高温度工业废水强化生物除磷工艺研究 强化生物除磷(EBPR)是目前应用最为广泛的生物除磷工艺. 该工艺利用聚磷菌(PAO)在厌氧条件下将储存于体内的聚磷酸盐(Poly-P)水解获取能量, 用以吸收水中的挥发性脂肪酸(VFA), 并以聚羟基烷酸酯(PHAs)的形式储存在细胞内; 在好氧条件下PAO 以储存于细胞内的PHAs 作为碳源和能源, 吸收水中的磷并将其合成为Poly-P 进行细胞增殖, 最终通过排除富磷污泥达到污水除磷的目的. 在EBPR 系统中, 还存在与PAO 代谢机制相似的聚糖菌(GAO), 在厌氧条件下GAO 与PAO 竞争基质(VFA), 但在好氧条件下并不摄取磷, 因此, 如何提高PAO 的活性和强化其与GAO 对基质的竞争能力是保证EBPR 工艺稳定运行的重要内容. 有研究表明, 影响EBPR 系统稳定运行的因素主要有碳源、pH 、温度、DO 等, 其中, 温度的影响一直存在争议. 一般认为, 当温度低于20℃时, 有利于PAO 的竞争, 从而提升EBPR 系统的性能; 当温度高于20℃时, GAO 占据竞争优势, 导致污泥中PAO 的份额逐渐减少, 除磷效率逐渐降低, 甚至EBPR 系统的崩溃. 然而, 最新的研究表明, EBPR系统在高温条件下仍可高效除磷. Freitas等在SBR 中采用短期循环(厌氧20 min, 好氧10 min, 静置1 min) 实现了30℃高温条件下EBPR 的稳定运行. Winkler等利用PAO 颗粒污泥与GAO 颗粒污泥密度的差异, 通过排除污泥床上部密度较小的GAO, 在USB 反应器内富集可以适应高温的PAO, 在30℃条件下实现了较好的除磷效果. Ong 等研究表明, 在28~32℃的条件下, 长期运行的EBPR 反应器可以实现95%的磷的去除率, qPCR 检测结果表明污泥中的PAO 为Accumulibacter 的亚种Clade IIF. 但是目前关于温度对EBPR 系统中PAO 的活性以及与GAO 关于基质的竞争能力的影响尚无定论, 因此需要开展相同试验条件下不同温度对PAO 与GAO 之间的竞争影响研究, 尤其是高温条件下对其竞争过程的具体研究显得更加重要.
为了更好地理解高温条件下EBPR 系统中PAOHT 的活性及基质竞争的影响, 本研究以实验室中30℃高温条件下长期运行的具有较好除磷功能的SBR 反应器中的污泥为对象, 结合FISH 技术, 探讨15~30℃(基于南方全年污水温度范围约为10~30℃) 温度条件下高温聚磷菌(PAOHT)的释磷、吸磷以及乙酸吸收速率, 以期为温度变化幅度较大的地区和接收较高温度工业废水的生物除磷系统的稳定运行提供依据.
1 材料与方法1.1 污泥来源
试验污泥取自实验室30℃高温条件下长期运行(430 d)的SBR 反应器[15].该反应器采用A/O方式运行, 每天6个周期, 每个周期为4 h, 其中, 进水7 min, 厌氧1 h, 好氧2 h, 沉淀40 min, 排水10 min, 闲置3 min. 控制水力停留时间(HRT)为8 h, 污泥停留时间(SRT)为8 d. 反应器温度一直维持在30℃. 进水COD(乙酸) 浓度为300 mg ·L-1, 磷(PO43--P)浓度10 mg·L-1, 而出水磷(PO43--P)始终小于0.1 mg·L-1, 磷的去除率高达99%以上. 反应器中的悬浮固体(SS)和挥发性悬浮固体(VSS)浓度分别稳定在2.36 g ·L-1和1.63 g ·L-1, 运行高效稳定.
1.2 活性污泥释磷吸磷速率测定
活性污泥释磷吸磷速率测定采用间歇试验法. 试验装置见图 1.试验开始前, 先采用经脱氧处理的自来水对污泥进行陶洗, 然后将其倒入反应瓶中, 加入配制好的基质溶液(与SBR 反应器进水水质保持一致), 反应瓶底部置有磁力转子保证完全混合状态, 反应过程中
的温度利用水浴槽进行控制. 在厌氧阶段, 通入氮气隔绝空气, 确保反应瓶处于厌氧状态; 在好氧阶段, 以60 L·h-1的速率通入空气, 保证混合液中的溶解氧(DO)大于2 mg·L-1. 在不同反应时间点取样, 测定相应的磷及乙酸浓度, 试验结束时测定混合液的SS 和VSS, 用于计算厌氧释磷速率[以P/VSS计, mg·(g·h)-1, 下同]、好氧吸磷速率[以P/VSS计, mg ·(g·h)-1, 下同]和乙酸吸收速率[以HAc/VSS计, mg·(g·h)-1, 下同].
1. 氮气瓶; 2. 曝气机; 3. 进水管; 4. 取样管; 5. 排气管; 6. 磁力搅拌器; 7. 转子; 8. 反应瓶;
9. 温度计; 10.水浴槽
图 1 间歇试验装置示意
1.3 分析方法
磷(PO43--P)采用钼锑抗分光光度法; 悬浮固体(SS)和挥发性悬浮固体(VSS)采用重量法; 化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法; pH采用玻璃电极法. 挥发性脂肪酸(VFAs)采用气相色谱法(型号：安捷伦6890N), 检测器为氢火焰离子(FID)检测器, 色谱柱型号为DB-FFAP.
1.4 FISH分析方法
样品预处理：取好氧末污泥混合液离去上清液, 加入1 mL 的1×PBS 缓冲溶液重悬, 重复操作两次后, 加入1 mL的4%的多聚甲醛溶液重悬, 置于4℃条件下固定2 h, 然后离去上清液, 加入1×PBS 缓冲溶液离心, 重复3次, 以洗去多余的多聚甲醛溶液, 分别加入0.5 mL的1×PBS 缓冲溶液和无水乙醇, 摇匀置于-20℃下保存.
脱水和杂交：将涂好的载玻片放置于培养箱中干燥, 干燥好的载玻片依次放于75%、95%、100%的乙醇溶液中脱水3 min, 取出后风干. 将事先配好的杂交缓冲液和探针使用液以体积比8：1的比例混合, 避光, 涂于载玻片的样品上, 将载玻片迅速移回到杂交管中, 于46℃条件下杂交2~4 h, 杂交完成后取出载玻片进行洗脱处理并立即风干封片.
样品观测及分析方法：采用激光共聚焦显微镜(德国莱卡SP8) 观察样品和图像采集, 用Image-ProPlus 6.0软件对所采集的图像进行统计分析, 从而确定样品中PAO 、GAO 和EUB 所占比例.
有关荧光探针和杂交的详细操作参见文献.
2 结果与讨论2.1 试验污泥的活性
图 2为试验污泥在30℃下的活性测定结果. 该污泥在厌氧段的最大释磷速率为239.46 mg ·(g·h)-1, 好氧段的最大吸磷速率为79.90 mg·(g·h)-1, 厌氧段的乙酸吸收速率为357.47 mg·(g·h)-1, 对应的吸收单位乙酸释磷量(ΔP/ΔHAc) 为0.628. 说明该污泥中的聚磷菌在高温下具有较好的释磷、吸磷以及对基质的吸收能力.
图 2 试验污泥30℃时厌氧释磷、乙酸吸收及好氧吸磷的变化
Brdjanovic 等关于温度对生物除磷的影响性研究表明, 在30℃时其污泥最大释磷速率为68 mg ·(g·h)-1, 好氧最大吸磷速率为57 mg ·(g·h)-1, 乙酸吸收速率为180 mg ·(g·h)-1, ΔP/ΔHAc 为0.376. 相较之下, 本研究的试验污泥在30℃高温条件下运行长达一年多, 有更好的释磷和吸磷能力, 属于已经适应高温的PAO, ΔP/ΔHAc 的值达到了0.628, 即每吸收1 mol 的乙酸, 释放0.628 mol 的磷, 这也就进一步表明了PAO 为试验污泥中的优势菌群, 且具有更强的基质竞争能力.
2.2 试验污泥中聚磷菌及其份额
图 3为利用目前普遍采用的PAOMIX 探针对试验活性污泥的FISH 检测结果. 从中可见, 试验污泥中的聚磷菌属于Accumulibacter. He 等采用宏基因分析对12个具有除磷功能的城市污水处理厂污泥种群结构进行测定, 结果表明Accumulibacter 下存在5个亚种, 分别为clade Ⅰ、ⅡA 、ⅡB 、ⅡC 和ⅡD, 不同的污水处理厂由于水质和运行条件不同存在着不同种属的PAO. Ong等[14]研究了高温条件下(28~32℃) 以乙酸为基质的EBPR 系统除磷效率, 结果表明, 即使温度高达32℃, EBPR仍获得了较好的处理效果, 利用qPCR 技术分析得出, 污泥中聚磷菌的优势菌属为Accumulibacter 的亚种clade IIF.而Peterson 等发现
Accumulibacter 的不同亚种具有不同的生态生理学特性. 由此说明本系统出现的适应高温的聚磷菌为Accumulibacter 的亚种.
图 3 试验活性污泥中微生物的群落结构
高温度工业废水强化生物除磷工艺研究 强化生物除磷(EBPR)是目前应用最为广泛的生物除磷工艺. 该工艺利用聚磷菌(PAO)在厌氧条件下将储存于体内的聚磷酸盐(Poly-P)水解获取能量, 用以吸收水中的挥发性脂肪酸(VFA), 并以聚羟基烷酸酯(PHAs)的形式储存在细胞内; 在好氧条件下PAO 以储存于细胞内的PHAs 作为碳源和能源, 吸收水中的磷并将其合成为Poly-P 进行细胞增殖, 最终通过排除富磷污泥达到污水除磷的目的. 在EBPR 系统中, 还存在与PAO 代谢机制相似的聚糖菌(GAO), 在厌氧条件下GAO 与PAO 竞争基质(VFA), 但在好氧条件下并不摄取磷, 因此, 如何提高PAO 的活性和强化其与GAO 对基质的竞争能力是保证EBPR 工艺稳定运行的重要内容. 有研究表明, 影响EBPR 系统稳定运行的因素主要有碳源、pH 、温度、DO 等, 其中, 温度的影响一直存在争议. 一般认为, 当温度低于20℃时, 有利于PAO 的竞争, 从而提升EBPR 系统的性能; 当温度高于20℃时, GAO 占据竞争优势, 导致污泥中PAO 的份额逐渐减少, 除磷效率逐渐降低, 甚至EBPR 系统的崩溃. 然而, 最新的研究表明, EBPR系统在高温条件下仍可高效除磷. Freitas等在SBR 中采用短期循环(厌氧20 min, 好氧10 min, 静置1 min) 实现了30℃高温条件下EBPR 的稳定运行. Winkler等利用PAO 颗粒污泥与GAO 颗粒污泥密度的差异, 通过排除污泥床上部密度较小的GAO, 在USB 反应器内富集可以适应高温的PAO, 在30℃条件下实现了较好的除磷效果. Ong 等研究表明, 在28~32℃的条件下, 长期运行的EBPR 反应器可以实现95%的磷的去除率, qPCR 检测结果表明污泥中的PAO 为Accumulibacter 的亚种Clade IIF. 但是目前关于温度对EBPR 系统中PAO 的活性以及与GAO 关于基质的竞争能力的影响尚无定论, 因此需要开展相同试验条件下不同温度对PAO 与GAO 之间的竞争影响研究, 尤其是高温条件下对其竞争过程的具体研究显得更加重要.
为了更好地理解高温条件下EBPR 系统中PAOHT 的活性及基质竞争的影响, 本研究以实验室中30℃高温条件下长期运行的具有较好除磷功能的SBR 反应器中的污泥为对象, 结合FISH 技术, 探讨15~30℃(基于南方全年污水温度范围约为10~30℃) 温度条件下高温聚磷菌(PAOHT)的释磷、吸磷以及乙酸吸收速率, 以期为温度变化幅度较大的地区和接收较高温度工业废水的生物除磷系统的稳定运行提供依据.
1 材料与方法1.1 污泥来源
试验污泥取自实验室30℃高温条件下长期运行(430 d)的SBR 反应器[15].该反应器采用A/O方式运行, 每天6个周期, 每个周期为4 h, 其中, 进水7 min, 厌氧1 h, 好氧2 h, 沉淀40 min, 排水10 min, 闲置3 min. 控制水力停留时间(HRT)为8 h, 污泥停留时间(SRT)为8 d. 反应器温度一直维持在30℃. 进水COD(乙酸) 浓度为300 mg ·L-1, 磷(PO43--P)浓度10 mg·L-1, 而出水磷(PO43--P)始终小于0.1 mg·L-1, 磷的去除率高达99%以上. 反应器中的悬浮固体(SS)和挥发性悬浮固体(VSS)浓度分别稳定在2.36 g ·L-1和1.63 g ·L-1, 运行高效稳定.
1.2 活性污泥释磷吸磷速率测定
活性污泥释磷吸磷速率测定采用间歇试验法. 试验装置见图 1.试验开始前, 先采用经脱氧处理的自来水对污泥进行陶洗, 然后将其倒入反应瓶中, 加入配制好的基质溶液(与SBR 反应器进水水质保持一致), 反应瓶底部置有磁力转子保证完全混合状态, 反应过程中
的温度利用水浴槽进行控制. 在厌氧阶段, 通入氮气隔绝空气, 确保反应瓶处于厌氧状态; 在好氧阶段, 以60 L·h-1的速率通入空气, 保证混合液中的溶解氧(DO)大于2 mg·L-1. 在不同反应时间点取样, 测定相应的磷及乙酸浓度, 试验结束时测定混合液的SS 和VSS, 用于计算厌氧释磷速率[以P/VSS计, mg·(g·h)-1, 下同]、好氧吸磷速率[以P/VSS计, mg ·(g·h)-1, 下同]和乙酸吸收速率[以HAc/VSS计, mg·(g·h)-1, 下同].
1. 氮气瓶; 2. 曝气机; 3. 进水管; 4. 取样管; 5. 排气管; 6. 磁力搅拌器; 7. 转子; 8. 反应瓶;
9. 温度计; 10.水浴槽
图 1 间歇试验装置示意
1.3 分析方法
磷(PO43--P)采用钼锑抗分光光度法; 悬浮固体(SS)和挥发性悬浮固体(VSS)采用重量法; 化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法; pH采用玻璃电极法. 挥发性脂肪酸(VFAs)采用气相色谱法(型号：安捷伦6890N), 检测器为氢火焰离子(FID)检测器, 色谱柱型号为DB-FFAP.
1.4 FISH分析方法
样品预处理：取好氧末污泥混合液离去上清液, 加入1 mL 的1×PBS 缓冲溶液重悬, 重复操作两次后, 加入1 mL的4%的多聚甲醛溶液重悬, 置于4℃条件下固定2 h, 然后离去上清液, 加入1×PBS 缓冲溶液离心, 重复3次, 以洗去多余的多聚甲醛溶液, 分别加入0.5 mL的1×PBS 缓冲溶液和无水乙醇, 摇匀置于-20℃下保存.
脱水和杂交：将涂好的载玻片放置于培养箱中干燥, 干燥好的载玻片依次放于75%、95%、100%的乙醇溶液中脱水3 min, 取出后风干. 将事先配好的杂交缓冲液和探针使用液以体积比8：1的比例混合, 避光, 涂于载玻片的样品上, 将载玻片迅速移回到杂交管中, 于46℃条件下杂交2~4 h, 杂交完成后取出载玻片进行洗脱处理并立即风干封片.
样品观测及分析方法：采用激光共聚焦显微镜(德国莱卡SP8) 观察样品和图像采集, 用Image-ProPlus 6.0软件对所采集的图像进行统计分析, 从而确定样品中PAO 、GAO 和EUB 所占比例.
有关荧光探针和杂交的详细操作参见文献.
2 结果与讨论2.1 试验污泥的活性
图 2为试验污泥在30℃下的活性测定结果. 该污泥在厌氧段的最大释磷速率为239.46 mg ·(g·h)-1, 好氧段的最大吸磷速率为79.90 mg·(g·h)-1, 厌氧段的乙酸吸收速率为357.47 mg·(g·h)-1, 对应的吸收单位乙酸释磷量(ΔP/ΔHAc) 为0.628. 说明该污泥中的聚磷菌在高温下具有较好的释磷、吸磷以及对基质的吸收能力.
图 2 试验污泥30℃时厌氧释磷、乙酸吸收及好氧吸磷的变化
Brdjanovic 等关于温度对生物除磷的影响性研究表明, 在30℃时其污泥最大释磷速率为68 mg ·(g·h)-1, 好氧最大吸磷速率为57 mg ·(g·h)-1, 乙酸吸收速率为180 mg ·(g·h)-1, ΔP/ΔHAc 为0.376. 相较之下, 本研究的试验污泥在30℃高温条件下运行长达一年多, 有更好的释磷和吸磷能力, 属于已经适应高温的PAO, ΔP/ΔHAc 的值达到了0.628, 即每吸收1 mol 的乙酸, 释放0.628 mol 的磷, 这也就进一步表明了PAO 为试验污泥中的优势菌群, 且具有更强的基质竞争能力.
2.2 试验污泥中聚磷菌及其份额
图 3为利用目前普遍采用的PAOMIX 探针对试验活性污泥的FISH 检测结果. 从中可见, 试验污泥中的聚磷菌属于Accumulibacter. He 等采用宏基因分析对12个具有除磷功能的城市污水处理厂污泥种群结构进行测定, 结果表明Accumulibacter 下存在5个亚种, 分别为clade Ⅰ、ⅡA 、ⅡB 、ⅡC 和ⅡD, 不同的污水处理厂由于水质和运行条件不同存在着不同种属的PAO. Ong等[14]研究了高温条件下(28~32℃) 以乙酸为基质的EBPR 系统除磷效率, 结果表明, 即使温度高达32℃, EBPR仍获得了较好的处理效果, 利用qPCR 技术分析得出, 污泥中聚磷菌的优势菌属为Accumulibacter 的亚种clade IIF.而Peterson 等发现
Accumulibacter 的不同亚种具有不同的生态生理学特性. 由此说明本系统出现的适应高温的聚磷菌为Accumulibacter 的亚种.
图 3 试验活性污泥中微生物的群落结构