三維熒光光譜解析城市污水有機物的去除特征

李海波,孫 晨,劉曉玲,田智勇*,向連城,王思宇,周北海

?

三維熒光光譜解析城市污水有機物的去除特征

李海波1,2,3,孫 晨2,3,劉曉玲2,3,田智勇2,3*,向連城2,3,王思宇2,3,周北海1

(1.北京科技大學土木與環境工程學院,北京 100083；2.中國環境科學研究院,環境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012；3.中國環境科學研究院城市水環境科技創新基地,北京 100012)

利用熒光區域積分結合物料平衡計算及多元直接梯度分析,考察強化除磷-硫自養系統對低COD/TN比市政污水中有機物、氮和磷污染物的去除特性.結果表明,在進水COD/TN比為4.5~6.0的條件下,強化除磷-硫自養系統出水中的TN、NH4+-N和TP濃度分別降至1.31、1.11和0.23mg/L,其去除率分別達到了96.3%、96.0%和86.9%.強化除磷-硫自養系統對熒光區域Ⅰ~Ⅴ標準積分體積的去除率分別為73.7%、64.3%、50.6%、61.3%和28.1%.物料平衡計算表明,非曝氣區對熒光區域Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的物質有明顯的去除效果;好氧區對熒光區域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的物質有明顯的去除效果.多元直接梯度分析表明,磷的釋放過程可能與溶解性微生物代謝產物熒光區中的有機物相關,而自養的硝化反應、吸磷過程和有機物的去除可在好氧區達到統一.

低COD/TN比市政污水；溶解性有機物；熒光區域積分；物料平衡；多元直接梯度分析

有機物及氮磷過量排放所引發的環境問題引起國內外學者的關注[1-4].國家"水污染防治行動計劃"提出,現有城鎮污水處理廠應分類分階段提標改造,使出水滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)一級A[5].由于市政污水COD/TN比普遍較低(4~6),污水處理廠現有工藝難以滿足出水排放要求[6-8].但是將強化除磷與硫自養兩個工藝單元相結合,可能實現氮磷污染物的高效去除.然而,國內外針對強化除磷-硫自養系統的研究卻鮮少涉及.

在強化除磷-硫自養系統中,進水中溶解性有機物的類型及含量可顯著影響工藝的生物處理效果,系統出水也可影響受納水體的水環境[9-13].然而,現有研究常采用COD作為水處理過程中溶解性有機物去除的表征手段.這難以反映各工藝單元微生物對不同類型溶解性有機物去除效果的差異性[14-15].由于三維熒光光譜技術可獲得熒光有機物完整的光譜信息,故該技術被廣泛用于水環境中有機物的識別和解析[16-20].

本研究在考察強化除磷-硫自養系統對氮磷污染物的去除效果的基礎上,采用三維熒光光譜技術結合熒光區域積分方法,分析了溶解性有機物在強化除磷-硫自養系統不同單元中的變化規律.同時,配合物料平衡計算研究了溶解性有機物在上述系統中的去除特性.此外,通過多元直接梯度分析評估標準化熒光體積與氮、磷污染物濃度及去除量之間的相關性,以期為強化除磷-硫自養系統的正常運行及管理提供一定的參考意義.

1 材料與方法

1.1 試驗系統和樣品的采集

試驗裝置位于國電沈陽北部污水處理廠,試驗污水取自該污水處理廠進水管網,水質特性見表1所示.

表1 強化除磷-硫自養系統進水水質特性 Table 1 Influent characteristics of Enhanced Biological Phosphorus Removal-Sulfur Autotrophic system

市政污水處理工藝采用強化除磷-硫自養系統,工藝流程圖如圖1所示.各功能區的有效容積為:0.831m3(預缺氧區)、1.164m3(厭氧區)、2.769m3(好氧區)和1.070m3(二沉池);各功能區的水力停留時間分別為:1.49h、2.08h、4.95h和1.91h.強化除磷工藝段的進水流量為0.56m3/h;預缺氧區和厭氧區的分段進水比例為3:7;污泥回流比為100%.好氧區溶解氧控制在1.8~2.5mg/L.污泥濃度控制在2300~ 2700mg/L.通過排放剩余污泥,系統的污泥齡控制在17~23天.由于進水COD/TN比較低(4.5~6.0),導致強化除磷工藝段出水總氮主要以硝酸鹽氮的形式存在.為強化脫氮效果,硫自養工藝段用于處理強化除磷工藝段的出水.硫自養反應器采用上流式運行方式,其有效高度和內徑分別為75cm和14cm.粒徑為3~4mm的顆粒硫磺和0.8~1.2mm的石灰石按照質量比2:1均勻填裝至硫自養反應器,填裝高度為70cm,孔隙率為45.7%.硫自養工藝段的實際水力停留時間設定為10min,即空床水力停留時間為22min,故實際上升流速為4.2m/h,表觀上升流速為1.92m/h.

污水樣品沿進水、預缺氧區、厭氧區、好氧區、二沉池和硫自養區依次采集.樣品經孔徑為0.45μm玻璃纖維濾膜過濾后,裝入玻璃瓶中,儲存于4℃冰箱中.

1.2 樣品測量方法

溶解性COD采用COD快速消解測定儀(5B-3C,連華科技股份有限公司)進行測定.總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)和總磷(TP)根據《水和廢水監測分析方法(第四版)》[21].

三維熒光光譜通過熒光分光度計測定(F-7000,日本日立公司).其參數設定為:PMT電壓:700V;激發波長Ex:200~450nm;發射波長為Em:260~500nm;狹縫寬帶:Ex=5nm,Em=5nm;掃描速度:1200nm/min.在1cm石英熒光比色皿中測定,試驗空白水為Milli-Q超純水.

1.3 熒光數據分析

三維熒光光譜在分析之前,樣品的熒光強度減去空白水樣的熒光強度,以修正樣品的瑞利散射和拉曼散射所影響的熒光區域.隨后再使用熒光區域積分對三維熒光光譜進行定量分析.熒光區域積分分析參考姚璐璐等的方法[22].具體為:將三維熒光光譜分為5個區域,區域Ⅰ為芳香蛋白類物質Ⅰ熒光區,范圍為Ex/Em= 200~250nm/ 260~320nm;區域Ⅱ為芳香蛋白類物質Ⅱ熒光區,范圍為Ex/Em=200~250nm/320~ 380nm;區域Ⅲ為富里酸類物質熒光區,范圍為Ex/Em=200~ 250nm/380~550nm;區域Ⅳ為溶解性微生物代謝產物熒光區,范圍為Ex/Em= 250~450nm/260~ 380nm;區域Ⅴ為腐殖酸類物質熒光區,范圍為Ex/Em= 250~450nm/380~550nm.

通過Origin8.0軟件計算積分體積C,即得到熒光區域i的累積熒光強度.然后對區域i的積分體積進行標準化,得到區域的積分標準化體積C,n,從而反映了熒光區域中特定結構有機物的相對含量.相關計算公式見式(1)和(2)[15].

=MFdd(1)

式中:C為熒光區域的積分體積,au·nm2;C為熒光區域的標準積分體積,au·nm2;為激發波長,nm;em為發射波長,nm;(exem)為激發、發射波長對應的熒光強度,au;MF為倍增系數,等于熒光區域的積分面積占總熒光區域積分面積比例的倒數;S為總熒光區域積分面積,nm2;S為熒光區域i的積分面積,nm2.

此外,基于物料平衡,計算不同類型有機物在強化除磷-硫自養系統中各功能區的去除率.

1.4 標準積分體積與溶解性COD濃度及氮磷污染之間的關系

為研究熒光指數與溶解性有機物濃度之間的相關性,線性回歸方程用于擬合溶解性COD濃度和各區域標準熒光體積,見公式(3)

式中:為溶解性COD的濃度,mg/L;為區域的標準積分體積,au·nm2;,0為常數.

另外,利用Canoco for Windows 4.5軟件進行多元直接梯度分析,計算標準化熒光體積與氮、磷污染物濃度及去除量之間的相關性,從而評估各類有機物與氮、磷污染物在強化除磷-硫自養系統中相互作用關系.

2 結果與討論

2.1 強化除磷-硫自養系統的脫氮除磷效果

強化除磷-硫自養系統對氮磷污染物的去除性能如圖2所示.強化除磷工藝段主要用于去除有機物、氮和磷.預缺氧區中,由于回流污泥的稀釋作用,TP濃度由進水的1.80mg/L降至0.71mg/L.70%的進水流入厭氧區,TP濃度由1.09mg/L升至6.57mg/L,這表明磷在厭氧區聚磷菌的作用下得到了較好的釋放.好氧區中,聚磷菌通過聚磷作用使該區出水中的TP濃度降至0.13mg/L.

TN、NH4+-N和NO3--N在強化除磷工藝段的變化呈現較大的差異.預缺氧區中NO3--N濃度明顯降低,從二沉池的11.2mg/L降至2.07mg/L.原因如下:預缺氧區中的反硝化微生物利用30%進水中的有機物通過反硝化作用有效去除了回流污泥中攜帶的NO3--N.這避免了厭氧區中聚磷菌和反硝化菌對有機物的競爭,有利于該區磷的釋放[23-24].厭氧區中,TN主要以NH4+-N的形式存在,其濃度達到14.3mg/L.在好氧區中,NH4+-N經硝化作用轉化為NO3--N,NH4+-N濃度降至1.61mg/L,而NO3--N濃度升至11.1mg/L.二沉池中NO3--N濃度占TN含量的81.8%.強化除磷工藝段對磷、氨氮達到較好的處理效果,TP和NH4+-N去除率分別達到91.0%和94.2%.但由于進水COD/TN比較低,導致該工藝段對TN的去除率偏低,只有58.3%,且出水氮污染物主要以NO3--N形式存在.故硫自養工藝段用于進一步處理強化除磷工藝段出水中的NO3--N.硫自養工藝段出水中TN、NH4+-N和NO3--N的濃度分別為:1.31、1.11和0.36mg/L,強化除磷工藝段出水經硫自養工藝段處理后NO3--N和TN濃度明顯降低.結果表明,在低碳氮比條件下(4.5~6.0),強化除磷-硫自養系統獲得了良好的脫氮除磷效果,TP和TN去除率達到了86.9%和96.3 %.

2.2 強化除磷-硫自養系統中溶解性有機物的三維熒光光譜特性變化

溶解性有機物在強化除磷-硫自養系統中各功能區的三維熒光光譜特性見圖3.進水的三維熒光光譜中有4個明顯的熒光峰(B1、B2、T1和T2).峰B1和B2分別位于熒光區域Ⅰ和Ⅳ,其熒光峰的中心分別位于Ex/Em=225~235nm/305 ~315nm和Ex/Em=275~280nm/305~310nm,屬于類酪氨酸熒光峰[11,20].峰T1和T2分別位于熒光區域Ⅱ和Ⅳ,其熒光峰的中心分別位于Ex/Em= 225~235nm/345~350nm和Ex/Em= 280nm/350~ 355nm,屬于類色氨酸熒光峰[11,22].熒光強度表明類酪氨酸和類色氨酸物質為進水中溶解性有機物的主要成分,這兩類蛋白物質可能來源于洗滌廢水、排泄物和餐廚廢液等[25].經強化除磷工藝處理后,類蛋白物質熒光峰B1、B2、T1和T2的熒光強度明顯下降,表明該工藝段可顯著降解類蛋白物質.但熒光峰B1和T1的熒光強度在硫自養工藝段中略有增長.這是由于硫自養反硝化過程中產生與熒光峰B1、T1相關的類蛋白代謝產物,而硫自養微生物屬于自養型微生物,不能將有機物有效降解所導致.

進水中還含有1個峰值不突出的肩峰C1,位于熒光區域Ⅴ,熒光峰中心位于Ex/Em=315~ 320nm/405~410nm,屬于類可見光區富里酸熒光峰[26-27].熒光強度表明與熒光峰C1相關的腐殖質類物質為進水中溶解性有機物的次要成分,這類物質可能來源于飲用水處理過程中殘留的類腐殖質物質[28].與熒光峰B1、B2、T1和T2相比,富里酸熒光峰C1的熒光強度在強化除磷-硫自養系統處理前后變化較小,表明微生物對類富里酸物質的去除效果不如類蛋白物質.

在強化除磷-硫自養系統中出現了一個新的熒光峰A1,其中心位于Ex/Em=240~250nm/390~ 410nm,屬類紫外光區富里酸熒光峰[26-27].在硫自養工藝段中出現了熒光峰C2,熒光峰中心位于Ex/ Em=270nm/410~415nm,屬類紫外光區富里酸熒光峰.微生物可產生多種類型的分泌物,包括蛋白質、輔酶、腐殖質等[29-30].新出現的熒光峰A1和C2可能與微生物的代謝活動相關,而這些物質的可生化性較差造成了其在水處理系統中的積累[22].

2.3 溶解性有機物在強化除磷-硫自養系統的去除特性

標準積分體積可間接反映污水處理中各類溶解性有機物的相對含量[22].根據熒光區域積分方法結合物料平衡計算分析強化除磷-硫自養系統中各功能區的三維熒光光譜圖,得到了各功能區的5個熒光區域的標準積分體積變化及其去除率(圖4).從圖4(a)可見,進水中芳香蛋白類物質Ⅰ(區域Ⅰ)和芳香蛋白類物質Ⅱ(區域Ⅱ)的標準積分體積分別為1.41×106au·nm2和2.16×106au·nm2,這兩個熒光區的信號分別由類酪氨酸和類色氨酸物質引起,是污水中的主要污染物質.其次,溶解性微生物代謝產物熒光區(區域Ⅳ)的標準積分體積為9.80×105au·nm2,該區主要由蛋白、輔酶、小分子有機酸、色素等物質的熒光引起[8,21].芳香蛋白類物質Ⅰ、芳香蛋白類物質Ⅱ和溶解性微生物代謝產物的標準積分體積在經過強化除磷-硫自養系統后,分別下降至3.70×105au·nm2、7.71×105au·nm2和3.79×105au·nm2;與進水相比它們的相對含量分別下降了73.7%、64.3%和61.3%.芳香蛋白類物質Ⅰ、芳香蛋白類物質Ⅱ和溶解性微生物代謝產物的降解特性在強化除磷-硫自養系統的各功能區呈現較大的差異性,見圖4(b)所示.芳香蛋白類物質Ⅰ和溶解性微生物代謝產物主要在預缺氧區、厭氧區和好氧區得到降解,而芳香蛋白類物質Ⅱ主要在厭氧區和好氧區得以去除.芳香蛋白類物質Ⅰ和芳香蛋白類物質Ⅱ在預缺氧區、厭氧區和好氧區的去除率皆逐漸升高.對于芳香蛋白類物質Ⅰ,去除率在3個單元分別達到7.54%、25.0%和50.7%;而對于芳香蛋白類物質Ⅱ,它們分別為1.48%、17.1%和52.7%.溶解性微生物代謝產物在預缺氧區、厭氧區和好氧區的去除率比較平均,在15.8%~25.5%之間.上述結果表明,芳香蛋白類物質Ⅰ和芳香蛋白類物質Ⅱ需經非曝氣區的預處理過程初步降解,然后在好氧區得到大量的去除;而溶解性微生物代謝產物熒光區的物質均可被非曝氣區和曝氣區的微生物較好的利用.

進水中富里酸類物質熒光區(區域Ⅲ)的標準積分體積為3.81×105au·nm2,其熒光信號主要由類紫外光區富里酸、酚類、醌類等物質產生[14].而腐殖酸類物質熒光區(區域Ⅴ)的標準積分體積為5.54×104au·nm2,該熒光區域主要與可見光區富里酸、胡敏酸、多環芳烴等分子量較大且芳構化程度較高的有機物相關[20,24].經強化除磷-硫自養系統處理后,富里酸類物質熒光區的標準積分體積降至2.02×105au·nm2,降幅為50.6%,而且富里酸類物質熒光區的物質主要集中在強化除磷-硫自養系統的好氧區降解,在該區的去除率為54.6%;而腐殖酸類物質熒光區的標準積分體積降至3.98×104au·nm2,其降幅最小僅為28.1%,并且腐殖酸物質熒光區的物質主要在預缺氧區、厭氧區和好氧區得到降解,其去除率在7.77%~12.1%之間.結果表明,好氧區的微生物對富里酸類物質熒光區的物質有明顯的去除效果;而強化除磷-硫自養系統對腐殖酸物質熒光區的物質去除效果相對較差.

物料平衡分析結果表明,非曝氣區(預缺氧區和厭氧區)主要對芳香蛋白類物質Ⅰ、芳香蛋白類物質Ⅱ和溶解性微生物代謝產物熒光區的物質有明顯的去除效果;對腐殖酸類物質熒光區的物質也有去除效果;而對富里酸類物質熒光區的物質基本沒有去除效果.好氧區則對各熒光區所代表的物質均有去除效果,尤其是對位于芳香蛋白類物質Ⅰ、芳香蛋白類物質Ⅱ和富里酸類物質熒光區的物質.此外,位于芳香蛋白類物質Ⅰ、芳香蛋白類物質Ⅱ和富里酸類物質熒光區的物質在硫自養工藝段有少量釋放,導致這些物質在該工藝段去除率的下降.這可能與硫自養微生物分泌的代謝產物相關.硫自養微生物屬于自養型微生物,利用無機碳作為碳源,因此代謝過程中產生的代謝產物不能被硫自養微生物降解,這就造成了該類物質在硫自養工藝段的積累.相比之下,強化除磷工藝段中各熒光區域的標準積分體積是呈現下降趨勢的.雖然在強化除磷工藝段中微生物也會產生代謝產物,但產生的物質可以被工藝中的異養微生物作為碳源或電子供體所利用.

2.4 標準積分體積與溶解性COD及氮磷污染物之間的關系

溶解性COD代表了溶解性有機物的總含量,而各區域的標準積分體積反映了不同類型物質的相對含量,兩者的變化存在一定的相關性.因此,利用線性回歸方程=+C,擬合溶解性COD濃度與各區域的標準化積分體積(圖5).擬合結果顯示,各區域的標準積分體積與溶解性COD濃度呈正相關,相關性大小順序為:區域Ⅳ>區域Ⅰ>區域Ⅴ>區域Ⅱ>區域Ⅲ.因此,采用熒光區域的標準積分體積可反映各類溶解性有機物在強化除磷-硫自養系統中的變化趨勢.

多元直接梯度分析用于評估標準化標準積分體積與氮、磷之間的相互作用關系(圖6).其中,箭頭代表氮、磷理化因子在平面上的相對位置,箭頭越長,說明其作用越大;樣點-中心連線與箭頭的夾角,代表了樣本與理化因子之間的相關性(銳角,正相關;鈍角,負相關;直角,不相關);樣點(或各區域的標準積分體積及去除量)對箭頭的連線做投影,投影點距離箭頭越近,說明該環境因子對樣點產生的影響越大.

圖6表明,區域Ⅰ~Ⅴ的標準積分體積與厭氧區的相關性最大,這是由于厭氧區接納了70%的污水,使得標準積分體積在厭氧區最大所致.熒光區域Ⅰ~Ⅲ及熒光區域Ⅳ的標準積分體積去除量分別與好氧區及厭氧區的相關性最大,這是因為芳香蛋白類物質Ⅰ、芳香蛋白類物質Ⅱ和富里酸類物質熒光區的物質在好氧區得到了最大量的降解,而溶解性微生物代謝產物熒光區的物質在厭氧區的去除量最大.TP濃度與厭氧區及區域Ⅳ標準積分體積的去除量具有較大的相關性,這表明聚磷菌可能利用了區域Ⅳ中的有機物所產生的揮發性脂肪酸和成內貯物(如聚-β-羥基丁酸)并進行聚磷酸鹽和糖原的分解,從而在厭氧區達到了良好的釋磷效果.由于缺氧區異養反硝化和硫自養工藝段的自養反硝化對氮污染物的去除作用,導致TN和NO3--N的去除與發生在預缺氧區和硫自養反應器中代謝過程相關性較大.由于聚磷菌的好氧吸磷作用和硝化菌的硝化作用,導致TP和NH4+-N的去除量與好氧區相關度較大.另一方面,區域Ⅰ~Ⅲ的熒光物質也主要在好氧區去除,這表明聚磷菌的吸磷過程、硝化反應和有機物的去除可在好氧區達到統一,這是因為進水中較高的有機物在預缺氧區和厭氧區得到了充分的預處理加之污泥回流的稀釋作用,進入好氧區的有機質濃度較低,并不影響自養硝化反應的進行,而好氧區對低水平濃度的有機物也有較好的去除效果.

3 結論

3.1 低COD/TN比(4.5~6.0)條件下,強化除磷-硫自養系統出水中的TN、NH4+-N、NO3--N和TP濃度分別達到1.31、1.11、0.36和0.23mg/L,TN和TP的去除率分別為96.3%和86.9%.

3.2 三維熒光光譜表明,類酪氨酸和類色氨酸等蛋白類物質是國電沈陽北部污水處理廠進水中的主要污染物.強化除磷-硫自養系統對熒光區域Ⅰ~Ⅴ標準積分體積的去除率分別為73.7%、64.3%、50.6%、61.3%和28.1%.該系統對類蛋白物質的去除效果要好于類富里酸物質.物料平衡計算結果表明,非曝氣區對位于熒光區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ的物質有明顯的去除效果,其去除率分別為32.5%、18.6%、43.6%和21.1%;曝氣區對各熒光區物質的去除效果要好于非曝氣區,其去除率分別為50.7%、52.7%、54.6%、15.8%和11.5%.

3.3 多元直接梯度分析表明,熒光區域Ⅰ~Ⅴ的標準積分體積與厭氧區的相關性最大,而區域Ⅰ~Ⅲ及區域Ⅳ標準積分體積的去除量分別與好氧區及厭氧區的相關度較大,而磷的釋放過程可能與區域Ⅳ中的有機物相關,此外,磷的過量吸收、自養的硝化反應和有機物的去除可在好氧區達到統一.

[1] Zhang Y, WANG X C, GE Y, et al. Effects of annual harvesting on plants growth and nutrients removal in surface-flow constructed wetlands in northwestern China [J]. Ecol. Eng., 2015, 83:268-275.

[2] Huang J, Xu J, Liu X, et al. Spatial distribution pattern analysis of groundwater nitrate nitrogen pollution in Shandong intensive farming regions of China using neural network method [J]. Math. Comput. Model., 2011,54:995-1004.

[3] 范 彬,曲久輝,劉鎖祥,等.飲用水中硝酸鹽的脫除 [J]. 環境污染治理技術與設備, 2000,1:44-50.

[4] Show K, Lee D, Pan X. Simultaneous biological removal of nitrogen–sulfur–carbon: Recent advances and challenges [J]. Biotechnol. Adv., 2013,31:409-420.

[5] 中華人民共和國國務院.水污染防治行動計劃 [M]. 北京:人民出版社, 2015.

[6] Henze M, Van Loosdrecht M C M, Ekama G A, et al. Biological wastewater treatment: principles, modelling and design [M]. London: IWA Publishing, 2008.

[7] Cao G, Wang S, Peng Y, et al. Biological nutrient removal by applying modified four step-feed technology to treat weak wastewater [J]. Bioresour. Technol., 2013,128:604-611.

[8] Chen Y, Li B, Ye L, et al. The combined effects of COD/N ratio and nitrate recycling ratio on nitrogen and phosphorus removal in anaerobic/anoxic/aerobic (A2/O)-biological aerated filter (BAF) systems [J]. Biochem. Eng. J., 2015,93:235-242.

[9] Khin T, Annachhatre A P. Novel microbial nitrogen removal processes [J]. Biotechnol. Adv., 2004,22:519-532.

[10] Oehmen A, Lemos P C, Carvalho G, et al. Advances in enhanced biological phosphorus removal: From micro to macro scale [J]. Water Res., 2007,41:2271-2300.

[11] Chen W, Westerhoff P, Leenheer J A, et al. Fluorescence excitation-emission matrix regional integration to quantify spectra for dissolved organic matter [J]. Environ. Sci. Technol., 2003,37:5701-5710.

[12] Ou H S, Wei C H, Wu H Z, et al. Novel insights into anoxic/ aerobic1/aerobic2biological fluidized-bed process for coke wastewater treatment by fluorescence excitation–emission matrix spectra coupled with parallel factor analysis [J]. Chemosphere, 2014,113:158-164.

[13] 陳 玲.污水處理廠達標外排水對受納水體及修復植物的影響研究 [D]. 蘇州:蘇州大學, 2009.

[14] 楊 琳,黃顯懷,薛莉娉,等.城市污水處理過程中有機污染物的熒光光譜表征 [J]. 工業用水與廢水, 2013,44:10-13.

[15] 高連敬,杜爾登,崔旭峰,等.三維熒光結合熒光區域積分法評估凈水廠有機物去除效果 [J]. 給水排水, 2012,38:51-56.

[16] Yang L, Shin H S, Hur J. Estimating the concentration and biodegradability of organic matter in 22wastewater treatment plants using fluorescence excitation emission matrices and parallel factor analysis [J]. Sensors, 2014,14:1771-1786.

[17] 安 瑩,王志偉,李 彬,等.鹽度沖擊下MBR污泥SMP和EPS的三維熒光光譜解析 [J]. 中國環境科學, 2014,34(7):1754- 1762.

[18] Wu J, ZHANG H, HE P J, et al. Insight into the heavy metal binding potential of dissolved organic matter in MSW leachate using EEM quenching combined with PARAFAC analysis [J]. Water Res., 2011,45:1711-1719.

[19] 盧 松,江 韜,張進忠,等.兩個水庫型湖泊中溶解性有機質三維熒光特征差異 [J]. 中國環境科學, 2015,35(2):516-523.

[20] Yu H, Song Y, Tu X, et al. Assessing removal efficiency of dissolved organic matter in wastewater treatment using fluorescence excitation emission matrices with parallel factor analysis and second derivative synchronous fluorescence [J]. Bioresour. Technol., 2013,144:595-601.

[21] 國家環境保護總局,水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法,第四版 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 2002.

[22] 姚璐璐,涂 響,于會彬,等.三維熒光區域積分評估城市污水中溶解性有機物的去除 [J]. 環境工程學報, 2013,7:411-416.

[23] Zou J, Li Y, Zhang L, et al. Understanding the impact of influent nitrogen concentration on granule size and microbial community in a granule-based enhanced biological phosphorus removal system [J]. Bioresour. Technol., 2015,177:209-216.

[24] Wu D, Ekama G A, Wang H G, et al. Simultaneous nitrogen and phosphorus removal in the sulfur cycle-associated Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) process [J]. Water Res., 2014,49:251-264.

[25] 陳茂福,吳 靜,律嚴勵,等.城市污水的三維熒光指紋特征 [J]. 光學學報, 2008,28:578-582.

[26] 吳 靜,崔 碩,謝超波,等.好氧處理后城市污水熒光指紋的變化 [J]. 光譜學與光譜分析, 2011,31:3302-3306.

[27] 郝瑞霞,曹可心,鄧亦文.城市污水處理過程中有機污染物三維熒光特性的變化規律 [J]. 分析測試學報, 2007,26:789-792.

[28] Bafhoth S A, Sharma S K, Amy G L. Tracking natural organic matter (NOM) in a drinking water treatment plant using fluorescence excitation–emission matrices and PARAFAC [J]. Water Res., 2011,45:797-809.

[29] Barker D J, Stuckey D C. A review of soluble microbial products (SMP) in wastewater treatment system [J]. Water Res., 1999,33:3063-3082.

[30] Li W H, Sheng G P, Liu X W, et al. Characterizing the extracellular and intracellular ?uorescent products of activated sludge in a sequencing batch reactor [J]. Water Res., 2008,42: 3173-3181.

* 責任作者, 研究員, hkytzy2008@163.com

Assessing organic matter removal from municipal wastewater by excitation-emission matrix fluorescence

LI Hai-bo1,2,3, SUN Chen2,3, LIU Xiao-ling2,3, TIAN Zhi-yong2,3*, XIANG Lian-cheng2,3, WANG Si-yu2,3, ZHOU Bei-hai1

(1.Department of Environmental Engineering, School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)., 2016,36(8)：2371~2379

A novel Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR)-Sulfur Autotrophic Denitrification integrated system was applied to treatment of municipal wastewater with low COD/TN ratio. Its pollutants removal performance was evaluated by the combination of fluorescence regional integration, materials balance calculation and redundancy analysis. The results showed that, with the influent COD/TN ratio of 4.5~6.0, the average effluent concentrations of TN, NH4+-N and TP were 1.31, 1.11 and 0.23mg/L, and the corresponding removal rates reached 96.3%, 96.0% and 86.9%, respectively. Moreover, the normalized integral volumes of regions I~V were decreased by 73.7%, 64.3%, 46.9%, 61.3% and 31.8%, respectively. Material balance calculation further indicated that the aromatic protein-like and the soluble microbial byproduct-like materials were significantly decreased in the non-aerobic zones; the aromatic protein-like and the fulvic acid-like materials were more effectively removed in the aerobic zone. Meanwhile, redundancy analysis showed that phosphorus releasing was correlated with soluble microbial byproduct-like materials. In addition, autotrophic nitrification, phosphorus uptake and organic matter removal could simultaneously occur in the aerobic zone.

municipal wastewater with a low COD/TN ratio；soluble organic matter；fluorescence regional integration；material balance calculation；redundancy analysis

X703,X132

A

1000-6923(2016)08-2371-09

李海波(1985-),男,山東廣饒人,北京科技大學土木與環境工程學院博士研究生,研究方向為水污染控制技術.發表論文8篇.

2016-01-06

國家科技重大水專項課題(2012ZX07202-005, 2013ZX07202-010);國家自然科學基金項目(21306180)