不同鈉/甘油比對好氧/延長閑置SBR除磷性能的影響
摘要:以合成廢水為研究對象,以甘油和生活污水中常見的鈉作為碳源,建立了5個好氧/延長閑置序批式反應(yīng)器(鈉/甘油比分別為1∶0、4∶1、1∶1、1∶4和0∶1),考察了各反應(yīng)器長期運行過程中的除磷效果,并通過分析典型周期內(nèi)磷及微生物體內(nèi)各儲能物質(zhì)的變化,初步探究不同鈉/甘油比對除磷性能的影響機(jī)理.研究表明,當(dāng)鈉/甘油比由1∶0逐漸降至4∶1和1∶1時,平均除磷率由90.1%升至92.5%、97.3%.鈉/甘油比繼續(xù)降至1∶4及0∶1時,系統(tǒng)除磷率降至65.7%、53.4%.當(dāng)鈉/甘油比為1∶1時,聚磷菌體內(nèi)合成大量聚羥基脂肪酸酯(PHAs)(2.55mmol·g-1,以每gVSS積累的C(mmol)計,下同),為后續(xù)磷的吸收及聚磷合成提供更多的能量,而以甘油作為單一碳源時,PHAs合成量少(0.82mmol·g-1),糖原合成量大(2.56mmol·g-1,以每gVSS積累的C(mmol)計).
關(guān)鍵詞:甘油;好氧/延長閑置工藝;序批式反應(yīng)器;生物除磷;聚羥基脂肪酸酯;糖原
1引言(Introduction)
磷(P)是生物體內(nèi)的重要營養(yǎng)源,而水體中磷過剩會引發(fā)水體富營養(yǎng)化(Jarvieetal.,2006).強(qiáng)化生物除磷(EBPR)是一種經(jīng)濟(jì)有效的除磷方法(Oehmenetal.,2007),其原理聚磷菌(PAOs)在厭氧條件下吸收水體中揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)合成聚羥基脂肪酸酯(PHAs),并在隨后的好氧環(huán)境中氧化PHAs供能,超量吸收水中的磷酸鹽(Chenetal.,2004).
近年來,Wang等(2008)提出了好氧/延長閑置(O/EI)序批式反應(yīng)器(SBR).O/EI反應(yīng)器省略了傳統(tǒng)除磷理論認(rèn)為必需的厭氧段,將閑置期由120min適當(dāng)延長至210~450min,系統(tǒng)仍能保持良好的除磷效果(王冬波等,2007).與傳統(tǒng)EBPR不同,O/EI反應(yīng)器中PAOs在好氧段吸收VFAs合成PHAs和糖原(Glycogen),并在隨后的好氧環(huán)境中將其氧化供能,超量吸收磷酸鹽并合成聚磷(poly?P),合成的poly?P在延長閑置期逐漸水解以維持微生物代謝(王冬波等,2008).劉醫(yī)璘等(2010)研究了葡萄糖和鈉作為單一碳源,對O/EI系統(tǒng)除磷的影響.Wang等(2012a)研究證實,以丙酸鈉為碳源時,O/EI系統(tǒng)也能取得良好的除磷效果.
廢水中碳源充足時,EBPR可達(dá)到良好的除磷效果(DeBashanetal.,2004).而實際廢水中有機(jī)物的含量較低,除磷性能也隨之受到影響,因此,需補(bǔ)充外加碳源以達(dá)到預(yù)期的除磷效果(吳昌永等,2009).現(xiàn)階段用于生物除磷的有機(jī)碳源主要是、丙酸等VFAs,這些物質(zhì)雖易被PAOs利用,但由于成本較高,因此,并不是一種經(jīng)濟(jì)的碳源(Puigetal.,2007).近年來,醇類作為一種價廉易得的碳源得到了廣泛關(guān)注(Puigetal.,2008).
甘油是生產(chǎn)生物柴油的副產(chǎn)物,產(chǎn)量大而需求量小,且處置費用較高(Johnsonetal.,2007).同時,甘油是反硝化系統(tǒng)的良好碳源,在厭氧消化過程中可促進(jìn)甲烷的產(chǎn)生(Akunnaetal.,1993;Amonetal.,2006).Yuan等(2010)發(fā)現(xiàn),甘油作為單一碳源時,會導(dǎo)致EBPR崩潰.Guerrero等(2012)通過延長厭氧段將甘油分解為VFAs(主要為丙酸),并通過延長好氧段使得VFAs被PAOs充分吸收用于磷的去除,取得了較好的除磷效果.O/EI反應(yīng)器好氧段前未設(shè)置厭氧段,PAOs代謝途徑與傳統(tǒng)EBPR有較大區(qū)別(Tayetal.,1996).因此,甘油能否被O/EI系統(tǒng)吸收利用尚未明確,且不同鈉/甘油比對O/EI系統(tǒng)除磷性能的影響有待研究.
本文旨在通過比較不同鈉/甘油比例條件下O/EI反應(yīng)器的除磷效果,考察不同鈉/甘油比對O/EI系統(tǒng)除磷性能的影響,并通過分析典型周期磷元素及微生物體內(nèi)各儲能物質(zhì)的變化,初步探究甘油影響O/EI反應(yīng)器除磷性能的機(jī)理.
2材料與方法(Materialsandmethods)
2.1實驗裝置與運行方法
研究在5個有效體積約為1.6L的玻璃燒杯(分別標(biāo)記為R1、R2、R3、R4、R5)中進(jìn)行.接種活性污泥取自長沙市第二污水處理廠,初始污泥濃度約為4000mg·L-1.反應(yīng)器具體運行方式為:瞬時進(jìn)水→曝氣(4h)→沉淀出水(0.5h)→閑置(3.5h).每周期開始前瞬時進(jìn)水1L,好氧段采用鼓風(fēng)曝氣,曝氣速率為1.8L·min-1,每天在好氧段末排泥水混合物100mL,污泥停留時間控制在16d左右,好氧段結(jié)束沉淀0.5h后排水1L,水力停留時間約為14h.整個反應(yīng)過程中不控制pH,反應(yīng)器在室溫((23±2)℃)條件下運行.按上述方式馴化培養(yǎng)16d后,污泥外觀呈黃褐色,活性及沉淀效果均較好,開始試運行.
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進(jìn)水采用合成廢水,各反應(yīng)器中碳元素的投加量相等(15mmol·L-1,即COD為480mg·L-1),鈉/甘油比分別為1∶0、1∶4、1∶1、4∶1和0∶1,其他進(jìn)水成分及濃度為:磷酸二氫鉀15mg·L-1(以PO43-?P計)、30mg·L-1(以NH4+?N計)、鎂5mg·L-1(以Mg2+計)、氯化鈣5mg·L-1(以Ca2+計)、微量元素0.1mL,微量元素成分及濃度見文獻(xiàn)(Tayetal.,1996).
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?。牵欤悖铮纾澹睿悍?/span>?法(Wangetal.,2009);PHAs:氣相色譜法(Takabatakeetal.,2002;Oehmenetal.,2005a);乳酸:高效液相色譜法(景麗潔等,2000);溶解性正磷酸鹽(SOP):鉬銻抗分光光度法;混合液懸浮固體(MLSS)與混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS):重量法;pH:玻璃電極法;COD:重鉻酸鉀法.具體方法見文獻(xiàn)(國家環(huán)境保護(hù)局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會,2002).
3結(jié)果與討論(Resultsanddiscussion)
3.1各反應(yīng)器中MLSS和MLVSS變化
各反應(yīng)器長期運行過程中,MLSS、MLVSS的變化情況如表1所示.由表1可知,隨著甘油比例的增加,各反應(yīng)器MLVSS相差不大,而MLSS相差較多,R3中較低的MLVSS/MLSS(0.61±0.06)說明微生物體內(nèi)有更多的聚磷合成(Oehmenetal.,2005b).
3.2長期運行中各反應(yīng)器的SOP和COD去除效果
長期運行過程中,各反應(yīng)器SOP去除率變化情況如圖1所示.由圖1可知,運行的前16d內(nèi),各反應(yīng)器除磷率波動較大,16d后磷酸鹽去除率趨于穩(wěn)定.R1中出水磷濃度約為1.49mg·L-1(表2),去除率可達(dá)90.1%,單位污泥除磷量為5.32mg·g-1(以每克VSS中去除的P計),與以往研究(劉醫(yī)璘,2010)結(jié)果相似(除磷率為85.2%,單位污泥磷的去除量為3.8~4.6mg·g-1).R2和R3除磷率較高,分別為92.5%和97.3%,單位污泥磷的去除量分別為5.51和5.69mg·g-1.而R4中鈉/甘油降至1∶4及R5中甘油作為單一碳源時,系統(tǒng)除磷性能逐漸減弱,除磷率分別降至65.7%和53.4%,單位污泥除磷量分別僅為3.79和3.08mg·g-1.
表2中顯示了長期運行中各反應(yīng)器的COD去除效果,如表中所示,各反應(yīng)器COD去除情況相似,去除率均高于90.0%.這表明盡管各反應(yīng)器中除磷效果不盡相同,微生物對碳源的利用情況基本一致.
3.3典型周期pH、SOP、COD、PHAs和糖原的變化
圖2為各反應(yīng)器典型周期pH的變化情況.由圖2可知,曝氣開始后120min內(nèi),R1、R2、R3中pH均升高,隨后逐漸下降,終分別穩(wěn)定在8.01、7.82和7.65左右.而R4、R5中pH值的變化與R1、R2、R3有較大不同,曝氣初期R4、R5中pH值逐漸升高,于10min時達(dá)到大(分別為6.68、6.48),隨后逐漸下降,45min時降至低(分別為6.21、5.98).曾薇等(2002)的研究表明,曝氣吹脫CO2可引起反應(yīng)器內(nèi)pH上升.此外,poly?P合成導(dǎo)致氫離子的吸收也會導(dǎo)致系統(tǒng)pH升高(Seufferheldetal.,2003).
此外,R2~R5有不同濃度的乳酸生成(圖2),30min時乳酸積累達(dá)到大,隨后逐漸下降,而R1中未檢測到乳酸的存在.這說明甘油在直接被微生物利用的同時,會有部分氧化生成乳酸.同時,R4和R5中較高的乳酸積累也解釋了反應(yīng)器內(nèi)pH較低的原因.
各反應(yīng)器典型周期內(nèi)SOP和COD變化情況如圖3所示.好氧初期,各反應(yīng)器均有磷釋出,釋磷量分別為7.45、7.85、11.15、3.71和1.89mg·L-1.這可能是由于好氧初期PAOs利用溶解氧的速率較快,導(dǎo)致混合液中溶解氧濃度較低(Wangetal.,2012a).好氧末,各反應(yīng)器SOP出水濃度分別為1.49、1.13、0.41、5.15和7.01mg·L-1,SOP去除速率(以每小時每克VSS去除的P計)分別為1.91、2.11、2.52、1.22和0.92mg·g-1·h-1.可見,少量甘油的存在有利于PAOs好氧吸磷,而較多的甘油會抑制好氧段磷的吸收.閑置期,R1、R2、R3有較多的磷釋出,單位污泥釋磷量分別為2.25、2.39和2.47mg·g-1.而R4和R5釋磷量較少,僅分別為1.32、0.73mg·g-1.
曝氣開始后30min內(nèi),R1、R2、R3中外碳源大部分被消耗掉,剩余的外碳源在好氧末被消耗完全.雖然R4和R5除磷性能減弱,然而,其COD去除率均高于90%,這可能是由于R4和R5系統(tǒng)中有除PAOs外的其他微生物存在,這些微生物雖然對除磷無貢獻(xiàn),但可以參與COD的去除.
在聚磷微生物的代謝過程中,其胞內(nèi)儲存物PHAs和糖原發(fā)揮著非常重要的作用,是重要的能量儲存與供給物質(zhì)(祝貴兵等,2005).王冬波等(2009)的研究表明,當(dāng)葡萄糖為碳源時,生物除磷所需的能量主要來自糖原的分解,而鹽為碳源時,生物除磷所需能量主要來自PHAs的分解.由此可知,微生物細(xì)胞內(nèi)儲能物質(zhì)的合成和分解會隨有機(jī)碳源的不同而變化,從而生物除磷的效率也會有差異.為進(jìn)一步探討各反應(yīng)器的不同除磷性能,本研究監(jiān)測了各反應(yīng)器運行穩(wěn)定后典型周期內(nèi)PHAs和糖原的變化情況(圖4).
由圖4可知,各反應(yīng)器典型周期PHAs和糖原積累和降解情況有所不同.好氧初期,隨著外碳源迅速消耗,R1、R2和R3中PHAs和糖原大量積累.R1中,30min時PHAs積累量達(dá)到大值,為2.25mmol·g-1(以每克VSS積累的C計,下同);在隨后的好氧段PHAs逐漸下降,而糖原繼續(xù)上升,并于120min達(dá)到頂點,積累量為0.64mmol·g-1,好氧末,PHAs和糖原均降至初始水平,這與Zeng等(2013)的研究一致.R2和R3中,PHAs積累量分別為2.40和2.55mmol·g-1,糖原積累量分別為0.68和0.71mmol·g-1.可見,低含量甘油的存在有利于PHAs合成,且隨著甘油比例增大,系統(tǒng)中PHAs合成量逐漸增加,這可能是由于低含量甘油的存在可促進(jìn)VFAs(鈉)吸收,進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)PHAs合成(Guerreroetal.,2012).
由圖4和表3可知,與R1、R2、R3不同,R4和R5中好氧初期PHAs積累量較?。ǚ謩e為1.21和0.82mmol·g-1),而糖原積累量較大(分別為2.11和2.56mmol·g-1,以每克VSS積累的C計);隨后,PHAs與糖原逐漸下降;曝氣結(jié)束時,PHAs基本恢復(fù)至曝氣開始時的水平,而糖原濃度仍高于初始值.R5中PHAs各組分所占分例與文獻(xiàn)(Guerreroetal.,2012)相似.閑置期,剩余的糖原逐漸被消耗,R4和R5糖原消耗量分別為0.35和0.47mmol·g-1.由此可知,甘油含量較高時,會生成較多的乳酸,導(dǎo)致pH較低,糖原合成量較大,糖原作為主要能源物質(zhì),維持閑置期微生物的代謝和生長.
王冬波(2011)的研究表明,O/EI反應(yīng)器閑置期內(nèi)外基質(zhì)貧乏,微生物分解poly?P維持自身生長,強(qiáng)化了PAOs的代謝作用,從而誘導(dǎo)PAOs好氧段過量攝磷.本試驗閑置期,各反應(yīng)器外碳源消耗完全.而R1,R2和R3中PHAs和糖原在好氧段末均降至曝氣開始時水平.因此,微生物直接分解poly?P維持自身生長,并以磷酸鹽的形式釋放于水體中.而R4、R5曝氣結(jié)束時,糖原濃度仍高于初始水平.Lu等(2007)研究表明,聚磷和糖原同時存在時,微生物將優(yōu)先利用糖原來維持自身生命和代謝,當(dāng)糖原濃度較低時再分解其他能源物質(zhì)(poly?P).可見,R1、R2、R3中維持微生物生命和代謝的能量全部來自poly?P的水解,而R4、R5則由糖原降解和poly?P水解共同提供,這與各反應(yīng)器不同程度的釋磷一致.
?。常床煌c/甘油比對好氧/延長閑置反應(yīng)器除磷性能的影響
傳統(tǒng)EBPR系統(tǒng)中,鈉為碳源時,PAOs在厭氧段利用poly?P和糖原分解產(chǎn)生的ATP吸收鈉合成PHAs,用于好氧段磷的吸收、糖原合成及微生物代謝(Chenetal.,2004).甘油作為單一碳源不能直接被PAOs吸收,而首先經(jīng)厭氧發(fā)酵生成VFAs,隨后被PAOs利用(Guerreroetal.,2012).
本研究好氧段前未設(shè)置厭氧段,鈉和甘油在外碳源消耗期有不同的代謝途徑.1mol鈉消耗1mol腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)生成1mol乙酰輔酶A,然后通過三羧酸(TCA)循環(huán)和乙醛酸循環(huán)氧化分解.1mol甘油首先消耗1molATP,在甘油激酶的催化下磷酸化生成3?磷酸甘油,然后經(jīng)脫氫(產(chǎn)生2.5molATP)、氧化(產(chǎn)生4.5molATP)、脫羧(產(chǎn)生2.5molATP),生成1mol乙酰輔酶A,乙酰輔酶A通過TCA循環(huán)和乙醛酸循環(huán)氧化分解.由此可知,單位甘油氧化分解產(chǎn)生的ATP數(shù)量多于鈉.因此,R1~R5中外碳源氧化分解產(chǎn)生的ATP數(shù)量隨著甘油比例的增加而逐漸增多.外碳源氧化分解產(chǎn)生的ATP主要用于從污水中吸磷、微生物自身代謝及內(nèi)源物質(zhì)的積累.由圖3可知,外碳源消耗期各反應(yīng)器少量的磷去除,表2中也顯示各反應(yīng)器MLVSS相差不大,因此,用于微生物生長的ATP數(shù)量也幾乎相等.由此可知,隨著甘油比例增加,越來越多的ATP用于內(nèi)源物質(zhì)的合成,這與各反應(yīng)器內(nèi)源物質(zhì)的合成量相一致.
各反應(yīng)器中,隨著甘油比例增大,PHAs轉(zhuǎn)化量逐漸增加,鈉/甘油比為1∶1時,系統(tǒng)PHAs合成量達(dá)到大(圖4).Mino等(1998)的研究表明,PHAs含量高可以為后續(xù)內(nèi)碳源階段磷的吸收和聚磷合成提供更多的能量,這與R1、R2、R3逐漸升高的除磷率一致.甘油在直接被微生物利用的同時,會有部分氧化生成乳酸(圖5).R4、R5中,隨著甘油比例增加,乳酸合成量逐漸增多,導(dǎo)致pH逐漸下降(分別為6.21、5.98).此時碳源代謝產(chǎn)生的內(nèi)源物質(zhì)以糖原為主,乳酸和磷酸二羥除了經(jīng)酸進(jìn)入TCA循環(huán)外,還可經(jīng)糖異生途徑生成糖原,因而R4、R5糖原積累量較大.
?。停椋睿锏龋ǎ保梗梗福┑难芯勘砻?,內(nèi)聚物PHAs和糖原的轉(zhuǎn)化與PAOs和聚糖菌(GAOs)的代謝有關(guān),曝氣階段較高的糖原積累量更有利于GAOs代謝.本研究中,R4、R5糖原轉(zhuǎn)化量較大,而PHAs合成及聚磷合成較少,即R4、R5中GAOs活性較高而PAOs活性較低,這與R4、R5較低的除磷率一致,同時,也解釋了R4、R5雖除磷性能減弱,而外碳源利用率仍較高的原因.
?。祝幔睿绲龋ǎ玻埃保玻猓┭芯孔C實,O/EI系統(tǒng)中單位污泥磷的去除量隨閑置期釋磷量的增多而增加,二次釋磷不僅不會惡化除磷系統(tǒng),反而可驅(qū)動PAOs在好氧段過量吸磷.本研究中,曝氣結(jié)束時,各反應(yīng)器糖原濃度水平不同,因此,閑置期對poly?P的依賴程度不同見3.3節(jié),即釋磷量不同,進(jìn)而導(dǎo)致了不同的除磷性能.
綜上所述,進(jìn)水甘油的含量較低時,隨著甘油比例增加,微生物分解外碳源時合成的PHAs逐漸增多,為除磷提供更多的能量,因而除磷性能逐漸增強(qiáng).隨甘油比例繼續(xù)增加,較多的乳酸生成導(dǎo)致pH較低,糖原合成量較大,系統(tǒng)除磷性能減弱.
4結(jié)論(Conclusions)
?。保└视妥鳛檩o助碳源有利于提高系統(tǒng)除磷性能,而作為單一碳源時,系統(tǒng)除磷性能減弱.
?。玻┑秃扛视痛嬖诳纱龠M(jìn)VFAs吸收,有利于PHAs合成,可增強(qiáng)延長閑置段處于“饑餓”狀態(tài)的聚磷菌對磷的吸收,誘導(dǎo)其好氧段過量攝磷;甘油含量較高時,會生成較多的乳酸,導(dǎo)致pH較低,糖原合成量較大,系統(tǒng)除磷性能減弱.