原水碳源分子量分布及DPB效能對酸化時間的響應

劉 祥，何成達，劉 雯，朱 亮，（.河海大學環境學院，江蘇 南京 0098；.揚州大學環境學院，江蘇 揚州 57；.江蘇省環境監測中心，江蘇 南京 006；.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 0098）

原水碳源分子量分布及DPB效能對酸化時間的響應

劉 祥1，何成達2，劉 雯3，朱 亮1，4*（1.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098；2.揚州大學環境學院，江蘇 揚州 225127；3.江蘇省環境監測中心，江蘇 南京 210036；4.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098）

采用超濾-納濾膜法對污水中碳源分子量（MW）進行切割試驗，并測定各區間總有機碳（TOC）濃度以了解污水碳源組成特性；同時采用污水酸化技術，研究在不同酸化時間，碳源分子量分布的變化及對厭氧-膜好氧-反硝化（A2N）工藝中反硝化聚磷菌（DPB）用碳和凈污效能的影響.結果表明，試驗原水TOC為（58.3±2.83） mg /L，其中顆粒有機碳（POC）為（38.05±1.65）mg /L，占65.27%，剩余溶解有機碳（DOC）在分子量0.5kDa以上區間呈現“W”型分布，其中 MW＞100kDa、10k～5kDa、1k～0.5kDa、MW＜0.5kDa區間碳源分別占36.20%、12.05%、13.68%和29.83%.在不同酸化時間下，POC含量與DOC分布存在顯著差異，在12h內酸化，可以有效將POC轉化為DOC，且在14mg/L左右趨于平衡；DOC在大于0.5kDa區間上的分布呈現隨時間而整體后移的趨勢，在8h時碳源質量最優，其中MW＜1kDa的小分子有機物高達17.30mg/L；此時，DPB污泥在厭氧池與缺氧池中的碳源利用率分別為 83.48%、79.59%，比0h時分別提高了23.56%、18.03%；TN、TP去除率分別提高了14.63%、16.98%.

碳源；分子量；分布；DPB污泥；酸化

由于污水C/N偏低不利于微生物脫氮除磷，而現有污水處理工藝運行過程中大部分是通過初沉池先去除部分顆粒性有機物（POM），更加重了碳源不足對微生物脫碳除磷的影響.目前，國內很多污水廠都是通過外加碳源（甲醇、乙酸、乙酸鈉等）補充［1］，這種措施既不可持續，同時也會帶來巨大經濟負擔和工藝運行管理的復雜性.為此，很多專家學者就開始研發微生物高效用碳節能工藝，如多級AO分段進水工藝［2-6］、UCT工藝［7］及前置預缺氧反硝化工藝［8］等，在技術研究及工程應用中也取得了一定效果，但都對碳源高效利用機理仍缺乏深入認識，很少有學者從有機物分子量分布及溶解性有機碳（DOC）的角度研究碳源特性及微生物利用及轉化.

城市污水中的有機物按尺寸大小（一般以0.45μm或0.22μm為界）［9］可分為顆粒性（POM）和溶解性（DOM）兩大類，其中DOM 約占總有機物的30%～40%［10］，是微生物利用的主要對象.DOM包含著從分子量（MW）幾十（單糖，碳水化合物等）到幾十萬（蛋白質，腐殖質等）不同區間的有機物，而一定MW區間內的各類有機物，往往表現出類似的物理化學特性［11］，同時按照MW對有機物進行分類，可以避免有機物綜合性指標（COD、BOD5）表征模糊［12-13］，不僅可以提高對有機物在微生物作用下的變化規律的認識和水處理方法的優化選擇［14］，而且可以從碳源內在組成特性的角度了解反硝化聚磷菌（DPB）污泥在反硝化除磷過程中的用碳規律.

厭氧-膜好氧-反硝化（A2N）工藝是基于DPB污泥缺氧段以硝態氮為電子受體，聚β羥基丁酸（PHB）為電子供體可以同時脫氮除磷的原理而開發的新工藝，與傳統工藝相比，能有效利用DPB污泥厭氧釋磷時儲存在胞內的PHB用于缺氧反硝化除磷碳源，具有“一碳兩用”的優點［15-16］，同時也降低了原先好氧曝氣吸磷所產生的能耗.

水解酸化工藝是根據產甲烷菌與水解產酸菌生長速度不同，將厭氧處理控制在反應時間較短的厭氧處理第1和第2階段，即在大量水解細菌、酸化菌作用下將顆粒性有機物（POM）水解為溶解性有機物（DOM），將難生物降解的大分子物質轉化為易生物降解的小分子物質的過程，從而改善污水的可生化性，為后續微生物脫氮除磷提供優質的碳源.而污水和廢水工藝的處理效果與污水中所含有機物的分子量分布即碳源內在組成特性密切相關［17］.因此，本文用超濾-納濾膜法［18-19］切割有機物分子量，獲得在一定MW區間上的有機物分布來了解碳源的本身內在特性，研究不同酸化時間對污水碳源特性（MW分布）的改善以及對DPB污泥凈污效能的提高情況.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗原水及水質 試驗原水取自某大學學生宿舍區化糞池污水，作為試驗研究原水，其中C/N約為3.5～5.5.水質見表1.

表1 原水水質Table 1 Selective parameters of water quality in the raw wastewater

1.1.2 試驗裝置 裝置各反應柱均由有機玻璃制成，進水流量、污泥回流比及污泥超越比均采用蠕動泵（型號：BT100-2J保定格蘭恒流泵有限公司）調節控制，沿程采用重力流.主要運行參數如下：室溫 （25～30℃），進水流量2.5L/h，厭氧、好氧、缺氧池DO分別為＜0.2，2～3，0.5mg/L，各反應器容積依次為5.6，4，15，13.8，4L，總平均HRT為13.33h，DPB污泥齡為15d，污泥回流比與超越比均為40%，MLSS為（3443±50）mg/L.

試驗裝置應在正常工況下調試運行2個月，待工藝整體穩定運行及出水水質僅在較小范圍波動的情況下，開展進一步的實驗研究.

圖1 A2N工藝流程示意Fig.1 Schematic diagram of the anaerobic -nitrification-anoxic （A2N） process

1.1.3 酸化裝置 反應器為50L的塑料桶，內懸掛富含污水酸化菌生物膜的組合填料， 根據試驗設定的酸化時間及相關條件控制酸化過程，將經過一定時間預酸化的污水作為工藝的進水，研究不同酸化時間下有機物的分子量分布及對工藝去污能力的影響.試驗裝置見圖2.

圖2 酸化裝置示意Fig.2 The apparatus used for acidification

1.1.4 濾膜 出廠濾膜大小為1m2，使用時應采用與超濾杯相應大小的圓盤模具對濾膜進行裁剪，且對拆封后的濾膜應一次性裁剪完畢，并進行相應的預處理后冰箱4℃保存，未拆封的濾膜應避光低溫保存以防止受損.具體參數見表2.

1.1.5 超濾杯 污水中有機物分子量切割裝置（超濾杯）（圖3）由中國科學院上海原子核研究所膜分離技術中心研發，其有效容積為300mL，有效過濾面積為4.18x10-3m2，內設磁力攪拌轉子以減緩膜孔堵塞，以高純氮氣為壓力驅動力，最大過濾壓力不宜超過0.1MPa.其他儀器有TOC儀（TOC- VCSN， Japan）； HPLC儀（Waters， USA）.

表2 試驗濾膜基本性能參數Table 2 The basic properties for all kinds of membranes used in the research

圖3 超濾杯示意Fig.3 The components and connection of ultrafiltration cup in this research

1.2 方法

1.2.1 濾膜預處理方法 微濾膜（0.45μm）預處理方法 將直徑100mm的微濾膜分散（光面朝下）放入盛有1L超純水的燒杯中，置于電加熱器上蒸煮2次，每次30min，沸騰時開始計時；每次蒸煮后再用超純水沖洗3次，然后放入盛有超純水的培養皿于冰箱4℃保存，24h后更換超純水.

超濾膜（UFM）、納濾膜（NFM）預處理方法 將一定數量的UFM、NFM分散（光面朝下）置于含有少量乙醇的超純水中，在培養皿中浸泡漂洗3次，每次1h；每次浸泡后應用超純水沖洗干凈，然后存放于盛有超純水的培養皿中冰箱4℃保存，24h 后更換超純水待用.

1.2.2 分子量切割試驗［20］將預處理過的0.45μm微濾膜夾到超濾杯上，用超純水清洗杯體并過濾清洗濾膜孔道直至濾液達100mL，然后用待過濾水樣（取樣靜沉30min后的上清液）潤洗3次后正式過濾，廢棄初濾液100mL，收集剩余濾液700mL于1L玻璃具塞錐形瓶中.測定濾前、濾后的樣品TOC，兩者之差為顆粒性有機碳（POC），而濾后的TOC為溶解性有機碳（DOC）.將經微濾膜過濾后的水樣作為分子量切割的初始樣品，采用平行法將預處理好的100kDa、50kDa、10kDa、5kDa、1kDa、0.5kDa的濾膜分別夾到超濾杯上進行切割試驗，清洗步驟同上，然后用初始樣品50mL分3次潤洗杯體，然后取50mL樣品正式過濾，棄去初濾液20mL，取中間濾液12mL于15mL具塞離心管中，測定TOC，進而獲得MW＞100k、100k～50k、50k～10k、10k～5k、5k～1k、1k～0.5k 和MW＜0.5kDa 7個區間分子量分布.（過濾時，應先擰緊進樣口的旋塞，再根據樣品出流量調節驅動力；操作結束后，應先關閉減壓閥，后緩慢旋開進樣口塞子，再拆放裝置換膜.夾放濾膜時，先放裝置配套的濾網，后放濾膜，光面朝上，再放橡膠圈，后蓋上杯子，夾子固定；濾網、濾膜、橡膠圈都應用前端有乳膠保護的鑷子夾取，以免產生污染）.

1.2.3 酸化試驗 將經過酸化處理的污水作為工藝的進水，每個工況持續運行2周，待系統穩定后進行各項研究測定.操作時只需將進水管插入酸化桶中（酸化后要移走生物膜），進行批次試驗.

1.2.4 指標測定 COD：重鉻酸鉀法（GB11914-89）；TP：過硫酸鉀-消解紫外分光光度法（GB11893-89）；TN：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894-89）［21］；PHB（聚β羥基丁酸）、Gly（糖原）測定方法［22-25］.

2 結果與討論

2.1 原水碳源分子量分布

本試驗原水總TOC為（58.3±2.83）mg/L，其中顆粒性碳源POC為（38.05±1.65）mg/L，占TOC的65.27%，這一實驗結果與Wang等［9］和傅平青［10］中提到生活污水的顆粒性碳源占總TOC的70%的結論基本相符.說明城市污水中碳源有近3/4為顆粒性碳源在常規處理工藝的初沉池被去除而導致碳源流失.

采用超濾-納濾膜法切割剩余溶解性有機物（DOC），發現有機物分子量在0.5kDa以上區間上呈現“W”型分布（圖4），主要分布在MW＞100kDa、10k～5kDa、1k～0.5kDa、MW＜0.5kDa 4個區間，分別占DOC的36.20%、12.05%、13.68%和29.83%，其余3個區間僅共占8.24%，而MW＜1kDa的小分子有機物占DOC的43.51%.這表明，污水DOC中有近一半的小分子碳源可供微生物直接利用，但同時也有相當一部分大分子碳源存在，不可被微生物直接利用，為此，通過酸化反應將大分子轉換為小分子微生物易利用碳源對補充生物脫氮碳源不足具有顯著作用.

圖4 原水溶解性有機物分子量（MWDOC）分布Fig.4 Molecular weight of dissolved organic carbon（MWDOC） distribution in raw wastewater

2.2 碳源分子量分布對不同酸化時間的響應

圖5可以看出，總TOC隨時間的延長而濃度減小，剛開始的少量減少主要是滿足酸化菌自身新陳代謝需要，在20h處出現顯著降低，主要是由于產CH4作用消耗了污水中小分子易利用碳源；而顆粒TOC濃度隨時間先減小，后在12h后趨于平衡（14mg/L），不再有明顯減小，說明水解酸化菌并不是無休止的將POC物轉化成DOC，同時也表明酸化時間過長，可能會導致一些易降解小分子有機物（如揮發性脂肪酸）被產甲烷菌利用生成CH4氣體，導致DPB污泥易利用碳源流失.文獻［26］研究表明：酸化反應時間過長，液面會有大量氣泡產生，證實了CH4氣體的產生.因此，將本試驗污水酸化時間定為8h較為合理，既可以滿足POC和大分子有機物向DOC的高效轉化，也可以避免微生物易利用碳源的流失，再次證明控制酸化反應時間及相關工況條件對碳源組成特性及MWDOC分布具有顯著影響.

圖5 不同酸化時間下污水TOC與POC變化Fig.5 The changes of TOC and POC concentrations in different acidification time

從圖6可以看出，在不同酸化時間下，污水DOC在MW＞100k、100k～50k、50k～10k、10k～5k、5k～1k、1k～0.5k 和MW＜0.5kDa 7個區間上分布存在顯著差異.其中MW＞100kDa區間內的碳源隨酸化時間濃度逐漸減小， MW＜1kDa的小分子有機物在8h時達到最大值，為17.30mg/L，占總TOC的32.19%，而＞0.45μm的顆粒有機物在8h時為（20.27±0.91）mg/L，占總TOC的37.71%，較原先的65.27%減少了27.56%，而總TOC并無明顯減少，說明酸化反應可以有效將POC轉化為DOC，從變化趨勢可以看出，POC經過酸化會向各個分子量區間分散，上一級區間向下一級推移.同時，隨著酸化時間的延長，酸化與產甲烷反應相伴進行，只是產甲烷反應的速率快于酸化，此外產CH4菌優先利用分子量＜0.5kDa的碳源，對分子量1k～0.5kDa區間的碳源并不敏感.

圖6 不同酸化時間下污水溶解性有機物分子量（MWDOC）分布變化Fig.6 MWDOC distribution of wastewater in different acidification time

2.3 不同酸化時間對碳源利用的改善

在厭氧反應器中，主要是DPB污泥利用小分子易降解有機物，將其轉化以PHB的形式儲存于細胞內，同時進行釋磷反應；同時，細胞內的糖原（Gly）也將作為內碳源一部分供微生物新陳代謝利用，一部分轉化成PHB儲存于細胞內［15］.

如圖7所示，在不同酸化時間下，外/內碳源的轉化與利用有明顯差異.試驗表明：在厭氧反應器中，碳源總消耗量并不隨酸化時間有明顯變化，平均消耗量為220.33mg COD/h，同時Gly向PHB的轉化量也相對固定，平均為180.31mg COD/h.結合分子量分布可以看出，污水中MW＜1kDa的小分子有機物越多，PHB的合成量就越多，厭氧段的釋磷效果就好，這就更好的保證了后續缺氧有足夠的碳源可以利用，進而保證出水N、P去除率.酸化反應可以顯著改善系統碳源利用率，在8h時，碳源利用率為83.48%，較0h提高了23.56%.

在缺氧反應器中，主要是DPB污泥以硝態氮為電子受體，細胞內PHB、污泥吸附碳源作為電子供體同時進行脫氮除磷，這也是A2N工藝一碳兩用的特點，此外，PHB作為反硝化除磷碳源的同時，也有一部分被轉化成Gly儲存在細胞內隨污泥回流進入工藝前端［15］.

如圖8所示，在不同酸化時間下，外/內碳源的轉化與利用與圖7呈現相同的趨勢.在缺氧反應器中，細胞內Gly合成量不隨酸化時間變化而變化，平均為157.57mg COD/h，因此，前段合成的PHB越多，供反硝化除磷的碳源就越多.在8h時，碳源利用率為79.59%，較0h提高了18.03%.

圖7 厭氧反應器中內碳源變化與利用Fig.7 Change of internal carbon source utilization in the anaerobic reactor

圖8 缺氧反應器中內碳源變化與利用Fig.8 Change of internal carbon source utilization in the anoxic reactor

2.4 酸化對DPB污泥凈污效能的提高

從表3可以看出，污水酸化后能有效提高DPB污泥對氮磷的去除，而COD的去除與酸化時間無明顯關系.當污水酸化4h時，TN為（13.56± 0.67）mg/L，達到一級A標［27］，而TP要在污水酸化8h時為（0.45±0.03）mg/L.酸化8h，TN、TP去除率分別提高14.63%、16.98%.

表3 A2N工藝COD、TN和TP去除效果Table 3 Performance of the A2N process for the removal of COD， TN and TP

3 結論

3.1 采用超濾-納濾膜法切割污水中碳源分子量，原水碳源中有65.27%的POC，且剩余DOC在MW＞0.5kDa區間上呈現“W”型分布，主要分布在MW＞100kDa、10k～5kDa、1k～0.5kDa、MW＜0.5kDa 4個區間，分別占DOC的36.20%、12.05%、13.68%和29.83%，其余3個區間共占8.24%，而MW＜1kDa占DOC的43.51%.

3.2 污水酸化技術可以有效改善原水碳源質量，促使POC和大分子有機物（HMWOM）向DOC的轉化，但POC濃度并不會隨著酸化時間的延長而逐漸減小，在12h時，POC濃度趨于平衡；在8h時，MW＜1kDa的微生物易利用優質碳源達17.30mg/L，主要來源于微生物對大分子有機物的水解酸化效應；隨著時間的延長，CH4生成，主要消耗MW＜0.5kDa的碳源，對分子量1k～0.5kDa碳源并不敏感，造成合成PHB的前體碳源流失.

3.3 在DPB污泥系統中，酸化時間對PHB與Gly之間的相互轉化量并無影響，平均分別為180.31，157.57mg COD/h.但酸化時間在8h時，污水碳源質量最優，且DPB污泥在厭氧、缺氧段碳源分別為83.48%，79.59%，分別提高了23.56%，18.03%，TN、TP去除率分別提高了14.63%，16.98%，而對COD去除率無明顯影響.

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Responses of the molecular weight distribution of raw water carbon source and DPB function to acidification time.

LIU Xiang1， HE Cheng-da2， LIU Wen3， ZHU Liang1，4＊（1.College of Environment， Hohai University， Nanjing 210098，China；2.College of Environmental Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225127， China；3.Environmental Monitoring Center of Jiangsu Province， Nanjing 210036， China；4.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resources Development of Shallow Lakes， Ministry of Education， Hohai University， Nanjing 210098，China）. China Environmental Science， 2015，35（3）：797～803

In order to know the features of carbon source composition， nanofiltration-ultrafiltration membranes was used to determine fractionation of the molecular weight in wastewater carbon source. Then we studied the influence of molecular weight distribution on the carbon utilization by denitrifying phosphorous removing bacteria （DPB） and related treatment performance of wastewater in the anaerobic-nitrification-anoxic （A2N） process， by employing acidification method with different acidification time. The averaged concentration of the total organic carbon （TOC） in raw wastewater was （58.3±2.83）mg/L， among which there is an averaged concentration of the particulate organic carbon （POC） in （38.05±1.65） mg/L with 65.27% to TOC. The dissolved organic carbon （DOC） presents a "W" type distribution on the molecular weigh with ranges of less than 0.5kDa （Dalton）. And the molecular in weight ranges of “bigger than 100kDa”， “10kDa～5kDa”， “1kDa～0.5kDa” and“less than 0.5kDa” has contributed 36.20%， 12.05%， 13.68% and 36.20% to the total DOC， respectively. Acidification time has significantly impact on the allocation between POC and DOC. A 12-h acidification could effectively transformed POC to DOC，reaching a balanced concentration of 14mg/L. DOC decreased with increased acidification time. Best quality of carbon sources was expected at 8h， when DOC in low molecule weight organic matter （LMWOM， ＜1kDa） was 17.30mg/L. As a result， carbon utilization rate of DPB sludge in anaerobic tank and anoxic tank were 83.48% and 79.59%， increased by 23.56% and 18.03% from the 0-h acidification time， respectively. Meanwhile， the removal rate of total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP）increased by 14.63% and 16.98%， respectively.

carbon source；the molecular weight；distribution；DPB sludge；acidification

X703

A

1000-6923（2015）03-0797-07

劉 祥（1989-），男，江蘇南京人，河海大學博士研究生，主要從事水污染控制與水生態環境方面的研究.發表論文4篇.

2014-06-28

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2009ZX07317-007-1）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2013/B14020391）

* 責任作者， 教授， zhulianghhu@163.com