厭氧反應(yīng)時(shí)間對(duì)反硝化聚磷工藝的影響

王亞宜，王 鴻，郭 剛，潘綿立

（1.同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.上海醫(yī)藥工業(yè)研究院，上海200040）

反硝化聚磷技術(shù)是利用一類反硝化聚磷菌（DPAOs）可利用亞硝酸鹽/硝酸鹽為電子受體，以胞內(nèi)儲(chǔ)存物聚羥基烷酸酯（PHA）為電子受體，通過(guò)“一碳兩用”原則來(lái)同步完成反硝化脫氮和過(guò)量吸磷目的的［1］.因反硝化聚磷技術(shù)具備節(jié)省碳源和曝氣量以及污泥產(chǎn)量低等諸多優(yōu)勢(shì)已成為污水處理領(lǐng)域競(jìng)相研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一［2］.

在厭氧階段，DPAOs將胞內(nèi)聚磷水解并利用該過(guò)程釋放的能量三磷酸腺苷（ATP）及糖原提供的還原力來(lái)完成碳源的吸收和PHA的合成，以作為后續(xù)缺氧反硝化的電子供體；而缺氧階段PHA降解產(chǎn)生的能量可用于聚磷的合成，最終實(shí)現(xiàn)除磷目標(biāo)［3］.可見(jiàn)，PHA作為細(xì)胞的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換中心，在DPAOs的代謝過(guò)程扮演重要角色，其在厭氧階段的合成水平直接決定著后續(xù)缺氧吸磷的功效以及DPAOs是否可占優(yōu)勢(shì).如果厭氧反應(yīng)時(shí)間過(guò)短，則PHA合成可能不充分；相反，厭氧反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將可能使微生物長(zhǎng)期暴露于饑餓狀態(tài)，并導(dǎo)致PHA的無(wú)效損失［4］，繼而削弱后續(xù)反硝化脫氮除磷效果.

因此，考察厭氧反應(yīng)時(shí)間對(duì)反硝化除磷代謝特征以及功能微生物的影響對(duì)于明晰反硝化除磷科學(xué)機(jī)理，提高反硝化除磷工藝的穩(wěn)定性具有重要意義.本研究通過(guò)設(shè)定三個(gè)水平的厭氧反應(yīng)時(shí)間tR（90，120和150min），考察了不同厭氧反應(yīng)時(shí)間對(duì)反硝化除磷效果的長(zhǎng)期影響作用，同時(shí)探索了微生物種群結(jié)構(gòu)及形態(tài)學(xué)特性變化.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

厭氧反應(yīng)時(shí)間對(duì)反硝化除磷效果的影響試驗(yàn)在序批式反應(yīng)器（sequencing batch reactor，SBR）中進(jìn)行.如圖1所示，SBR為圓柱形有機(jī)玻璃容器，有效容積為2.5L，充水比為0.7.反應(yīng)器內(nèi)配有攪拌裝置，同時(shí)內(nèi)置pH 、氧化還原電位（ORP）及溶解氧（DO）傳感器，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和控制.

圖1 SBR試驗(yàn)裝置和控制系統(tǒng)Fig.1 The schematic diagram of experimental SBR

1.2 試驗(yàn)廢水

試驗(yàn)采用模擬配水，溶液化學(xué)需氧量（COD）為300mg·L－1，其中CH3COONa的質(zhì)量濃度為276.75mg·L－1，CH3CH2COONa的質(zhì)量濃度為72mg·L－1，KH2PO4的質(zhì)量濃度為21.97mg·L－1，CaCl2的質(zhì)量濃度為10mg·L－1，MgSO4·7H2O的質(zhì)量濃度為85mg·L－1，NH4Cl的質(zhì)量濃度為38.18mg·L－1，烯丙基硫脲（ATU）的質(zhì)量濃度為4mg·L－1，微量元素液為0.5mL·L－1.微量元素液的組成及濃度參見(jiàn)文獻(xiàn)［5］.在厭氧末，即分別為90，120和150min時(shí)，投加KNO3溶液形成缺氧環(huán)境.

1.3 SBR運(yùn)行與試驗(yàn)

接種污泥取自上海某污水處理廠二沉池污泥，該污泥具有生物脫氮除磷功能.在SBR裝置中首先通過(guò)An/A/O交替運(yùn)行，進(jìn)行DPAOs的富集.該SBR有效容積為7.5L，充水比為0.7.本試驗(yàn)1d設(shè)定3個(gè)周期，一個(gè)周期為8h，其中：進(jìn)水5min，厭氧2h，缺氧3.5h，好氧30min，靜置60min，排水5 min，閑置50min.其他運(yùn)行參數(shù)如下：污泥質(zhì)量濃度維持在4 000mg·L－1左右，泥齡控制在20d左右.經(jīng)過(guò)120d馴化后，揮發(fā)性懸浮固體（VSS）與懸浮固體（SS）的質(zhì)量濃度比ρVSS/ρSS穩(wěn)定在0.72～0.75，認(rèn)為系統(tǒng)已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，DPAOs馴化結(jié)束.

將馴化好的DPAOs均分三份，接種到2.5L的SBR中（圖1）.將厭氧反應(yīng)時(shí)間tR分別設(shè)定為90，120和150min，相應(yīng)調(diào)整閑置時(shí)間，其他運(yùn)行時(shí)間及參數(shù)不變.經(jīng)過(guò)115d的馴化后，三個(gè)SBR中污泥的ρVSS/ρSS分別穩(wěn)定在0.72～0.76、0.7～0.75及0.75～0.80，認(rèn)為系統(tǒng)已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài).再比較三個(gè)系統(tǒng)的脫氮除磷效果，觀察污泥形態(tài)變化，并利用熒光原位雜交技術(shù)（fluorescence in situ hyrbridisation，F(xiàn)ISH）檢測(cè)功能菌的數(shù)量變化.

1.4 常規(guī)指標(biāo)分析方法

取水樣直接過(guò)膜（孔徑4.5μm），然后測(cè)定PO43－－P、NH4＋－N、NO2－－N、NO3－－N 及混合液懸浮固體MLSS、混合液揮發(fā)性懸浮固體MLVSS，測(cè)量方法采用中國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法.COD測(cè)定使用Merck COD試劑，糖原測(cè)量采用蒽酮試劑法，PHA 測(cè) 定 采 用 氣 相 色 譜 法［6］，胞外 聚 合 物（EPS）測(cè)定方法見(jiàn)文獻(xiàn)［7］.

1.5 分子生物學(xué)FISH分析方法

取好氧末污泥，采用FISH測(cè)定微生物種群.總的微生物群落用EUBMIX探針標(biāo)記，探針PAOMIX用來(lái)標(biāo)記PAOs中的Accumulibacter，探針GAOQ989與探針GBG2結(jié)合用來(lái)標(biāo)記GAOs中的Competibacter.探針 ALF969（甲酰胺濃度為35%）用來(lái)標(biāo)記聚糖菌（GAOs）中的Alphaproteobacteria.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同厭氧反應(yīng)時(shí)間對(duì)An/A/O－SBR脫氮除磷效果的影響

2.1.1 不同厭氧反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)期脫氮效果比較

如圖2a，2b所示，在運(yùn)行80d后，厭氧反應(yīng)時(shí)間為90和120min的兩組SBR系統(tǒng)總氮（TN）去除率均穩(wěn)定在90%～100%，平均去除率分別為93%與97%.在后期，厭氧反應(yīng)時(shí)間為120min的SBR系統(tǒng)TN去除率不如厭氧反應(yīng)時(shí)間為90min的SBR系統(tǒng)穩(wěn)定.而厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min的SBR脫氮效果最不穩(wěn)定，TN去除率通常在60%～100%之間波動(dòng)（圖2c），而80d后的平均去除率為81%.

圖2 厭氧反應(yīng)時(shí)間不同的系統(tǒng)長(zhǎng)期脫氮效果比較Fig.2 Variations in N obtained in the long－term operation of the three systems with different anaerobic time

從An/A/O SBR長(zhǎng)期的反硝化效果來(lái)看，厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min反應(yīng)器積累的NO2－－N較厭氧反應(yīng)時(shí)間為90或120min的反應(yīng)器要多（圖2c），其缺氧末NO2－－N積累有時(shí)高達(dá)12.8mg·L－1，相應(yīng)的游離亞硝酸（FNA）質(zhì)量濃度為2.9×10－4mg·L－1.較高的FNA往往會(huì)抑制反硝化速率，導(dǎo)致脫氮效果變差［8－9］.

2.1.2 不同厭氧反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)期除磷效果比較

在運(yùn)行80d后，厭氧反應(yīng)時(shí)間為90和120min的兩組SBR厭氧釋磷量分別穩(wěn)定在25～30mg·L－1和15～20mg·L－1，缺氧除磷效果均穩(wěn)定在50%左右；在好氧末，系統(tǒng)除磷效果穩(wěn)定在80%左右，80d后兩個(gè)SBR的磷平均去除率分別為85%和73%（圖3a，3b）.而厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min的系統(tǒng)厭氧釋磷及缺氧、好氧除磷效果不穩(wěn)定，其厭氧釋磷的下降可能是由FNA的抑制作用導(dǎo)致的，因?yàn)樵囼?yàn)中厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min系統(tǒng)的FNA質(zhì)量濃度有時(shí)可達(dá)2.9×10－4mg·L－1.而根據(jù)文獻(xiàn)［10］報(bào)導(dǎo)，當(dāng) HNO2－N 的質(zhì)量濃度達(dá)到5×10－3mg·L－1時(shí)，PAOs厭氧釋磷量可降低50%，這與本研究結(jié)果相符.

FNA影響生物除磷效果，可能有兩方面的原因.①FNA作為解偶聯(lián)劑，通過(guò)提高質(zhì)子透過(guò)膜的通透性而破壞質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力，從而在不抑制呼吸鏈遞氫的同時(shí)卻抑制了ATP的合成，使氧化與磷酸化偶聯(lián)過(guò)程脫離［11］；② 高FNA將破壞多聚磷酸激酶（PPK），從而破壞PAOs的吸磷過(guò)程［9］.缺少了PPK的參與，PAOs無(wú)法正常合成聚磷.

2.1.3 不同厭氧反應(yīng)時(shí)間 An/A/O－SBR 系統(tǒng)PHA、糖原合成及脫氮除磷效果

圖3 厭氧反應(yīng)時(shí)間不同的系統(tǒng)長(zhǎng)期除磷效果比較Fig.3 Variations in P obtained in the long－term operation of the three systems with different anaerobic time

基于三個(gè)SBR的長(zhǎng)期運(yùn)行效果，開(kāi)展了典型周期各生化指標(biāo)的檢測(cè).圖4給出了三個(gè)SBR第345個(gè)周期胞內(nèi)物質(zhì)（PHA和糖原）的變化情況.隨著厭氧反應(yīng)時(shí)間從90min延長(zhǎng)為150min，PHA在厭氧段的含量水平降低，其中聚羥基丁酸酯（PHB）減少量尤為明顯.厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min較厭氧反應(yīng)時(shí)間為90min的PHB合成量減少了近20%.在缺氧段，厭氧反應(yīng)時(shí)間為120和150min的PHA消耗量分別為厭氧反應(yīng)時(shí)間為90min反應(yīng)器合成PHA量的92%和77%.對(duì)應(yīng)圖3中脫氮除磷效果隨厭氧反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，可得出結(jié)論：厭氧反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)造成脫氮除磷效果的變差，主要是由PHA厭氧段的含量水平低以及在缺氧段的降解效率低造成的.

厭氧段PHA隨厭氧反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低有兩方面的原因：（1）厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min的反應(yīng)器在厭氧段初期，普通異養(yǎng)反硝化菌（OHB）利用進(jìn)水中的一部分COD迅速將溶液中上一周期滯留下來(lái)的NO3－－N和NO2－－N反硝化，而因三個(gè)反應(yīng)器初始的COD相同，這就造成了厭氧反應(yīng)時(shí)間為150 min SBR系統(tǒng)PHA合成量的降低；（2）由于厭氧反應(yīng)時(shí)間的過(guò)長(zhǎng)造成了PHA在厭氧段的無(wú)效損失.在厭氧階段，當(dāng)系統(tǒng)缺少外碳源時(shí)，微生物通過(guò)內(nèi)源代謝消耗PHA來(lái)提供自身所必須的能量，因此從圖4（圖中PHA＝PHB＋PHV，其中PHV為聚羥基戊酸酯）中可以看出，厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min時(shí)，厭氧反應(yīng)時(shí)間已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)，造成厭氧段PHA含量水平的降低.

圖4 典型周期（第345個(gè)周期）中PHA與糖原的變化比較Fig.4 Variations of PHA and glycogen during one cycle（the 345th cycle）in the three batch reactors

對(duì)比三個(gè)不同厭氧反應(yīng)時(shí)間系統(tǒng)的脫氮效果（表1），表中厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min的反應(yīng)器在缺氧初，NO3－－N少投加了2.4mg·L－1，是為了避免其在缺氧末亞硝酸鹽或FNA的大量積累.發(fā)現(xiàn)厭氧反應(yīng)時(shí)間設(shè)定越長(zhǎng)，NO3－－N與NO2－－N比還原速率越低，導(dǎo)致脫氮效果下降（去除率分別為100%、92%和79%）.厭氧末PHA水平低同時(shí)也造成反硝化過(guò)程各種酶對(duì)電子的競(jìng)爭(zhēng)［12］，由于硝酸鹽還原酶（Nar）對(duì)電子的捕捉能力較亞硝酸鹽還原酶（Nir）強(qiáng)，這種不平衡性造成了FNA的積累，繼而產(chǎn)生一系列對(duì)反硝化及除磷的抑制作用.

表1 不同厭氧反應(yīng)時(shí)間對(duì)反硝化效率的影響（第345個(gè)周期）Tab.1 Comparison of the N and P removal during one cycle（the 345th cycle）in batch experiments

分析第345個(gè)典型周期，厭氧反應(yīng)時(shí)間為90 min的反應(yīng)器除磷效果可達(dá)93%；厭氧反應(yīng)時(shí)間為120min的反應(yīng)器除磷效果降為65%.而厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min的反應(yīng)器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，其厭氧釋磷量?jī)H為4.1mg·L－1（圖5），這主要是因?yàn)镻HA水平及其在缺氧段降解效率的降低，造成反硝化效率的降低，繼而造成的亞硝酸鹽或FNA的積累抑制了多聚磷酸激酶（PPK酶）或PHA氧化時(shí)能量的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致除磷效率的下降［13］.

圖5 典型周期中（第345個(gè)周期）P/N去除特性比較Fig.5 Variations of P/N during one cycle（the 345th cycle）in the three batch reactors

2.2 不同厭氧反應(yīng)時(shí)間對(duì)An/A/O－SBR微生物種群結(jié)構(gòu)的影響

本試驗(yàn)中，隨著厭氧反應(yīng)時(shí)間設(shè)定值的增高，PAOs含量遞減，分別為（58±2.3）%、（50±2.2）%與（45±2.7）%；而 GAOs（Competibacter）含量遞增，即分別為（28±2.3）%、（30±2.2）%和（42±2.7）%（圖6）.

圖6 不同厭氧反應(yīng)時(shí)間的微生物種群結(jié)構(gòu)比較Fig.6 FISH images from the three reactors in typical cycle tests

Filipe等［14］通過(guò)對(duì)GAOs和PAOs在厭氧條件下熱力學(xué)參數(shù)的理論研究發(fā)現(xiàn)，若厭氧區(qū)的固體停留時(shí)間超過(guò)吸收揮發(fā)性脂肪酸所需時(shí)間時(shí)，將迫使GAOs和PAOs分解胞內(nèi)聚合物以滿足細(xì)胞的維持生長(zhǎng)，本試驗(yàn)結(jié)果表明，過(guò)長(zhǎng)的厭氧反應(yīng)時(shí)間將使PAOs逐漸從系統(tǒng)中淘洗出去，影響系統(tǒng)脫氮除磷效果.

2.3 厭氧反應(yīng)時(shí)間對(duì)An/A/O－SBR系統(tǒng)微生物形態(tài)學(xué)的長(zhǎng)期影響

檢測(cè)了各反應(yīng)器好氧末污泥的胞外聚合物，其蛋白質(zhì)與糖含量見(jiàn)表2.可見(jiàn)，各反應(yīng)器蛋白質(zhì)含量基本相同，而隨著厭氧反應(yīng)時(shí)間設(shè)定值的延長(zhǎng)，胞外糖含量減少明顯，即厭氧反應(yīng)時(shí)間為120和150min系統(tǒng)污泥的胞外糖含量均比厭氧反應(yīng)時(shí)間為90min的系統(tǒng)減少約20%.由此可以推測(cè)，厭氧反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或外碳源不足時(shí)，將迫使微生物消耗胞外糖類來(lái)提供能量.而通過(guò)檢測(cè)污泥絮體粒徑分布（表2），也證實(shí)了厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min的粒徑要明顯小于較短厭氧反應(yīng)時(shí)間的污泥粒徑.

表2 不同厭氧反應(yīng)時(shí)間下微生物胞外聚合物比較Tab.2 Chemical composition of EPS extracted from the three sludges

對(duì)于厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min的系統(tǒng)，由于厭氧反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在無(wú)外碳源情況下，微生物需要消耗自身物質(zhì)（包括其細(xì)胞膜外表面的糖類等物質(zhì)）來(lái)獲得維持生存所需的能量，長(zhǎng)此以往，使污泥黏性變差，絮體形成效果差，最終影響系統(tǒng)的脫氮除磷效果.另外，在排泥量相同的情況下，厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min的反應(yīng)器ρSS略低，為3 600mg·L－1，這也是由于厭氧反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，微生物消耗自身物質(zhì)所致.

3 結(jié)論

通過(guò)考察不同厭氧反應(yīng)時(shí)間下反硝化除磷系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行，結(jié)果表明：

（1）厭氧運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)降低PAOS/DPAOs厭氧末的PHA含量，導(dǎo)致后續(xù)缺氧階段FNA的積累，繼而影響反硝化除磷和脫氮效果；

（2）隨著厭氧反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各反應(yīng)器中PAOs的比例呈下降趨勢(shì)，GAOs的比例呈上升趨勢(shì)，表明在本試驗(yàn)條件下，厭氧反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)PAOs的富集不利，長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致系統(tǒng)的惡化甚至崩潰.

（3）從微生物形態(tài)來(lái)看，由于厭氧反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，微生物消耗了其體外糖類等物質(zhì)來(lái)提供能量以維持生存，使得絮體黏性變差，最終導(dǎo)致厭氧反應(yīng)時(shí)間為150min的反應(yīng)器中微生物絮體較小，絮體形成效果較差.

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