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），考察了各反應器長期運行過程中的除磷效果，并通過分析典型周期內磷及微生物體內各儲能物質的變化，初步探究不同鈉／甘油比對除磷性能的影響機理．研究表明，當鈉／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／甘油比繼續降至１∶４及０∶１時，系統除磷率降至６５．７％、５３．４％．當鈉／甘油比為１∶１時，聚磷菌體內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）．
　　
　　關鍵詞：甘油；好氧／延長閑置工藝；序批式反應器；生物除磷；聚羥基脂肪酸酯；糖原
　　１引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）
　　磷（Ｐ）是生物體內的重要營養源，而水體中磷過剩會引發水體富營養化（Ｊａｒｖｉｅｅｔａｌ．，２００６）．強化生物除磷（ＥＢＰＲ）是一種經濟有效的除磷方法（Ｏｅｈｍｅｎｅｔａｌ．，２００７），其原理聚磷菌（ＰＡＯｓ）在厭氧條件下吸收水體中揮發性脂肪酸（ＶＦＡｓ）合成聚羥基脂肪酸酯（ＰＨＡｓ），并在隨后的好氧環境中氧化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）序批式反應器（ＳＢＲ）．Ｏ／ＥＩ反應器省略了傳統除磷理論認為必需的厭氧段，將閑置期由１２０ｍｉｎ適當延長至２１０～４５０ｍｉｎ，系統仍能保持良好的除磷效果（王冬波等，２００７）．與傳統ＥＢＰＲ不同，Ｏ／ＥＩ反應器中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）．劉醫璘等（２０１０）研究了葡萄糖和鈉作為單一碳源，對Ｏ／ＥＩ系統除磷的影響．Ｗａｎｇ等（２０１２ａ）研究證實，以丙酸鈉為碳源時，Ｏ／ＥＩ系統也能取得良好的除磷效果．
　　
　　廢水中碳源充足時，ＥＢＰＲ可達到良好的除磷效果（ＤｅＢａｓｈａｎｅｔａｌ．，２００４）．而實際廢水中有機物的含量較低，除磷性能也隨之受到影響，因此，需補充外加碳源以達到預期的除磷效果（吳昌永等，２００９）．現階段用于生物除磷的有機碳源主要是、丙酸等ＶＦＡｓ，這些物質雖易被ＰＡＯｓ利用，但由于成本較高，因此，并不是一種經濟的碳源（Ｐｕｉｇｅｔａｌ．，２００７）．近年來，醇類作為一種價廉易得的碳源得到了廣泛關注（Ｐｕｉｇｅｔａｌ．，２００８）．
　　
　　甘油是生產生物柴油的副產物，產量大而需求量小，且處置費用較高（Ｊｏｈｎｓｏｎｅｔａｌ．，２００７）．同時，甘油是反硝化系統的良好碳源，在厭氧消化過程中可促進甲烷的產生（Ａｋｕｎｎａｅｔａｌ．，１９９３；Ａｍｏｎｅｔａｌ．，２００６）．Ｙｕａｎ等（２０１０）發現，甘油作為單一碳源時，會導致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反應器好氧段前未設置厭氧段，ＰＡＯｓ代謝途徑與傳統ＥＢＰＲ有較大區別（Ｔａｙｅｔａｌ．，１９９６）．因此，甘油能否被Ｏ／ＥＩ系統吸收利用尚未明確，且不同鈉／甘油比對Ｏ／ＥＩ系統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反應器的除磷效果，考察不同鈉／甘油比對Ｏ／ＥＩ系統除磷性能的影響，并通過分析典型周期磷元素及微生物體內各儲能物質的變化，初步探究甘油影響Ｏ／ＥＩ反應器除磷性能的機理．
　　
　　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（分別標記為Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５）中進行．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．反應器具體運行方式為：瞬時進水→曝氣（４ｈ）→沉淀出水（０．５ｈ）→閑置（３．５ｈ）．每周期開始前瞬時進水１Ｌ，好氧段采用鼓風曝氣，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，好氧段結束沉淀０．５ｈ后排水１Ｌ，水力停留時間約為１４ｈ．整個反應過程中不控制ｐＨ，反應器在室溫（（２３±２）℃）條件下運行．按上述方式馴化培養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．
　　２．２污水水質
　　進水采用合成廢水，各反應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（Ｔａｙｅｔａｌ．，１９９６）．
　　２．３分析方法
　　Ｇｌｙｃｏｇｅｎ：酚?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（國家環境保護局《水和廢水監測分析方法》編委會，２００２）．
　　３結果與討論（Ｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ）
　  ３．１各反應器中ＭＬＳＳ和ＭＬＶＳＳ變化
　　各反應器長期運行過程中，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）說明微生物體內有更多的聚磷合成（Ｏｅｈｍｅｎｅｔａｌ．，２００５ｂ）．

３．２長期運行中各反應器的ＳＯＰ和ＣＯＤ去除效果
　　
　　長期運行過程中，各反應器ＳＯＰ去除率變化情況如圖１所示．由圖１可知，運行的前１６ｄ內，各反應器除磷率波動較大，１６ｄ后磷酸鹽去除率趨于穩定．Ｒ１中出水磷濃度約為１．４９ｍｇ·Ｌ－１（表２），去除率可達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（劉醫璘，２０１０）結果相似（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器的ＣＯＤ去除效果，如表中所示，各反應器ＣＯＤ去除情況相似，去除率均高于９０．０％．這表明盡管各反應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為各反應器典型周期ｐＨ的變化情況．由圖２可知，曝氣開始后１２０ｍｉｎ內，Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３中ｐＨ均升高，隨后逐漸下降，終分別穩定在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可引起反應器內ｐＨ上升．此外，ｐｏｌｙ?Ｐ合成導致氫離子的吸收也會導致系統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器內ｐＨ較低的原因．
　　各反應器典型周期內ＳＯＰ和ＣＯＤ變化情況如圖３所示．好氧初期，各反應器均有磷釋出，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，導致混合液中溶解氧濃度較低（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１２ａ）．好氧末，各反應器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，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，但可以參與ＣＯＤ的去除．
　　在聚磷微生物的代謝過程中，其胞內儲存物ＰＨＡｓ和糖原發揮著非常重要的作用，是重要的能量儲存與供給物質（祝貴兵等，２００５）．王冬波等（２００９）的研究表明，當葡萄糖為碳源時，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，微生物細胞內儲能物質的合成和分解會隨有機碳源的不同而變化，從而生物除磷的效率也會有差異．為進一步探討各反應器的不同除磷性能，本研究監測了各反應器運行穩定后典型周期內ＰＨＡｓ和糖原的變化情況（圖４）．

由圖４可知，各反應器典型周期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，而糖原繼續上升，并于１２０ｍｉｎ達到頂點，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ＶＦＡｓ（鈉）吸收，進而增強系統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積累量較小（分別為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；曝氣結束時，ＰＨＡｓ基本恢復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（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，導致ｐＨ較低，糖原合成量較大，糖原作為主要能源物質，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反應器閑置期內外基質貧乏，微生物分解ｐｏｌｙ?Ｐ維持自身生長，強化了ＰＡＯｓ的代謝作用，從而誘導ＰＡＯｓ好氧段過量攝磷．本試驗閑置期，各反應器外碳源消耗完全．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，微生物將優先利用糖原來維持自身生命和代謝，當糖原濃度較低時再分解其他能源物質（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，這與各反應器不同程度的釋磷一致．
　３．４不同鈉／甘油比對好氧／延長閑置反應器除磷性能的影響
　　傳統ＥＢＰＲ系統中，鈉為碳源時，ＰＡＯｓ在厭氧段利用ｐｏｌｙ?Ｐ和糖原分解產生的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，而首先經厭氧發酵生成ＶＦＡｓ，隨后被ＰＡＯｓ利用（Ｇｕｅｒｒｅｒｏｅｔａｌ．，２０１２）．
　　　本研究好氧段前未設置厭氧段，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）循環和乙醛酸循環氧化分解．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，然后經脫氫（產生２．５ｍｏｌＡＴＰ）、氧化（產生４．５ｍｏｌＡＴＰ）、脫羧（產生２．５ｍｏｌＡＴＰ），生成１ｍｏｌ乙酰輔酶Ａ，乙酰輔酶Ａ通過ＴＣＡ循環和乙醛酸循環氧化分解．由此可知，單位甘油氧化分解產生的ＡＴＰ數量多于鈉．因此，Ｒ１～Ｒ５中外碳源氧化分解產生的ＡＴＰ數量隨著甘油比例的增加而逐漸增多．外碳源氧化分解產生的ＡＴＰ主要用于從污水中吸磷、微生物自身代謝及內源物質的積累．由圖３可知，外碳源消耗期各反應器少量的磷去除，表２中也顯示各反應器ＭＬＶＳＳ相差不大，因此，用于微生物生長的ＡＴＰ數量也幾乎相等．由此可知，隨著甘油比例增加，越來越多的ＡＴＰ用于內源物質的合成，這與各反應器內源物質的合成量相一致．
　　
　　各反應器中，隨著甘油比例增大，ＰＨＡｓ轉化量逐漸增加，鈉／甘油比為１∶１時，系統ＰＨＡｓ合成量達到大（圖４）．Ｍｉｎｏ等（１９９８）的研究表明，ＰＨＡｓ含量高可以為后續內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，導致ｐＨ逐漸下降（分別為６．２１、５．９８）．此時碳源代謝產生的內源物質以糖原為主，乳酸和磷酸二羥除了經酸進入ＴＣＡ循環外，還可經糖異生途徑生成糖原，因而Ｒ４、Ｒ５糖原積累量較大．

　Ｍｉｎｏ等（１９９８）的研究表明，內聚物ＰＨＡｓ和糖原的轉化與ＰＡＯｓ和聚糖菌（ＧＡＯｓ）的代謝有關，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．
　　Ｗａｎｇ等（２０１２ｂ）研究證實，Ｏ／ＥＩ系統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，反而可驅動ＰＡＯｓ在好氧段過量吸磷．本研究中，曝氣結束時，各反應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，即釋磷量不同，進而導致了不同的除磷性能．
　　
　　綜上所述，進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．隨甘油比例繼續增加，較多的乳酸生成導致ｐＨ較低，糖原合成量較大，系統除磷性能減弱．
　　４結論（Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）
　　
　　１）甘油作為輔助碳源有利于提高系統除磷性能，而作為單一碳源時，系統除磷性能減弱．
　　２）低含量甘油存在可促進ＶＦＡｓ吸收，有利于ＰＨＡｓ合成，可增強延長閑置段處于“饑餓”狀態的聚磷菌對磷的吸收，誘導其好氧段過量攝磷；甘油含量較高時，會生成較多的乳酸，導致ｐＨ較低，糖原合成量較大，系統除磷性能減弱．