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(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(xù)降至1∶4及0∶1時,,系統(tǒng)除磷率降至65.7%,、53.4%.當鈉/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(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).強化生物除磷(EBPR)是一種經(jīng)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(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)序批式反應器(SBR).O/EI反應器省略了傳統(tǒng)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(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(xiàn)階段用于生物除磷的有機碳源主要是,、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(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(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反應器除磷性能的機理.
2材料與方法(Materialsandmethods)
?。玻睂嶒炑b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(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.
?。玻参鬯|(zhì)
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
?。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(國家環(huán)境保護局《水和廢水監(jiān)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(nèi)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(nèi),,各反應器除磷率波動較大,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(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(nèi)pH上升.此外,poly?P合成導致氫離子的吸收也會導致系統(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(nèi)pH較低的原因.
各反應器典型周期內(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(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,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(nèi)儲能物質(zhì)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(jiān)測了各反應器運行穩(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(xù)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(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VFAs(鈉)吸收,,進而增強系統(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(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(yōu)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(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(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(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,,這與各反應器內(nèi)源物質(zhì)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(tǒng)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(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.
Mino等(1998)的研究表明,,內(nèi)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.
?。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(jié),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(xù)增加,,較多的乳酸生成導致pH較低,,糖原合成量較大,系統(tǒng)除磷性能減弱.
4結論(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MVFAs吸收,,有利于PHAs合成,可增強延長閑置段處于“饑餓”狀態(tài)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(tǒng)除磷性能減弱.