缺氧條件下PAOs與OHOs碳源競爭研究

高志廣，王在東，周 琪，顧國維

（1．西北電力設(shè)計院，西安 710075；2．同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

缺氧條件下PAOs與OHOs碳源競爭研究

高志廣1，王在東1，周 琪2，顧國維2

（1．西北電力設(shè)計院，西安 710075；2．同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

生物除磷系統(tǒng)中除存在大量聚磷菌（PAOs）外，還存在大量異養(yǎng)菌（OHOs），缺氧條件下兩者可能存在對底物的競爭，有必要對缺氧條件下聚磷菌的表現(xiàn)和代謝規(guī)律進(jìn)行研究。該試驗(yàn)考查了缺氧條件下普通異養(yǎng)菌與聚磷菌對碳源的競爭規(guī)律。根據(jù)研究結(jié)果，上述兩種功能微生物在缺氧條件下對有限碳源存在競爭且各自按照其固有的動力學(xué)模式利用碳源。試驗(yàn)中觀察到乙酸（HAc）對缺氧反硝化的抑制作用，即當(dāng)環(huán)境中存在數(shù)量較多的乙酸時，反硝化聚磷菌無法進(jìn)行反硝化除磷代謝，這與目前對反硝化除磷過程的理解不同。根據(jù)研究結(jié)果，對ASM2D模型有關(guān)反應(yīng)動力學(xué)描述進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)測數(shù)據(jù)表明改進(jìn)后的模型能夠更好地描述缺氧條件下PAOs的生化反應(yīng)。

%PAOs；OHOs；碳源競爭；反應(yīng)動力學(xué)

傳統(tǒng)生物脫氮除磷概念中，硝酸鹽是抑制除磷的一個重要因素，它會降低聚磷菌的厭氧釋磷量和好氧吸磷量，但對缺氧釋磷與反硝化之間的動態(tài)競爭仍然不是十分清楚［1－6］。Malnou等［7］認(rèn)為硝態(tài)氮會抑制厭氧階段聚磷菌的釋磷，而Hascoet等［8］則認(rèn)為釋磷與反硝化反應(yīng)是同步發(fā)生的，并沒有出現(xiàn)先后順序。本研究設(shè)計批式試驗(yàn)對缺氧釋磷與反硝化之間的競爭進(jìn)行探索和初步研究。

1 材料和方法

1．1 聚磷菌的富集

實(shí)驗(yàn)室連續(xù)流AAO除磷裝置用于富集聚磷菌。接種污泥取自上海市某污水處理廠；進(jìn)水取自某生活小區(qū)污水泵房吸水井。馴化穩(wěn)定后系統(tǒng)溶解性正磷去除率達(dá)92%以上，總磷去除率達(dá)78%以上。

1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1．2．1 COD充足情況

從AAO工藝好氧反應(yīng)器中取1．65L活性污泥進(jìn)行離心分離；隨后將離心后的污泥分成3等份并置于3個反應(yīng)器中，將反應(yīng)器置于磁力攪拌器上緩慢攪拌；然后向3個反應(yīng)器中加入不同體積的KNO3溶液，使－N起始濃度分別為10，20，30mg/L；最后根據(jù)AAO工藝的污泥回流比確定批式試驗(yàn)的充水比，向3個反應(yīng)器加入一定量的乙酸鹽溶液和1．5mL微量元素液，使反應(yīng)器中COD起始濃度為300mg/L。在試驗(yàn)過程中，將反應(yīng)器置于20℃的恒溫室中進(jìn)行。從加入乙酸起開始計時，經(jīng)缺氧2h后試驗(yàn)結(jié)束。取樣和分析方法同上。

1．2．2 COD不足情況

取樣和分析方法同上。只是向反應(yīng)器中加入的乙酸量較COD充足情況減少，使反應(yīng)器中COD起始濃度為150mg/L左右。

1．3 分析方法

本實(shí)驗(yàn)CODcr采用氧化－還原滴定法、正磷測試采用鉬銻抗光度法測定［9－10］。 PHAs進(jìn)行離心、冷凍干燥、裂解、萃取等預(yù)處理后送氣相色譜進(jìn)行分析，色譜柱為HP－5柱。

2 結(jié)果與討論

2．1 COD充足情況下厭氧釋磷及反硝化過程

各組批式試驗(yàn)中，初始COD濃度為300mg/L條件下至反應(yīng)結(jié)束，每組SBR反應(yīng)器內(nèi)剩余乙酸濃度都大于20mg/L，說明反應(yīng)過程中碳源充足。－N濃度分別為10，20，30mg/L的3組批式試驗(yàn)比釋磷速率依次為10．4，10．2，10．3mgP/（gSS·h），比硝氮去除速率依次為3．7，4．8，4．4mgN/（gSS·h）。 說明試驗(yàn)范圍內(nèi)硝酸鹽濃度的高低（或碳氮比）對反硝化反應(yīng)及聚磷菌釋磷影響微乎其微。對乙酸和胞內(nèi)PHAs變化速率的統(tǒng)計也支持上述觀點(diǎn)。

圖1 不同硝態(tài)氮濃度下碳源競爭過程

綜上，在有機(jī)物供給充足的條件下，盡管缺氧條件下反硝化過程比聚磷裂解產(chǎn)生更多的ATP，但反硝化作用在獲取碳源并沒有比釋磷具有絕對“優(yōu)先權(quán)”，這兩個過程是同時發(fā)生的，沒有出現(xiàn)先后順序現(xiàn)象，并且釋磷速率、PHAs合成速率和糖原降解速率幾乎不因硝酸鹽的存在而受到影響。

2．2 COD有限情況下厭氧釋磷及反硝化過程

為進(jìn)一步研究碳源不足情況缺氧條件下反硝化作用與釋磷之間的動態(tài)競爭關(guān)系，進(jìn)行了進(jìn)水COD濃度為150mg/L，－N濃度10mg/L和30mg/L下聚磷菌與反硝化菌對碳源的利用競爭批式試驗(yàn)。

圖2 不同硝態(tài)氮濃度下碳源競爭過程

圖2b所示，NO3－－N濃度為30mg/L的批式試驗(yàn)中，當(dāng)缺氧反應(yīng)至60min時，乙酸已經(jīng)消耗殆盡（4mg/L），此后系統(tǒng)釋磷及反硝化速率減慢并過渡至缺氧反硝化階段，異養(yǎng)菌的反硝化活動終止，聚磷菌的代謝則轉(zhuǎn)為利用硝酸鹽為電子受體的反硝化除磷。

對上述兩批式試驗(yàn)中的各基質(zhì)變化曲線進(jìn)行擬合，可得各基質(zhì)比變化速率，如表1所示。

表1 COD為300mg/L和不同－N濃度條件下各基質(zhì)比變化速率

表1 COD為300mg/L和不同－N濃度條件下各基質(zhì)比變化速率

PHAs/mgPHAs/gSS·h 10（C/N=30） 10.4 3.7 51.1 13.2 10（C/N=15） 10.3 4.8 47.2 13.5 20（C/N=15） 10.1 4.1 52.6 13.8 30（C/N=10） 10.2 4.4 51.8 14.9 30（C/N=5） 10.1 4.3 48.5 10.9 NO3--N濃度 P/mgP/gSS·h NO3--N/mgN/gSS·h HAc/mg/gSS·h

2．3 關(guān)于聚磷缺氧儲存的動力學(xué)描述

國際水協(xié)最初的生物除磷模型中是通過在聚磷菌PHAs儲存過程動力學(xué)中加入由SO2和SNO3引起的抑制開關(guān)函數(shù)來保證聚磷菌厭氧PHAs儲存過程描述的［11］。然而，自從有報道證實(shí)這一過程在好氧和缺氧條件下也可以發(fā)生以來，動力學(xué)表達(dá)式中已不包括上述兩個開關(guān)函數(shù)。這樣就造成一個問題，即現(xiàn)有的聚磷菌PHAs儲存和聚磷缺氧儲存兩過程可以在缺氧條件下同時發(fā)生，聚磷菌在進(jìn)行釋磷反應(yīng)的同時也在進(jìn)行反硝化除磷。顯然這與上述試驗(yàn)結(jié)果相矛盾。

利用ASM2D模型的后果是缺氧條件下聚磷菌儲存的PHAs有相當(dāng)一部分通過聚磷缺氧儲存過程消耗掉而不是通過后續(xù)的聚磷好氧儲存利用。眾所周知，聚磷菌好氧生長速率大于缺氧生長速率，這樣系統(tǒng)聚磷菌的增長能力被低估，而生物強(qiáng)化除磷系統(tǒng)中磷的去除主要是通過排出剩余污泥實(shí)現(xiàn)的，因此系統(tǒng)的除磷能力也將被低估。

前面已經(jīng)提到聚磷菌與異養(yǎng)菌在缺氧條件下存在碳源競爭但又互不影響各自反應(yīng)速率，那么如何解釋進(jìn)入?yún)捬醵?區(qū)的硝酸鹽對聚磷菌除磷效果的破壞現(xiàn)象。結(jié)合上述試驗(yàn)研究，筆者認(rèn)為聚磷菌除磷性能的降低不是因?yàn)榫哿拙鶳HAs儲存速率降低而引起的，而是由于可利用易生物降解有機(jī)物不足造成的。

對于易降解有機(jī)物對反硝化除磷所具有抑制作用最簡單的描述就是在ASM2D模型中有關(guān)聚磷缺氧儲存過程動力學(xué)表述基礎(chǔ)上增加一個關(guān)于SA的抑制開關(guān)。改進(jìn)后的聚磷缺氧儲存過程動力學(xué)表達(dá)式如下：

圖3 缺氧反硝化動力學(xué)表達(dá)修改對AOP工藝厭氧池模擬的改善

圖4 缺氧反硝化動力學(xué)表達(dá)修改對AAO工藝厭氧池模擬的改善

進(jìn)行上述修正后，模型模擬結(jié)果尤其是對厭氧池釋磷的模擬有了較大改善。圖3、4是聚磷缺氧存儲動力學(xué)表達(dá)式修正前后對AOP和AAO工藝連續(xù)流運(yùn)行模擬計算結(jié)果的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，增加關(guān)于SA的抑制開關(guān)后，對AOP和AAO工藝厭氧池磷酸鹽和PHAs的模擬均得到改善，這也從一個側(cè)面證明前述有關(guān)乙酸對反硝化除磷過程抑制作用描述的正確性。

3 結(jié)語

對COD充足和不足兩種情況下缺氧反應(yīng)的考查發(fā)現(xiàn)，PAOs和OHOs之間的確存在對碳源的競爭。但當(dāng)易生物降解有機(jī)物充足時異養(yǎng)菌反硝化反應(yīng)和聚磷菌厭氧釋磷活動均遵循各自的動力學(xué)表達(dá)，相互之間影響不大。

環(huán)境中易降解有機(jī)物對反硝化除磷具有抑制作用。當(dāng)環(huán)境中易降解有機(jī)物高于某一濃度時，聚磷菌只發(fā)生厭氧釋磷反應(yīng)，反硝化除磷反應(yīng)被抑制或關(guān)閉；當(dāng)環(huán)境中易降解有機(jī)物低于某一濃度時，反硝化除磷反應(yīng)才得以進(jìn)行。從試驗(yàn)結(jié)果來看，該抑制開關(guān)濃度很低，約為1～4mg/L。

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Study on Competition between OHOs and PAOs on Carbon under Anoxic Condition

GAO Zhi－guang1，WANG Zai－dong1，ZHOU Qi2，GU Guo－wei2
（1．Northwest Electric Power Design Insititute，Xi’an710075，China； 2．Tongji University，Shanghai200092，China）

PAOs；OHOs；carbon competition；kinetics

X703．5

A

1672－9900（2012）01－0001-03

2011-11-24

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目城市污水處理系統(tǒng)智能控制理論、方法與技術(shù)（501380110）

高志廣（1978—），男（漢族），河北邢臺人，博士，主要從事市政、環(huán)境工程設(shè)計及電力水務(wù)設(shè)計工作，（Tel）13991295920。

Abstrct： A large number of phosphorus accumulative organisms （PAOs） and ordinary heterotrophic organisms （OHOs）exist in biological phosphorus removal system．There may exist substrate competition between the above organisms．In this paper，competition between （OHOs） and PAOs on carbon under anoxic condition is investigated．Although kinetic performance of OHOs and PAOs appears irrelevant，inhibition of acetic acid on anoxic polyphosphate storage is found according to batch test designed．The phenomenon is inconsistent with common understanding of denitrifying phorsphorus removal．According to the study，a part of ASM2D model describes the reaction kinetics has been improved．The measured data show that the improved model can better describe biochemical activity of PAOs under anoxic conditions．