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不同碳源对 EBPR 启动期聚磷菌的影响研究 * 杨敏 1 卢龙 1 冯涌 1， 2 张强 1 1． 南昌大学环境与化学工程学院， 南昌 330000;2． 江西省环境监测中心站， 南昌 330000 摘要 以实验室序批式反应器 SBR 为强化生物除磷工艺 EBPR 载体， 接种具有初步除磷功能的污泥后， 以乙酸∶ 丙酸 1∶ 1 按各自折算的 COD 计 为混合碳源 以下简称混酸 ， 厌氧初始 pH 7. 6 0. 1， 富集聚磷菌 PAO 。启动 30 d 后， EBPR 反应器中为 PAO 和聚糖菌 GAO 的混合菌属， 此时从反应器中取泥样进行批式试验， 分别考察乙酸、 丙酸及混酸 对聚磷菌的富集和厌氧释磷的影响。结果表明 在 EBPR 启动期内， 乙酸作为单一碳源时释磷量最大， 但混酸碳源释磷 效率最高， 最有利于 PAO 富集; 丙酸作为单一碳源时降解率最大而释磷量最小， 不适合 EBPR 启动期的 PAO 富集。 关键词 强化生物除磷系统; 启动期; 聚磷菌; 聚糖菌; 碳源; 厌氧释磷 STUDY ON EFFECT OF DIFFERENT CARBON SOURCES ON THE POLY- PHOSPHORUS ACCUMULATING ORGANISMS IN EBPR START- UP PERIOD Yang Min1Lu Long1Feng Yong1， 2Zhang Qiang1 1． Institute of Environmental Science and Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031，China; 2． Jiangxi Provincial Environmental Monitoring Center， Nanchang 330029，China AbstractAn enhanced biological phosphorus removal EBPR process was achieved by proposing a laboratorial scale sequencing batch reactor SBR ． After inoculating surplus sludge with preliminary phosphorus removal function， the poly- phosphorus accumulating organisms PAO were enriched by adding mixed carbon sources consisted of aceticpropionic acid 1∶ 1 counted by COD ， controlling anaerobic initial pH 7. 6 0. 1． Mud samples used for batch tests were taken from the reactor when glucose accumulating organisms GAO and PAO coexisted in EBPR after running SBR for one month． The batch tests focused on PAO enrichment and anaerobic phosphate release when acetate， propionic acid and mixed acid was added as carbon sources respectively． The results showed that in the EBPR startup period， the highest soluble orthophosphate SOPwas released when using acetate as a single carbon source whereas the most effective phosphorus releasing was achieved by applying hybrid carbon source， showing that the latter favors PAO mostly， propionic acid， however， was unsuitable for enriching PAO and anaerobic phosphorus release in starting-up EBPR when it used as a single carbon source because of its biggest degradation and the smallest phosphorus release． KeywordsEBPR;start-up period; PAO;GAO;carbon source;anaerobic phosphate release * 国家自然科学基金 40972036 ; 江西省科技支撑项目 2010BSA19700 。 0引言 EBPR 工艺通过在好氧段排放富磷剩余污泥， 从 系统中去除磷 ［1］， 从而净化污水。但是磷会因剩余 污泥的处理处置而流失， 并可能引起二次污染。不同 碳源对 EBPR 系统 PAO 的富集和厌氧释磷影响显 著， 研究最佳释磷碳源种类对控制磷污染具有重要指 导意义。多数研究认为聚磷菌对丙酸的吸收率远远 高于乙酸 ［2- 3］。但 Oehmen［4］和王亚宜［5］等人提出乙 酸相对于丙酸和混合碳源而言释磷效果更好。也有 研究人员发现丙酸与乙酸混合作为碳源时释磷效率 最佳 ［6］。综上， 虽然碳源对 EBPR 除磷影响研究广 泛， 但结论不尽一致， 且多侧重在 EBPR 稳定运行后 进行分析。而对启动期内， 不同碳源对 PAO 和 GAO 竞争和厌氧释磷的影响缺乏必要的分析和阐述。本 研究在 EBPR 启动期初步富集 PAO 后， 分别以乙酸、 丙酸及混酸作为碳源， 对启动期的混合菌属污泥进行 批式试验， 考查不同碳源对 PAO 富集及释磷影响。 1试验部分 1. 1试验装置与操作 采用有机玻璃柱状 SBR 反应器， 总容积为 8 L， 工作容积为 6 L。由可编程逻辑控制器 PLC 进行自 93 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 动控制。SBR 运行周期为 12 h， 每个周期包括 5 min 进水， 3 h 厌氧， 7 h 好氧， 25 min 沉淀， 1. 5 h 排水和 闲置。厌氧起始阶段加压曝氮气饱和后， 停曝、 密闭 并磁力搅拌;好氧阶段采用全程鼓风曝气， 曝气量约 为 0. 7 L/min， 均以砂芯作为微孔曝气头。厌氧进水 阶段用 1mol/LHCl 和 1mol/LNaOH 调节反应器内 pH 值为 7. 6 左右。每周期排水 3 L， 排水比为 3 /6。污 泥泥龄 SRT 为 20 d， 通过每 3 天排除 15 上部沉淀 污泥实现。 1. 2进水水质和接种污泥 进水 为 人 工 配 水， 配 方 见 表 1。其 中 碳 源 由 乙酸∶ 丙酸 1 ∶ 1 以 COD 计混 合 组 成， COD 800 mg/L， 正磷酸盐 SOP 浓度为 53. 3 mg/L， 使得 m C ∶ m P 15∶ 1。 表 1人工配水成分 配水成分浓度微量元素成分浓度 NaAc0. 512 g/LFeCl36H2O2. 25 g/L 丙酸2. 67 mL/L H3BO30. 225 g/L NH4Cl0. 151 g/LCuSO4 5H2O0. 045 g/L KH2PO40. 234 g/LKI0. 27 g/L MgSO4 7H2O0. 257 g/LMnCl2 4H2O0. 18 g/L CaCl20. 09 g/LNa2MoO4 2H2O0. 09 g/L 丙烯基硫脲0. 0032 g/L ZnSO4 7H2O0. 18 g/L 蛋白胨0. 72 g/L CoCl2 6H2O0. 0225 g/L 微量元素液0. 6 mL/LEDTA15 g/L pH7. 6 0. 1 反应器污泥接种自采用 A/A/O 工艺的南昌市红 谷滩污水处理厂剩余污泥。污泥接种量为 1 L， 浓度 为 15 000 mg/L， 污泥体积指数 SVI 为 73 mL/g。 1. 3批式试验 培养 30 d 后， SBR 反应器中聚磷菌得到一定程 度富集 与 GAO 数量相当 ， 取污泥在 500 mL 具塞 锥形瓶中进行批式试验。在好氧段末， 从反应器中取 1 500 mL 泥水混合液， 静置 10 min 后弃去上清液， 加 超纯水按同样操作反复洗涤 3 次， 充分混匀， 分 3 等 份转移至 3 个 500 mL 容量瓶中， 分别加入不同碳源 且不含 SOP 的营养液 除碳源和 SOP 外其余组分同 进水， 碳源分别为醋酸钠 0. 192 g， 丙酸 1 mL， “醋酸 钠 丙酸” 为 0. 96 g 0. 5 mL， 按折算的 COD 质量比 为 1∶ 1制定 ， 加水定容至 500 mL， 调节 pH 为 7. 6， 转 移到锥形瓶中， 盖上塞子置于200 r/min， 25 ℃ 的水浴 恒温振荡器中， 计时。间歇取泥水混合液， 加 1mol/L H2SO4调节pH 至 2 以下， 离心分离， 沉淀低温烘干待 测， 上清液用 0. 22 μm Millipore 滤膜过滤待测。 1. 4分析方法 COD、 PO － 4 -P、 TP 等按照水和废水监测分析方 法 第四版 ［7］进行分析。 2结果与讨论 2. 1EBPR 反应器运行情况 SBR 反 应 器 运 行 期 间， 调 节 厌 氧 起 始 pH 为 7. 6［8］， 以丙酸和乙酸混合后 作为碳源。污泥驯化 22 d后， 厌氧末 SOP 浓度由驯化初的 26. 93 mg/L 上 升至 45. 12 mg/L， 与 之 相 反， 厌 氧 段 末 的 COD 由 336 mg/L下降至 207 mg/L。 反应器运行 30 天后， 污泥厌氧段末净释磷量达 到 55 mg/L， 厌氧段末 COD 为 116 mg/L， 好氧段末出 水 COD 为 60 mg/L， 单位 COD 释磷量为 149 mg/g。 系统表现出较强的生物释磷能力。此时可以推断 EBPR 反应器中为 PAO 和 GAO 的混合菌属， 二者数 量大致相当 ［9- 10］， PAO 初步富集完成。 2. 2批式试验 为了考查不同碳源对启动期内 PAO 富集及厌氧 释磷的影响， 本研究从经 SBR 反应器中驯化 30 d 后 的污泥 中 取 样 进 行 批 式 试 验， 结 果 如 图 1 － 图 3 所示。 2. 2. 1磷释放量 三种碳源条件下系统磷酸盐浓度见图 1。 图 1不同碳源条件下系统中磷酸盐的释放浓度曲线 如图 1 所示污泥在乙酸、 丙酸及混酸为碳源条 件下释磷趋势一致， 先升后稳， 5 h 后释磷量分别为 74. 8， 67. 1， 68. 4 mg/L; 但是混酸和乙酸释磷速率较 快， 1 h后释磷量分别为 62. 9， 64. 3 mg/L， 占总释磷量 92 和 86 ， 丙酸释磷速率最小， 1 h 后释磷量为 54. 3 mg/L， 占总释磷量的 81 ; 3 h 后厌氧释磷基本 完成， 分别为 70. 9， 66. 2， 67. 6 mg/L。 结果表明， 乙酸作为碳源释磷量最高， 混酸次之， 04 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 丙酸最低。PAO 在厌氧条件下分解体内聚磷释放 SOP 产生 ATP， 这些 ATP 被用来吸收环境中的 VFA 如乙酸、 丙酸 ， 合成聚羟基脂肪酸酯 PHA 作为能 源储存在体内 ［11］。而 1 mol 乙酸被转化为乙酰辅酶 A 与 1 mol 丙酸被转化为丙酰辅酶 A 所需的能量相 同， 均为 0. 1 molATP［12］， 所以消耗相同 COD 值的乙 酸和丙酸时， 乙酸所需的由聚磷分解提供的 ATP 更 多， 最终导致释磷量较丙酸大;此外， 相对乙酸， 反应 器中的 GAO 更倾向于吸收丙酸， 这给 PAO 吸收丙酸 释磷造成不利影响。混酸释磷速率最高， 1 h释磷达 到 92 ， 这得益于 PAO 利用聚磷分解产生的能量， 对 同时吸收乙酸和丙酸较 GAO 有优势 ［13］。而 1 h 后 PAO 体内聚磷或者糖原分解殆尽， 释磷速率急剧下 降， 此时 COD 降解主要由 GAO 贡献;与丙酸作为碳 源相比， 乙酸同样具有很高的释磷速率， 在第 1 h 内 释磷达到 86 。这是由于聚磷分解产生的能量能迅 速活化乙酸为乙酰辅酶 A， 后者一部分进入三羧酸循 环 TCA 为机体提供生命所需能量， 一部分在 NADH 的还原作用下直接转化成 PHB， 作为能源物质储存 在体内 ［14］。这两种反应都较快， PAO 需不断水解体 内聚磷来提供能量， 所以释放的 SOP 也相应增加。而 且 α-GAO 对丙酸的竞争吸收也对 PAO 释磷造成一 定阻碍。与混酸相比， 乙酸在第 1 h 后释磷占 14 ， 高于混酸的 8 ， 这种二次释磷现象其他研究中也存 在 ［15- 16］， 引 起 二 次 释 磷 差 异 的 原 因 不 尽 相 同， Smolders 等人 ［15］在厌氧代谢中引入维持系数来描述 二次释磷， 推测在 SCFA 降解完全后， 富集的 PAO 利 用胞内聚磷进一步降解产生细胞维持所需要的能量。 Pijuan 等人 ［16］推测， PAO 可以利用除 SCFA 以外的基 质如蛋白胨， 酵母浸膏产生二次释磷。本试验中有机 负荷高， 5 h 后 COD 均未降解完全， 可以排除第一种 情况， 此外各反应瓶中除碳源外， 其他营养物质均一 样， 也不符合第二种解释。所以可能的解释是 PAO 降解单位质量的丙酸较乙酸消耗的 PAO 体内糖原或 聚磷更多， 更快， 导致 3 h 后混酸瓶中 PAO 糖原消耗 殆尽， 释磷几乎停止， 而乙酸瓶中 PAO 有足够糖原进 行二次释磷。 2. 2. 2COD 消耗量 3 种碳源条件下系统中 COD 的浓度变化见图 2。 由图 2 所示污泥对不同碳源的降解趋势有所 不同， 丙酸的降解最慢但最彻底， 混酸降解最快但最 少;厌氧初始 1 h COD 降解均较快， 采用最小二乘法 得 到 乙 酸、 丙 酸 和 混 酸 的 平 均 降 解 速 率 分 别 为 178. 4， 322. 07， 113. 68 mg/h， 此阶段 COD 降解量与 释磷量呈显著正相关性， 相关性系数分别为 0. 94、 0. 99、 0. 97， 此时主要为 PAO 降解 COD;厌氧反应 1 ～ 3 h， COD 降解仍较快， 但是厌氧释磷量却很小， 相 关性系数低至 0. 22、 0. 54、 0. 11， 此时释磷与 COD 降 解不具有相关性， 说明 1 ～ 3 h 段主要为对释磷没有 贡献的 GAO 降解 COD; 3 h 后 COD 与 SOP 浓度均基 本稳定， 此时乙酸和混酸的浓度基本相等， 而丙酸浓 度明显低于前二者， 丙酸的吸收率最高而释磷量最小 不利于 PAO 富集。 图 2不同碳源条件下系统中 COD 的浓度曲线 2. 2. 3降解单位 COD 的磷酸盐释放量 rSOP/dCOD 厌氧 0 ～ 2 h， 污泥降解单位混酸释磷量 rSOP/ dCOD 大小顺序为混酸 ＞ 乙酸 ＞ 丙酸;三者 rSOP/dCOD 均在 0. 5 h 达到最大， 分别为 687. 5， 483. 3， 200 mg/ g;2 h 后混酸和乙酸 rSOP/dCOD基本稳定， 此时三种酸 的 rSOP/dCOD基本相等， 约为 150 mg/g。此后混酸和丙 酸的 rSOP/dCOD均有不同程度的微弱下降， 最终乙酸、 丙酸和混酸的 rSOP/dCOD分别为 156. 9， 126. 2， 142. 0 mg/g 见图 3 。 相对于释磷量和释磷速率， PAO 利用碳源的释磷 效率更能反映 EBPR 的运行状况， 释磷效率越高， EBPR 运行效果越好 ［17］。在厌氧前期， 混酸瓶中 r SOP/ dCOD值明显较乙酸和丙酸大。说明 PAO 同时利用两种 碳源的能力强于 GAO， 以混酸为碳源竞争优势明显。 而 2 h 后三种酸的 rSOP/dCOD基本相等， 约为 150 mg/g， 此后混酸和丙酸的 rSOP/dCOD均有不同程度下降， 最终 乙 酸、丙 酸 和 混 酸 的 rSOP/dCOD为 156. 9，126. 2， 142. 0 mg/g。这说明在碳源充足的情况下， 超过一定的 时间后 本实验中为 1 h 左右 ， PAO 体内糖元和聚磷 等储能物质耗尽而不再吸收碳源， 这就为 GAO 生长提 14 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 供了机会， 最终导致 PAO 失去竞争优势而使系统崩 溃。所以厌氧时间应该严格控制， 不宜过长。 图 3不同碳源条件下系统中消耗单位 COD 所释放的磷酸盐浓度曲线 3结论 1 不同碳源条件下， 释磷速率从高到低依次为 混酸 ＞ 乙酸 ＞ 丙酸， 而释磷效率 降解单位 COD 的释 磷量 从高到低依次为乙酸 ＞ 混酸 ＞ 丙酸。 2 混酸条件下 PAO 降解速率快， 能有效抑制 GAO 生长， 有利于 PAO 富集。乙酸条件下由于存在 二次释磷， 导致释磷时间较长， 不利于淘汰 GAO 和富 集 PAO;丙酸大部分被 GAO 降解， 释磷效率低， 不适 合作为单一碳源富集 PAO。 3 EBPR 启动期内， 厌氧段时间应先短后长， 碳 源浓度先低后高， 使碳源在厌氧段消耗完毕， 防止因 厌氧时 间 过长， PAO 体 内 储 能 池 能 量 不 足 而 促 成 GAO 生长， 也能防止碳源遗留到好氧阶段为好氧菌 提供碳源。 参考文献 ［1］Stephen Y， Tom S， John N L， et al． Biotechnology for phosphorus removal during wastewater treatment［J］． Biotechnology Advances， 1986， 4 1 13- 26． ［2］Thomas M， Wright P， Blackall L， et al． Optimization of Noosa BNR plant to improve perance and reduce operating costs［J］． Water Sci Technol， 2003， 47 12 141- 148． ［3］Hood C R， Randall A A． A biochemical hypothesis explaining the response of enhanced biological phosphorus removal biomass to organic substrates［J］． Water Res， 2001， 35 11 2758- 2766． ［4］Oehmen A， Yuan Z G， Blackall L L， et al． Comparison of acetate and propionate uptake by polyphosphate accumulating organisms and glycogen accumulating organisms［J］．Biotechnol Bioeng， 2005， 91 2 162- 168． ［5］Wang Y Y， Jiang F， Zhang Z X， et al． The long-term effect of carbon source on the competition between polyphosphorus accumulating organisms and glycogen accumulating organism in a continuous plug- flow anaerobic/aerobic A/O process［J］． Bioresour Technol， 2010， 101 1 98- 104． ［6］Lopez-Vazquez C M， Oehmen A， Hooijmans C M， et al． Modeling the PAO-GAO competition Effects of carbon source， pH and temperature ［J］． Water Res， 2009， 43 450- 462． ［7］国家环境保护总局． 水和废水监测分析方法［M］． 4 版． 北京中 国环境科学出版社， 2002． ［8］Zhang C， Chen Y G， Liu Y． The long-term effect of initial pH control on the enrichment culture of phosphorus-and glycogen-accumulating organisms with a mixture of propionic and acetic acids as carbon sources［J］． Chemosphere， 2007， 691713- 1721． ［9］Lu H B， Oehmen A， Virdis B， et al．Obtaining highly enriched culturesofCandidatusAccumulibacterphosphatesthrough alternating carbonsources ［J］．WaterRes，2006，40 20 3838- 3848． ［ 10］Andrew J S， David J． Enhanced biological phosphorus removal from wastewater by biomass with different phosphorus contents， PartⅠ experimental results and comparison with metabolic models［J］． Water Environment Res， 2003， 75 6 485- 498． ［ 11］Arun V， Mino T， Matsuo T． Biological mechanism of acetate uptake mediated by carbohydrate consumption in excess phosphorus removal systems［J］． Water Res， 1998， 22 5 565- 570． ［ 12］Zhang C， Chen Y G， Andrew A R， et al． 2008．Comprehensive anaerobicmetabolicmodelsforphosphorus-andglycogen- accumulatingorganismsfedwithmixedvolatileacids ［J］． Chemosphere， 2007， 69 11 1713- 1721． ［ 13］Zhou Y， Pijuan M， Zeng R J， et al． Involvement of the TCA cycle in the anaerobic metabolism of polyphosphate accumulating organisms PAOs ［J］． Water Res， 2009， 43 5 1330- 1340． ［ 14］Chen Y G， Randall A A， McCue T．The efficiency of enhanced biological phosphorus removal from real wastewater affected by different ratios of acetic and propionic acid［J］． Water Res， 2004， 38 1 27- 36． ［ 15］Smolders G J F， van der Meij J， van Loosdrecht M C M， et al． A structuredmetabolicmodelfortheanaerobicandaerobic stoichiometry and kinetics of the biological phosphorus removal process［J］． Biotechnol Bioeng， 1994， 47277- 287． ［ 16］Pijuan M， Saunders A M， Guisasola A， et al． Enhanced biological phosphorus removal in sequencing batch reactor using propionate as the sole carbon source［J］． Biotechnol Bioeng， 2004， 8556- 67． ［ 17］Winkler M K H， Bassin J P， Kleerebezem R， et al． Selective sludge removal in a segregated aerobic granular biomass system as a strategy to control PAO-GAO competition at high temperatures［J］． Water Res， 2011， 453291- 3299． 作者通信处卢龙330031南昌市红谷滩新区学府大道 999 号南昌 大学环境科学与工程学院 电话 079183969583 E- maillulong ncu． edu． cn 2012 －07 －08 收稿 24 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期