強化生物除磷系統(tǒng)現(xiàn)已被廣泛用于城鎮(zhèn)污水處理廠。在EBPR系統(tǒng)中，PAOs在厭氧階段將細胞內的聚磷水解為正磷酸鹽，并從中獲得能量來吸收揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)合成PHA，在缺氧或好氧階段降解PHA產(chǎn)生能量，將污水中的磷酸鹽轉化為聚磷儲存在細胞內，從而達到去除磷的目的。GAOs在厭氧階段也能吸收VFAs，與PAOs形成競爭，但不具有除磷作用，因此，PAOs和GAOs在活性污泥中的數(shù)量對EBPR的穩(wěn)定性和除磷效率至關重要。影響PAOs和GAOs之間競爭的因索很多，其中溫度對其影響較為顯著。實驗室研究表明，中低溫(低于20℃)有利于PAOs的競爭，而高溫(高于20 ℃)時GAOs處于優(yōu)勢，而有關實際污水處理廠在不同溫度下的PAOs與GAOs等競爭者的變化尚不清楚。
本研究通過對西安市第三污水處理廠氧化溝生物脫氮除磷系統(tǒng)的水質、污泥中微生物組成的長期連續(xù)測定，結合活性污泥釋磷吸磷速率測定和FISH技術，探討長期的溫度變化對EBPR系統(tǒng)的除磷性能和PAOs、GAOs在活性污泥中所占比例的影響，為污水處理廠的高效穩(wěn)定運行提供依據(jù)。
1 實驗部分
1. 1污水處理廠工藝參數(shù)與進出水水質
西安市第三污水處理廠主要處理西安市東郊滬河兩岸及紡織城地區(qū)范圍內的生活具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。及工業(yè)廢水，處理后的出水排入滬河。設計日處理能力為15萬t，采用厭氧選擇池+Orbal氧化溝工藝，HRT為18 h,SRT為17一19 d。
污水處理廠進出水水質見表1。出水水質指標達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(CB 18918-2002)一級A標準。
表1 進出水主要水質
1. 2實驗方法
1. 2. 1常規(guī)指標檢側
實驗中常規(guī)水質指標的測定方法按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)進行，揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)采用氣相色譜法測定(安捷倫6890 N )，測定條件為:檢測器:氫火焰離子檢測器(FID );色譜柱:PEWAX ETR(30 m x250 μm x0.25 μm)。
1.2.2活性污泥釋磷吸磷速率側定
活性污泥釋磷吸磷速率測定采用間歇實驗法。
將活性污泥曝氣1h，使其適應實驗環(huán)境。曝氣后用經(jīng)脫氧處理的自來水將活性污泥淘洗兩遍，然后加入無水乙酸鈉，使乙酸起始濃度為100 mg / L ，為避免氧氣進入，實驗過程通入氮氣以保證厭氧狀態(tài)，厭氧反應時間為4. 5 h，不同時間點取樣，測其相應的乙酸和磷的濃度，實驗結束時，測定混合液的VSS。得到厭氧釋磷速率(mg P / (g VSS · h))、乙酸吸收速率(mg HAc ( g VSS · h)-1)、吸收單位乙酸的釋磷量(mg P·( mg HAc)-1)。
釋磷速率測定實驗結束后，將活性污泥分成2等份，分別進行缺氧吸磷速率與好氧吸磷速率測定實驗。進行缺氧反應時，在活性污泥中加入KNO3，使NO3- -N的起始濃度為20 mg / L 。好氧反應時，以60L / h的速率通入空氣，確保反應器內的DO濃度在2 mg / L以上。缺氧和好氧反應時間均為3h，不同時間點取樣，測定相應磷濃度，實驗結束時測定混合液的VSS。得到缺氧吸磷速率(mg P · ( g VSS·h)-1)、好氧吸磷速率(mg P · ( g VSS·h)-1)。
1. 2. 3 FISH方法
將直接取自污水處理廠的活性污泥采用生理鹽水淘洗3遍，去除其中干擾熒光測定的物質，然后稀釋至原有體積。取淘洗后的活性污泥1 mL，用4%的多聚甲醛在4℃固定2h，然后用1 x PBS緩沖溶液洗3遍，洗去多余的多聚甲醛溶液，加入1:1的PBS緩沖溶液和無水乙醇，搖勻，置于一20℃下保存，用于熒光原位雜交。雜交步驟參考AMANN等采用的方法。
FISH分析中采用的探針(生工生物工程股份有限公司)如下:
總細菌(EUB):探針為EUBmix，由EUB338 、EUB338- II和EUB338-III 3種探針按照1:1:1混合;
聚磷菌(PAO):探針為PAOmix，由PAO462 、PAO651和PAO846 3種探針按照1:1:1混合;
聚糖菌(GAO):探針為GB。
各探針的RNA序列及對應的甲酞胺濃度見表2。
表2 FISH分析方法中使用的探針
雜交完成后，使用共聚焦顯微鏡(德國徠卡，型號SP8)采集圖像。每個活性污泥樣品做3個平行樣，每個平行樣隨機選取10個視野采集圖像，用Image-ProPlus 6. 0軟件對所采集圖像中不同的熒光面積進行統(tǒng)計，以PAO和GAO探針的熒光面積與EUB探針的熒光面積之比表示相應的PAO和GAO與EUB的數(shù)量之比。
2結果與討論
2. 1溫度對活性污泥釋磷吸磷的影響
實驗歷時1年，期間氧化溝內活性污泥的水溫在13.5 - 27. 9℃之間變化。由于厭氧釋磷速率隨溫度的變化趨勢不同，故將溫度分為3個區(qū)間(低于20 ℃ , 20℃一25℃之間，高于25 ℃ )討論，結果如表3所示。
表3 不同溫度下的釋磷吸磷速率值及與已有相關研究的對比
由表3可知，溫度低于20℃時，厭氧釋磷速率和乙酸吸收速率隨溫度的升高而增大，吸收單位乙酸的釋磷量也相應增大;溫度在20一25℃時，厭氧釋磷速率在其間達到最大值10. 86 mg P · ( g VSS·h)-1，之后隨溫度的上升釋磷速率開始下降，而乙酸吸收速率則繼續(xù)增加，這跟圖1中PAOs、GAOs的數(shù)量變化有直接關系，吸收單位乙酸的釋磷量無明顯變化;溫度高于25℃時，隨著溫度的升高，厭氧釋磷速率繼續(xù)下降，而乙酸吸收速率卻一直增加，導致吸收單位乙酸的釋磷量下降，這主要是由于GAOs數(shù)量增加引起的。吸收單位乙酸的釋磷量越高，說明EBPR中與PAO、競爭乙酸的微生物越少，生物除磷性能越好。LOPEZ等研究的荷鑄7個污水處理廠在12℃左右時的平均厭氧釋磷速率為13. 37 mg P·(g VSS·h)-1，吸收單位乙酸的釋磷量平均值為0. 40 mg P · ( mg HAc)-1，均大于本研究值，說明低溫時本研究的污水處理廠的污泥活性偏低。ZHANC等研究的浙江10個污水處理廠在23℃左右時，平均厭氧釋磷速率為2. 35mg P · ( g VSS · h)-1，吸收單位乙酸的釋磷量平均值為0. 14 mg P · ( mg HAc)-1，遠低于本研究值，說明本研究污水處理廠活性污泥的性能優(yōu)于浙江污水處理廠。
同時表3的數(shù)據(jù)也表明，該污水處理廠的活性污泥存在明顯的反硝化吸磷現(xiàn)象。部分PAOs能以硝酸鹽作為電子受體，在吸磷的同時將硝酸鹽還原為氮氣，同時達到脫氮除磷的目的。KUBA等和WACHTMEISTER等認為，缺氧與好氧吸磷速率的比值反映了PAO、整體的反硝化能力。ZHANC等在生物除磷性能研究中，其平均缺氧與好氧吸磷速率比值為40. 07 %，與本研究的比值相當，而LOPEZ等研究的結果比值為24 %，遠低于相應溫度下本研究的比值，說明本研究污水處理廠PAOs的反硝化能力較好。
2. 2溫度對PAOs, GAOs的比例影響
圖1描述了PAOs和GAOs占EUB的比例隨溫度的變化情況。當溫度低于20℃時，隨著溫度的上升，PAOs和GAOs占EUB的比例逐漸增大;溫度在20 - 25℃之間，PAOs占EUB的比例達到最大值6. 65 %，而后PAOs占EUB的比例開始下降，GAOs占EUB的比例隨溫度升高繼續(xù)增大;當溫度高于25℃時，PAOs占EUB的比例隨著溫度的升高繼續(xù)降低，而GAOs占EUB的比例隨著溫度的升高一直增大。在27. 9℃時，GAOs的數(shù)量已經(jīng)超過PAOs，說明溫度高于25℃的時候GAOs在與PAOs的競爭中處于優(yōu)勢地位，和PAOs競爭碳源，導致釋磷速率和吸收單位乙酸的釋磷量下降，這和表2的結果相一致。
LOPEZ等研究的荷蘭污水處理廠在12℃左右時PAOS占EUB的比例為5. 7%一16.4%，大于西安市第三污水處理廠大約同一溫度下的比例，導致釋磷速率較小。LOPEZ等在溫度對GAOs的影響研究中發(fā)現(xiàn)，溫度高于20℃時，在PAOs與GAOs的競爭中GAOs由于較高的乙酸吸收速率更有利于競爭;WHANC等在30℃時通過縮短污泥齡將富含GAOs的污泥轉變?yōu)楦缓琍AOs的污泥;KUBA等的研究表明PAOs為短泥齡微生物，泥齡越短，除磷效果越好。因此，當溫度高于25℃而導致GAOs處于優(yōu)勢競爭時，可適當縮短污泥齡來提升PAOs的競爭，以達到較好的除磷效果。
2. 3 PAOs, GAOs的分布形態(tài)
圖2為PAOs和GAOs在活性污泥絮體中的分布形態(tài)。隨著溫度的變化PAOs和GAOs的數(shù)量發(fā)生了改變，但其分布形態(tài)不受溫度的影響。由圖2可知，PAOs與GAOs呈現(xiàn)出完全不同的分布形態(tài)。PAOs在活性污泥絮體中主要以菌膠團的形式存在，而GAOs則以單體或二分體的形式均勻的分布于活性污泥中。在基質有限的環(huán)境中，GAOs游離的分布形態(tài)有利于基質的吸收，而PAOs以菌膠團的形態(tài)存在不利于基質的利用，使其在競爭中處于劣勢。
2. 4乙酸吸收速率溫度系數(shù)
由以上的數(shù)據(jù)和分析可見，溫度對EBPR系統(tǒng)有重要的影響，尤其是乙酸的吸收速率，而表征溫度的影響主要采用溫度系數(shù)K.
根據(jù)測定小于20℃時不同溫度下的乙酸吸收速率，得出lnqT隨溫度(T一20)的變化關系，如圖3所示。對其進行函數(shù)擬合，得到乙酸吸收速率的溫度系數(shù)K為1.018,
為0. 23 。LOPEZ等在實驗室SBR反應器內對PAOs的代謝研究中得出，PAOs乙酸吸收速率的溫度系數(shù)K為1.095，
為0. 20，兩者相差較小。具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。
3結論
通過研究長期的溫度變化對西安市第三污水處理廠氧化溝生物脫氮除磷系統(tǒng)的除磷性能和PAOs和GAOs在活性污泥中所占比例的影響，得到如下結論:
1)溫度低于20℃時，厭氧釋磷速率、乙酸吸收速率隨著溫度的上升不斷增加;溫度在20一25℃之間，厭氧釋磷速率達到最大值10. 86 mg P · ( g VSS · h)-1，乙酸吸收速率隨溫度上升繼續(xù)增加;溫度高于25℃時，隨著溫度的升高，厭氧釋磷速率下降，而乙酸吸收速率仍在增加，導致吸收單位乙酸的釋磷量及處理效果下降;
2)缺氧/好氧吸磷速率的比值為40. 55 % - 64. 90%，表明活性污泥有顯著的反硝化吸磷能力;
3)在PAOs與GAOs的競爭中，溫度低于20℃時，有利于PAOs的競爭;溫度在20一25℃之間，PAOs占EUB的比例達到最大值6. 65 %;溫度高于25℃時，GAOs已經(jīng)超過PAOs的數(shù)量成為優(yōu)勢菌種;
4)通過函數(shù)擬合，活性污泥乙酸吸收速率的溫度系數(shù)為1. 018。
