高志廣，王在東，周 琪，顧國維

（1．西北電力設計院，西安 710075；2．同濟大學，上海 200092）

缺氧條件下PAOs與OHOs碳源競爭研究

高志廣1，王在東1，周 琪2，顧國維2

（1．西北電力設計院，西安 710075；2．同濟大學，上海 200092）

生物除磷系統(tǒng)中除存在大量聚磷菌（PAOs）外，還存在大量異養(yǎng)菌（OHOs），缺氧條件下兩者可能存在對底物的競爭，有必要對缺氧條件下聚磷菌的表現(xiàn)和代謝規(guī)律進行研究。該試驗考查了缺氧條件下普通異養(yǎng)菌與聚磷菌對碳源的競爭規(guī)律。根據研究結果，上述兩種功能微生物在缺氧條件下對有限碳源存在競爭且各自按照其固有的動力學模式利用碳源。試驗中觀察到乙酸（HAc）對缺氧反硝化的抑制作用，即當環(huán)境中存在數(shù)量較多的乙酸時，反硝化聚磷菌無法進行反硝化除磷代謝，這與目前對反硝化除磷過程的理解不同。根據研究結果，對ASM2D模型有關反應動力學描述進行了改進，實測數(shù)據表明改進后的模型能夠更好地描述缺氧條件下PAOs的生化反應。

%PAOs；OHOs；碳源競爭；反應動力學

傳統(tǒng)生物脫氮除磷概念中，硝酸鹽是抑制除磷的一個重要因素，它會降低聚磷菌的厭氧釋磷量和好氧吸磷量，但對缺氧釋磷與反硝化之間的動態(tài)競爭仍然不是十分清楚［1－6］。Malnou等［7］認為硝態(tài)氮會抑制厭氧階段聚磷菌的釋磷，而Hascoet等［8］則認為釋磷與反硝化反應是同步發(fā)生的，并沒有出現(xiàn)先后順序。本研究設計批式試驗對缺氧釋磷與反硝化之間的競爭進行探索和初步研究。

1 材料和方法

1．1 聚磷菌的富集

實驗室連續(xù)流AAO除磷裝置用于富集聚磷菌。接種污泥取自上海市某污水處理廠；進水取自某生活小區(qū)污水泵房吸水井。馴化穩(wěn)定后系統(tǒng)溶解性正磷去除率達92%以上，總磷去除率達78%以上。

1．2 實驗設計

1．2．1 COD充足情況

從AAO工藝好氧反應器中取1．65L活性污泥進行離心分離；隨后將離心后的污泥分成3等份并置于3個反應器中，將反應器置于磁力攪拌器上緩慢攪拌；然后向3個反應器中加入不同體積的KNO3溶液，使－N起始濃度分別為10，20，30mg/L；最后根據AAO工藝的污泥回流比確定批式試驗的充水比，向3個反應器加入一定量的乙酸鹽溶液和1．5mL微量元素液，使反應器中COD起始濃度為300mg/L。在試驗過程中，將反應器置于20℃的恒溫室中進行。從加入乙酸起開始計時，經缺氧2h后試驗結束。取樣和分析方法同上。

1．2．2 COD不足情況

取樣和分析方法同上。只是向反應器中加入的乙酸量較COD充足情況減少，使反應器中COD起始濃度為150mg/L左右。

1．3 分析方法

本實驗CODcr采用氧化－還原滴定法、正磷測試采用鉬銻抗光度法測定［9－10］。 PHAs進行離心、冷凍干燥、裂解、萃取等預處理后送氣相色譜進行分析，色譜柱為HP－5柱。

2 結果與討論

2．1 COD充足情況下厭氧釋磷及反硝化過程

各組批式試驗中，初始COD濃度為300mg/L條件下至反應結束，每組SBR反應器內剩余乙酸濃度都大于20mg/L，說明反應過程中碳源充足。－N濃度分別為10，20，30mg/L的3組批式試驗比釋磷速率依次為10．4，10．2，10．3mgP/（gSS·h），比硝氮去除速率依次為3．7，4．8，4．4mgN/（gSS·h）。 說明試驗范圍內硝酸鹽濃度的高低（或碳氮比）對反硝化反應及聚磷菌釋磷影響微乎其微。對乙酸和胞內PHAs變化速率的統(tǒng)計也支持上述觀點。

圖1 不同硝態(tài)氮濃度下碳源競爭過程

綜上，在有機物供給充足的條件下，盡管缺氧條件下反硝化過程比聚磷裂解產生更多的ATP，但反硝化作用在獲取碳源并沒有比釋磷具有絕對“優(yōu)先權”，這兩個過程是同時發(fā)生的，沒有出現(xiàn)先后順序現(xiàn)象，并且釋磷速率、PHAs合成速率和糖原降解速率幾乎不因硝酸鹽的存在而受到影響。

2．2 COD有限情況下厭氧釋磷及反硝化過程

為進一步研究碳源不足情況缺氧條件下反硝化作用與釋磷之間的動態(tài)競爭關系，進行了進水COD濃度為150mg/L，－N濃度10mg/L和30mg/L下聚磷菌與反硝化菌對碳源的利用競爭批式試驗。

圖2 不同硝態(tài)氮濃度下碳源競爭過程

圖2b所示，NO3－－N濃度為30mg/L的批式試驗中，當缺氧反應至60min時，乙酸已經消耗殆盡（4mg/L），此后系統(tǒng)釋磷及反硝化速率減慢并過渡至缺氧反硝化階段，異養(yǎng)菌的反硝化活動終止，聚磷菌的代謝則轉為利用硝酸鹽為電子受體的反硝化除磷。

對上述兩批式試驗中的各基質變化曲線進行擬合，可得各基質比變化速率，如表1所示。

表1 COD為300mg/L和不同－N濃度條件下各基質比變化速率

表1 COD為300mg/L和不同－N濃度條件下各基質比變化速率

PHAs/mgPHAs/gSS·h 10（C/N=30） 10.4 3.7 51.1 13.2 10（C/N=15） 10.3 4.8 47.2 13.5 20（C/N=15） 10.1 4.1 52.6 13.8 30（C/N=10） 10.2 4.4 51.8 14.9 30（C/N=5） 10.1 4.3 48.5 10.9 NO3--N濃度 P/mgP/gSS·h NO3--N/mgN/gSS·h HAc/mg/gSS·h

2．3 關于聚磷缺氧儲存的動力學描述

國際水協(xié)最初的生物除磷模型中是通過在聚磷菌PHAs儲存過程動力學中加入由SO2和SNO3引起的抑制開關函數(shù)來保證聚磷菌厭氧PHAs儲存過程描述的［11］。然而，自從有報道證實這一過程在好氧和缺氧條件下也可以發(fā)生以來，動力學表達式中已不包括上述兩個開關函數(shù)。這樣就造成一個問題，即現(xiàn)有的聚磷菌PHAs儲存和聚磷缺氧儲存兩過程可以在缺氧條件下同時發(fā)生，聚磷菌在進行釋磷反應的同時也在進行反硝化除磷。顯然這與上述試驗結果相矛盾。

利用ASM2D模型的后果是缺氧條件下聚磷菌儲存的PHAs有相當一部分通過聚磷缺氧儲存過程消耗掉而不是通過后續(xù)的聚磷好氧儲存利用。眾所周知，聚磷菌好氧生長速率大于缺氧生長速率，這樣系統(tǒng)聚磷菌的增長能力被低估，而生物強化除磷系統(tǒng)中磷的去除主要是通過排出剩余污泥實現(xiàn)的，因此系統(tǒng)的除磷能力也將被低估。

前面已經提到聚磷菌與異養(yǎng)菌在缺氧條件下存在碳源競爭但又互不影響各自反應速率，那么如何解釋進入厭氧段/區(qū)的硝酸鹽對聚磷菌除磷效果的破壞現(xiàn)象。結合上述試驗研究，筆者認為聚磷菌除磷性能的降低不是因為聚磷菌PHAs儲存速率降低而引起的，而是由于可利用易生物降解有機物不足造成的。

對于易降解有機物對反硝化除磷所具有抑制作用最簡單的描述就是在ASM2D模型中有關聚磷缺氧儲存過程動力學表述基礎上增加一個關于SA的抑制開關。改進后的聚磷缺氧儲存過程動力學表達式如下：

圖3 缺氧反硝化動力學表達修改對AOP工藝厭氧池模擬的改善

圖4 缺氧反硝化動力學表達修改對AAO工藝厭氧池模擬的改善

進行上述修正后，模型模擬結果尤其是對厭氧池釋磷的模擬有了較大改善。圖3、4是聚磷缺氧存儲動力學表達式修正前后對AOP和AAO工藝連續(xù)流運行模擬計算結果的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，增加關于SA的抑制開關后，對AOP和AAO工藝厭氧池磷酸鹽和PHAs的模擬均得到改善，這也從一個側面證明前述有關乙酸對反硝化除磷過程抑制作用描述的正確性。

3 結語

對COD充足和不足兩種情況下缺氧反應的考查發(fā)現(xiàn)，PAOs和OHOs之間的確存在對碳源的競爭。但當易生物降解有機物充足時異養(yǎng)菌反硝化反應和聚磷菌厭氧釋磷活動均遵循各自的動力學表達，相互之間影響不大。

環(huán)境中易降解有機物對反硝化除磷具有抑制作用。當環(huán)境中易降解有機物高于某一濃度時，聚磷菌只發(fā)生厭氧釋磷反應，反硝化除磷反應被抑制或關閉；當環(huán)境中易降解有機物低于某一濃度時，反硝化除磷反應才得以進行。從試驗結果來看，該抑制開關濃度很低，約為1～4mg/L。

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［11］張亞雷，李詠梅，譯．活性污泥數(shù)學模型［M］．上海：同濟大學出版社，2002．

Study on Competition between OHOs and PAOs on Carbon under Anoxic Condition

GAO Zhi－guang1，WANG Zai－dong1，ZHOU Qi2，GU Guo－wei2
（1．Northwest Electric Power Design Insititute，Xi’an710075，China； 2．Tongji University，Shanghai200092，China）

PAOs；OHOs；carbon competition；kinetics

X703．5

A

1672－9900（2012）01－0001-03

2011-11-24

國家自然科學基金重點項目城市污水處理系統(tǒng)智能控制理論、方法與技術（501380110）

高志廣（1978—），男（漢族），河北邢臺人，博士，主要從事市政、環(huán)境工程設計及電力水務設計工作，（Tel）13991295920。

Abstrct： A large number of phosphorus accumulative organisms （PAOs） and ordinary heterotrophic organisms （OHOs）exist in biological phosphorus removal system．There may exist substrate competition between the above organisms．In this paper，competition between （OHOs） and PAOs on carbon under anoxic condition is investigated．Although kinetic performance of OHOs and PAOs appears irrelevant，inhibition of acetic acid on anoxic polyphosphate storage is found according to batch test designed．The phenomenon is inconsistent with common understanding of denitrifying phorsphorus removal．According to the study，a part of ASM2D model describes the reaction kinetics has been improved．The measured data show that the improved model can better describe biochemical activity of PAOs under anoxic conditions．