唐旭光，王淑瑩，彭永臻，張婧倩，李婕旦

(1.北京工業(yè)大學(xué) 北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100124；2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京，100012)

生物強(qiáng)化除磷(EBPR)工藝已被廣泛應(yīng)用于污水處理中，是降低廢水中磷排放量的經(jīng)濟(jì)有效的方法。EBPR最顯著的特點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的厭氧/好氧環(huán)境的交替，這也是除磷微生物(polyphosphate accumulating organisms, PAO)的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)模式。在厭氧狀態(tài)下，PAO可吸收利用環(huán)境中的揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)，并利用自身體內(nèi)的能量 ATP(Adenosinetriphosphate)來(lái) 合 成 內(nèi) 碳 源 PHB(Poly-βhydroxybuyrate)，結(jié)果導(dǎo)致 ATP被降解為ADP(Adenosine diphosphate)，而磷被釋放到環(huán)境中；在好氧狀態(tài)下，PHB繼續(xù)為ATP能量庫(kù)提供能量，即在O2存在下吸收環(huán)境中的磷使其與ADP結(jié)合生成能量源ATP，以便于能量的貯存[1?5]。但是，由于在實(shí)際水的處理中有機(jī)碳源含量很少，并不能夠滿足PAO的厭氧釋磷的需要，所以，能夠進(jìn)入好氧段的有機(jī)底物含量很低，好氧段的C/P比對(duì)好氧吸磷的影響并不能顯現(xiàn)出來(lái)。而在采用配水的試驗(yàn)中，近期研究[6?8]顯示出了與傳統(tǒng)理論不同的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)PAO在好氧環(huán)境中可以吸收有機(jī)底物進(jìn)行PHB的富集，并伴隨著磷的釋放。所以，在EBPR理論中，好氧段的C/P比對(duì)吸磷過(guò)程的影響有待進(jìn)一步研究。在本試驗(yàn)中，通過(guò)人為改變?cè)诤醚跷讜r(shí)的C/P比，在對(duì)厭氧?好氧(A/O)周期循環(huán)條件下磷的好氧吸收進(jìn)行研究，并對(duì)其與好氧吸收磷酸鹽、微生物胞內(nèi)聚合物代謝之間的變化規(guī)律以及控制參數(shù) ORP在好氧階段的變化情況進(jìn)行分析研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

SBR反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為18 cm，有效高度為65 cm，工作容積為10 L。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)攪拌裝置，底部有一組微孔曝氣頭，采用空氣壓縮機(jī)供氣，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制氣量。運(yùn)行中進(jìn)水、攪拌、曝氣、排水等工序通過(guò)時(shí)間控制器和電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。試驗(yàn)采用 A/O(即厭氧?好氧)型 SBR工藝，運(yùn)行周期為6 h，每個(gè)周期包括：瞬間進(jìn)水、厭氧攪拌(2 h)、好氧曝氣(2～3 h)、沉淀排水(1 h)，周期換水量為8 L，污泥質(zhì)量濃度維持在(3 000±200)mg/L。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

該研究使用實(shí)際生活污水，在試驗(yàn)階段不投加任何碳源、營(yíng)養(yǎng)物等。試驗(yàn)用水取自北京工業(yè)大學(xué)生活小區(qū)化糞池，水質(zhì)指標(biāo)與實(shí)際城市生活污水的近似，并隨時(shí)間季節(jié)有一定的波動(dòng)。水質(zhì)指標(biāo)(質(zhì)量濃度)見表1。

表1 某生活小區(qū)生活污水的水質(zhì)指標(biāo)Table1 Characterics of real domestic wastewater mg/L

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)內(nèi)好氧段PHAs合成的影響

好氧初始 VFAs質(zhì)量濃度為 0，20.00和 149.32 mg/L時(shí)的各種物質(zhì)質(zhì)量濃度變化分別如圖1～3所示。從圖1～3可以看出：在厭氧2 h內(nèi)，系統(tǒng)中的變化遵循傳統(tǒng)生物除磷理論，磷濃度在 VFAs轉(zhuǎn)化為 PAOs體內(nèi)PHAs(包含PHB和PHV)的過(guò)程中逐漸增加。其中，在前1 h內(nèi)，釋磷速率為6.64 mg/(g·h)，為后1 h釋磷速率2.11 mg/(g·h)的3倍，這是由于系統(tǒng)中在厭氧1 h后VFA的含量由17.70 mg/L降至0.91 mg/L，幾乎被利用完，而在后1 h中的利用量?jī)H為0.91 mg/L，可利用的有機(jī)底物幾乎耗盡，釋磷速率也因此受到限制。系統(tǒng)中胞內(nèi)聚合物PHB和PHV的含量在厭氧階段逐漸增加，從2種內(nèi)含物的合成速率可以看出，兩者以較為均勻的速率進(jìn)行合成，分別為7.665 mg/(g·h)和3.21 mg/(g·h)，可以看出前者大約為后者的2倍。這是由于在實(shí)際生活污水中的VFAs主要由乙酸(HAc)組成，占總VFAs的80%以上，丙酸(HPr)及其他VFAs的含量只與總含量的比低于20%，所以，在合成的聚合物PHA中主要以PHB為主，而只合成少量的PHV；從PHB的合成速率來(lái)看，并不受到有機(jī)底物濃度變化的影響，均保持在恒定速率合成，沒有因?yàn)樵趨捬鹾笃赩FAs濃度的降低而使速率下降，說(shuō)明PHB的合成反應(yīng)為零級(jí)反應(yīng)，有機(jī)底物的濃度對(duì)其影響較小。

圖1 好氧初始VFAs質(zhì)量濃度為0 mg/L時(shí)各種物質(zhì)含量的變化Fig.1 Experimental profiles of different compounds during anaerobic/aerobic cycle when mass concentration of VFAs is 0 mg/L

圖2 好氧初始VFAs質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí)各種物質(zhì)含量的變化Fig.2 Experimental profiles of different compounds during the anaerobic/aerobic cycle when mass concentration of VFAs is 20 mg/L

圖3 好氧初始VFAs質(zhì)量濃度為149.32 mg/L時(shí)各種物質(zhì)含量的變化Fig.3 Experimental profiles of different compounds during anaerobic/aerobic cycle when mass concentration of VFAs is 149.32 mg/L

在進(jìn)入好氧階段后，可以采用投加碳源乙酸鈉(NaAc)的方法來(lái)改變好氧段C/P比，使好氧初始VFAs質(zhì)量濃度分別為0，20和149.32 mg/L。從圖1可以看出：吸磷在進(jìn)入好氧狀態(tài)后正常進(jìn)行，并保持較高的吸磷速率11.72 mg/(g·h)，污泥內(nèi)PHB的含量也在45 min 內(nèi)由 0.035 mg/(g·h)降至 0.024 mg/(g·h)，占好氧段PHB消耗總量的74%，說(shuō)明系統(tǒng)中好氧段VFAs質(zhì)量濃度為0 mg/L時(shí)，即沒有PHB的富集發(fā)生，也可發(fā)生高效地吸磷反應(yīng)，使出水磷濃度為0 mg/L。而當(dāng)好氧初始VFAs質(zhì)量濃度調(diào)節(jié)至20 mg/L時(shí)(見圖2)，PHB在好氧初期 20 min內(nèi)出現(xiàn)富集現(xiàn)象，由 0.046 8 mg/(g·h)增至 0.059 1 mg/(g·h)，而磷在此階段亦處于吸收狀態(tài)，但吸磷速率明顯低于前者，并且可看出存在吸磷拐點(diǎn)P1，前后吸磷速率相差很大。所以，將好氧初始VFAs質(zhì)量濃度增大至149.32 mg/L時(shí)，這種現(xiàn)象更加明顯。從圖3可以看到：隨著VFAs含量的驟降，在好氧曝氣 40 min時(shí)其含量即降為 0，降解速率為89.59 mg/(g·h)，其中VFAs的轉(zhuǎn)化途徑包括2種生化反應(yīng)：

(1)OHO在好氧狀態(tài)下對(duì)VFAs的降解，主要用于OHO自身生長(zhǎng)和能量獲得，但是，根據(jù)上述分析，在該系統(tǒng)中，由于長(zhǎng)期的厭氧/好氧交替運(yùn)行模式，OHO的活動(dòng)性被抑制，在好氧段對(duì) VFAs的降解很有限。

(2)PAO對(duì)VFAs的轉(zhuǎn)化貯存。在對(duì)系統(tǒng)中PHB的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，其在好氧初期即VFAs驟降的過(guò)程中仍有大量生成，而且合成速率很高，為36.97 mg/(g·h)，由此可以看出，在好氧條件下，PHB仍可以保持較高速率進(jìn)行合成，這有別于傳統(tǒng)EBPR理論中好氧PHB降解理論。從磷濃度變化可以看出：在圖3中亦出現(xiàn)吸磷速率拐點(diǎn)P2，在該拐點(diǎn)前后吸磷速率與圖2中的一樣相差很大。結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)PHB變化曲線可以看出，吸磷拐點(diǎn)P1和P2對(duì)應(yīng)的是好氧PHB合成的結(jié)束，即微生物在好氧狀態(tài)下可以高速地利用環(huán)境中的有機(jī)底物進(jìn)行同化作用，并且在很大程度上影響了好氧吸磷反應(yīng)。

另外，可以從厭氧階段和好氧階段單位污泥中合成的PHB量(η)來(lái)比較在2種狀態(tài)下PAO的對(duì)有機(jī)底物利用能力，在此進(jìn)行以下假設(shè)：

(1)在厭氧階段，VFAs全部用于PAOs體內(nèi)PHB的合成。

(2)在好氧階段，VFAs的轉(zhuǎn)化全部用于2種生化反應(yīng)。其中：一種為 OHO的好氧降解。但是，由于在厭氧、好氧運(yùn)行的系統(tǒng)中，PAO在厭氧段就開始利用有機(jī)底物進(jìn)行生物合成作用，貯存用于自身生長(zhǎng)的PHA，并在此過(guò)程中產(chǎn)生ATP以維持其在厭氧的不利條件下生存并處于較強(qiáng)活性狀態(tài)，這也使得PAO在厭氧/好氧交替運(yùn)行系統(tǒng)中具有與活性污泥中大多數(shù)其它異養(yǎng)微生物進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的能力，使得其他異養(yǎng)菌在好氧段得不到有效生長(zhǎng)，并使自身逐漸生長(zhǎng)成為系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌群。所以，在長(zhǎng)期的厭氧好氧交替運(yùn)行的系統(tǒng)中，PAO在異養(yǎng)菌中占有優(yōu)勢(shì)，普通異養(yǎng)菌對(duì)于PAO的影響很小，不至于影響在好氧段對(duì)氧和有機(jī)底物的競(jìng)爭(zhēng)。

另一種為PAO體內(nèi)PHB的合成為主要轉(zhuǎn)化VFAs的反應(yīng)。在厭氧階段，ηAn為 7.665 mg/(g·h)，而在好氧階段，ηO為 36.97 mg/(g·h)，ηO大約為 ηAn的 5 倍。PAO在好氧條件下的合成能力明顯比在厭氧環(huán)境中PHB的強(qiáng)，所以說(shuō)，在好氧環(huán)境中當(dāng)有足夠的VFAs存在時(shí)，PAOs即可利用其進(jìn)行PHAs的合成，而且速率明顯高于厭氧狀態(tài)下的合成速率。其具體原因有待進(jìn)一步研究。

2.2 A/O運(yùn)行模式對(duì)系統(tǒng)中菌群的影響分析

從功能來(lái)看，污水生物處理系統(tǒng)中的微生物主要有氨氧化菌(AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(NOB)、聚磷菌(PAO)和一般的異養(yǎng)好氧菌(OHO)等，但在除磷系統(tǒng)中起主要作用的菌群只有PAO，其他菌群的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)都會(huì)影響到系統(tǒng)的除磷效能。在該SBR系統(tǒng)中，采取厭氧/好氧交替運(yùn)行模式，系統(tǒng)中的菌群競(jìng)爭(zhēng)持續(xù)進(jìn)行，在系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程中，首先是自養(yǎng)菌AOB和NOB被淘洗出系統(tǒng)，致使在好氧段幾乎沒有硝化作用的發(fā)生，這是短污泥齡和低溫(系統(tǒng)運(yùn)行溫度維持在13 ℃左右)所致。在低溫下自養(yǎng)菌本身處于劣勢(shì)增長(zhǎng)環(huán)境，并且較長(zhǎng)時(shí)間使其在系統(tǒng)中得不到優(yōu)勢(shì)增長(zhǎng)，通過(guò)每周期的排泥很快被淘洗出去；其次，由于系統(tǒng)在投加生活污水后，首先進(jìn)入?yún)捬蹼A段，而此時(shí)PAO能夠在厭氧環(huán)境中充分利用原水中的有機(jī)底物，將其貯存于體內(nèi)，主要遵循“吸收—儲(chǔ)存—利用”的增長(zhǎng)模式。即當(dāng)基質(zhì)濃度較高時(shí)，微生物將基質(zhì)的部分或全部首先快速吸收，并以胞內(nèi)聚合物的形式儲(chǔ)存，然后，當(dāng)基質(zhì)缺乏時(shí)，利用儲(chǔ)存的聚合物進(jìn)行增殖[9?10]，但是，對(duì)于一般的異養(yǎng)菌來(lái)說(shuō)，這種增長(zhǎng)模式不起主導(dǎo)作用，而是以“直接利用”增殖模式為主，即這些菌群只有在好氧環(huán)境中并且有大量底物存在時(shí)才可以優(yōu)勢(shì)增長(zhǎng)，可見，相對(duì)PAO這種異養(yǎng)菌來(lái)說(shuō)，OHO的增長(zhǎng)將受到抑制，生長(zhǎng)速率緩慢。所以，在該系統(tǒng)中，通過(guò)A/O運(yùn)行模式的培養(yǎng)，有效地富集了對(duì)除磷有貢獻(xiàn)的菌群PAO，而明顯抑制了其他好氧異養(yǎng)菌OHO的反應(yīng)活性。

2.3 不同C/P比下VORP的好氧指示作用

國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究對(duì)于厭氧釋磷條件的控制一般用ORP指標(biāo)VORP來(lái)反映，當(dāng)VORP為正值時(shí)，聚磷菌不釋磷；當(dāng)VORP為負(fù)值時(shí)，絕對(duì)值越高，則其釋磷能力越強(qiáng)。一般認(rèn)為，應(yīng)把VORP控制在?200～?300 mV。以好氧段為例最大限度地發(fā)揮聚磷菌地吸磷作用，必須提供足夠含量的DO以滿足聚磷菌對(duì)其貯存的PHB進(jìn)行降解時(shí)對(duì)氧氣作為最終電子受體的需求量，實(shí)現(xiàn)最大限度地轉(zhuǎn)化PHB而釋放出足夠的ATP，供其過(guò)量吸磷所需。一般應(yīng)將此段的 DO質(zhì)量濃度控制在 2 mg/L以上。但是，將VORP用于好氧吸磷中的控制并不多見。在該研究中，在不同好氧段C/P比條件下發(fā)現(xiàn)了不同的 VORP變化規(guī)律，并能夠指示吸磷反應(yīng)進(jìn)程。

選擇好氧段初始VFAs質(zhì)量濃度分別為0，20.00和149.32 mg/L時(shí)的典型周期內(nèi)的VORP變化規(guī)律，見圖4。試驗(yàn)結(jié)果表明：在反應(yīng)剛開始的5～10 min內(nèi)，VORP迅速由開始的?300 mV降低至?375 mV左右，這是由于存在于生活污水中少量的DO迅速耗盡，以及少量氧化態(tài)硝(NOx?)不斷被還原成氮?dú)?，?dǎo)致整個(gè)反應(yīng)器中的氧化還原電位不斷降低；由于無(wú)氧呼吸即反硝化的進(jìn)行，硝態(tài)氮不斷減少，在整個(gè)反應(yīng)器中，氧化還原狀態(tài)的變化不如反硝化初期氧化還原狀態(tài)的變化幅度大，所以，VORP的變化越來(lái)越小。當(dāng)反硝化結(jié)束時(shí) VORP迅速下降，表現(xiàn)在曲線上為一拐點(diǎn)(如圖點(diǎn)D)，這一點(diǎn)指示出系統(tǒng)缺氧呼吸過(guò)程的結(jié)束，分子態(tài)氧消失，系統(tǒng)進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)，可以用來(lái)判斷系統(tǒng)進(jìn)入?yún)捬踽屃纂A段。

圖4 不同有機(jī)負(fù)荷ORP變化情況Fig.4 Experimental profiles of ORP during the anaerobic/aerobic cycle at different OLR

在結(jié)束厭氧攪拌并分別增加系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷后，系統(tǒng)進(jìn)入好氧吸磷階段，在此過(guò)程中VORP的變化為：在好氧階段的開始10 min內(nèi)，由于曝氣DO質(zhì)量濃度迅速升高，此時(shí)VORP升高的速率也很大，由?375 mV迅速升高至?100 mV；在此之后的曝氣階段，3種不同有機(jī)負(fù)荷在好氧段的VORP變化出現(xiàn)差異，在經(jīng)過(guò)短期VORP迅速上升之后，好氧段VFAs質(zhì)量濃度為0 mg/L的系統(tǒng)首先達(dá)到拐點(diǎn)A，歷時(shí)最短，說(shuō)明在C/P比為0時(shí)，微生物可在好氧環(huán)境中利用氧氣降解PHAs獲得能量進(jìn)行吸磷反應(yīng)，使吸磷速率保持在較高水平,而在好氧初始VFAs質(zhì)量濃度分別為20 mg/L和149 mg/L的系統(tǒng)內(nèi)，VORP經(jīng)過(guò)緩慢攀升達(dá)到拐點(diǎn)B和C，經(jīng)分析得知：好氧初始的高C/P比會(huì)對(duì)聚磷微生物的生理活動(dòng)產(chǎn)生影響，其可在底物豐富的條件下繼續(xù)在好氧環(huán)境中吸收有機(jī)底物進(jìn)行PHAs的合成，而影響到吸磷速率，從而導(dǎo)致吸磷拐點(diǎn)的滯后。

由于以往將VORP作為控制參數(shù)的研究中，多將其作為好氧硝化結(jié)束的特征點(diǎn)以便于實(shí)現(xiàn)短程硝化[11?13]，或者用于反硝化吸磷過(guò)程用厭氧釋磷結(jié)束和缺氧吸磷結(jié)束的指示參數(shù)[14?15]，并沒有得出VORP在好氧吸磷過(guò)程中的變化過(guò)程及特征點(diǎn)指示作用。由于在該試驗(yàn)中，以A/O交替運(yùn)行的SBR系統(tǒng)中，在好氧過(guò)程中起主要生化作用的是聚磷微生物 PAOs，OHO的活性被明顯抑制，所以，VORP的變化點(diǎn)能有效指示出好氧段碳源對(duì) PHB合成結(jié)束即系統(tǒng)開始進(jìn)入快速吸磷階段。

3 結(jié)論

(1)在3種不同好氧段C/P比條件下，系統(tǒng)表現(xiàn)出有別于傳統(tǒng)好氧吸磷的現(xiàn)象，即PHAs的好氧富集與吸磷同時(shí)進(jìn)行，并且厭氧階段PHB合成速率ηAn為7.665 mg/(g·h)，而在好氧階段 ηO為 36.97 mg/(g·h)，ηO大約為ηAn的5倍，PAO在好氧條件下的合成能力明顯比在厭氧環(huán)境中PHB的合成能力強(qiáng)。所以說(shuō)，在好氧環(huán)境中，當(dāng)有足夠的VFAs存在時(shí)，PAO即可利用其進(jìn)行PHA的合成，而且速率明顯高于其在厭氧狀態(tài)下的合成速率。

(2)在利用實(shí)際生活污水的 SBR系統(tǒng)中，通過(guò)A/O運(yùn)行模式的培養(yǎng)，有效地富集了對(duì)除磷有貢獻(xiàn)的菌群PAO，而明顯抑制了其他好氧異養(yǎng)菌OHO的反應(yīng)活性。

(3)在該試驗(yàn)中，以A/O交替運(yùn)行的SBR系統(tǒng)中，由于起主要生化反應(yīng)的微生物群體為PAO，所以 ORP的拐點(diǎn)能有效指示出 PHB合成的結(jié)束階段和系統(tǒng)開始進(jìn)入的快速吸磷階段。

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