1 引言
目前，水體富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)峻，而磷是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的重要元素，因此，將磷從 廢水中去除意義重大.與化學(xué)除磷和物理除磷相比，強(qiáng)化生物除磷(Enhanced Biological Phosphorus Removal，EBPR)因具有除磷效果好、投資少、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點而在世界各地的污水處理廠中得到廣泛應(yīng)用.EBPR中起主要作用的微生物為聚磷菌(Phosphate Accumulating Organisms，PAOs)，PAOs能夠在厭氧的環(huán)境中利用細(xì)胞內(nèi)多聚磷酸鹽(Polyphosphate，Poly-P)的水解產(chǎn)生腺嘌呤核苷三磷酸(Adenosine Triphosphat，ATP)吸收水體中的揮發(fā)性脂肪酸(Volatile Fatty Acids，VFAs)，并利用糖酵解(Embden-Meyerhof-Parnas Pathway，EMP)途徑或者乙酰輔酶A(acetyl-CoA)通過三羧酸循環(huán)(Tricarboxylic acid cycle，TCA)來提供煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide，NADH)在胞內(nèi)合成聚羥基脂肪酸酯(Poly-β-polyhydroxyalkanoates，PHA).聚磷水解后產(chǎn)生的磷酸鹽被釋放到水體中，在隨后的好氧或者缺氧環(huán)境中，PAOs利用水體中的氧氣或者硝酸鹽(亞硝酸鹽)等為電子受體氧化PHA，PHA氧化產(chǎn)生的能量用于超量吸收水體中的磷酸鹽并貯存在體內(nèi)生成聚磷等，最后通過排放富磷污泥來達(dá)到減少水體磷含量的目的.
在實際的污水處理中，亞硝酸鹽作為硝化和反硝化的中間產(chǎn)物廣泛存在于污水的脫氮除磷系統(tǒng)中，且在一定條件下能夠積累，如DO、溫度、pH的變化，以及高濃度的氨氮、硝態(tài)氮等.Zeng等(研究發(fā)現(xiàn)，亞硝酸鹽在傳統(tǒng)的A/O工藝中積累量可高達(dá)20 mg · L-1.亞硝酸鹽積累濃度過高會導(dǎo)致EBPR崩潰.Saito等報道2 mg · L-1 NO-2-N已對PAOs的好氧吸磷造成嚴(yán)重的抑制，而Zeng等報道10 mg · L-1 NO-2-N未對磷的吸收和釋放產(chǎn)生抑制.以往研究中對微生物起抑制作用的亞硝酸鹽濃度不盡相同，甚至差別很大，這可能與污泥種類、進(jìn)水成分及反應(yīng)器的運行條件有關(guān).亞硝酸鹽對污水處理廠中微生物的代謝具有嚴(yán)重的抑制作用，包括EBPR中起主要作用的PAOs.亞硝酸鹽能夠抑制PAOs的好氧吸磷、底物氧化磷酸化、物質(zhì)主動運輸?shù)茸饔茫瑥亩鴮BPR造成嚴(yán)重影響的研究表明，PAOs的同化作用(微生物的生長、磷的吸收、糖原質(zhì)的補(bǔ)給)和異化作用(PHA的氧化)均不同程度地受到亞硝酸鹽的影響，且異化作用受抑制程度相對同化作用要小.近期研究發(fā)現(xiàn)，在亞硝酸鹽的水溶液中真正對微生物代謝起抑制作用的為游離亞硝酸(Free Nitrous Acid，F(xiàn)NA)，F(xiàn)NA為亞硝酸鹽的的質(zhì)子化形態(tài)，它能夠自由地穿過細(xì)胞膜.通過嚴(yán)格控制pH等外界條件證實，好氧吸磷的真正抑制成分是亞硝酸鹽的質(zhì)子化形態(tài)(即FNA).FNA的濃度與溶液中亞硝酸鹽的濃度、溫度和pH密切相關(guān)，其關(guān)系可通過以下公式表示：
，其中，T為溶液的溫度(℃)，Ka為亞硝酸在T溫度下的電離平衡常數(shù).
本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，序批式反應(yīng)器進(jìn)水后未經(jīng)嚴(yán)格厭氧段而適當(dāng)延長閑置時間在處理合成廢水和實際生活污時均能保持良好的除磷性能.將其定義為A/EI(Aerobic/Extended Idle)工藝，A/EI工藝較傳統(tǒng)厭氧/好氧(Anaerobic/Oxic，A/O)工藝具有對碳源依賴程度低、操作簡單及對pH耐受范圍廣等優(yōu)點.不同EBPR工藝中聚磷菌對亞硝酸鹽的耐受能力不同，且A/EI工藝特有的運行模式將會導(dǎo)致PAOs代謝機(jī)理較傳統(tǒng)A/O工藝不同.當(dāng)進(jìn)水中含有FNA時是否會對A/EI工藝除磷性能產(chǎn)生影響，至今尚未明確，這嚴(yán)重阻礙著工藝的進(jìn)一步完善和推廣應(yīng)用.本文旨在考察FNA對A/EI序批式反應(yīng)器除磷性能的影響，并通過比較微生物體內(nèi)儲能物質(zhì)的變化，探究FNA對A/EI反應(yīng)器除磷性能的影響機(jī)制，最后通過恢復(fù)試驗研究FNA對A/EI反應(yīng)器抑制作用的可逆性.
2 實驗材料與方法(Materials and methods) 2.1 實驗裝置及運行方法
活性污泥取自長沙第一污水處理廠回流池，經(jīng)馴化15 d后平均分配到4個序批式反應(yīng)器(R1、R2、R3、R4)中.序批式反應(yīng)器有效容積為1.8 L，各反應(yīng)器中初始污泥濃度(SS)為4000 mg · L-1左右.污泥沉降性能良好，反應(yīng)器除磷率均穩(wěn)定在90%以上.整個實驗包含3個時期：馴化期(0~15 d)、試驗期(16~105 d)和恢復(fù)期(106~130 d).反應(yīng)器每天運行3個周期，每個周期包含4 h好氧曝氣、0.5 h靜置沉淀、3.5 h閑置.靜置沉淀完成后排出上清液1 L，水力停留時間(HRT)為14.4 h，好氧曝氣結(jié)束后期排泥水混合物60 mL，污泥停留時間(SRT)為10 d.反應(yīng)器采用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，曝氣強(qiáng)度為2 L · min-1.
2.2 合成廢水
本研究進(jìn)水采用人工合成廢水，以磷酸二氫鉀作為磷源，濃度為20 mg · L-1(以PO3-4-P計)，以乙酸鈉作為單一外加碳源，進(jìn)水COD值為500 mg · L-1，C/P比(質(zhì)量比)為25 ∶ 1，進(jìn)水氨氮濃度為20 mg · L-1.合成廢水其他營養(yǎng)成分包括(以每升計)5 mg CaCl2、5 mg MgSO4、1 mL微量元素，每升微量元素中含有1.5 g FeCl3 · 6H2O、0.15 g H3BO3、0.03 g CuSO4 · 5H2O、0.18 g KI、0.12 g MnCl2 · 4H2O、0.06 g Na2MoO4 · 2H2O、0.12 g ZnSO4 · 7H2O、0.15 g CoCl2 · 6H2O和10 g EDTA.鑒于亞硝酸鹽濃度低于2 mg · L-1時對PAOs的好氧吸磷抑制不明顯，而當(dāng)積累量高達(dá)20 mg · L-1時會導(dǎo)致EBPR崩潰，本研究選取2 mg · L-1(R1)和20 mg · L-1(R3)及中間濃度10 mg · L-1(R2)3個亞硝酸鹽濃度值考察FNA對A/EI工藝除磷性能的影響，R1~R3各反應(yīng)器FNA濃度分別為5.13×10-5、2.57×10-4和5.13×10-4 mg · L-1，R4作為空白對照.同時，在各反應(yīng)器進(jìn)水中添加少量的烯丙基硫脲(ATU)以抑制硝化作用和少量的NaClO3以抑制NO-2-N的氧化.
2.3 分析方法
SOP(Soluble Orthophosphate)、COD、SS、VSS、氨氮的測定可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)檢測方法;PHA測定采用氣相色譜法，色譜儀型號為安捷倫6890N;糖原質(zhì)測定采用苯酚-硫酸法;溶解氧(DO)采用便攜式溶解氧儀測定;pH測定采用玻璃電極法
3 結(jié)果與討論
3.1 FNA對污泥沉降性能的影響
各反應(yīng)器長期運行過程中的污泥體積指數(shù)(Sludge Volume Index，SVI)變化情況如圖 1所示.由圖 1可知，在污泥馴化時期，污泥的SVI值基本維持在103~126 mL · g-1之間，污泥沉降性能良好.在添加亞硝酸鹽后，R1、R2和R3中的SVI值均有不同程度的上升，而R4中SVI值始終維持在初始水平，這表明R4中污泥的沉降性能未受到影響.R1中SVI值最高達(dá)120 mL · g-1，仍處于正常的沉降范圍(50~150 mL · g-1);而R2、R3中最大SVI值分別為211 mL · g-1和310 mL · g-1，表明R2和R3中污泥物沉降性能變差，出現(xiàn)不同程度的污泥膨脹.這些研究結(jié)果表明FNA濃度大于2.57×10-4 mg · L-1時會導(dǎo)致污泥沉降性能變差，甚至引發(fā)污泥膨脹，而FNA小于5.13×10-5 mg · L-1時對A/EI工藝的污泥沉降性能無明顯影響.往的研究也表明，在FNA濃度較低時對系統(tǒng)污泥沉降性影響不明顯，而濃度較高時會產(chǎn)生嚴(yán)重的污泥膨脹.
圖 1 長期運行過程中各反應(yīng)器內(nèi)SVI值變化情況
3.2 FNA對A/EI反應(yīng)器除磷性能的影響
經(jīng)15 d馴化完成后，4個反應(yīng)器中磷的去除率均在90%以上，在130 d的長期運行過程中出水磷濃度如圖 2所示，各反應(yīng)器平均出水磷濃度分別為2.3、7.4、11.9和2.0 mg · L-1.各反應(yīng)器長期運行過程中VSS及SS的平均值見表 1，則各反應(yīng)器中單位VSS磷的去除量分別為6.0、4.3、3.5和6.3 mg · g-1.可見R1、R4反應(yīng)器的除磷性能明顯強(qiáng)于R2、R3，即FNA抑制了反應(yīng)器內(nèi)微生物的除磷能力，并且FNA濃度越高，抑制作用越大.且當(dāng)FNA濃度為2.57×10-4 mg · L-1時反應(yīng)器除磷受到嚴(yán)重影響，單位VSS除磷量抑制達(dá)到38%.然而，當(dāng)FNA濃度為5.13×10-5 mg · L-1時反應(yīng)器仍表現(xiàn)出良好的除磷性能，磷的平均去除率高達(dá)89%，單位VSS去磷量的抑制僅為4.75%.可見當(dāng)FNA的濃度大于2.57×10-4 mg · L-1.時會嚴(yán)重抑制A/EI工藝的除磷效率，而FNA濃度低于5.13×10-5 mg · L-1時對A/EI工藝除磷性能的影響并不明顯.
圖 2 長期運行過程中各反應(yīng)器出水SOP濃度
表1 各反應(yīng)器平均VSS、SS及出水氮濃度
3.3 典型周期內(nèi)SOP、DO、COD、PHA及糖原質(zhì)的變化
典型周期內(nèi)SOP、DO、COD、PHA及糖原質(zhì)的變化情況如圖 3所示.好氧期內(nèi)，R3和R4的吸磷量分別為3.5和6.3 mg · g-1(以單位VSS的吸P量計)，R3的吸磷量遠(yuǎn)小于R4，這表明FNA能抑制反應(yīng)器中PAOs的好氧吸磷.即FNA濃度為5.13×10-4 mg · L-1時，反應(yīng)器中PAOs好氧吸磷受抑制程度達(dá)44%.以往研究也曾報道FNA對PAOs的好氧吸磷具有抑制作用，如Pijuan等的研究表明，F(xiàn)NA濃度為5.0×10-4 mg · L-1(相當(dāng)于2.0 mg · L-1 NO-2-N，pH=7.0)時對A/O工藝好氧吸磷可造成50%的抑制.Saito等研究表明，擁有較高缺氧活動能力的PAOs能夠減緩FNA的抑制作用.而本研究系統(tǒng)所特有的延長閑置時期恰好為PAOs提供了缺氧環(huán)境，這或許是本研究系統(tǒng)較傳統(tǒng)系統(tǒng)擁有較高FNA耐受能力的原因.
圖 3 典型周期內(nèi)SOP、DO、COD、PHA及糖原質(zhì)的變化(實驗數(shù)據(jù)是穩(wěn)定試驗期第40、55、70、85和100 d數(shù)據(jù)的平均值)
除磷的能力取決于聚磷在微生物代謝過程中所起到的作用，當(dāng)聚磷作為能源物質(zhì)在代謝過程中提供能量時，就能誘導(dǎo)聚磷微生物過量攝取污水中的磷酸鹽.Wang等研究表明，A/EI工藝在延長閑置期釋磷能誘導(dǎo)下一周期好氧吸磷，且閑置期釋磷的多少與整個周期磷的去除有極大的關(guān)系，閑置期釋磷量越大，整個周期磷的去除量就越大.本研究中4個反應(yīng)器在延長閑置時期均有釋磷，而R1和R4閑置期磷的釋放量分別為2.28和2.43 mg · g-1，相比之下，R2和R3閑置期釋磷量僅為1.21和1.09 mg · g-1.各反應(yīng)器中聚磷對微生物在延長閑置期前期維持自身的代謝都起到了重要作用，因而釋磷量的不同說明聚磷水解在各反應(yīng)器中提供的能量不盡相同.由于R1、R4閑置期釋磷量大于R2、R3，因而R1和R4中磷的去除量明顯大于R2和R3.R1仍表現(xiàn)出良好的攝磷和釋磷性能，表明FNA小于5.13×10-5 mg · L-1時對A/EI反應(yīng)器好氧吸磷和閑置釋磷影響不明顯;而FNA大于2.57×10-4 mg · L-1時對A/EI反應(yīng)器中微生物的好氧吸磷和閑置時期的釋磷有嚴(yán)重的影響.
生物除磷性能的高低同時還與周期內(nèi)PHA及糖原質(zhì)的轉(zhuǎn)化密切相關(guān).以乙酸鈉為單一碳源時，微生物在體內(nèi)通過TCA循環(huán)將乙酸鈉主要轉(zhuǎn)化成聚-β-羥丁酸(Poly-β-hydroxybutyrate，PHB)和少量糖原質(zhì).由圖 3可知，R4中好氧段前60 min內(nèi)COD已基本消耗完全，同時PHA合成量達(dá)2.7 mmol · g-1(以每g VSS合成的C量計)，反應(yīng)器中出現(xiàn)少量釋磷.隨后PHA被迅速氧化，且混合液中磷酸鹽迅速減少，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)超量吸磷，吸磷量達(dá)6.12 mg · g-1.此外，整個周期中糖原質(zhì)變化不明顯.R1典型周期的變化趨勢基本與R4類似，而R2、R3中各物質(zhì)變化規(guī)律與R4相比有顯著不同.在好氧段，R2和R3中COD的去除較慢，曝氣結(jié)束時R2和R3中COD的去除率分別為82%和90%，PHA最大合成量分別為1.65和1.38 mmol · g-1，糖原質(zhì)積累量分別為3.61和3.65 mmol · g-1(以每g VSS積累的C量計).R2、R3中PHA合成量小于R1和R4，而糖原質(zhì)合成明顯比R1、R4多.
PHA氧化產(chǎn)生的能量用于好氧吸磷、糖原質(zhì)的補(bǔ)給及微生物自身的生長，R1和R4在60 min后表現(xiàn)出超量吸磷的原因正是胞內(nèi)PHA的迅速氧化，而R2和R3沒有表現(xiàn)出明顯的超量吸磷也正是好氧初期沒有合成充足的PHA，以至于整個好氧時期的吸磷量僅為3.87和2.54 mg · g-1.4個反應(yīng)器進(jìn)水均采用乙酸鈉為單一碳源，乙酸鈉進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過TCA循環(huán)產(chǎn)生的能量及微生物的生長代謝消耗量應(yīng)一致，理論上生成PHA的量也應(yīng)一致，而R2、R3中PHA合成明顯少于R1、R4.底物合成PHA的過程也就是合成ATP的過程，而FNA作為一種解偶聯(lián)劑，對ADP+Pi合成ATP的磷酸化過程具有抑制作用，使生成的能量不能用于ADP的磷酸化，且FNA能提高質(zhì)子通透膜的通透性，從而導(dǎo)致質(zhì)子驅(qū)動力被破壞，氧化磷酸化的作用隨即也被破壞.因此，F(xiàn)NA對A/EI好氧吸磷的抑制可能是由于抑制了PHA的合成，PHA氧化產(chǎn)生的能量不足，進(jìn)而用于吸磷的能量受到限制.此外，研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NA濃度越高，PHA合成量就越小，好氧吸磷量也越小.4個反應(yīng)器好氧段末PHA的含量均降低到初始水平，表明PAOs前期合成的PHA均被充分地利用.
PHA的合成量、好氧吸磷及閑置釋磷量均與FNA有密切關(guān)系.FNA抑制PHA合成，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)氧化產(chǎn)能不足影響好氧吸磷.由于好氧末期各反應(yīng)器碳源消耗殆盡且PHA的含量均已降至初始水平(圖 3)，因此，聚磷水解對閑置期微生物維持自身生命活動意義重大，研究系統(tǒng)閑置時期聚磷的水解是了解除磷性能的關(guān)鍵因素.本研究中FNA抑制閑置時期聚磷的水解，進(jìn)而下個好氧初期釋磷量不明顯.
生物除磷中普遍存在運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，聚糖菌(Glycogen accumulating organisms，GAOs)與PAOs的競爭往往是引起不穩(wěn)定運行的一個因素，GAOs會與PAOs競爭有限的碳源，而對除磷無任何貢獻(xiàn)，因而會導(dǎo)致系統(tǒng)除磷性能下降.Mino等和Wang等研究表明，EBPR系統(tǒng)中較高的糖原質(zhì)轉(zhuǎn)化表明系統(tǒng)中GAOs活性較強(qiáng)，因為糖原質(zhì)是GAOs主要形式的胞內(nèi)聚合物.本研究中R2和R3中糖原質(zhì)合成量明顯高于R1和R4，說明R2和R3中GAOs活性相比R1、R4更強(qiáng).GAOs活性增強(qiáng)會加速其與PAOs之間的競爭，從而導(dǎo)致系統(tǒng)除磷性能下降.可見，F(xiàn)NA能加速GAOs與PAOs的競爭，為GAOs在競爭中占據(jù)優(yōu)勢提供有利條件，同時也說明PAOs相比GAOs對FNA更敏感.
3.4 恢復(fù)試驗
恢復(fù)試驗期停止添加亞硝酸鹽，并用去離子水反復(fù)清洗污泥以去除污泥表面殘留的亞硝酸鹽.由圖 1可知，R2和R3中SVI值逐漸下降，污泥沉降性能有所提升，然而其SVI值始終未能恢復(fù)至初始水平.相比而言，R1中SVI值迅速下降并恢復(fù)至初始水平.由圖 2可知，經(jīng)恢復(fù)穩(wěn)定后，R1出水磷濃度為1.99 mg · L-1，和R4中的1.97 mg · L-1相差不大，而R2和R3經(jīng)恢復(fù)穩(wěn)定后出水磷濃度分別為5.4 mg · L-1和8.46 mg · L-1，磷的平均去除率分別為73%和58%，除磷性能相比R1及空白組R4較弱.結(jié)果表明，F(xiàn)NA濃度高于2.57×10-4 mg · L-1時對A/EI工藝除磷性能的影響較嚴(yán)重，撤銷影響后系統(tǒng)的除磷能力和沉降性能雖有明顯回升，但無法恢復(fù)至初始水平.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
1)FNA濃度小于5.13×10-5 mg · L-1時對好氧/延長閑置序批式反應(yīng)器除磷性能影響不明顯，而當(dāng)FNA濃度大于2.57×10-4 mg · L-1時對反應(yīng)器除磷性能有明顯的抑制作用，包括污泥沉降性能、好氧吸磷、PHA合成及閑置期釋磷，且FNA濃度越高，抑制作用越強(qiáng).
2)FNA濃度大于2.57×10-4 mg · L-1時對A/EI工藝除磷性能的抑制不可逆.
