常 克,李小明,王冬波,楊 麒,曾光明 (湖南大學環(huán)境科學與工程學院,環(huán)境生物與控制教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082)

不同丙酸鹽/乙酸鹽比對單級好氧生物除磷的影響

常 克,李小明*,王冬波,楊 麒,曾光明 (湖南大學環(huán)境科學與工程學院,環(huán)境生物與控制教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082)

在 2個序批式反應器(R1、R2)中,采用合成廢水,研究了廢水中常見的兩種揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)鹽-丙酸鹽和乙酸鹽-的不同濃度比值(R1:丙酸鹽/乙酸鹽=0.165;R2:丙酸鹽/乙酸鹽=2.00)對于單級好氧生物除磷的影響.結果表明,經(jīng)過 30d的馴化后,R2的除磷效果要優(yōu)于R1,R1和 R2的平均去除率分別為 77.95%和 84.79%.但是,R1中單位微生物的除磷性能要好于 R2,R1單位微生物磷平均去除量為8.66mg/g,R2為8.03mg/g.靜置期,R1和R2中均有明顯的釋磷現(xiàn)象,但R2釋磷量大于R1,單位微生物的釋磷量也大于R1,可能的原因是R1中尚有部分糖原在靜置期分解供能,而R2中全為聚磷分解供能.

SBR；單級好氧；丙酸鈉；乙酸鈉；生物除磷

磷是生物的重要營養(yǎng)源,水體中磷含量過多會導致水體富營養(yǎng)化,從而使水質(zhì)惡化[1].因此,水中磷的去除起著至關重要的作用.傳統(tǒng)的生物除磷工藝(A/O)主要通過聚磷菌在厭氧條件下,水解細胞原生質(zhì)中聚合磷酸鹽(poly-P)釋放磷,在有氧的條件下過量攝取磷,并排除富磷污泥的途徑達到除磷的目的.Li等[2]研究發(fā)現(xiàn),在低溶解氧的條件下,生物除磷的效率隨著污水中丙酸鹽對乙酸鹽濃度比值的增大而升高.Chen等[3]研究表明,在溶解氧濃度較高的情況下,當進水丙酸鹽對乙酸鹽濃度比值由0.16增大到2.06時,系統(tǒng)除磷效率由 76.9%升至 87.3%.金大勇等[4]研究發(fā)現(xiàn),當進水丙酸鹽對乙酸鹽濃度比值由 0.16增大至2.06時,一個典型周期內(nèi)磷的吸收和釋放比例由1.29升至1.36.由此可見,進水丙酸鹽/乙酸鹽比值不同會導致A/O工藝除磷性能的顯著改變.

本研究小組在前期工作[5]中發(fā)現(xiàn),在葡萄糖作為單一碳源的情況下,SBR工藝進水直接曝氣而不經(jīng)過厭氧段仍能達到較好的除磷效果.有研究表明[6],碳源是影響單級好氧生物除磷效率的重要因素之一.丙酸鹽和乙酸鹽是實際廢水中最常見的兩種有機物[7],兩者之和占到實際廢水中VFA的 90%左右[8].現(xiàn)階段大多關于單級好氧生物除磷工藝的研究采用的是乙酸鹽或葡萄糖作為有機碳源[6,9-10,16],目前還沒有研究涉及丙酸鹽或其與乙酸鹽的混合物對于單級好氧生物除磷工藝的影響.而Wang等[11]研究發(fā)現(xiàn),單級好氧工藝除磷過程中的能量代謝途徑與 A/O工藝完全不同.因此,當碳源是丙酸鹽和乙酸鹽的混合物時,不同丙酸鹽/乙酸鹽比值對該工藝除磷效果的影響是否和對A/O工藝一樣還有待研究.為此,作者研究不同丙酸鹽/乙酸鹽比值對SBR單級好氧生物除磷效果的影響,并探討了其中可能的原因.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行方法

實驗在兩個相同的 SBR反應器(分別稱為R1、R2)中進行,SBR反應器為圓柱體,采用有機玻璃制作,直徑為 12cm,高約 100cm,有效體積約為 12L.實驗運行方式如下:瞬間進水→曝氣(4h)→沉淀出水(0.5h)→閑置(7.5h),不設置厭氧段.好氧采用鼓風曝氣,曝氣開始時DO濃度約為6mg/L,兩反應器污泥停留時間(SRT)均控制在11d左右.接種的活性污泥取自長沙市第二污水處理廠,最初反應器中接種活性污泥濃度約為4000mg/L,按上述方式進行馴化培養(yǎng),約15d后污泥呈黃褐色,活性以及沉淀效果較好,第30d開始試運行.

1.2 污水水質(zhì)

進水采用合成廢水,R1、R2中進水有機碳源為不同比例的乙酸鈉和丙酸鈉混合物,但 2個反應器中保持碳元素的投加量相等(約10mmol/L).R1中進水丙酸鈉對乙酸鈉的濃度比值為 0.165,R2中進水丙酸鈉對乙酸鈉的濃度比值為 2.00.除了有機碳源之外,2個反應器其他進水成分及濃度相同:磷酸鹽 25mg/L;氯化銨40mg/L;硫酸鎂 5mg/L;氯化鈣 5mg/L;微量元素0.6mL,微量元素的主要成分以及濃度見文獻[12].

1.3 分析方法

總磷(TP)采用鉬銻抗分光光度法[13]測定;混合液懸浮固體(MLSS)與混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)采用重量法[13]測定;COD采用重鉻酸鉀法[13]測定;糖原質(zhì)(Glycogen)采用苯酚-硫酸法[11]測定.聚羥基脂肪酸酯(PHA)采用氣相色譜法[14-15]測定.

2 結果與討論

2.1 R1、R2長期運行中磷去除情況

R1,R2反應器長期運行過程中,進出水每2d取1次樣,水樣過濾后用于磷含量的測定.反應器中的污泥經(jīng)過 30d的馴化,除磷效果已經(jīng)基本穩(wěn)定.2個反應器的除磷效果見圖1.

圖1 R1、R2長期運行中TP去除情況Fig.1 Removal of TP in R1 and R2 during long-term operation

由圖1可以看出,在1～100d內(nèi),2個反應器進水磷濃度均為25mg/L左右.在30～100d內(nèi),R2較R1有更高的除磷效率,R2的最大磷去除率為86.58%,最小去除率為 82.86%,平均去除率為84.79%;R1的最大磷去除率為79.96%,最小去除率為75.40%,平均去除率為77.95%.

Chen等[3]研究表明,在傳統(tǒng)A/O工藝條件下,進水COD約為480mg/L,進水磷濃度為7.75mg/L時,采用本實驗中兩種丙酸鹽/乙酸鹽濃度比值時磷的去除率分別為 76.9%和 87.3%,丙酸鹽比例高的反應器中磷去除率也高.金大勇等[4]的研究也得出類似的結論.通常認為,COD/P的比值越高,磷的去除率也越高.但是,對比2種工藝的數(shù)據(jù)可以看出,當碳源采用相同的丙酸鹽/乙酸鹽濃度比值時,傳統(tǒng)A/O工藝在COD/P約為62的情況下的磷去除率和單級好氧工藝在 COD/P約為13～14的情況下磷去除率相差不大.由此可知,當其他條件相同時,采用同樣的丙酸鹽/乙酸鹽濃度比值,單級好氧工藝在實驗室的磷去除率要優(yōu)于傳統(tǒng)A/O工藝.R1與R2穩(wěn)定運行期間的MLSS以及MLVSS變化如表1所示.

表1 R1和R2長期運行中MLSS、MLVSS變化Table 1 Changes of MLSS and MLVSS in R1 and R2 during steady-state operation

由表1可以看出,R2中的MLSS及MLVSS均高于 R1,同時 MLVSS/MLSS數(shù)值也高于 R1.由 Oehmen等[16]的研究結果可知,較高的MLVSS/MLSS說明 R2中微生物體內(nèi)合成的聚磷更少.這與R2單位MLVSS的磷去除量平均值低于R1相吻合,R2中單位MLVSS的磷去除量平均值為8.03mg/g,R1中為8.66mg/g.由此可見,雖然R2系統(tǒng)的整體除磷效率高于R1,但R1中單位微生物的除磷性能卻要略好于 R2.另外,出水SS也是除磷效率的影響因素之一.在本研究中,出水基本清澈,出水SS見表1.R1和R2中出水SS平均值相差不多,因此在本研究中忽略出水SS對除磷效率的影響.

2.2 典型周期內(nèi)TP、COD、糖原質(zhì)和PHA的變化

糖原質(zhì)和PHA已經(jīng)被證明在聚磷微生物的代謝過程中充當能量儲存與供給的物質(zhì)[17].單級好氧工藝中,以乙酸鹽作為碳源時生物除磷所需要的能量主要來自PHA的分解[6].本研究采用乙酸鹽和丙酸鹽的混合碳源,為進一步探討 R2具有較高除磷性能的原因,分析了典型周期內(nèi)TP、COD、糖原質(zhì)和PHA的變化.

丁艷等[18]研究發(fā)現(xiàn),pH值會影響單級好氧生物除磷的效果.因此,為了排除 pH值是本實驗中影響除磷性能的重要因素的可能性,分析了反應器典型周期內(nèi)pH值的變化,結果見圖2.

圖2 R1、R2典型周期內(nèi)pH值的變化Fig.2 Variations of pH during one typical cycle in R1 and R2

由圖2可知,R1中起始pH值為6.96,R2為6.95.在開始曝氣的120min內(nèi)2個反應器內(nèi)的pH值均迅速由7.0左右升高至8.5左右,這是由于曝氣吹脫了CO2而引起的[19].隨后2個反應器中pH值緩慢下降,并最終穩(wěn)定在 8.1左右.整個典型周期過程中,2個反應器 pH值不存在很大的差別,因此不考慮pH值對于生物除磷性能的影響.

R1、R2典型周期內(nèi) TP、COD、糖原質(zhì)和PHA的變化見圖3和圖4.由圖3可知,R1中外碳源在曝氣開始后 60min內(nèi)大部分被消耗掉,而 2種常見的微生物體內(nèi)儲能物質(zhì)PHA和糖原質(zhì)則大量積累.PHA的積累在45min左右達到最大值(4.1mmol/g),隨后迅速下降,并在 120min左右降到曝氣開始時的水平.而在PHA濃度開始下降時,糖原質(zhì)卻繼續(xù)積累,并在90min左右達到最大值(3.87mmol/g),之后逐漸降低.由此可見,R1中雖然糖原和PHA均有明顯的積累,但是主要的儲能物質(zhì)是 PHA.這與王冬波等[6]在單級好氧工藝中觀察到的儲能物質(zhì)積累的現(xiàn)象相似.外碳源消耗完之后,微生物生長和攝取污水中磷酸鹽所需的能量主要來自體內(nèi)儲能物質(zhì)的分解.因此,伴隨著PHA和糖原質(zhì)濃度的下降,R1中TP濃度也迅速降低,在好氧階段結束時降至 5.13mg/L.在靜置期,R1中有明顯的釋磷現(xiàn)象,釋磷量為3.84mg/L.糖原質(zhì)在靜置期結束時恢復到曝氣開始時水平,PHA則無明顯變化.

圖3 R1典型周期內(nèi)TP、COD、糖原質(zhì)與PHA的變化Fig.3 Variations of TP, COD and glycogen as well as sludge PHA during a typical cycle in R1

由圖4可知,與R1不同的是,R2中外碳源在曝氣開始后30min大部分被消耗掉.和R1一樣,外碳源被分解消耗的過程中,PHA和糖原質(zhì)大量積累.

不同的是,R2中微生物體內(nèi)PHA的積累量高于R1(R1中為2.00mmol/g,R2中為2.4mmol/g),但是糖原的積累量低于R1(R1中為1.68mmol/g,R2中為 1.27mmol/g).這與姚櫻等[20]在傳統(tǒng) A/O工藝中觀察到的現(xiàn)象相似.伴隨著微生物體內(nèi)儲能物質(zhì)的分解,TP的濃度也逐漸降低,好氧結束時降至 3.88mg/L(低于 R1的出水磷濃度,R1為5.13mg/L),PHA和糖原在好氧結束時都降至曝氣開始時水平.靜置期 R2也有明顯的釋磷現(xiàn)象,釋磷量為8.72mg/L,高于R1.R2中PHA和糖原在靜置期均無明顯變化.

綜上所述,R1與 R2在好氧段均有明顯攝磷,PHA和糖原的積累和降解;靜置期也都有明顯的釋磷現(xiàn)象.不同的是 R2中好氧段攝磷量高于R1,靜置期釋磷量也高于R1;R2中PHA和糖原在靜置期均無明顯變化,這與R1不同(R1糖原含量在靜置期有少量下降).

圖4 R2典型周期內(nèi)TP、COD、糖原質(zhì)與PHA的變化Fig.4 Variations of TP, COD and glycogen as well as sludge PHA during a typical cycle in R2

2.3 討論

在好氧階段,根據(jù)微生物攝取污水中的磷所需能量來源的不同可以分為 2個階段.即外碳源階段和內(nèi)碳源階段.因此,要探討單級好氧工藝在不同丙酸鹽/乙酸鹽濃度比值下具有不同的除磷性能以及不同的MLSS和MLVSS的原因,可以從外碳源和內(nèi)碳源兩個階段入手.

外碳源階段是指好氧前期外碳源還未完全消耗的階段.在微生物的好氧呼吸過程中,乙酸鈉和丙酸鈉有著不同的好氧代謝途徑.1mol乙酸鈉消耗1mol腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)生成1mol乙酰輔酶 A,然后通過三羧酸(TCA)循環(huán)和乙醛酸循環(huán)氧化分解.1mol丙酸鈉首先消耗2molATP經(jīng)過β-氧化生成1mol乙酰輔酶A和0.33mol丙酰輔酶A,產(chǎn)生5molATP.然后乙酰輔酶A通過TCA循環(huán)和乙醛酸循環(huán) 2條途徑被氧化分解,而丙酰輔酶A在經(jīng)過3步酶促反應之后生成琥珀酰輔酶A,琥珀酰輔酶A再通過TCA循環(huán)被完全氧化分解.由此可見,單位丙酸鈉氧化分解產(chǎn)生的能量高于乙酸鈉.由于 R2中外碳源的丙酸鈉比例較高,因此R2中外碳源氧化分解產(chǎn)生的ATP較多.外碳源氧化分解產(chǎn)生的ATP主要用于微生物維持自身代謝,從污水中攝取磷以及合成微生物體內(nèi)儲能物質(zhì).外碳源迅速氧化分解時R1中TP去除量為2.18mg/L,R2中為 1.14mg/L,說明用于攝磷的ATP量R1多于R2.從圖3和圖4中可以看出,兩反應器中單位微生物合成體內(nèi)儲能物質(zhì)的量幾乎相同,說明合成過程中消耗的ATP量也基本相同.因此,R2中微生物用于維持自身生長的ATP的量多于R1,這也解釋了R2中MLVSS高于R1的原因.

當外碳源消耗完之后,進入內(nèi)碳源階段.由于實驗中外碳源很快被消耗并轉(zhuǎn)化為內(nèi)碳源,因此可以推斷,好氧階段的磷吸收主要是利用內(nèi)碳源進行的.本研究中當丙酸鈉/乙酸鈉比值由 0.165升至 2.00時,平均除磷效率由 77.95%升至84.79%,R2的除磷效率高于 R1,但 R1中微生物具有更好的除磷性能(單位微生物TP去除量高).有研究表明[21-22],微生物體內(nèi)內(nèi)碳源在好氧條件下通過TCA循環(huán)和氧化磷酸化,被氧化成二氧化碳和水,并產(chǎn)生大量ATP.而且,碳含量相同的不同內(nèi)碳源(PHA和糖原等)通過此過程產(chǎn)生的 ATP幾乎相等.從圖3和圖4中可以看出,在內(nèi)碳源階段,R1和R2中PHA優(yōu)先于糖原分解,這是由于PHA是好氧條件下最容易被微生物利用的細胞內(nèi)儲能物質(zhì)[23].而R2中PHA的積累量高于R1,糖原的積累量低于R1,這可能是因為當丙酸鈉濃度高時,PHA組分中的PH2MV和PH2MB的合成量有較大的增加[20].R1中微生物消耗的體內(nèi)儲能物質(zhì)(即內(nèi)碳源)的量為 3.67mmol/g,高于R2(3.55mmol/g).因此,內(nèi)碳源階段 R1中微生物體內(nèi)儲能物質(zhì)分解產(chǎn)生的 ATP多于 R2,這部分ATP主要用于微生物維持自身生長以及攝取污水中的磷,而 R1中微生物用于維持自身生長所需的能量少于R2.所以,R1中微生物用于攝取污水中磷的能量高于R2,導致R1中單位微生物除磷性能好.另外,Lin等[24]研究表明,丙酸鹽為單一碳源時,合成的PHA中以PHV居多;乙酸鹽為單一碳源時,合成的 PHA中以 PHB居多.因此,R2中PHA以PHV為主,R1中以PHB為主.劉燕等[25]研究表明,磷的吸收主要受PHB影響,R1中PHB含量較多,這可能也是 R1單位微生物除磷性能好的原因之一.

R1、R2好氧階段結束時,外碳源全部被氧化分解.R2中體內(nèi)儲能物質(zhì)也都恢復到曝氣開始時水平,由此可以推斷靜置期維持微生物生命和代謝所需要的能量主要來自微生物體內(nèi)聚磷的水解.而 R1中體內(nèi)儲能物質(zhì)尚未完全氧化分解到原始水平,在進入靜置期之后尚有少量被氧化分解.Lu等[23]研究表明,聚磷和糖原質(zhì)同時存在時,微生物傾向于先分解糖原質(zhì)來維持自身生命和代謝.R1中曝氣結束時糖原質(zhì)水平相比原始水平仍較高(比起始濃度高 0.26mmol/g),因此在靜置期,首先是糖原質(zhì)的分解提供微生物維持自己生命所需的能量,直到糖原質(zhì)的水平降到比較低的水平之后(約為起始濃度),聚磷才開始分解.這可能是導致R2中釋磷量大于R1的原因.靜置期R1中單位微生物的釋磷量為 0.0017mg/g,低于 R2的 0.0033mg/g,而好氧階段 R1中單位微生物的磷去除量卻高于R2.除了上面提到的R1中糖原在靜置期分解供能優(yōu)先于聚磷水解外,單級好氧工藝中微生物不同于傳統(tǒng) A/O工藝的能量代謝途徑可能也是導致這一現(xiàn)象的原因之一.由于R2在靜置期釋磷量高于 R1,因此水中 H2PO4-離子較多.因為H2PO4-離子的電離趨勢大于水解趨勢,產(chǎn)生的H+增多,從而解釋了R2中的靜置期pH值略低于R1的現(xiàn)象.

綜上所述,本研究中由于R1、R2中丙酸鈉/乙酸鈉比例不同,致使微生物分解外碳源產(chǎn)生的ATP不同以及合成的內(nèi)碳源比例不同,從而用于攝取水中磷的ATP也不同,導致R1與R2中微生物不同的除磷性能.由于用于維持微生物自身生命的ATP不同,也導致了MLVSS的不同.綜合這些因素,R2中整體的除磷效果要好于R1,但是R1中單位微生物的除磷性能更強.

3 結論

3.1 SBR單級好氧工藝在丙酸鈉/乙酸鈉為0.165和 2.00時均有較好的除磷效果,在穩(wěn)定運行期間,丙酸鈉/乙酸鈉為0.165的TP平均去除率為77.95%,丙酸鈉/乙酸鈉為2.00的TP平均去除率為 84.79%,可見,不同的丙酸鈉/乙酸鈉對單級好氧工藝有一定的影響.

3.2 丙酸鈉/乙酸鈉為0.165的單位微生物除磷性能高于丙酸鈉/乙酸鈉為 2.00,丙酸鈉/乙酸鈉為0.165時磷平均去除量為8.66mg/g,丙酸鈉/乙酸鈉為2.00時磷平均去除量為8.03mg/g,其主要原因是丙酸鈉和乙酸鈉的好氧分解途徑不同產(chǎn)生的ATP不同以及合成的內(nèi)碳源比例不同,并且用于攝磷的ATP也不相同.

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Effect of different ratios of propionate to acetate on phosphorus removal in sequencing batch reactor with single-stage oxic process.

CHANG Ke, LI Xiao-ming*, WANG Dong-bo, YANG Qi, ZENG Guang-ming (Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control, Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China). China Environmental Science, 2011,31(3)：371～376

To investigate the effect of different concentration ratios of propionate to acetate on phosphorus removal in single-stage oxic process, two lab-scale sequencing batch reactors (SBRs) were operated (R1: propionate to acetate ratio=0.165; R2: propionate to acetate ratio=2.00) using synthetic wastewater. After a period of sludge acclimation (30d),R2 showed a higher SOP removal efficiency than R1. The average efficiency of phosphorus removal in R1 and R2 were 77.95% and 84.79% respectively. However, the phosphorus removal amount per MLVSS in R1 was higher than R2. The phosphorus removal amount per MLVSS in R1 was 8.66mg/g while in R2 was 8.03mg/g. In the idle phase, though obvious phosphorus release was observed in both R1 and R2, the content of phosphorus released in R2 was higher than that in R1. The phosphorus release amount per MLVSS of R2 was higher than R1. Besides, glycogen in R1 degraded obviously while that in R2 seldom degraded, which maybe the reason why the phosphorus release amount per MLVSS of R2 was higher than R1.

sequencing batch reactor (SBR)；single-stage oxic process；sodium propionate；sodium acetate；biological phosphorus removal

X703.1

A

1000-6923(2011)03-0371-06

2010-08-13

國家自然科學基金資助項目(51078128)

* 責任作者, 教授, xmli@hnu.cn

常 克(1986-),男,浙江杭州人,湖南大學碩士研究生,主要研究方向為水污染控制.