厭氧反應時間對反硝化聚磷工藝的影響

王亞宜，王 鴻，郭 剛，潘綿立

（1.同濟大學 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海200092；2.上海醫藥工業研究院，上海200040）

反硝化聚磷技術是利用一類反硝化聚磷菌（DPAOs）可利用亞硝酸鹽/硝酸鹽為電子受體，以胞內儲存物聚羥基烷酸酯（PHA）為電子受體，通過“一碳兩用”原則來同步完成反硝化脫氮和過量吸磷目的的［1］.因反硝化聚磷技術具備節省碳源和曝氣量以及污泥產量低等諸多優勢已成為污水處理領域競相研究的熱點技術之一［2］.

在厭氧階段，DPAOs將胞內聚磷水解并利用該過程釋放的能量三磷酸腺苷（ATP）及糖原提供的還原力來完成碳源的吸收和PHA的合成，以作為后續缺氧反硝化的電子供體；而缺氧階段PHA降解產生的能量可用于聚磷的合成，最終實現除磷目標［3］.可見，PHA作為細胞的物質和能量轉換中心，在DPAOs的代謝過程扮演重要角色，其在厭氧階段的合成水平直接決定著后續缺氧吸磷的功效以及DPAOs是否可占優勢.如果厭氧反應時間過短，則PHA合成可能不充分；相反，厭氧反應時間過長將可能使微生物長期暴露于饑餓狀態，并導致PHA的無效損失［4］，繼而削弱后續反硝化脫氮除磷效果.

因此，考察厭氧反應時間對反硝化除磷代謝特征以及功能微生物的影響對于明晰反硝化除磷科學機理，提高反硝化除磷工藝的穩定性具有重要意義.本研究通過設定三個水平的厭氧反應時間tR（90，120和150min），考察了不同厭氧反應時間對反硝化除磷效果的長期影響作用，同時探索了微生物種群結構及形態學特性變化.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

厭氧反應時間對反硝化除磷效果的影響試驗在序批式反應器（sequencing batch reactor，SBR）中進行.如圖1所示，SBR為圓柱形有機玻璃容器，有效容積為2.5L，充水比為0.7.反應器內配有攪拌裝置，同時內置pH 、氧化還原電位（ORP）及溶解氧（DO）傳感器，實現在線監測和控制.

圖1 SBR試驗裝置和控制系統Fig.1 The schematic diagram of experimental SBR

1.2 試驗廢水

試驗采用模擬配水，溶液化學需氧量（COD）為300mg·L－1，其中CH3COONa的質量濃度為276.75mg·L－1，CH3CH2COONa的質量濃度為72mg·L－1，KH2PO4的質量濃度為21.97mg·L－1，CaCl2的質量濃度為10mg·L－1，MgSO4·7H2O的質量濃度為85mg·L－1，NH4Cl的質量濃度為38.18mg·L－1，烯丙基硫脲（ATU）的質量濃度為4mg·L－1，微量元素液為0.5mL·L－1.微量元素液的組成及濃度參見文獻［5］.在厭氧末，即分別為90，120和150min時，投加KNO3溶液形成缺氧環境.

1.3 SBR運行與試驗

接種污泥取自上海某污水處理廠二沉池污泥，該污泥具有生物脫氮除磷功能.在SBR裝置中首先通過An/A/O交替運行，進行DPAOs的富集.該SBR有效容積為7.5L，充水比為0.7.本試驗1d設定3個周期，一個周期為8h，其中：進水5min，厭氧2h，缺氧3.5h，好氧30min，靜置60min，排水5 min，閑置50min.其他運行參數如下：污泥質量濃度維持在4 000mg·L－1左右，泥齡控制在20d左右.經過120d馴化后，揮發性懸浮固體（VSS）與懸浮固體（SS）的質量濃度比ρVSS/ρSS穩定在0.72～0.75，認為系統已達穩定狀態，DPAOs馴化結束.

將馴化好的DPAOs均分三份，接種到2.5L的SBR中（圖1）.將厭氧反應時間tR分別設定為90，120和150min，相應調整閑置時間，其他運行時間及參數不變.經過115d的馴化后，三個SBR中污泥的ρVSS/ρSS分別穩定在0.72～0.76、0.7～0.75及0.75～0.80，認為系統已達穩定狀態.再比較三個系統的脫氮除磷效果，觀察污泥形態變化，并利用熒光原位雜交技術（fluorescence in situ hyrbridisation，FISH）檢測功能菌的數量變化.

1.4 常規指標分析方法

取水樣直接過膜（孔徑4.5μm），然后測定PO43－－P、NH4＋－N、NO2－－N、NO3－－N 及混合液懸浮固體MLSS、混合液揮發性懸浮固體MLVSS，測量方法采用中國國家環境保護標準測試方法.COD測定使用Merck COD試劑，糖原測量采用蒽酮試劑法，PHA 測 定 采 用 氣 相 色 譜 法［6］，胞外 聚 合 物（EPS）測定方法見文獻［7］.

1.5 分子生物學FISH分析方法

取好氧末污泥，采用FISH測定微生物種群.總的微生物群落用EUBMIX探針標記，探針PAOMIX用來標記PAOs中的Accumulibacter，探針GAOQ989與探針GBG2結合用來標記GAOs中的Competibacter.探針 ALF969（甲酰胺濃度為35%）用來標記聚糖菌（GAOs）中的Alphaproteobacteria.

2 結果與討論

2.1 不同厭氧反應時間對An/A/O－SBR脫氮除磷效果的影響

2.1.1 不同厭氧反應時間的長期脫氮效果比較

如圖2a，2b所示，在運行80d后，厭氧反應時間為90和120min的兩組SBR系統總氮（TN）去除率均穩定在90%～100%，平均去除率分別為93%與97%.在后期，厭氧反應時間為120min的SBR系統TN去除率不如厭氧反應時間為90min的SBR系統穩定.而厭氧反應時間為150min的SBR脫氮效果最不穩定，TN去除率通常在60%～100%之間波動（圖2c），而80d后的平均去除率為81%.

圖2 厭氧反應時間不同的系統長期脫氮效果比較Fig.2 Variations in N obtained in the long－term operation of the three systems with different anaerobic time

從An/A/O SBR長期的反硝化效果來看，厭氧反應時間為150min反應器積累的NO2－－N較厭氧反應時間為90或120min的反應器要多（圖2c），其缺氧末NO2－－N積累有時高達12.8mg·L－1，相應的游離亞硝酸（FNA）質量濃度為2.9×10－4mg·L－1.較高的FNA往往會抑制反硝化速率，導致脫氮效果變差［8－9］.

2.1.2 不同厭氧反應時間的長期除磷效果比較

在運行80d后，厭氧反應時間為90和120min的兩組SBR厭氧釋磷量分別穩定在25～30mg·L－1和15～20mg·L－1，缺氧除磷效果均穩定在50%左右；在好氧末，系統除磷效果穩定在80%左右，80d后兩個SBR的磷平均去除率分別為85%和73%（圖3a，3b）.而厭氧反應時間為150min的系統厭氧釋磷及缺氧、好氧除磷效果不穩定，其厭氧釋磷的下降可能是由FNA的抑制作用導致的，因為試驗中厭氧反應時間為150min系統的FNA質量濃度有時可達2.9×10－4mg·L－1.而根據文獻［10］報導，當 HNO2－N 的質量濃度達到5×10－3mg·L－1時，PAOs厭氧釋磷量可降低50%，這與本研究結果相符.

FNA影響生物除磷效果，可能有兩方面的原因.①FNA作為解偶聯劑，通過提高質子透過膜的通透性而破壞質子驅動力，從而在不抑制呼吸鏈遞氫的同時卻抑制了ATP的合成，使氧化與磷酸化偶聯過程脫離［11］；② 高FNA將破壞多聚磷酸激酶（PPK），從而破壞PAOs的吸磷過程［9］.缺少了PPK的參與，PAOs無法正常合成聚磷.

2.1.3 不同厭氧反應時間 An/A/O－SBR 系統PHA、糖原合成及脫氮除磷效果

圖3 厭氧反應時間不同的系統長期除磷效果比較Fig.3 Variations in P obtained in the long－term operation of the three systems with different anaerobic time

基于三個SBR的長期運行效果，開展了典型周期各生化指標的檢測.圖4給出了三個SBR第345個周期胞內物質（PHA和糖原）的變化情況.隨著厭氧反應時間從90min延長為150min，PHA在厭氧段的含量水平降低，其中聚羥基丁酸酯（PHB）減少量尤為明顯.厭氧反應時間為150min較厭氧反應時間為90min的PHB合成量減少了近20%.在缺氧段，厭氧反應時間為120和150min的PHA消耗量分別為厭氧反應時間為90min反應器合成PHA量的92%和77%.對應圖3中脫氮除磷效果隨厭氧反應時間的延長而下降，可得出結論：厭氧反應時間延長造成脫氮除磷效果的變差，主要是由PHA厭氧段的含量水平低以及在缺氧段的降解效率低造成的.

厭氧段PHA隨厭氧反應時間的延長而降低有兩方面的原因：（1）厭氧反應時間為150min的反應器在厭氧段初期，普通異養反硝化菌（OHB）利用進水中的一部分COD迅速將溶液中上一周期滯留下來的NO3－－N和NO2－－N反硝化，而因三個反應器初始的COD相同，這就造成了厭氧反應時間為150 min SBR系統PHA合成量的降低；（2）由于厭氧反應時間的過長造成了PHA在厭氧段的無效損失.在厭氧階段，當系統缺少外碳源時，微生物通過內源代謝消耗PHA來提供自身所必須的能量，因此從圖4（圖中PHA＝PHB＋PHV，其中PHV為聚羥基戊酸酯）中可以看出，厭氧反應時間為150min時，厭氧反應時間已經過長，造成厭氧段PHA含量水平的降低.

圖4 典型周期（第345個周期）中PHA與糖原的變化比較Fig.4 Variations of PHA and glycogen during one cycle（the 345th cycle）in the three batch reactors

對比三個不同厭氧反應時間系統的脫氮效果（表1），表中厭氧反應時間為150min的反應器在缺氧初，NO3－－N少投加了2.4mg·L－1，是為了避免其在缺氧末亞硝酸鹽或FNA的大量積累.發現厭氧反應時間設定越長，NO3－－N與NO2－－N比還原速率越低，導致脫氮效果下降（去除率分別為100%、92%和79%）.厭氧末PHA水平低同時也造成反硝化過程各種酶對電子的競爭［12］，由于硝酸鹽還原酶（Nar）對電子的捕捉能力較亞硝酸鹽還原酶（Nir）強，這種不平衡性造成了FNA的積累，繼而產生一系列對反硝化及除磷的抑制作用.

表1 不同厭氧反應時間對反硝化效率的影響（第345個周期）Tab.1 Comparison of the N and P removal during one cycle（the 345th cycle）in batch experiments

分析第345個典型周期，厭氧反應時間為90 min的反應器除磷效果可達93%；厭氧反應時間為120min的反應器除磷效果降為65%.而厭氧反應時間為150min的反應器經過長期運行，其厭氧釋磷量僅為4.1mg·L－1（圖5），這主要是因為PHA水平及其在缺氧段降解效率的降低，造成反硝化效率的降低，繼而造成的亞硝酸鹽或FNA的積累抑制了多聚磷酸激酶（PPK酶）或PHA氧化時能量的產生，最終導致除磷效率的下降［13］.

圖5 典型周期中（第345個周期）P/N去除特性比較Fig.5 Variations of P/N during one cycle（the 345th cycle）in the three batch reactors

2.2 不同厭氧反應時間對An/A/O－SBR微生物種群結構的影響

本試驗中，隨著厭氧反應時間設定值的增高，PAOs含量遞減，分別為（58±2.3）%、（50±2.2）%與（45±2.7）%；而 GAOs（Competibacter）含量遞增，即分別為（28±2.3）%、（30±2.2）%和（42±2.7）%（圖6）.

圖6 不同厭氧反應時間的微生物種群結構比較Fig.6 FISH images from the three reactors in typical cycle tests

Filipe等［14］通過對GAOs和PAOs在厭氧條件下熱力學參數的理論研究發現，若厭氧區的固體停留時間超過吸收揮發性脂肪酸所需時間時，將迫使GAOs和PAOs分解胞內聚合物以滿足細胞的維持生長，本試驗結果表明，過長的厭氧反應時間將使PAOs逐漸從系統中淘洗出去，影響系統脫氮除磷效果.

2.3 厭氧反應時間對An/A/O－SBR系統微生物形態學的長期影響

檢測了各反應器好氧末污泥的胞外聚合物，其蛋白質與糖含量見表2.可見，各反應器蛋白質含量基本相同，而隨著厭氧反應時間設定值的延長，胞外糖含量減少明顯，即厭氧反應時間為120和150min系統污泥的胞外糖含量均比厭氧反應時間為90min的系統減少約20%.由此可以推測，厭氧反應時間過長或外碳源不足時，將迫使微生物消耗胞外糖類來提供能量.而通過檢測污泥絮體粒徑分布（表2），也證實了厭氧反應時間為150min的粒徑要明顯小于較短厭氧反應時間的污泥粒徑.

表2 不同厭氧反應時間下微生物胞外聚合物比較Tab.2 Chemical composition of EPS extracted from the three sludges

對于厭氧反應時間為150min的系統，由于厭氧反應時間過長，在無外碳源情況下，微生物需要消耗自身物質（包括其細胞膜外表面的糖類等物質）來獲得維持生存所需的能量，長此以往，使污泥黏性變差，絮體形成效果差，最終影響系統的脫氮除磷效果.另外，在排泥量相同的情況下，厭氧反應時間為150min的反應器ρSS略低，為3 600mg·L－1，這也是由于厭氧反應時間過長，微生物消耗自身物質所致.

3 結論

通過考察不同厭氧反應時間下反硝化除磷系統的長期運行，結果表明：

（1）厭氧運行時間過長會降低PAOS/DPAOs厭氧末的PHA含量，導致后續缺氧階段FNA的積累，繼而影響反硝化除磷和脫氮效果；

（2）隨著厭氧反應時間的延長，各反應器中PAOs的比例呈下降趨勢，GAOs的比例呈上升趨勢，表明在本試驗條件下，厭氧反應時間過長，對PAOs的富集不利，長期運行將導致系統的惡化甚至崩潰.

（3）從微生物形態來看，由于厭氧反應時間過長，微生物消耗了其體外糖類等物質來提供能量以維持生存，使得絮體黏性變差，最終導致厭氧反應時間為150min的反應器中微生物絮體較小，絮體形成效果較差.

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