)生物膜含量的變化Fig.1 The variation of biofilmconcentration in TFCW during the strengthen period of P bioaccumulation

2.1.2 運(yùn)行效能 在生物蓄磷作用的強(qiáng)化階段,隨著TFCW中生物膜含量的穩(wěn)定,其對(duì)COD和的去除率亦趨于穩(wěn)定(圖2),平均去除率分別可達(dá)86.09%和89.50%,即出水中COD和的濃度分別降至(45.01±4.54),(3.65± 0.37)mg/L.人工濕地中的氧環(huán)境與有機(jī)物、等污染物的降解效果密切相關(guān)[20].由于TFCW的復(fù)氧能力可達(dá)450g/(m2·d),高于傳統(tǒng)的潛流濕地和曝氣型人工濕地[21-22],從而保證了其對(duì)有機(jī)物和的高效去除.

通常認(rèn)為,人工濕地中磷素的去除主要依靠填料的吸附沉淀作用.研究發(fā)現(xiàn),沸石的最大理論磷吸附容量?jī)H為0.045mg/g[23],且填料層中生物膜的生長(zhǎng)亦會(huì)影響填料對(duì)磷素的吸附沉淀作用[24].因此,隨著TFCW中生物膜含量的穩(wěn)定,系統(tǒng)對(duì)TP的去除率應(yīng)不甚理想.而圖2卻表明,TFCW對(duì)TP的去除率由運(yùn)行之初的31.85%增至穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的93.37%,出水中TP濃度降至(0.79±0.08)mg/L.另外,由于反硝化能力有限,TFCW對(duì)TN的去除效果通常也較差[25].而本TFCW的TN去除率卻在第74個(gè)CD后有所上升,由11.50%增至24.40%,出水中的NOx-N濃度為(24.43±2.47)mg/L.由此可知,TFCW運(yùn)行穩(wěn)定后,其脫氮除磷能力均得到了不同程度的強(qiáng)化.

圖2 生物蓄磷作用強(qiáng)化階段系統(tǒng)的運(yùn)行效能Fig.2 Contaminants removal of TFCW during the strengthen period of P bioaccumulation

圖3 典型CD內(nèi)TFCW中的污染物變化Fig.3 The concentration curves of contaminants during a typical cycle in TFCW

由圖3可知,TFCW在反應(yīng)期-1去除了77.93%的有機(jī)物.根據(jù)該階段的DO濃度與ORP值可得,此時(shí)系統(tǒng)填料層應(yīng)處于厭氧狀態(tài),由此使得NH4+-N的濃度在反應(yīng)期-1基本無(wú)變化,一直維持在31.92mg/L左右.而污水中TP濃度和系統(tǒng)生物膜內(nèi)的PHB含量在該階段卻出現(xiàn)了明顯升高.反應(yīng)期-1結(jié)束時(shí),系統(tǒng)內(nèi)COD、TN、和TP的濃度分別為(77.30±6.83),(39.10±3.45), (31.2±2.76),(23.60±2.08)mg/L,生物膜內(nèi)PHB的含量增至(0.78±0.07)molC/(g生物膜).

反應(yīng)期-2之初,TFCW中的DO濃度與ORP值顯著升高[分別為(4.47±0.41)mg/L和(225± 21)mV],此時(shí)系統(tǒng)填料層則處于好氧狀態(tài).隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)濃度不斷增加,濃度、DO濃度和ORP值則同步下降,系統(tǒng)填料層隨即進(jìn)入缺氧狀態(tài).而后,隨著系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行,濃度開(kāi)始下降.反應(yīng)期-2結(jié)束時(shí),系統(tǒng)出水中的濃度為20.58mg/L.系統(tǒng)中TP濃度和生物膜內(nèi)的PHB含量在整個(gè)反應(yīng)期-2呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢(shì),由反應(yīng)期-2初始的(23.55± 2.17)mg/L和(0.76±0.07)molC/(g生物膜)最終降至反應(yīng)期-2末期的(0.12±0.02)mg/L和(0.082± 0.0098)molC/(g生物膜).值得注意的是,TFCW在反應(yīng)期-2中的缺氧階段呈現(xiàn)出一定程度的同步脫氮除磷性能.

2.1.3 FISH分析結(jié)果 由圖4分析可知,系統(tǒng)生物膜中PA Os所占的比例由運(yùn)行之初的7.15%增至穩(wěn)定運(yùn)行階段的46.83%,即隨著TFCW的不斷運(yùn)行,系統(tǒng)內(nèi)微生物數(shù)量不斷增加,PA Os所占比例亦不斷增加,進(jìn)而使得系統(tǒng)內(nèi)的生物蓄磷作用得以不斷強(qiáng)化,該結(jié)果亦與2.1.2中的試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng).

研究表明,厭氧/好氧(或厭氧/缺氧)的交替環(huán)境是強(qiáng)化系統(tǒng)生物蓄磷作用的前提,且系統(tǒng)中的電子供體和電子受體亦不能同時(shí)出現(xiàn),否則對(duì)PA Os的富集不利[26-27].對(duì)于TFCW,兩段進(jìn)水潮汐流運(yùn)行方式使系統(tǒng)在一個(gè)CD內(nèi)相繼經(jīng)歷了厭氧、好氧和缺氧3種環(huán)境,又使其做到了有機(jī)碳源和O2(或)的分開(kāi),從而為PA Os(包括DPA Os)在系統(tǒng)中的增殖創(chuàng)造了有利條件.由上述結(jié)果可推斷,該TFCW類(lèi)似于一套厭氧/好氧/缺氧(An/O/A)SBR.系統(tǒng)中的PA Os在反應(yīng)期-1內(nèi)攝取進(jìn)水中的有機(jī)物合成PHB貯存于胞內(nèi),同時(shí)進(jìn)行厭氧釋磷;TFCW在中間排空段完成復(fù)氧后隨即進(jìn)入反應(yīng)期-2,系統(tǒng)在該階段開(kāi)始氧化廢水中的與殘余的有機(jī)物,而此時(shí)PA Os亦會(huì)以O(shè)2為電子受體進(jìn)行磷素的過(guò)量吸收,隨著O2的不斷消耗,部分PA Os還會(huì)利用硝化作用產(chǎn)生的作為電子受體,繼續(xù)進(jìn)行反硝化除磷作用.由此可知,生物蓄磷作用在TFCW中已得到強(qiáng)化,且其中包括一定程度的反硝化除磷作用,由此造成系統(tǒng)出水中TP和濃度的降低.同時(shí),植物的吸收作用、填料的吸附沉淀作用及系統(tǒng)中其他的微生物作用等都會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)TFCW的凈化效果[18].

圖4 第1,45dTFCW中生物膜樣品的FISH圖Fig.4 FISH images of biofilmsamples in TFCW on the first day and forty-fifth day of operation a1～c1. 1d; a2～c2. 45d

2.2 生物蓄磷作用的穩(wěn)定性

2.2.1 磷移除操作對(duì)生物蓄磷作用穩(wěn)定性的影響 TFCW中的生物蓄磷作用得以強(qiáng)化后,系統(tǒng)隨即進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段.TFCW共運(yùn)行了12個(gè)PB-PH周期,典型PB-PH周期內(nèi)系統(tǒng)在生物蓄磷過(guò)程中的除磷效果如圖5所示,而TFCW在各PB-PH周期的磷素截留量與移除量則如圖6所示.由圖5可知,典型PB-PH周期內(nèi)系統(tǒng)在生物蓄磷過(guò)程中的除磷效果較好,平均去除率達(dá)(94.64±2.22)%,出水中的TP濃度為(0.67± 0.29)mg/L.圖6則表明,穩(wěn)定運(yùn)行階段系統(tǒng)在一個(gè)PB-PH周期內(nèi)的磷素截留量和磷素移除量分別為(2113.78±13.09),(1489.32±30.05)mg,磷移除過(guò)程中厭氧富磷液的磷素濃度高達(dá)(248.22±10.02)mg/L,可滿(mǎn)足磷素回收試驗(yàn)的要求[28].此時(shí)TFCW的平均磷素釋放率為70.45%,若磷結(jié)晶實(shí)驗(yàn)時(shí)磷素的沉淀效率按95.0%計(jì)算,則可推算出本系統(tǒng)磷素的總回收效率為66.93%.由此可知,采用周期性補(bǔ)充碳源的方法對(duì)TFCW進(jìn)行磷移除,可有效避免磷素在系統(tǒng)中的過(guò)量積累,從而可在一定程度上保障系統(tǒng)中生物蓄磷作用的高效性與穩(wěn)定性.

圖5 典型PB-PH周期內(nèi)TFCW在生物蓄磷過(guò)程中的除磷效果Fig.5 Phosphorus removal of TFCW during the P bioaccumulation process of a typical PB-PH cycle

圖6 穩(wěn)定運(yùn)行階段系統(tǒng)磷素截留量與移除量的變化Fig.6 The variations of P bioaccumulation and P harvesting in TFCW during the stable operation period

典型PB-PH周期內(nèi),本研究測(cè)算了生物蓄磷過(guò)程各CD內(nèi)系統(tǒng)的COD消耗量,并于各CD的反應(yīng)期-1末對(duì)TFCW填料層取樣,測(cè)定了生物膜中的PHB含量(圖7).圖7表明,在生物蓄磷階段,各CD內(nèi)系統(tǒng)的COD消耗量始終維持在(0.86±0.06)g,而隨著系統(tǒng)中磷素截留量的增加,其生物膜中的PHB含量由(4.56±0.39)mmolC/(g生物膜)逐漸減少至(0.68±0.07)mmolC/(g生物膜).對(duì)TFCW進(jìn)行磷移除操作后,生物膜的PHB含量復(fù)又增至(4.72±0.39)mmolC/(g生物膜),此時(shí)系統(tǒng)的COD消耗量則高達(dá)(8.84±0.75)g,即TFCW在磷移除過(guò)程中對(duì)補(bǔ)充碳源的利用率達(dá)98.22%.

PHB是存在于PA Os體內(nèi)的一種酯類(lèi)貯存物,PA Os可將其作為碳源和能源,用于吸磷甚至反硝化脫氮[29].在生物除磷系統(tǒng)中,如PA Os中PHB的合成量不足,會(huì)導(dǎo)致PA Os在好氧(或缺氧)條件下吸磷動(dòng)力不足,進(jìn)而引起系統(tǒng)除磷效率的下降[30].由圖7可知,在對(duì)TFCW進(jìn)行磷移除操作時(shí),會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行周期性的碳源補(bǔ)充,此方式可增加PA Os胞內(nèi)的PHB含量,進(jìn)而有利于系統(tǒng)蓄磷量和NOx-N去除量的提高.隨著生物蓄磷過(guò)程的進(jìn)行,由于進(jìn)水中有機(jī)碳源不足及其他微生物的競(jìng)爭(zhēng)作用等原因,生物膜中蓄積的PHB會(huì)逐漸減少.在生物蓄磷階段后期,生物膜內(nèi)的PHB含量已基本保持不變,說(shuō)明此刻用于合成PHB的碳源主要源自進(jìn)水,若繼續(xù)延長(zhǎng)蓄磷時(shí)間,系統(tǒng)的出水磷濃度與除磷效果則主要決定于進(jìn)水碳源濃度、進(jìn)水C/P以及生物膜內(nèi)的磷蓄積量[12].由此可知,周期性補(bǔ)充碳源的磷移除操作不僅可及時(shí)移除系統(tǒng)中過(guò)量積累的磷素,還可增加系統(tǒng)中PA Os的PHB合成量,進(jìn)而有利于后續(xù)PB-PH周期內(nèi)的生物蓄磷過(guò)程.

圖7 典型PB-PH周期內(nèi)系統(tǒng)COD消耗量與生物膜中PHB含量的變化Fig.7 The variations of the COD consumption and the PHB content in TFCW during a typical PB-PH cycle

2.2.2 運(yùn)行效能 如表3所示,穩(wěn)定運(yùn)行期間TFCW對(duì)COD、TP和NH4+-N均保持著較高且穩(wěn)定的去除率,尤其對(duì)TP的去除率高達(dá)(96.04±3.14)%.磷移除操作使系統(tǒng)中的生物蓄磷作用始終保持著高效性與穩(wěn)定性.

表3 穩(wěn)定運(yùn)行期間TFCW的運(yùn)行效能Table 3 Contaminants removal of TFCW during the stable operation period

2.2.3 穩(wěn)定運(yùn)行期間TFCW中被截留磷素的去除途徑 TFCW運(yùn)行12個(gè)PB-PR周期后,測(cè)定并估算了該段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)對(duì)污水中磷素的去除量及被去除磷素在系統(tǒng)中的分布.由表4可知,在試驗(yàn)期間,TFCW通過(guò)PA Os的過(guò)量吸磷作用及其他微生物的吸收轉(zhuǎn)化作用共去除磷量24877.99mg,占到了系統(tǒng)磷素去除總量的98.08%.同時(shí),TFCW中填料對(duì)磷素的吸附量為305.53mg,僅占系統(tǒng)磷素去除總量的1.20%,此結(jié)果應(yīng)歸因于沸石的理化特性.另外,該階段內(nèi)蘆葦對(duì)磷素的凈吸收量為181.83mg,其對(duì)磷素的吸收去除作用亦很小.普遍認(rèn)為,在人工濕地中,植物的泌氧作用可直接影響微生物的生命活動(dòng),進(jìn)而影響濕地的除磷效果[31-32],但依靠植物直接吸收和存貯去除的磷量卻并不顯著.綜合上述結(jié)果可知,輔以磷移除操作的兩段進(jìn)水潮汐流運(yùn)行方式可使PA Os的過(guò)量吸磷作用成為人工濕地除磷的主要途徑,從而也進(jìn)一步證明了生物蓄磷型人工濕地系統(tǒng)能夠成功創(chuàng)建.

表4 穩(wěn)定運(yùn)行期間TFCW中的磷素去除途徑分析Table 4 Phosphorus removal pathways of TFCW during the stable operation period

3 討論

目前,全球范圍內(nèi)普遍存在著陸地磷礦產(chǎn)資源日益匱乏與水環(huán)境中磷含量過(guò)高而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的矛盾,這樣的資源與環(huán)境現(xiàn)狀正推動(dòng)著以“回收”磷代替“去除”磷之理念的快速傳播與研發(fā)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用.考慮到人工濕地系統(tǒng)中可附著大量的微生物,本研究通過(guò)優(yōu)化人工濕地的運(yùn)行方式,成功構(gòu)建了生物蓄磷型人工濕地系統(tǒng),使生物蓄磷作用成為系統(tǒng)除磷的最主要途徑.與此同時(shí),通過(guò)磷移除操作的采用,對(duì)系統(tǒng)中積累的磷素進(jìn)行了濃縮和回收,保障了濕地系統(tǒng)除磷效果的高效性和穩(wěn)定性,使得該工藝達(dá)到了長(zhǎng)期循環(huán)利用的目的.本研究的開(kāi)展,使人工濕地除磷與磷素回收從技術(shù)上一并考慮,將系統(tǒng)對(duì)磷素的去除以回收目標(biāo)產(chǎn)物的方式予以實(shí)現(xiàn),既進(jìn)一步拓展了磷回收技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用范圍,又保證了人工濕地對(duì)污水的高效低耗及資源化處理,最終實(shí)現(xiàn)了水體防治與磷素可持續(xù)利用的合二為一.

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)TFCW中有反硝化除磷現(xiàn)象的存在.通常認(rèn)為,TFCW的反硝化能力較差,致使其對(duì)TN的去除效率較低.如能強(qiáng)化生物蓄磷型人工濕地系統(tǒng)中的反硝化除磷作用,則可以在強(qiáng)化人工濕地除磷能力的同時(shí)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的脫氮能力.為此,在后續(xù)的研究工作中,筆者需針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的探索.

4 結(jié)論

4.1 兩段進(jìn)水潮汐流運(yùn)行方式可實(shí)現(xiàn)PA Os在TFCW中的快速富集,進(jìn)而有利于強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)的生物蓄磷作用;

4.2 磷移除操作可有效避免TFCW中磷素的過(guò)量積累,有利于系統(tǒng)除磷效果的穩(wěn)定,并可獲得高濃度的厭氧富磷液.另外,該措施亦能夠增加PA Os胞內(nèi)的PHB含量,有利于進(jìn)一步強(qiáng)化TFCW中的生物蓄磷作用.

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Improvement of phosphorus bioaccumulation in a tidal flowconstructed wetland and its stability.

WANG Zhen1*,QI Ran1, LI Ying-ying1, DU Yu-neng2, FAN Shi-suo1, WANG Yi1
(1.School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China；2.College of Economics and Management, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：534～542

Improvement of phosphorus bioaccumulation in a tidal flowconstructed wetland (TFCW) and the stability of the systemwere investigated during domestic sewage treatment. Polyphosphate-accumulating organisms (PA Os) could become dominant populations quickly in a modified TFCW adopting two-time feeding tidal flowoperation mode, and phosphorus bioaccumulation of the systemcould be enhanced accordingly. The introduction of periodical carbon source supplements for phosphorus harvesting was conductive to boot a deeply release of the accumulated phosphorus in PA Os which could avoid excessive accumulation of phosphorus in the system. Meanwhile, the storage of endogenous carbon source within the biofilmincreased because of the measure which was conductive to the subsequent biological phosphorus removal and the systemstability. As the cycle length for phosphorous harvesting was 30d, the phosphorus removal rate of the TFCW could reach 96.04% during the phosphorus bioaccumulation process. And the phosphorus harvesting efficiency and the supplementary carbon source utilization rate of the TFCW could also achieve 70.45% and 98.22% respectively during the phosphorus harvesting process. In this case, luxury phosphorus uptake by PA Os played the greatest role in phosphorus removal.

tidal flowconstructed wetland (TFCW)；phosphorus bioaccumulation；phosphorus harvesting；polyphosphate-accumulating organisms (PA Os)；carbonsource

X142

A

1000-6923(2017)02-0534-09

王 振(1985-),男,山東德州人,講師,博士,主要從事污水生物資源化處理與回用技術(shù)研究.發(fā)表論文20余篇.

2016-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508002);安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1508085QE99)

* 責(zé)任作者, 講師, zwang@ahau.edu.cn