賈利濤,陳洪波,李小明,楊 麒,許德超,趙建偉,向 沙,劉芳芳,李娟娟 (湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

Zn2+對(duì)SBR單級(jí)好氧模式生物除磷性能的影響

賈利濤,陳洪波,李小明*,楊 麒,許德超,趙建偉,向 沙,劉芳芳,李娟娟 (湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

以合成廢水為研究對(duì)象,以丙酸鹽為單一外加碳源,通過(guò)比較進(jìn)水中不同Zn2+濃度(0,1,5,10,20mg/L)下單級(jí)好氧模式下序批式反應(yīng)器(SBR)的除磷效果,考察進(jìn)水 Zn2+濃度對(duì)單級(jí)好氧 SBR生物除磷性能的影響,并通過(guò)分析各反應(yīng)器中典型周期內(nèi)磷及微生物體內(nèi)儲(chǔ)能物質(zhì)的變化,探究Zn2+對(duì)單級(jí)好氧SBR生物除磷性能的影響機(jī)理.當(dāng)進(jìn)水Zn2+濃度為0和1mg/L時(shí),除磷率分別高達(dá)96.84%和97.90%.當(dāng)進(jìn)水Zn2+濃度為5,10,20mg/L時(shí),系統(tǒng)除磷率分別為89.32%,76.43%和57.29%,說(shuō)明較高濃度Zn2+對(duì)單級(jí)好氧SBR生物除磷有抑制作用.結(jié)果表明,較高濃度Zn2+可抑制COD的降解,微生物體內(nèi)聚羥基脂肪酸酯好氧合成及磷酸鹽激酶活性,并促進(jìn)GAOs的代謝,使聚磷合成和水解量減少,從而降低系統(tǒng)的除磷性能.

序批式反應(yīng)器；丙酸鹽；Zn2+；單級(jí)好氧工藝；生物除磷

強(qiáng)化生物除磷(EBPR)理論[1]認(rèn)為,生物除磷須通過(guò)聚磷菌(PAOs)在厭氧條件下水解多聚磷酸鹽(poly-P)而釋磷.在此過(guò)程中,PAOs需以主動(dòng)運(yùn)輸方式吸收污水中的揮發(fā)性脂肪酸(VFA),利用糖原的EMP途徑或者乙酰輔酶A通過(guò)三羧酸(TCA)循環(huán)來(lái)提 NADH在胞內(nèi)合成聚羥基脂肪酸酯(PHA),其中poly-P的分解則為此過(guò)程提供三磷酸腺苷(ATP)[2].在隨后的好氧期,PAOs以游離的氧為電子受體來(lái)氧化先前貯存的PHA,并利用此反應(yīng)產(chǎn)生的ATP來(lái)過(guò)量攝取污水中的磷酸鹽,從而達(dá)到減少水體中磷含量的目的[3-4].

本研究小組以往研究[5-7]發(fā)現(xiàn),進(jìn)水后不經(jīng)特定的厭氧段而直接進(jìn)行好氧曝氣,序批式反應(yīng)器(SBR)仍能保持良好的除磷能力.與傳統(tǒng)厭氧/好氧(A/O)模式不同,單級(jí)好氧SBR中PAOs可在好氧條件下吸收VFA,并通過(guò)糖原分解和TCA循環(huán)產(chǎn)生的 NADH提供還原當(dāng)量合成 PHA,同時(shí)分解合成的PHA來(lái)提供合成poly-P所需的能量,從而實(shí)現(xiàn)磷的去除.

微量重金屬是生物酶活性的輔助因子,是微生物必需元素.然而,當(dāng)多數(shù)生物體內(nèi)的重金屬離子濃度達(dá)到 mg/L水平,即可使生物體中毒[8].釋放到環(huán)境中的重金屬通常由于它們的毒性以及通過(guò)食物鏈的累積,而對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[9].鋅(Zn)是生活污水和污泥中的最常見(jiàn)的重金屬之一[10],并隨著冶金和化工等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及含Zn制品市場(chǎng)的日益擴(kuò)大,Zn在廢水中廣泛存在,并會(huì)導(dǎo)致生活污水與工業(yè)廢水合并處理時(shí)存在風(fēng)險(xiǎn)[11].據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)2000～2010年污灌污水中 Zn濃度范圍為 0.00119～90.0mg/L[12].而ZnO納米材料的廣泛應(yīng)用,使其向環(huán)境中釋放的 Zn2+對(duì)厭氧-低溶解氧 SBR脫氮除磷系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響,并隨其濃度增高,抑制作用逐漸增強(qiáng)

[13].Ting等[14]設(shè)置0,1,5,10,20mg/L濃度梯度研究了Zn2+對(duì)A/O工藝的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)磷的去除性能對(duì)Zn2+非常敏感,較高的Zn2+濃度會(huì)降低系統(tǒng)除磷能力.

雖然有關(guān)重金屬對(duì)傳統(tǒng)A/O工藝除磷效果影響的研究較多,但關(guān)于其影響機(jī)制的深入探討卻甚少.此外,單級(jí)好氧SBR與傳統(tǒng)A/O模式有截然不同的運(yùn)行方式,除磷過(guò)程中微生物能量代謝也有較大區(qū)別[5].重金屬對(duì)單級(jí)好氧SBR除磷性能的影響尚不明確,這嚴(yán)重限制了該工藝的推廣與應(yīng)用.因此,本文以合成廢水為研究對(duì)象,通過(guò)比較0,1,5,10,20mg/L的Zn2+濃度下單級(jí)好氧SBR除磷效果,研究Zn2+濃度對(duì)單級(jí)好氧SBR除磷性能的影響,并通過(guò)分析典型周期內(nèi)磷及微生物體內(nèi)儲(chǔ)能物質(zhì)的變化,探究 Zn2+對(duì)單級(jí)好氧SBR除磷性能的影響機(jī)理.

1 材料與方法

1.1 活性污泥馴化

活性污泥的馴化在由有機(jī)玻璃制成的反應(yīng)器中進(jìn)行,反應(yīng)器有效容積為 9L,接種污泥取自于長(zhǎng)沙市開(kāi)福區(qū)污水處理廠回流池.反應(yīng)器每天運(yùn)行 3個(gè)周期,每周期為 8h,具體運(yùn)行方法為:瞬時(shí)進(jìn)水→好氧(4h)→沉淀出水(0.5h)→靜置(3.5h).在每周期好氧段開(kāi)始前,向反應(yīng)器中加入 5L合成廢水,用0.5mol/L的鹽酸和0.5mol/L的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值,使pH值保持在7～8范圍內(nèi).靜置期末排水約5L.按上述方法馴化約10d后,污泥外觀呈黃色,活性及沉淀效果均較好,系統(tǒng)除磷率穩(wěn)定在99%左右,系統(tǒng)開(kāi)始試運(yùn)行.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行方法

實(shí)驗(yàn)以5個(gè)有效容積為1.8L的玻璃燒杯作為反應(yīng)器.將馴化好的活性污泥平均接種至上述5個(gè)SBR中,初始污泥濃度約為4000mg/L.SBR運(yùn)行方法及控制條件均與馴化期一致.控制污泥停留時(shí)間(SRT)在18d左右,水力停留時(shí)間(HRT)大約為14.4h.每周期的靜置期末排水1L且加入1L合成廢水,并且分別向5個(gè)反應(yīng)器中加入濃度為 0,1,5,10,20mg/L的 Zn2+,分別編號(hào)為 R1,R2, R3,R4和R5.

1.3 污水水質(zhì)

進(jìn)水采用合成廢水,以丙酸鹽作為單一外加碳源,各組進(jìn)水水質(zhì)和濃度均相同:丙酸鈉(以 C計(jì))15mmol/L;磷酸二氫鉀(以 P計(jì))15mg/L;氯化銨40mg/L;硫酸鎂5mg/L;氯化鈣5mg/L;微量元素 1mL.其中微量元素主要成分及濃度見(jiàn)文獻(xiàn)[15],但本研究不加硫酸鋅.

1.4 分析方法

溶解性磷酸鹽(SOP)用鉬銻抗分光光度法[16]測(cè)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[16]測(cè)定; COD采用重鉻酸鉀法[16]測(cè)定;糖原質(zhì)(Glycogen)采用苯酚-硫酸法[8]測(cè)定; PHA采用氣相色譜法[17-18]測(cè)定;磷酸鹽激酶(PPK)粗酶提取及酶活測(cè)定參照文獻(xiàn)[19]中的方法;粗酶液總蛋白含量采用Folin-酚法.

2 結(jié)果與討論

2.1 長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中各反應(yīng)器的除磷效果

自活性污泥接種至 5個(gè)反應(yīng)器時(shí)起,每周期加入相應(yīng)濃度的Zn2+,并且每3d進(jìn)行進(jìn)出水取樣來(lái)用于SOP含量的測(cè)定.圖1為100d長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中各反應(yīng)器中SOP的去除率.

由圖1可知,加入Zn2+后,R2除磷率不僅沒(méi)有降低,反而比 R1更高,秦海霞等[20]的研究也證實(shí)了低濃度Zn2+有利于提升活性污泥系統(tǒng)的除磷性能.與R1和R2相比,R3,R4和R5的除磷率則明顯受到影響,且 Zn2+的濃度越大,系統(tǒng)除磷效率越差,R3,R4和 R5除磷率分別為 82.4%,64.8%和28.2%.然而,在隨后的一周內(nèi),3個(gè)反應(yīng)器的除磷率均有明顯回升,運(yùn)行至第 7d,3個(gè)反應(yīng)器除磷率分別回升至93.4%,75.4%和58.9%.由此可知,較高濃度Zn2+的沖擊負(fù)荷使系統(tǒng)的除磷性能大幅度下降,并在一段時(shí)間的適應(yīng)期內(nèi)得以不同程度的回升.在隨后的一個(gè)月內(nèi),R3與 R4除磷率仍有少量回升,R3除磷率最終穩(wěn)定在90%以上,R4則維持在80%以上.而R5除磷性能經(jīng)過(guò)前期適應(yīng)階段有所改善后,后期并未出現(xiàn)回升,基本維持在55%左右.

圖1 5個(gè)反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)行中SOP去除率Fig. 1 SOP removal efficiencies in 5 SBRs during the long-term operation

為更準(zhǔn)確地表示這 5個(gè)反應(yīng)器的除磷狀況差別,本研究對(duì)各個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行了單位質(zhì)量 VSS磷去除量的分析(圖2).由圖2可知,R1,R2中污泥具有較強(qiáng)的除磷能力,平均單位污泥除磷量分別達(dá)6.188,6.242mgP/gVSS. R3,R4和R5單位污泥除磷量明顯低于 R1,且加入 Zn2+濃度越大,差距越明顯,說(shuō)明以上3個(gè)反應(yīng)器污泥除磷能力受到不同程度的抑制.

圖2 5個(gè)反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)行中單位質(zhì)量VSS的除磷量Fig. 2 Variations of phosphorus removed per gram of VSS in 5 SBRs during the long-term operation

由表1可見(jiàn),R2中MLSS和MLVSS都比R1大,而R4和R5中MLSS和MLVSS明顯小于R1.可見(jiàn)當(dāng)相對(duì)高濃度(10,20mg/L)Zn2+存在時(shí),微生物的生長(zhǎng)會(huì)受明顯抑制.Oehmen等[21]研究表明,較低的MLVSS/MLSS值意味著活性污泥中有更多的聚磷存在.表中各反應(yīng)器中 MLVSS/MLSS值依次增大,說(shuō)明隨著Zn2+濃度增大,反應(yīng)器除磷性能逐漸減弱,這與長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中各反應(yīng)器除磷性能一致.此外,表1還表明 R1,R2中PPK活性較高,而R3,R4,R5中隨著Zn2+濃度增大PPK活性逐漸減弱.Zheng等[13]也曾有類似的報(bào)道.可見(jiàn),較高濃度的Zn2+可抑制活性污泥的PPK活性.

表1 5個(gè)反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行期PPK活性以及MLSS和MLVSS的變化Table 1 PPK activity and changes of MLSS and MLVSS in 5SBRs during the steady-state operation

2.2 典型周期內(nèi)SOP,DO,COD,糖原和PHA的變化

由圖3可知,Zn2+的加入對(duì)DO的變化無(wú)明顯影響,且每個(gè)反應(yīng)器在好氧期的前30min DO都很低,處于0.4mg/L以下,但30min后便大幅度上升,在好氧段末能達(dá)到4.2mg/L左右,又在隨后靜置期的前60min內(nèi)急劇下降至0.4mg/L左右,最后低至0.1mg/L以下.與之相對(duì)應(yīng),5個(gè)反應(yīng)器在好氧期的前30min都產(chǎn)生了釋磷現(xiàn)象,Wang等[7]的研究也有類似現(xiàn)象.這與本課題組以往的研究

[22-23]不同,可能是因?yàn)樵诤醚醭跗?微生物通過(guò)消耗氧來(lái)大量分解丙酸鹽,形成供氧速度低于耗氧速度,造成DO過(guò)低而形成缺氧甚至厭氧的情況,此時(shí)也有部分聚磷分解并產(chǎn)生ATP,可以為微生物吸收 VFA提供能量,從而有一部分的磷釋放出來(lái).還可能因?yàn)樯蟼€(gè)周期的靜置階段所釋放的磷酸鹽被吸附在活性污泥表面,而在新一周期由于好氧曝氣又分散到介質(zhì)中.

圖3表明,R1與R2在好氧初期的SOP濃度可上升至44.57,47.05mg/L,但出水濃度分別只有0.89,0.73mg/L.這說(shuō)明Zn2+濃度較低時(shí),有更多的聚磷參與分解與合成,而聚磷的參與量是生物除磷的關(guān)鍵.與R1,R2相比,R3,R4和R5中SOP濃度在好氧期波動(dòng)幅度相對(duì)較小,即 SOP上升量,吸收量亦少,且 Zn2+濃度愈大,波動(dòng)幅度愈小.到靜置期時(shí),各反應(yīng)器都出現(xiàn)明顯釋磷現(xiàn)象,其釋磷量出現(xiàn) R5

生物除磷過(guò)程與細(xì)胞內(nèi)的PHA和糖原的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)[24],并且它們是 PAOs在代謝過(guò)程中所需能量的儲(chǔ)存與供給者[21].在以丙酸鹽為碳源的單級(jí)好氧工藝中,PAOs進(jìn)行吸磷代謝所需的能量亦來(lái)自于PHA的分解[7].本研究中的好氧期可分為外碳源消耗階段(儲(chǔ)能物質(zhì)積累)和內(nèi)碳源消耗階段(儲(chǔ)能物質(zhì)轉(zhuǎn)化).外碳源消耗階段大概為好氧期的前 45min.在這期間,COD急劇下降,PHA大量合成,而糖原呈下降趨勢(shì),為PHA合成提供還原當(dāng)量,此時(shí)并沒(méi)有明顯的吸磷現(xiàn)象,丙酸鹽分解所產(chǎn)生的ATP主要供給內(nèi)碳源的積累(圖3,圖4).到內(nèi)碳源消耗階段時(shí),PHA優(yōu)于糖原先分解,因?yàn)镻HA是微生物在好氧條件下最容易利用的細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存物質(zhì)[25].PHA首先氧化分解生成乙酰輔酶A和丙酰輔酶A,然后通過(guò)TCA循環(huán)產(chǎn)生能量供磷酸鹽的吸收,還有部分PHA經(jīng)糖原異生作用合成糖原質(zhì).因此在內(nèi)碳源消耗階段,PHA因好氧分解而減少,但糖原處于開(kāi)始累積狀態(tài).

圖3 5個(gè)反應(yīng)器中典型周期內(nèi)SOP和DO的變化Fig.3 Variations of SOP and DO during a typical cycle in 5SBRs

圖 4表明,在外碳源消耗階段,R1與 R2的COD降解量基本相同,而其他 3個(gè)反應(yīng)器中的COD降解量相對(duì)較少(R5

圖4 5個(gè)反應(yīng)器典型周期內(nèi)COD,PHA和糖原的變化Fig.4 Variations of COD, PHA and glycogen during a typical cycle in 5SBRs

綜上所述,以 R1為代表的采用丙酸鹽為單一外加碳源的單級(jí)好氧工藝,在正常運(yùn)行情況下可取得良好的除磷效果,并且代謝過(guò)程中PHA的參與比較活躍,而糖原代謝途徑相對(duì)較少.當(dāng)加入1mg/L的Zn2+時(shí),PHA的參與代謝量增加,糖原的參與有所降低,對(duì) PPK活性無(wú)明顯影響,并利于SOP的去除;當(dāng)加入5mg/L以上的Zn2+時(shí),好氧期PHA的生成與消耗量隨Zn2+增高而減小,糖原的波動(dòng)幅度則隨 Zn2+濃度增加而變大,與之對(duì)應(yīng)的PPK活性和 SOP去除能力隨 Zn2+增加而變?nèi)?但Zn2+的加入對(duì)整個(gè)過(guò)程的DO影響不明顯.

2.3 Zn2+對(duì)單級(jí)好氧SBR除磷性能的影響機(jī)理Zn是乙酸脫氫酶、RNA和DNA聚合酶的組分[19],是微生物生長(zhǎng)所需的微量元素.而本實(shí)驗(yàn)所用的微量元素并不含Zn,這就可以解釋為什么R2的除磷效果整體比R1要好.但當(dāng)Zn2+濃度較高時(shí),就可能使微生物體與水體之間的滲透壓增大,導(dǎo)致其他物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi),從而影響微生物的代謝過(guò)程,甚至死亡;也可以打破化學(xué)平衡直接與微生物細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)相結(jié)合而產(chǎn)生毒害作用[26],所以隨著 Zn2+濃度的增大和時(shí)間的推移,MLSS和MLVSS逐漸變小,即微生物的量在漸漸減少.

重金屬與微生物蛋白酶活性中心的-SH有強(qiáng)烈反應(yīng)性,可使酶失活,并且可與非活性中心的其他部分結(jié)合而使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,也可導(dǎo)致活性變?nèi)鮗27-28].本研究中發(fā)現(xiàn),較高濃度的Zn2+對(duì)PPK活性有抑制作用,并且Zheng等[13]通過(guò)熒光原位雜交技術(shù)(FISH)分析得知,ZnO納米材料釋放出的Zn2+同樣對(duì)PAOs中PPK活性產(chǎn)生抑制作用.而 PPK是 PAOs進(jìn)行生物除磷時(shí)至關(guān)重要的酶,poly-P的合成是由PPK催化完成的,并且這個(gè)過(guò)程是可逆的,PPK也可催化poly-P的分解,并伴隨著能量的轉(zhuǎn)移(nATP?nADP + poly-Pn)[18,23].因此,當(dāng)加入較高濃度的 Zn2+(5,10,20mg/L)時(shí),PPK就會(huì)受到不同程度的抑制,因而poly-P的好氧期合成和靜置期分解就會(huì)受到抑制,即PAOs的好氧吸磷與靜置期釋磷受阻,這與圖3中SOP的周期變化規(guī)律相符合.在靜置期poly-P的分解量減少則會(huì)引起分解時(shí)產(chǎn)生的用來(lái)維持細(xì)胞生長(zhǎng)所需的ATP也隨之減少,這也可能是導(dǎo)致R3-R5后期MLSS較小的另外一個(gè)原因.

PHA被認(rèn)為是 EBPR的關(guān)鍵儲(chǔ)存物,因?yàn)镻HA的大量積累是PAOs好氧吸磷所需能量的保證[5].可見(jiàn),當(dāng)加入較高濃度的 Zn2+(5,10, 20mg/L)時(shí),PHA在外碳源消耗階段的積累會(huì)受到不同程度的抑制,而Zn2+對(duì)COD降解的抑制作用也可能是 PHA合成受抑制的原因之一,因?yàn)镃OD的降解量間接反映碳源的利用率.隨后內(nèi)碳源消耗期PHA分解產(chǎn)生的ATP也隨之減少,從而導(dǎo)致PAOs進(jìn)行poly-P合成時(shí)所需ATP能量不足.R1,R2,R3和R4在相同COD去除率的情況下,PHA合成量減少,糖原的積累量就會(huì)相對(duì)較高.而 R5的碳源利用率相對(duì)較低,但其糖原積累量最高,可見(jiàn) R5中糖原的代謝更為旺盛.糖原的合成量較多,也可能是因?yàn)榫厶蔷?GAOs)的代謝旺盛,因?yàn)樵谏锍紫到y(tǒng)中,GAOs可與 PAOs競(jìng)爭(zhēng)VFA而大量生長(zhǎng),其能量主要來(lái)源于糖原分解,但代謝過(guò)程中不伴隨磷的參與[29].GAOs的過(guò)度生長(zhǎng)則是EBPR性能惡化的潛在原因[30].因此,較高Zn2+對(duì)PHA合成的抑制及糖原參與量的提高,可降低系統(tǒng)的除磷性能.

Lu等[25]發(fā)現(xiàn) poly-P和糖原同時(shí)存在時(shí),糖原為優(yōu)先利用的儲(chǔ)能物質(zhì)來(lái)維持細(xì)胞生長(zhǎng),直到糖原降到較低水平才分解 poly-P,所以在靜置期R3,R4和R5的釋磷量相對(duì)于R1,R2較少.圖4表明,隨著加入的Zn2+的提高,靜置期分解的糖原量越多,當(dāng) R3-R5中的糖原降至較低水平時(shí),仍繼續(xù)分解,因而 poly-P的降解量更少.這可能是因?yàn)镚AOs的代謝旺盛,而PAOs的代謝途徑相對(duì)較少.因?yàn)镚AOs與PAOs有著相似的代謝途徑,不同之處在于GAOs沒(méi)有磷的釋放與吸收,并且其能量和還原當(dāng)量主要來(lái)源于糖原的分解[29],并且PAOs對(duì)Zn2+比較敏感[13].研究表明,GAOs的能量來(lái)源主要是糖原的分解,當(dāng)以乙酸鹽為碳源時(shí),GAOs會(huì)產(chǎn)生比PAOs更多的聚β羥基戊酸(PHV)和 PHA[23,30].而本研究雖以丙酸鹽為碳源,但在靜置期同樣存在該現(xiàn)象,即當(dāng)較高濃度的Zn2+存在時(shí),較多的糖原經(jīng)ED或EM途徑分解產(chǎn)生ATP,并生成丙酰輔酶A來(lái)維持氧化還原平衡,最后生成更多的PHV[32].因此R3,R4和R5中較多的PHV生成,可能是它們靜置期的PHA積累量比R1,R2要多的原因,也可能是GAOs代謝活性旺盛的表現(xiàn).一般來(lái)說(shuō),生物除磷過(guò)程中 PHA和糖原的變化與PAOs和GAOs有關(guān),并且較多的糖原轉(zhuǎn)化量意味著 GAOs的代謝更為活躍

[23,31,33],而圖 4則表明了 5個(gè)反應(yīng)器中典型周期內(nèi)糖原的變化幅度(R2

3 結(jié)論

3.1 低濃度(1mg/L)的 Zn2+有利于提高單級(jí)好氧 SBR除磷效果,而較高濃度(5,10,20mg/L)的Zn2+可抑制單級(jí)好氧SBR除磷性能,且Zn2+濃度越高,抑制作用越明顯.

3.2 Zn2+的短期沖擊負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致除磷效果急劇下降,但長(zhǎng)期馴化作用可使除磷性能得到不同程度回升.

3.3 5,10mg/L的Zn2+對(duì)COD降解初期略有抑制作用,但對(duì)其總?cè)コ薀o(wú)明顯影響;20mg/L對(duì)COD降解不利.

3.4 較高濃度的Zn2+可抑制PHA的合成和PPK的活性,減少poly-P的生成,同時(shí)不利于PAOs代謝,并使得GAOs的代謝較更為旺盛,從而降低系統(tǒng)的除磷性能.

[1]Kerren-Jespersen J-P, Henze M, Struber R. Biological phosphorus release and uptake under alternating anaerobic and anoxic conditions in a fixed-film reactor [J]. Water Research, 1994,28:1253-1255.

[2]Louie T-M, Mah T-J, Oldham W, et al. Use of metabolic inhibitors and gas chromatography/mass spectrometry to study poly-β-hydroxyalkanoates metabolism involving cryptic nutrients in enhanced biological phosphorus removal systems [J]. Water Research, 2000,34(5):1507-1514.

[3]Smolders G-J, van der Meij J, van Loosdrecht M-C-M, et al. Model of the anaerobic metabolism of the biological phosphorus removal process: Stoichiometry and pH influence [J]. Biotechnology and Bioengineering, 1994,43(6):461-470.

[4]Oehmen A, Lemos P-C, Carvalho G, et al. Advances in enhanced biological phosphorus removal: From micro to macro scale [J]. Water Research, 2007,41(11):2271-2300.

[5]Wang D-B, Li X-M, Yang Q, et al. The probable metabolic relation between phosphate uptake and energy storages formations under single-stage oxic condition [J]. Bioresource Technology, 2009,100(17):4005-4011.

[6]王冬波,李小明,楊 麒,等.SBR無(wú)厭氧段實(shí)現(xiàn)生物除磷 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2008,29(7):1867-1873.

[7]Wang D-B, Li X-M, Yang Q, et al. Improved biological phosphorus removal performance driven by the aerobic/extendedidle regime with propionate as the sole carbon source [J]. Water Research, 2012,46(12):3868-3878.

[8]Pamukoglu M-Y, Kargi F. Copper (II) ion toxicity in activated sludge processes as function of operating parameters [J]. Enzyme and Microbial Technology, 2007,40(5):1228-1233.

[9]Mudhoo A, Garg V-K, Wang S-B, Removal of heavy metals by biosorption [J]. Environmental Chemistry Letters, 2012,10:109-117.

[10]孫 峰,翁煥新,馬學(xué)文,等.污泥中重金屬和多環(huán)芳烴(PAHs)的存在特性及其相互關(guān)系 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2008,28(12):2540-2548.

[11]李洪亮,陳玉成.污水生物處理中重金屬的毒理學(xué)研究進(jìn)展 [J].微量元素與健康研究, 2006,23(1):49-52.

[12]辛術(shù)貞,李花粉,蘇德純.我國(guó)污灌污水中重金屬含量特征及年代變化規(guī)律 [J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011,30(11):2271-2278.

[13]Zheng X, Wu R, Chen Y. Effects of ZnO Nanoparticles on Wastewater Biological Nitrogen and Phosphorus Removal [J]. Environmental Science and Technology, 2011,45(7):2826-2832.

[14]Ting Y-P, Imai H, Kinoshita S. Effect of shock-loading of heavy metals on total organic carbon and phosphate removal in an anaerobic-aerobic activated sludge process [J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 1994,10:308-312.

[15]Wang D-B, Li X-M, Yang Q, et al. Biological phosphorus removal in sequencing batch reactor with single-stage oxic process [J]. Bioresource Technology, 2008,99(13):5466-5473.

[16]國(guó)家環(huán)境保護(hù)局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法 [M]. 4版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2002.

[17]Takabatake H, Satoh H, Mino T, et al. PHA (polyhydroxyaikanoate) production potential of activated sludge treating wastewater [J]. Water Science and Technology, 2002, 45(12):119-126.

[18]Oehmen A, Keller-Lehmann B, Zeng R-J, et al. Optimisation of poly-β-hydroxyalkanoate analysis using gas chromatography for enhanced biological phosphorus removal systems [J]. The Journal of Chromatography A, 2005,1070(1/2):131-136.

[19]Lee S-J, Song O-R, Lee Y-C, et al．Molecular characterization of polyphosphate kinase (ppk) gene from Serratia marcescens [J]．Biotechnology Letters, 2003,25(3):191-197.

[20]秦海霞.重金屬對(duì)生物除磷影響的研究 [D]. 湖南:湖南大學(xué), 2007.

[21]Oehmen A, Vives M-T, Lu H, et al. The effect of pH on the competition between polyphosphate-accumulating organisms and glycogen-accumulating organisms [J]. Water Research, 2005, 39(15):3727-3737.

[22]常 克,李小明,王冬波,等.不同丙酸鹽/乙酸鹽比對(duì)單級(jí)好氧生物除磷的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(3):371-376.

[23]丁 艷,王冬波,李小明,等. pH值對(duì)SBR單級(jí)好氧生物除磷的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2010,30(3):333-338.

[24]Mino T, van Loosdrecht M-C-M., Heijnen J-J. Microbiology and biochemistry of the enhanced biological phosphate removal process [J]. Water Research, 1998,32:3193-3207.

[25]Lu H, Keller J, Yuan Z. Endogenous metabolism of Candidatus Accumulibacter phosphatis under various starvation conditions [J]. Water Research, 2007,41(20):4646-4656.

[26]Dordio A-V, Duarte C, Barreiros M, et al. Toxicity and removal efficiency of pharmaceutical metabolite clofibric acid by Typha spp. --Pltential use for phytoremediation [J]. Bioresource Technology, 2009,100(3):1156-1161.

[27]張師魯.高等環(huán)境微生物學(xué) [M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 1982.

[28]山根靖弘.環(huán)境污染物質(zhì)與毒性 [M]. 成都:四川人民出版社, 1981.

[29]Acevedo B, Oehmen A, Carvalho G, et al. Metabolic shift of polyphosphate-accumulating organisms with different levels of polyphosphate storage [J]. Water Research, 2012,46(6):1889-1900.

[30]Oehmen A, Saunders A-M, Vives M-T, et al. Competition between polyphosphate and glycogen accumulating organisms in enhanced biological phosphorus removal systems with acetate and propionate as carbon sources [J]. Journal of Biotechnology, 2006,123(1):22-32.

[31]Zeng R, Yuan Z, van Loosdrecht M-C-M, et al. Proposed modifications to metabolic model for glycogen-accumulating organisms under anaerobic conditions [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2002,80(3):277-279.

[32]Lopez C, Pons M-N, Morgenroth E. Endogenous processes during long-term starvation in activated sludge performing enhanced biological phosphorus removal [J]. Water Research, 2006,40(8): 1519-1530.

[33]Filipe C-D-M, Daigger G-T, Grady C-P-L. A metabolic model for acetate uptake under anaerobic conditions by glycogen accumulating organisms: Stoichiometry, kinetics, and the effect of pH [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2001,76(1):17-31.

Effect of Zn2+on biological phosphorus removal performance in single-stage oxic sequencing batch reactor.

JIA Li-tao, CHEN Hong-bo, LI Xiao-ming*, YANG Qi, XU De-chao, ZHAO Jian-wei, XIANG Sha, LIU Fang-fang, LI Juan-juan (College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2266～2272

Effect of Zn2+(0, 1, 5, 10 and 20mg/L) on phosphorus removal in single-stage oxic sequencing batch reactor (SBR) was investigated, the cyclic variations of phosphorus and intracellular polymers were analyzed, and the influencing mechanism of Zn2+on phosphorus removal induced by the single-stage oxic regime was explored. The experimental results showed that 96.54% and 97.48% of the influent phosphorus could be removed in the reactors fed with 0and 1mg/L Zn2+. However, the phosphorus removal efficiency decreased to 89.20%, 76.43%, 57.29% respectively in the reactors fed with 5, 10and 20mg/L Zn2+, suggesting that a higher concentration of Zn2+inhibited the phosphorus removal induced by the single-stage oxic regime. It was demonstrated that the effect of Zn2+on phosphorus removal was due to the inhibition to the degradation of COD, synthesis and hydrolysis of polyhydroxyalkanoates and the activity of polyphosphate kinase. Moreover, the metabolic shift from polyphosphate accumulating organisms to glycogen accumulating organisms at high Zn2+concentrations of could also decrease the phosphorus removal ability of the system.

sequencing batch reactor；propionate；Zn2+；single-stage oxic process；biological phosphorus removal

X701.3

A

1000-6923(2014)09-2266-07

賈利濤(1988-),男,河南焦作人,湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要從事水污染控制研究.

2014-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金(51278175,51378188)

* 責(zé)任作者, 教授, xmli@hnu.edu.cn