強(qiáng)化生物除磷(EBPR)是目前應(yīng)用最為廣泛的生物除磷工藝.該工藝?yán)�用聚磷�?PAO)在厭氧條件下將儲存于體內(nèi)的聚磷酸鹽(Poly-P)水解獲取能量, 用以吸收水中的揮發(fā)性脂肪酸(VFA), 并以聚羥基烷酸酯(PHAs)的形式儲存在細(xì)胞內(nèi); 在好氧條件下PAO以儲存于細(xì)胞內(nèi)的PHAs作為碳源和能源, 吸收水中的磷并將其合成為Poly-P進(jìn)行細(xì)胞增殖, 最終通過排除富磷污泥達(dá)到污水除磷的目的.在EBPR系統(tǒng)中, 還存在與PAO代謝機(jī)制相似的聚糖菌(GAO), 在厭氧條件下GAO與PAO競爭基質(zhì)(VFA), 但在好氧條件下并不攝取磷, 因此, 如何提高PAO的活性和強(qiáng)化其與GAO對基質(zhì)的競爭能力是保證EBPR工藝穩(wěn)定運(yùn)行的重要內(nèi)容.

　　有研究表明, 影響EBPR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的因素主要有碳源、pH、溫度、DO等, 其中, 溫度的影響一直存在爭議.一般認(rèn)為, 當(dāng)溫度低于20℃時(shí), 有利于PAO的競爭, 從而提升EBPR系統(tǒng)的性能; 當(dāng)溫度高于20℃時(shí), GAO占據(jù)競爭優(yōu)勢, 導(dǎo)致污泥中PAO的份額逐漸減少, 除磷效率逐漸降低, 甚至EBPR系統(tǒng)的崩潰.然而, 最新的研究表明, EBPR系統(tǒng)在高溫條件下仍可高效除磷. Freitas等在SBR中采用短期循環(huán)(厭氧20 min, 好氧10 min, 靜置1 min)實(shí)現(xiàn)了30℃高溫條件下EBPR的穩(wěn)定運(yùn)行. Winkler等利用PAO顆粒污泥與GAO顆粒污泥密度的差異, 通過排除污泥床上部密度較小的GAO, 在USB反應(yīng)器內(nèi)富集可以適應(yīng)高溫的PAO, 在30℃條件下實(shí)現(xiàn)了較好的除磷效果. Ong等研究表明, 在28~32℃的條件下, 長期運(yùn)行的EBPR反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)95%的磷的去除率, qPCR檢測結(jié)果表明污泥中的PAO為Accumulibacter的亞種Clade IIF.但是目前關(guān)于溫度對EBPR系統(tǒng)中PAO的活性以及與GAO關(guān)于基質(zhì)的競爭能力的影響尚無定論, 因此需要開展相同試驗(yàn)條件下不同溫度對PAO與GAO之間的競爭影響研究, 尤其是高溫條件下對其競爭過程的具體研究顯得更加重要.

　　為了更好地理解高溫條件下EBPR系統(tǒng)中PAOHT的活性及基質(zhì)競爭的影響, 本研究以實(shí)驗(yàn)室中30℃高溫條件下長期運(yùn)行的具有較好除磷功能的SBR反應(yīng)器中的污泥為對象, 結(jié)合FISH技術(shù), 探討15~30℃(基于南方全年污水溫度范圍約為10~30℃)溫度條件下高溫聚磷菌(PAOHT)的釋磷、吸磷以及乙酸吸收速率, 以期為溫度變化幅度較大的地區(qū)和接收較高溫度工業(yè)廢水的生物除磷系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù).

　　1 材料與方法1.1 污泥來源

　　試驗(yàn)污泥取自實(shí)驗(yàn)室30℃高溫條件下長期運(yùn)行(430 d)的SBR反應(yīng)器[15].該反應(yīng)器采用A/O方式運(yùn)行, 每天6個周期, 每個周期為4 h, 其中, 進(jìn)水7 min, 厭氧1 h, 好氧2 h, 沉淀40 min, 排水10 min, 閑置3 min.控制水力停留時(shí)間(HRT)為8 h, 污泥停留時(shí)間(SRT)為8 d.反應(yīng)器溫度一直維持在30℃.進(jìn)水COD(乙酸)濃度為300 mg·L-1, 磷(PO43--P)濃度10 mg·L-1, 而出水磷(PO43--P)始終小于0.1 mg·L-1, 磷的去除率高達(dá)99%以上.反應(yīng)器中的懸浮固體(SS)和揮發(fā)性懸浮固體(VSS)濃度分別穩(wěn)定在2.36 g·L-1和1.63 g·L-1, 運(yùn)行高效穩(wěn)定.

　　1.2 活性污泥釋磷吸磷速率測定

　　活性污泥釋磷吸磷速率測定采用間歇試驗(yàn)法.試驗(yàn)裝置見圖 1.試驗(yàn)開始前, 先采用經(jīng)脫氧處理的自來水對污泥進(jìn)行陶洗, 然后將其倒入反應(yīng)瓶中, 加入配制好的基質(zhì)溶液(與SBR反應(yīng)器進(jìn)水水質(zhì)保持一致), 反應(yīng)瓶底部置有磁力轉(zhuǎn)子保證完全混合狀態(tài), 反應(yīng)過程中的溫度利用水浴槽進(jìn)行控制.在厭氧階段, 通入氮?dú)飧艚^空氣, 確保反應(yīng)瓶處于厭氧狀態(tài); 在好氧階段, 以60 L·h-1的速率通入空氣, 保證混合液中的溶解氧(DO)大于2 mg·L-1.在不同反應(yīng)時(shí)間點(diǎn)取樣, 測定相應(yīng)的磷及乙酸濃度, 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測定混合液的SS和VSS, 用于計(jì)算厭氧釋磷速率[以P/VSS計(jì), mg·(g·h)-1, 下同]、好氧吸磷速率[以P/VSS計(jì), mg·(g·h)-1, 下同]和乙酸吸收速率[以HAc/VSS計(jì), mg·(g·h)-1, 下同].

1.氮?dú)馄? 2.曝氣機(jī); 3.進(jìn)水管; 4.取樣管; 5.排氣管; 6.磁力攪拌器; 7.轉(zhuǎn)子; 8.反應(yīng)瓶; 9.溫度計(jì); 10.水浴槽

圖 1 間歇試驗(yàn)裝置示意

　　1.3 分析方法

　　磷(PO43--P)采用鉬銻抗分光光度法; 懸浮固體(SS)和揮發(fā)性懸浮固體(VSS)采用重量法; 化學(xué)需氧量(COD)采用重鉻酸鉀法; pH采用玻璃電極法.揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)采用氣相色譜法(型號：安捷倫6890N), 檢測器為氫火焰離子(FID)檢測器, 色譜柱型號為DB-FFAP.

　　1.4 FISH分析方法

　　樣品預(yù)處理：取好氧末污泥混合液離去上清液, 加入1 mL的1×PBS緩沖溶液重懸, 重復(fù)操作兩次后, 加入1 mL的4%的多聚甲醛溶液重懸, 置于4℃條件下固定2 h, 然后離去上清液, 加入1×PBS緩沖溶液離心, 重復(fù)3次, 以洗去多余的多聚甲醛溶液, 分別加入0.5 mL的1×PBS緩沖溶液和無水乙醇, 搖勻置于-20℃下保存.

　　脫水和雜交：將涂好的載玻片放置于培養(yǎng)箱中干燥, 干燥好的載玻片依次放于75%、95%、100%的乙醇溶液中脫水3 min, 取出后風(fēng)干.將事先配好的雜交緩沖液和探針使用液以體積比8：1的比例混合, 避光, 涂于載玻片的樣品上, 將載玻片迅速移回到雜交管中, 于46℃條件下雜交2~4 h, 雜交完成后取出載玻片進(jìn)行洗脫處理并立即風(fēng)干封片.

　　樣品觀測及分析方法：采用激光共聚焦顯微鏡(德國萊卡SP8) 觀察樣品和圖像采集, 用Image-ProPlus 6.0軟件對所采集的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 從而確定樣品中PAO、GAO和EUB所占比例.

　　有關(guān)熒光探針和雜交的詳細(xì)操作參見文獻(xiàn).

　　2 結(jié)果與討論2.1 試驗(yàn)污泥的活性

　　圖 2為試驗(yàn)污泥在30℃下的活性測定結(jié)果.該污泥在厭氧段的最大釋磷速率為239.46 mg·(g·h)-1, 好氧段的最大吸磷速率為79.90 mg·(g·h)-1, 厭氧段的乙酸吸收速率為357.47 mg·(g·h)-1, 對應(yīng)的吸收單位乙酸釋磷量(ΔP/ΔHAc)為0.628.說明該污泥中的聚磷菌在高溫下具有較好的釋磷、吸磷以及對基質(zhì)的吸收能力.

圖 2 試驗(yàn)污泥30℃時(shí)厭氧釋磷、乙酸吸收及好氧吸磷的變化

　　Brdjanovic等關(guān)于溫度對生物除磷的影響性研究表明, 在30℃時(shí)其污泥最大釋磷速率為68 mg·(g·h)-1, 好氧最大吸磷速率為57 mg·(g·h)-1, 乙酸吸收速率為180 mg·(g·h)-1, ΔP/ΔHAc為0.376.相較之下, 本研究的試驗(yàn)污泥在30℃高溫條件下運(yùn)行長達(dá)一年多, 有更好的釋磷和吸磷能力, 屬于已經(jīng)適應(yīng)高溫的PAO, ΔP/ΔHAc的值達(dá)到了0.628, 即每吸收1 mol的乙酸, 釋放0.628 mol的磷, 這也就進(jìn)一步表明了PAO為試驗(yàn)污泥中的優(yōu)勢菌群, 且具有更強(qiáng)的基質(zhì)競爭能力.

　　2.2 試驗(yàn)污泥中聚磷菌及其份額

　　圖 3為利用目前普遍采用的PAOMIX探針對試驗(yàn)活性污泥的FISH檢測結(jié)果.從中可見, 試驗(yàn)污泥中的聚磷菌屬于Accumulibacter. He等采用宏基因分析對12個具有除磷功能的城市污水處理廠污泥種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定, 結(jié)果表明Accumulibacter下存在5個亞種, 分別為clade Ⅰ、ⅡA、ⅡB、ⅡC和ⅡD, 不同的污水處理廠由于水質(zhì)和運(yùn)行條件不同存在著不同種屬的PAO. Ong等[14]研究了高溫條件下(28~32℃)以乙酸為基質(zhì)的EBPR系統(tǒng)除磷效率, 結(jié)果表明, 即使溫度高達(dá)32℃, EBPR仍獲得了較好的處理效果, 利用qPCR技術(shù)分析得出, 污泥中聚磷菌的優(yōu)勢菌屬為Accumulibacter的亞種clade IIF.而Peterson等發(fā)現(xiàn)Accumulibacter的不同亞種具有不同的生態(tài)生理學(xué)特性.由此說明本系統(tǒng)出現(xiàn)的適應(yīng)高溫的聚磷菌為Accumulibacter的亞種.

圖 3 試驗(yàn)活性污泥中微生物的群落結(jié)構(gòu)

　　表 1為試驗(yàn)活性污泥中PAOs和GAOs份額以及與Ong等結(jié)果的比較.從中可見, 試驗(yàn)污泥中PAO份額高達(dá)86%, 遠(yuǎn)高于Ong等培養(yǎng)的污泥, 說明本研究試驗(yàn)污泥在高溫條件下具備更好的增殖和基質(zhì)競爭能力.以上結(jié)果說明, 試驗(yàn)污泥中的優(yōu)勢菌為PAO, 這與活性試驗(yàn)結(jié)果相印證, 進(jìn)一步證明了試驗(yàn)污泥具有較好的釋磷和吸磷能力, 為溫度試驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ).

　　表 1 試驗(yàn)活性污泥與Ong等采用的污泥中PAOs和GAOs份額比較

　　2.3 溫度對活性的影響

　　不同溫度下污泥的厭氧釋磷和好氧吸磷試驗(yàn)結(jié)果見圖 4, 相應(yīng)的反應(yīng)速率見表 2.從數(shù)據(jù)可知, 隨著溫度的升高, PAOHT的厭氧釋磷和好氧吸磷速率逐漸增大, 當(dāng)溫度為15、20、23、25、27、30℃時(shí), 厭氧段最大釋磷速率分別為76.50、95.86、150.69、150.78、171.74、239.46 mg·(g·h)-1, 好氧段最大吸磷速率分別為27.36、44.72、49.61、51.52、61.73、79.90 mg·(g·h)-1.現(xiàn)有研究表明, 常溫PAO在溫度低于20℃時(shí), 厭氧釋磷和好氧吸磷速率隨溫度的增加而增大, 高于20℃時(shí), 反應(yīng)速率不再隨溫度的增加而變化.而本研究中的高溫聚磷菌(PAOHT)在15~30℃溫度范圍內(nèi), 活性隨溫度的升高而增強(qiáng).

圖 4 不同溫度下試驗(yàn)污泥的厭氧釋磷和好氧吸磷歷時(shí)變化

　　表 2 不同溫度下的釋磷吸磷速率

　　在15~30℃溫度范圍內(nèi), PAOHT對乙酸的最大吸收速率分別為176.70、233.14、241.59、247.22、313.37、357.47 mg·(g·h)-1, 乙酸的最大吸收速率隨溫度的升高而增大.該試驗(yàn)結(jié)果與Brdjanovic等關(guān)于溫度對最大乙酸利用速率的影響所得出的結(jié)論有所不同, 其認(rèn)為當(dāng)溫度超過20℃時(shí), PAO和GAO對乙酸的最大吸收速率不再隨溫度變化, 其值為常數(shù), 并且Lopez-Vazquez等研究表明當(dāng)溫度為30℃時(shí), PAO在厭氧狀態(tài)下對乙酸的最大吸收速率為0.20 mol·(mol·h)-1, 而本研究的PAOHT在厭氧狀態(tài)下對乙酸的最大吸收速率為0.357 g·(g·h)-1, 其中VSS(以C5H7NO2計(jì))的摩爾質(zhì)量為113 g·mol-1, 對應(yīng)的碳摩爾質(zhì)量為22.6 g·mol-1, 同理可得乙酸的摩爾質(zhì)量為30 g·mol-1, 則對應(yīng)的以碳摩爾質(zhì)量計(jì)量的最大乙酸利用速率為0.269 mol·(mol·h)-1, 結(jié)果高于Lopez-Vazquez等得出的數(shù)據(jù), 這也就說明了本系統(tǒng)培養(yǎng)的PAOHT對乙酸具有較高的吸收和競爭能力.

　　2.4 溫度系數(shù)的確定

　　溫度對化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)的影響常用簡化的阿倫尼烏斯公式進(jìn)行描述, 具體表達(dá)式為：

　　式中, qi為反應(yīng)速率(i=1, 2, 3, 分別代表厭氧釋磷、好氧吸磷和乙酸吸收速率); qi(30)為30℃時(shí)的反應(yīng)速率; T為水溫(℃); θi為溫度系數(shù).

　　利用式(1) 對15~30℃溫度范圍內(nèi)相應(yīng)的反應(yīng)速率進(jìn)行擬合(圖 5~6), 得出PAOHT的厭氧釋磷速率、好氧吸磷速率以及乙酸吸收速率的溫度系數(shù)分別為1.08、1.07和1.05. Brdjanovic等利用20℃下富集培養(yǎng)的除磷污泥, 對其在不同溫度條件下的變化特性進(jìn)行了擬合, 厭氧釋磷和好氧吸磷速率的溫度系數(shù)分別為1.078(5℃＜T＜20℃)和1.057(5℃＜T＜30℃). Lopez-Vazquez等對PAO的代謝研究得出, 當(dāng)溫度小于20℃時(shí), 不同溫度下PAO對乙酸吸收速率的溫度系數(shù)為1.095.而本研究在15~30℃溫度范圍內(nèi), 無論是厭氧釋磷、好氧吸磷還是乙酸的吸收速率, 其數(shù)值都隨溫度的升高而升高, 故而溫度系數(shù)的確定都是以30℃為基準(zhǔn)進(jìn)行擬合的, 與前人研究得出的結(jié)果相比較, 兩者數(shù)值相差較小.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。

圖 5 不同溫度下試驗(yàn)污泥厭氧釋磷速率和好氧吸磷速率

圖 6 不同溫度下試驗(yàn)污泥乙酸吸收速率

　　3 結(jié)論

　　(1) 反應(yīng)器長期在30℃高溫條件下運(yùn)行時(shí), 磷的去除率高達(dá)99%以上, 此時(shí)污泥的釋磷、吸磷速率分別為239.46 mg·(g·h)-1、79.90 mg·(g·h)-1, ΔP/ΔHAc為0.628, PAO占總細(xì)菌的比例高達(dá)86%±1%, 而GAO的比例僅占5%左右, 反應(yīng)器運(yùn)行高效穩(wěn)定, 出現(xiàn)了適應(yīng)高溫的PAOHT.

　　(2) 在15~30℃溫度范圍內(nèi), PAOHT的活性以其對基質(zhì)的競爭能力隨溫度升高不斷增強(qiáng), 當(dāng)溫度為30℃時(shí), PAOHT的最大乙酸利用速率高于前人所研究的數(shù)值, 其值約為0.269 mmol·(mmol·h)-1.

　　(3) 利用簡化的阿倫尼烏斯公式對15~30℃溫度范圍內(nèi)PAOHT的反應(yīng)速率進(jìn)行擬合, 得出厭氧釋磷速率、好氧吸磷速率和乙酸的吸收速率的溫度系數(shù)分別為1.08、1.07和1.05.