磷是河湖富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染物，生物法是目前污水除磷的主要方法。污水的生物除磷包括生物同化作用除磷和強(qiáng)化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal, EBPR)2種方式。EBPR是一種改良式的活性污泥法，由厭氧一好氧或者厭氧一反硝化空間一時(shí)間單元工藝組成。按照反硝化的時(shí)間順序，可將EBPR分為前置反硝化和后置反硝化2種。前置反硝化系統(tǒng)能夠充分利用進(jìn)水中可生物降解的COD作為反硝化碳源，可降低外加碳源量及耗氧量而且剩余污泥量較少。但是該系統(tǒng)要求的C/N較高，為了滿足反硝化合適的C/N，只能通過(guò)控制投加外碳源速率和N03回流率來(lái)滿足工藝需求。而后置缺氧反硝化系統(tǒng)的SBR工藝在工藝操作和運(yùn)行周期上都易于控制，而且對(duì)于小型污水廠而言，處理效率較高。TSUNEDA等將反硝化聚磷菌(denitrifying phosphate-accumulating organisms, DPAOs)利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化吸磷和SBR易調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，首次提出了AOA模式的SBR工藝。該工藝與傳統(tǒng)的A2/O工藝類似，只是將缺氧段后置，屬于后置缺氧反硝化脫氮除磷系統(tǒng)。AOA-SBR系統(tǒng)在缺氧段可以利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化除磷，達(dá)到了“一碳兩用”的功效，既克服了A2/O工藝反硝化外碳源量不足的缺點(diǎn)，又節(jié)約了能耗。
有研究表明，PHA的組成不同時(shí)，PAOs吸磷速率存在差異，PHB較PHV有著更高的吸磷速率。而DPAOs的吸磷速率也取決于細(xì)胞內(nèi)PHB的含量和其所能獲得的硝酸鹽數(shù)量，并不受到環(huán)境中基質(zhì)數(shù)量與性質(zhì)的影響。Mino模型認(rèn)為合成PHA所需要的還原力主要來(lái)自于PAOs體內(nèi)糖原的代謝。WINKLER等通過(guò)對(duì)AOA-SBR系統(tǒng)進(jìn)行研究，得出糖原是后置缺氧反硝化的主要碳源。細(xì)胞內(nèi)糖原的代謝可以為厭氧條件下吸收有機(jī)底物以及合成PHA提供能量，糖原代謝所能提供能量的多少與糖原代謝的途徑息息相關(guān)。PAOs在厭氧條件下吸收基質(zhì)需要多聚磷酸鹽顆粒和糖原2種物質(zhì)，前者可以提供能量，而后者既能夠提供還原力又能夠提供能量。
在傳統(tǒng)的AOA-SBR工藝的基礎(chǔ)上，陸續(xù)有研究者針對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷性能的調(diào)控方式及外加碳源投加量進(jìn)行研究，而對(duì)AOA-SBR系統(tǒng)中的功能菌群研究較少。本研究采用AOA-SBR工藝處理人工配水，通過(guò)對(duì)排水比、好氧停留時(shí)間和進(jìn)水氨氮負(fù)荷進(jìn)行調(diào)試，優(yōu)化運(yùn)行工況。在優(yōu)化工況穩(wěn)定運(yùn)行條件下，通過(guò)分析典型周期系統(tǒng)中胞內(nèi)聚合物與磷之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，探究PAOs的代謝特性。
1實(shí)驗(yàn)部分
1. 1實(shí)驗(yàn)裝置
SBR反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制成，總高為0. 25 m，直徑為0. 18 m，有效體積為4. 40 L。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)攪拌裝置，底部有一組微孔曝氣頭，采用PL-60曝氣泵供氣，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制空氣流量。運(yùn)行中進(jìn)水、攪拌、曝氣和排水等工序通過(guò)時(shí)間控制器和電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。
1. 2運(yùn)行參數(shù)及進(jìn)水水質(zhì)
本實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的AOA-SBR工藝不同，在沒(méi)有投加任何外碳源的情況下，只是通過(guò)控制合適的好氧停留時(shí)間與進(jìn)水氨氮負(fù)荷將系統(tǒng)的好氧吸磷量控制在一定范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)的缺氧反硝化吸磷量。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)運(yùn)行方式的不同，可以分為7個(gè)階段，具體情況見(jiàn)表1所示。通過(guò)對(duì)比排水比為50%與75 %，好氧停留時(shí)間分別為90、 110與140 min，進(jìn)水氨氮負(fù)荷分別為0. 16、0. 20與0. 24 kg N / (kg MLSS·d)的條件下，系統(tǒng)的脫氮除磷及缺氧反硝化除磷性能，確定系統(tǒng)的最佳工況。系統(tǒng)的其他運(yùn)行參數(shù)為:運(yùn)行周期為8h，其中包括進(jìn)水5 min，厭氧120 min，缺氧180 min，排水10 min，根據(jù)好氧停留時(shí)間確定沉淀時(shí)間;污泥濃度控制在3 300 mg / L左右;進(jìn)水采用人工配制，碳源由乙酸鈉提供，COD約為400 mg / L,氨氮由NH4 Cl提供，PO4(3-)為20 mg / L ,1 L污水中含有60 mg的MgS04·7H2O、20 mg的CaCl2和0. 3mL的微量元索。微量元索的組成為:1.50 g / L FeCl3·6H2O,0. 15 g / L H3B04,0.03 g / L CuS04·5H20,0.03 g / L KI, 0.12g / L MnCl2·4H2O,0.06 g / L (NH4 )6Mo7O24·7H2O,0. 12 g / L ZnS04·7H2O,0. 15 g / L CoCl2·6H2O。
表1 不同工況下系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)及進(jìn)水水質(zhì)
1. 3 接種污泥
活性污泥取自于天津某污水處理廠AO工藝的回流污泥，該污泥具有部分脫氮除磷性能。系統(tǒng)在20一30℃條件下運(yùn)行了3個(gè)月左右，DPAOs的富集情況良好，經(jīng)缺氧吸磷速率/好氧吸磷速率實(shí)驗(yàn)證實(shí)DPAOs占總PAOs的比例近50%。
1. 4分析方法
測(cè)定項(xiàng)目包括:COD,磷酸鹽、氨氮、總氮(TN)、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、MLSS ,糖原、乙酸分別采用重鉻酸鉀法、鉬銻抗分光光度法、納氏試劑光度法、過(guò)硫酸鉀氧化一紫外分光光度法、酚二磺酸光度法、N-( 1-蔡基)一乙二胺光度法、濾紙法、蔥酮法和氣相色譜法測(cè)定。PHA及其組分采用氣質(zhì)聯(lián)用儀測(cè)定，氣質(zhì)儀器為Agilent6890 N，載氣為氦氣，色譜柱為DB-5柱子。聚磷采用冷凍干燥法測(cè)定。 DO、溫度及pH均是用WTW Multi 3401測(cè)定。
2結(jié)果與討論
2. 1系統(tǒng)在不同工況下去除污染物性能對(duì)比及最佳工況的確定
2.1.1系統(tǒng)對(duì)COD的去除情況
圖1為系統(tǒng)對(duì)COD的去除情況。由圖1可見(jiàn)，系統(tǒng)對(duì)COD的去除情況較為穩(wěn)定，進(jìn)水的平均COD為203. 80 mg / L，出水平均濃度為19. 54 mg / L，達(dá)到90%以上的去除率。
在排水比的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，工況I對(duì)有機(jī)物的去除能力高于工況II，這可能是由于排水比的增加使得系統(tǒng)進(jìn)水的污染物負(fù)荷提高，而系統(tǒng)不能夠?qū)υ黾拥倪@部分污染物完全去除。III一V是好氧停留時(shí)間不同時(shí)系統(tǒng)對(duì)COD的去除情況對(duì)比，由圖1中可知，當(dāng)好氧停留時(shí)間為90和140min時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果很好，均可以達(dá)到95%以上的去除率。而好氧停留時(shí)間為110 min時(shí)，COD的去除效果略差，但也達(dá)到了80%左右的去除率。在進(jìn)水氨氮的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)行條件IV、VI和VII下的去除效果，只有IV較差，而VI和VII也就是進(jìn)水氨氮負(fù)荷為0. 16和0. 20 kg N / (kg MLSS·d)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果較好。
綜述所述，在運(yùn)行條件發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果均保持了良好的狀態(tài)。對(duì)于排水比、好氧停留時(shí)間和進(jìn)水氨氮濃度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，50%的排水比、90和140 min的好氧停留時(shí)間、0. 16和0. 20 kgN / (kg MLSS·d)的氨氮負(fù)荷較好。
2. 1. 2系統(tǒng)對(duì)TP的去除情況
圖2給出了系統(tǒng)對(duì)TP去除效果的變化情況。由圖2可知，當(dāng)運(yùn)行條件發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果會(huì)發(fā)生很大變化，但是當(dāng)運(yùn)行條件改善時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果也會(huì)很快得到改善并趨于穩(wěn)定。
在排水比的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，排水比為50%時(shí)，系統(tǒng)在缺氧段發(fā)生了二次釋磷，所以II中的去除率很低。由圖2可知，好氧停留時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果越好。但是由于好氧停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，系統(tǒng)中大部分的磷會(huì)在好氧段被去除掉，這樣就降低了系統(tǒng)中缺氧反硝化吸磷的功效。因此，從除磷角度看，將好氧停留時(shí)間設(shè)為110 min較好。在氨氮進(jìn)水負(fù)荷的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，珊中的去除效果最佳，可以達(dá)到80%以上的去除率。因此，氨氮負(fù)荷為0. 20kg N / (kg MLSS·d)時(shí)，系統(tǒng)的除磷效果最佳。
綜上所述，系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果隨著運(yùn)行方式的變化有較大的變化。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在I-VII的運(yùn)行狀態(tài)中，工況VII即當(dāng)排水比為50%，好氧停留時(shí)間為110 min，進(jìn)水氨氮負(fù)荷為0. 20 kg N / ( kg MLSS·d)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果最佳，進(jìn)水平均濃度為11. 93 mg / L，出水平均濃度為2. 15mg / L，平均去除率可達(dá)到81. 50%。
2. 1. 3系統(tǒng)對(duì)TN的去除情況
圖3為系統(tǒng)對(duì)TN去除效果的變化情況。由圖3可知，系統(tǒng)運(yùn)行條件的改變對(duì)TN的去除情況影響不太大，除了II中48%,VI中82%的去除率外，其他TN的去除率都保持在65%左右。
2. 1. 4最佳工況的確定
由上述系統(tǒng)對(duì)各污染物的去除情況可知，當(dāng)系統(tǒng)的排水比為50%，好氧停留時(shí)間為110 min，進(jìn)水氨氮負(fù)荷為0. 20 kg N / (kg MLSS·d)時(shí)，系統(tǒng)能夠較好地保證好氧吸磷與缺氧反硝化吸磷間的關(guān)系，并保持較好的去除污染物能力。在該工況下，COD ,TP和TN的平均進(jìn)水濃度為188. 52,11. 93和24.14 mg / L，出水的平均濃度分別為27. 28 ,2. 15與10. 27mg / L，平均去除率分別達(dá)到了85. 46% ,81. 5%和56. 54%。
2. 2典型周期內(nèi)胞內(nèi)聚合物和磷酸鹽的變化情況
旱在20世紀(jì)50-60年代，研究人員發(fā)現(xiàn)了能夠利用有機(jī)物儲(chǔ)存在體內(nèi)的多聚物，目前已見(jiàn)報(bào)道的胞內(nèi)多聚物主要有:PHA,糖類和聚磷。胞內(nèi)儲(chǔ)存的多聚物是在瞬時(shí)的非穩(wěn)態(tài)環(huán)境條件下，促進(jìn)了基質(zhì)儲(chǔ)存，使微生物用較少的能量來(lái)吸收有機(jī)物形成的。這不是某些細(xì)菌具有的特定能力，而是SBR條件下的典型特征。
圖4顯示了AOA-SBR系統(tǒng)中典型周期胞內(nèi)聚合物的變化情況。由圖4可知，乙酸(HAc)在厭氧段已經(jīng)被完全吸收，后期基本不再變化，同時(shí)還發(fā)生了糖原(Gly)的降解，聚磷的水解以及PHA的合成。厭氧段降解的糖原量為2. 53 mmolC / L ,Gly降解/HAc吸收=0. 52，這個(gè)數(shù)值與OEHMEN等獲得0. 60的數(shù)值相差不大。合成的PHA中含有PHB與PHV，不存在PH2MV，這與碳源為乙酸是相對(duì)應(yīng)的。厭氧段合成的PHB為6. 80 mmolC / L ,PHV為0. 44 mmolC / L , PHB占了PHA總合成量的94%左右。其中厭氧段Gly降解/ PHA合成 = 0. 35 , ARUM等和CARVALHO等指出當(dāng)厭氧段的Gly降解/ PHA合成在0. 28 - 0. 36之間的時(shí)候，說(shuō)明強(qiáng)化除磷系統(tǒng)就成功了。由圖4可知，系統(tǒng)在厭氧段釋磷量高達(dá)2. 515 mmolP / L 即77.96 mg / L，P釋放/HAc吸收=0. 52 mmol P/mmol C。文獻(xiàn)指出，比值在0. 48 - 0. 80 mmol P/mmol C時(shí)多為PAOs富集的環(huán)境，這也說(shuō)明該AOA-SBR系統(tǒng)已經(jīng)是良好的強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)。聚磷水解的量為2. 11 mmol P·L-1，這與厭氧段的釋磷量2. 515 mmolP·L-1相差不大，污泥中含有部分磷的胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)可能是這兩者存在差別的原因。
由圖4可知，好氧段基本不存在乙酸，PAOs只能以胞內(nèi)聚合物PHA為碳源進(jìn)行好氧吸磷，而缺氧段的 PHA含量已經(jīng)很少，到缺氧末的時(shí)候不存在PHB，還有一小部分PHV殘留。缺氧段消耗的PHV含量很少，這說(shuō)明PHB較PHV而言，PHB是PAOs較為青睞的碳源。
2.3 AOA-SBR系統(tǒng)中厭氧段合成PHA的能量及還原力來(lái)源探討
關(guān)于合成PHA能量來(lái)源問(wèn)題，旱期研究者認(rèn)為PAOs代謝的唯一能量來(lái)源于聚磷的水解，現(xiàn)今研究表明，糖酵解途徑也能提供合成PHA的能量。厭氧條件下PAOs吸收有機(jī)物需要多聚磷酸鹽顆粒和糖原，前者可以提供能量，后者既可提供能量又可提供還原力，這也說(shuō)明合成PHA的能量可能是由聚磷和糖原共同提供的。有研究表明，當(dāng)厭氧區(qū)P釋放/VFA吸收的值較低((0.15-0.45),Gly降解/VFA吸收值較高(0. 68 -0. 78 ) , PHV/PHA值較高(20% - 28.6%)時(shí)，厭氧段合成PHA的能量主要是來(lái)自于糖酵解反應(yīng);當(dāng)厭氧區(qū)P釋放/VFA吸收的值較高(0. 48一0. 96 ) , Gly降解/VFA吸收值較低(0. 46一0. 53 ) , PHV/PHA較低(6%一12%)時(shí)，厭氧段合成PHA的能量來(lái)源主要是聚磷的水解而不是糖酵解。本系統(tǒng)中化學(xué)計(jì)量數(shù)P釋放/VFA吸收=0. 52 , Gly降解/VFA吸收=0. 52 , PHV/PHA = 0. 06，因此，可以推測(cè)本系統(tǒng)中厭氧段合成PHA的能量主要來(lái)自于聚磷的水解。
關(guān)于合成PHA還原力來(lái)源問(wèn)題，大多數(shù)研究者認(rèn)為PAOs合成PHA的還原力有煙酞胺腺嘿吟二核背酸(nicotinamide adenine dinucleotide , NADH)和煙酞胺腺嘿吟二核背酸磷酸(nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate , NADPH )，它們主要來(lái)自TCA循環(huán)和各種糖降解途徑。然而，合成PHA所需要的還原力是來(lái)自TCA循環(huán)還是糖酵解依舊是研究者關(guān)注的話題，其中包括3種觀點(diǎn):MINO等認(rèn)為合成PHA所需要的還原力主要來(lái)自于PAOs體內(nèi)糖原的代謝;COMEAU等提出Comeau-Wentzel模型則認(rèn)為TCA循環(huán)是產(chǎn)生還原力的唯一來(lái)源;ZHOU等認(rèn)為合成PHA的還原力是TCA循環(huán)和糖酵解共同提供的。文獻(xiàn)指出乙酸通過(guò)糖酵解可轉(zhuǎn)化為乙酞輔酶A，提供還原力合成PHB，這個(gè)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生PHV本系統(tǒng)中存在部分PHV，可能是由于糖酵解過(guò)程中產(chǎn)生了過(guò)量還原力，這些過(guò)量還原力平衡了TCA循環(huán)的還原電位，通過(guò)唬拍酸一丙酸途徑產(chǎn)生了丙酞輔酶A而合成了PHV。因此，可以推測(cè)本系統(tǒng)中合成PHA的還原力是由糖酵解和TCA循環(huán)共同提供的。圖5是ZHOU等在綜合了前人研究還原力來(lái)源并對(duì)實(shí)驗(yàn)中的化學(xué)計(jì)量數(shù)進(jìn)行擬合，總結(jié)出的關(guān)于Gly降解/VFA吸收與TCA循環(huán)之間的關(guān)系。本系統(tǒng)中的Gly降解/VFA吸收=0. 52，由圖5可知，約有25%的還原力是來(lái)自于完整TCA循環(huán)。因此，本系統(tǒng)中糖酵解是提供還原力的主要來(lái)源。
2. 4后置缺氧反硝化的探討
PHA和糖原可以作為后置缺氧反硝化系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)硝酸鹽進(jìn)行缺氧反硝化吸磷的碳源。VOCKS等提出糖原可能是驅(qū)動(dòng)后置缺氧反硝化的唯一碳源，但是他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是建立在單一批量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，因此，還需要對(duì)具有循環(huán)式PHA和糖原的系統(tǒng)做進(jìn)一步的評(píng)估。由于糖原是驅(qū)動(dòng)反硝化除磷的潛在碳源，所以關(guān)注系統(tǒng)中糖原的儲(chǔ)備量對(duì)后置缺氧反硝化除磷系統(tǒng)具有重要意義。有研究指出當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有碳源時(shí)，細(xì)胞衰減也可以產(chǎn)生脫氮效果，細(xì)胞衰減產(chǎn)生的脫氮速度在0. 20一0. 60 mg N03- / (h·g MLVSS)之間。厭氧/缺氧運(yùn)行方式下的強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)，以PHA為碳源進(jìn)行反硝化吸磷時(shí)，反硝化速率一般為1. 12 - 10. 80 mg N03- / (h·g MLVSS)。普通的非強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)中以PHA為碳源進(jìn)行反硝化吸磷時(shí)，反硝化速率一般為1. 20-2. 90 mg N03- / (h·g MLVSS)。圖6是系統(tǒng)在典型周期內(nèi)三氮及總氮的變化情況。由圖6可知，系統(tǒng)的反硝化速率為0. 82 mg N03- / (h·g MLVSS)，這明顯與上述的各化學(xué)計(jì)量數(shù)不符，因此，可以推斷該系統(tǒng)中PHA不是本系統(tǒng)進(jìn)行反硝化吸磷的唯一碳源。圖4是典型周期內(nèi)胞內(nèi)聚合物與磷酸鹽的變化情況。由圖4可知，缺氧段PHA和糖原都有明顯的降低，而PHB在出水時(shí)已經(jīng)消耗殆盡。因此，可以推斷PHA和糖原是本系統(tǒng)共同進(jìn)行后置缺氧反硝化的碳源。
由圖6可知，系統(tǒng)在缺氧段消耗的NO3-為6.93 mg / L，同時(shí)生成了1. 21 mg / L的NO2-，說(shuō)明系統(tǒng)中的反硝化反應(yīng)沒(méi)有進(jìn)行完全，這可能是由于缺氧段利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化的速率較慢,3 h的缺氧停留時(shí)間不足以完全反硝化。而缺氧段的吸磷量為9. 19 mg / L，計(jì)算知缺氧段減少的PO43- -P與NO3- -N的比值為1. 33，這與XU等得出的2. 17士0. 42相比略低。這可能是由于在缺氧段還存在少量的外碳源，有一小部分普通反硝化菌進(jìn)行了反硝化脫氮。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3結(jié)論
AOA-SBR系統(tǒng)具有較好的脫氮除磷性能，當(dāng)排水比為50%，好氧停留時(shí)間為110 min，進(jìn)水氨氮負(fù)荷為0. 20 kg N / (kg MLSS·d)時(shí)，系統(tǒng)的脫氮除磷性能較好，此時(shí)TP的平均去除率為81. 50% ,TN的平均去除率為51. 54%。
在AOA-SBR同步脫氮除磷系統(tǒng)中，厭氧段合成PHA的主要能量來(lái)源是聚磷的水解，而還原力主要是來(lái)自于糖原的水解，只有約25%來(lái)自于TCA循環(huán)。
AOA-SBR同步脫氮除磷系統(tǒng)中，PHA和糖原可能是共同驅(qū)動(dòng)缺氧反硝化吸磷的碳源，而且對(duì)于以內(nèi)碳源進(jìn)行的反硝化除磷反應(yīng)來(lái)說(shuō)，反應(yīng)速率較慢，宜采用較長(zhǎng)的缺氧停留時(shí)間，以保證充分的脫氮除磷效果。
