1 引言
近年來，水體中磷過剩導(dǎo)致富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，去除水體中過量的磷引起了極大關(guān)注.強(qiáng)化生物除磷(Enhanced biological phosphorus removal，EBPR)是一種有效的除磷途徑(Chen et al., 2004).聚磷菌(Polyphosphate accumulating organisms，PAOs)在厭氧段吸收揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acids，VFAs)合成聚羥基烷基脂酸(Polyhydroxyalkanoates，PHAs)，同時(shí)降解細(xì)胞體內(nèi)聚磷酸鹽和糖原來提供能量和還原物質(zhì)，并在隨后的好氧段水解PHAs供能過量吸磷，最后通過排出富磷剩余污泥實(shí)現(xiàn)磷的去除(Oehmen et al., 2007; Wang et al., 2012a).
Wang等(2008)提出了好氧/延長閑置(Oxic/Extended-idle，O/EI)序批式反應(yīng)器.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，進(jìn)水后直接進(jìn)行曝氣，隨后設(shè)置延長閑置段，系統(tǒng)仍能維持良好的除磷效果(除磷率90%以上).PAOs在好氧條件下吸收VFAs，利用糖原分解和三羧酸循環(huán)(Tricarboxylic acid cycle，TCA)為合成PHAs提供三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)和還原力NADH，通過分解好氧前期合成的PHAs為聚磷酸鹽(Polyphosphate，poly-P)的合成提供能量，實(shí)現(xiàn)好氧吸磷.研究表明(王冬波，2011)，誘導(dǎo)O/EI系統(tǒng)中微生物發(fā)生過量攝磷的根本原因在于反應(yīng)過程中內(nèi)外基質(zhì)貧乏的閑置期的設(shè)置，Wang等(2012b)研究了O/EI系統(tǒng)閑置期分別設(shè)置為1.5、3.5、5.5、7.5和9.5 h時(shí)系統(tǒng)的除磷性能，其研究表明對于生活污水而言，閑置期設(shè)置為3.5 h較適宜.以往研究考察了不同碳源種類及濃度(王冬波等，2009)、pH(丁艷等，2010)等控制條件對O/EI系統(tǒng)除磷效果的影響，探究了O/EI系統(tǒng)除磷機(jī)理(王冬波，2011)以及處理實(shí)際污水的應(yīng)用效果(陳洪波等，2012).然而，其他控制條件如污泥停留時(shí)間(Sludge retention time，SRT)、溶解氧(Dissolved oxygen，DO)濃度等對O/EI系統(tǒng)除磷性能的影響尚不清楚，為該工藝的推廣與應(yīng)用，進(jìn)一步深入研究十分必要.
DO濃度可影響PAOs攝磷速率及PAOs與聚糖菌(Glycogen accumulating organisms，GAOs)間的微生物競爭，是生物除磷的重要影響因素之一(Oehmen et al., 2007).研究表明，當(dāng)DO濃度為4.5~5.0 mg · L-1時(shí)，系統(tǒng)中GAOs數(shù)量較多，除磷效果較差;而當(dāng)DO濃度為2.5~3.0 mg · L-1時(shí)，系統(tǒng)富集較多PAOs，磷的去除率較高(Griffiths et al., 2002).彭趙旭等(2011)研究了好氧階段不同DO(5.5~7.0 mg · L-1和0.5~1.5 mg · L-1)對長期運(yùn)行EBPR除磷的變化，結(jié)果表明高DO下不利于系統(tǒng)除磷效果.此外，有研究報(bào)道，為保證較高的生物除磷性能，好氧段DO濃度應(yīng)維持在2 mg · L-1以上(方茜等，2004).
傳統(tǒng)厭氧/好氧(Anaerobic/Oxic，A/O)模式中，釋磷發(fā)生在厭氧段，而攝磷在好氧段進(jìn)行，而O/EI系統(tǒng)磷的釋放和攝入均發(fā)生在好氧段.因此，DO對O/EI反應(yīng)器中PAOs釋磷和攝磷的影響較傳統(tǒng)A/O模式是否一致尚不明確.此外，以往研究表明O/EI系統(tǒng)中微生物代謝途徑與傳統(tǒng)模式有所不同(Wang et al., 2012a).因此，DO對O/EI系統(tǒng)除磷性能的影響與傳統(tǒng)模式也將有較大區(qū)別.
本文旨在考察不同DO濃度對O/EI系統(tǒng)除磷性能的影響，并通過分析磷元素的變化及微生物體內(nèi)儲能物質(zhì)的積累/轉(zhuǎn)化情況，探究DO濃度影響O/EI系統(tǒng)除磷性能的機(jī)理，以期為工藝控制條件的優(yōu)化和日后的工程設(shè)計(jì)提供理論參考.
2 材料與方法
2.1 污泥馴化
活性污泥取自長沙市第一污水處理廠回流池，污泥馴化在一個(gè)有效容積為8 L的有機(jī)玻璃反應(yīng)器中進(jìn)行.每天運(yùn)行3個(gè)周期，每周期運(yùn)行8 h，具體運(yùn)行方式為:瞬時(shí)進(jìn)水→曝氣(4 h)→沉淀和出水(0.5 h)→閑置(3.5 h).每周期開始時(shí)加入5 L人工合成廢水(成分見2.3節(jié))，出水時(shí)排出5 L上清液，污泥馴化期間不排泥.
2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行方法
研究在4個(gè)有效容積為1.8 L的有機(jī)玻璃反應(yīng)器(分別標(biāo)記為R1、R2、R3和R4)中進(jìn)行.各反應(yīng)器分別接種馴化污泥800 mL，各反應(yīng)器中初始污泥濃度約為4000 mg · L-1.運(yùn)行方法與馴化時(shí)相同，在每周期開始時(shí)加入1 L合成廢水，出水時(shí)排出1 L上清液，水力停留時(shí)間約為14 h.每天在好氧末排出泥水混合物120 mL，維持SRT在15 d左右.好氧段采用鼓風(fēng)曝氣，并通過磁力攪拌確保泥水混合均勻.各反應(yīng)器中DO濃度通過自動(dòng)控制系統(tǒng)分別維持約1、2、3和4 mg · L-1.溫度為20±1 ℃.
2.3 合成廢水
進(jìn)水采用人工合成廢水，乙酸鈉(15 mmol · L-1，以C計(jì)，理論COD為480 mg · L-1)為單一碳源，磷酸鹽采用磷酸二氫鉀(15 mg · L-1，以PO3-4-P計(jì))，氨氮采用氯化銨(30 mg · L-1;以NH+4-N計(jì))，硫酸鎂和氯化鈣濃度均為5 mg · L-1，微量元素(1.0 mL · L-1)主要成分及濃度見參考文獻(xiàn)(Wang et al., 2008).各反應(yīng)器進(jìn)水成分及濃度一致.
2.4 分析方法
糖原測定采用苯酚-硫酸法(Wang et al., 2008);PHAs采用氣相色譜法(Takabatake et al., 2002;Wang et al., 2008)，色譜分析儀型號為安捷倫6890N.DO采用便攜式溶解氧儀測定，pH采用玻璃電極法，溶解性磷酸鹽(SOP)采用鉬銻抗分光光度法，混合液懸浮固體濃度(MLSS)與混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)采用重量法，化學(xué)需氧量(COD)采用重鉻酸鉀法，具體方法參照文獻(xiàn)(魏復(fù)盛，2002).
3 結(jié)果與討論
3.1 典型周期內(nèi)DO及pH變化
各反應(yīng)器典型周期內(nèi)DO變化情況如圖 1所示.由圖 1可見，各反應(yīng)器在好氧前30 min內(nèi)DO均較低(≤0.5 mg · L-1)，這與
圖 1 DO和pH周期變化圖
研究表明，pH值是生物除磷效果的重要影響因素之一(Oehmen et al., 2007).因此，筆者對各反應(yīng)器典型周期內(nèi)pH的變化進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果如圖 1所示.好氧初期，PAOs吸收廢水中的VFAs合成PHAs，因而各反應(yīng)器中pH值較快上升(Wang et al., 2012a).而在隨后的好氧段和延長閑置段，外碳源已被完全利用，系統(tǒng)依靠水解PHAs為微生物提供能量，因而pH值逐漸下降，這與Wang等(2013)的研究一致.圖中各反應(yīng)器中pH值相差不大，且變化趨勢大體一致，表明DO濃度對O/EI系統(tǒng)pH變化無顯著影響.
3.2 各反應(yīng)器中MLSS和MLVSS
穩(wěn)定運(yùn)行階段各反應(yīng)器中MLSS及MLVSS如表 1所示.本研究中各反應(yīng)器初始MLSS值約為4000 mg · L-1，MLVSS在2000 mg · L-1左右.穩(wěn)定運(yùn)行階段，各反應(yīng)器中DO濃度越大則MLSS越小，而MLVSS相差不大，R1到R4中MLVSS/MLSS值由0.58增大至0.69.Oehmen等(2005)研究表明MLVSS/MLSS值能反映微生物中聚磷的相對含量，MLVSS/MLSS越小，細(xì)胞內(nèi)聚磷含量越高，系統(tǒng)的除磷效果越好.因此，低DO濃度條件下較小的MLVSS/MLSS值表明反應(yīng)器中可能含有較多的聚磷.
表 1 穩(wěn)定運(yùn)行階段各反應(yīng)器中MLSS和MLVSS
3.3 長期運(yùn)行過程中各反應(yīng)器的除磷效果
長期運(yùn)行過程中各反應(yīng)器內(nèi)磷的去除率如圖 2所示.由圖 2可知，污泥馴化階段，各反應(yīng)器除磷率逐漸上升.穩(wěn)定運(yùn)行以后，各反應(yīng)器中磷的去除效果具有較大差別，DO濃度越大，反應(yīng)器中磷的去除效果越差.王曉蓮等(2005)也報(bào)道了A2O工藝好氧區(qū)在高DO濃度下運(yùn)行，出水磷濃度會急劇增加，而隨后降低曝氣量，磷出水濃度則逐漸好轉(zhuǎn).可見，高DO條件對生物除磷過程不利.
圖 2 長期運(yùn)行下各反應(yīng)器的除磷率
為更準(zhǔn)確的表達(dá)各反應(yīng)器的除磷性能，圖 3給出了長期運(yùn)行下單位VSS的除磷量的變化.由圖 3可見，不同DO濃度條件下各反應(yīng)器單位VSS除磷量亦有較大差異.污泥馴化階段，R1、R2和R3中單位VSS磷的去除量逐漸增大，而R4中單位VSS磷的去除量逐漸減小.穩(wěn)定運(yùn)行后，隨著DO增大，各反應(yīng)器中單位VSS除磷量依次減少.
圖 3 各反應(yīng)器單位VSS除磷量
長期運(yùn)行過程中各反應(yīng)器除磷性能的比較如表 2所示.由表 2可知，R1、R2、R3和R4中磷的去除率和單位VSS除磷量均依次減小.R1除磷效果 最佳，除磷率高達(dá)96%，單位VSS磷的去除量為5.02 mg · g-1，出水磷濃度僅為0.6 mg · L-1.而R4中出水磷含量高達(dá)6.71 mg · L-1，除磷率降至53%，單位VSS磷的去除量僅為2.81 mg · g-1.以上結(jié)果表明，低DO濃度有利于O/EI反應(yīng)器除磷性能，當(dāng)DO濃度由1 mg · L-1增至4 mg · L-1，系統(tǒng)除磷性能逐漸減弱.
表 2 各反應(yīng)器長期除磷性能比較
Wang等(2012b)設(shè)置DO濃度為3 mg · L-1時(shí)，得出O/EI系統(tǒng)除磷率為54%左右，單位VSS除磷量為2.49左右，與本研究結(jié)果相近.傳統(tǒng)EBPR為保證出水磷濃度小于1 mg · L-1，好氧段DO必須維持在2 mg · L-1以上(方茜等，2004).本研究中O/EI系統(tǒng)在較低DO濃度(1 mg · L-1)條件下表現(xiàn)出最佳除磷效果，這表明O/EI反應(yīng)器具有比傳統(tǒng)EBPR更低的溶解氧需求，因而降低了運(yùn)行成本.低DO條件下，O/EI系統(tǒng)中單位VSS除磷量高得多，可能是由于低DO系統(tǒng)污泥中PAOs比高DO下多.當(dāng)DO濃度較高時(shí)，由于曝氣量大，氧能較快穿透菌膠團(tuán)，破壞菌膠團(tuán)內(nèi)部厭氧環(huán)境，不利于微生物釋磷，從而減少微生物吸磷量，此外，高曝氣量可能會將活性污泥中較大的菌膠團(tuán)沖散，使菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)被破壞，使系統(tǒng)的生物除磷性能降低.為明確DO濃度對O/EI反應(yīng)器除磷性能的影響機(jī)理，進(jìn)一步深入研究意義重大.
3.4 典型周期內(nèi)SOP、COD、糖原和PHA的變化
各反應(yīng)器中典型周期內(nèi)磷的去除情況如圖 4所示.由圖 4可見，好氧段前30 min各反應(yīng)器中均出現(xiàn)明顯釋磷現(xiàn)象.其中，R1釋磷量較大，而R4釋磷量較小.此外，R1閑置期釋磷量(1.81 mg · g-1)也明顯高于其他反應(yīng)器，而R4閑置期基本無釋磷.研究表明厭氧段釋磷量可影響系統(tǒng)的除磷效果，厭氧釋磷越多，系統(tǒng)除磷效果越好(方茜等，2004).以上結(jié)果表明，DO濃度可影響系統(tǒng)好氧初期釋磷量、好氧吸磷量以及閑置期釋磷量，低DO條件有利于PAOs釋磷和吸磷，從而提升系統(tǒng)除磷效率.
圖 4 各反應(yīng)器SOP周期變化
各反應(yīng)器中典型周期內(nèi)COD、糖原和PHAs的變化情況如圖 5所示.由圖 5中可見，曝氣開始后，各反應(yīng)器中COD急劇下降，前30 min內(nèi)已被消耗完全，各反應(yīng)器COD去除率均達(dá)90%以上.糖原作為除磷過程中的一種重要的胞內(nèi)聚合物，它能為合成PHAs提供還原力，同時(shí)可作為碳源和能量儲存物質(zhì).從圖 5可知R2~R4中糖原變化趨勢基本一致，在好氧前期糖原降解為PAOs吸收VFAs提供能量，VFAs經(jīng)過TCA循環(huán)與糖原降解共同為合成PHAs提供所需的還原力，隨后PHAs被氧化分解，提供PAOs吸磷所需的能量，同時(shí)糖原得到補(bǔ)充.而R1中糖原含量在整個(gè)周期內(nèi)變化不大，在好氧前期并沒有分解糖原，即R1中僅TCA循環(huán)為PHAs合成提供還原物質(zhì).由圖 5還可看出，R1中好氧段PHAs合成量明顯大于其他3個(gè)反應(yīng)器，約為4 mmol · g-1.以上結(jié)果表明，R1中主要儲能物質(zhì)為PHAs，而在其他反應(yīng)器主要依靠PHAs和糖原供能.Mino(1998)提出外碳源和電子受體(O2)同時(shí)存在時(shí)，外碳源被優(yōu)先用于合成PHAs，只有當(dāng)外碳源耗盡，吸磷才會發(fā)生.本研究中好氧前期微生物處于一種局部缺氧環(huán)境，微生物在細(xì)胞內(nèi)儲存PHAs.PHAs極易被氧化分解，PHAs合成階段的氧氣供應(yīng)越充足，PHAs的積累量則越低，表明氧在PHAs合成中不利，且氧氣存在利于PHAs好氧分解.
圖 5 各反應(yīng)器中COD、糖原和PHA周期變化
各反應(yīng)器中攝入單位VFAs的PHAs合成量以及PHAs各組分所占百分比如表 3所示.由表 3可知，R1中PHAs合成量/VFAs明顯高于其他反應(yīng)器，表明在R1中微生物將所吸收的VFAs大部分用于合成PHAs，為隨后的好氧吸磷提供更多的能量.此外，隨著DO濃度的增大，PHB所占百分比逐漸減小.Randall和Liu(2002)研究得出PHAs組成可能是好氧吸磷的一個(gè)關(guān)鍵因素，且PHB為主要形式時(shí)更有利于好氧吸磷.隨著DO升高PHAs累積量明顯下降是由于在溶解氧不足時(shí)，微生物的代謝處于相對緩慢的狀態(tài)，代謝過程中可供利用的能量也相對較少，因而所吸收的VFAs轉(zhuǎn)化為PHAs儲存能量和還原物質(zhì)，供外在碳源不足時(shí)利用;而在高DO下，微生物具有更高的代謝速率，產(chǎn)生更多的ATP，將吸收的VFAs更多的被用作微生物細(xì)胞生長.因此，低DO下PAOs趨向于儲存更多的PHAs，這與Third等(2003)的結(jié)論一致.DO濃度越高，系統(tǒng)中糖原累積量越大，這可能是由于系統(tǒng)中占優(yōu)勢地位的微生物種群不同造成的.
表 3 各反應(yīng)器中PHAs成分比較(以乙酸鈉為碳源)
由圖 5可知，與其他反應(yīng)器不同，R1中糖原在好氧階段前期并沒有被分解，這表明此時(shí)O/EI系統(tǒng)是通過三羧酸循環(huán)為PHAs合成提供NADH.這可能是因?yàn)镽1中DO較低，系統(tǒng)中的氧首先供微生物吸收進(jìn)行好氧呼吸，通過TCA循環(huán)用于吸收和轉(zhuǎn)化VFAs，從而沒有多余的氧供糖原分解.在其他反應(yīng)器中，糖原分解和TCA循環(huán)共同為PHAs合成提供NADH，然后通過PHAs分解補(bǔ)充糖原.好氧條件下PAOs分解PHAs產(chǎn)生的ATP，一部分供聚磷菌生長，另一部分ATP由磷酸激酶轉(zhuǎn)化成聚磷，將能量儲存在聚磷酸鹽的高能磷酸鍵中，實(shí)現(xiàn)PAOs好氧吸磷(Smolders et al., 1995).當(dāng)系統(tǒng)DO較高時(shí)，微生物吸收的VFAs大部分用于細(xì)胞生長，儲能物質(zhì)PHAs合成量少，微生物吸磷量少，除磷性能差.而低DO條件下，微生物細(xì)胞生長速率較慢，有利于微生物儲存較多的PHAs(圖 5)，當(dāng)外碳源消耗完時(shí)，PHAs能為吸磷提供足夠的能量.
綜上所述，R1具有最佳除磷效果，其除磷性能明顯高于其他反應(yīng)器，這是由于R1中好氧前期由于氧氣不足，微生物能釋放出較多的聚磷，并將吸收的VFAs大部分用于合成儲能物質(zhì)PHAs，為好氧吸磷提高能量，而R4則由于氧氣供應(yīng)充足，系統(tǒng)內(nèi)DO升高較快，微生物釋磷量少，微生物吸收VFAs主要用于細(xì)胞的生長和生成糖原，PHAs合成量較少.由此可見，DO是通過影響O/EI系統(tǒng)的釋磷和吸磷過程以及PHAs合成量，從而影響系統(tǒng)的除磷性能.具體參見污水寶商城資料或http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
1)低DO濃度(1 mg · L-1)有利于O/EI反應(yīng)器除磷性能，除磷率高達(dá)96%，DO濃度升高至4 mg · L-1時(shí)，系統(tǒng)除磷性能逐漸減弱.可見DO濃度對O/EI系統(tǒng)除磷性能影響顯著.
2)與R4相比，R1系統(tǒng)中微生物能吸收更多的磷，合成較多的PHAs，但對糖原的合成和利用較少.因此，DO濃度可影響微生物體內(nèi)PHAs和糖原合成量，好氧初期和閑置期釋磷量以及好氧吸磷量，進(jìn)而影響系統(tǒng)的除磷性能.
