起始pH值對序批式反應(yīng)器中強化生物除磷系統(tǒng)的影響研究

李亞靜 ，譚靜亮

(天津城市建設(shè)學(xué)院 a. 天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點實驗室；b. 環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384)

厭氧/好氧生物除磷(EBPR)是廢水除磷的一種有效技術(shù).在 EBPR的厭氧階段，揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)被消耗并以聚羥基烷酸(PHAs)的形式儲存，PHAs合成所需的能量及還原物質(zhì)通常由胞內(nèi)聚磷(poly-P)和糖原降解提供，體系中磷的濃度因此會上升；好氧階段，聚磷菌依靠氧化胞內(nèi)的PHAs為微生物生長、磷吸收和糖原合成提供碳源和能源.由于好氧磷吸收超過厭氧磷釋放，可通過排泥達到磷去除.

研究結(jié)果表明[1-2]，pH值是影響除磷效率的關(guān)鍵因素之一，在一定范圍內(nèi)提高pH值可提高除磷效果.文獻中已有一些關(guān)于 pH值對 EBPR影響的報道[3-5]，但這些研究都是在控制整個厭氧和好氧階段pH值條件下進行的.考慮到實際工程中，控制整個厭氧和好氧階段的pH值較為不便，而且代價也很高，因此，本實驗采用只控制反應(yīng)器的起始pH值來探討pH值對EBPR的影響及機理.

EBPR技術(shù)中，除磷過程的實質(zhì)是利用微生物所產(chǎn)生的多種酶催化一系列生物氧化還原反應(yīng).其中，脫氫酶參與微生物體內(nèi)氧化—還原反應(yīng)的全過程，其活性反映了活性微生物量及其對有機物的代謝能力.目前，關(guān)于pH值如何影響EBPR酶系統(tǒng)的活性報道較少，而它的研究對深入認識聚磷菌生化調(diào)節(jié)機理具有指導(dǎo)作用.因此，本文還將對不同pH值下PAO富集的EBPR系統(tǒng)的脫氫酶活性進行研究，并探討其對聚磷微生物生長和代謝的影響.

1 材料與方法

1.1 接種污泥

實驗所用的接種污泥取自天津市某污水處理廠二沉池污泥.

1.2 實驗裝置及運行

實驗在3個SBR中進行，如圖1所示.有效容積為4.50 L，每周期進水量3.15 L.每天運行4個周期，每周期 6 h，其中厭氧 2 h，好氧 3 h，DO控制在2 mg/L左右，其余1 h為沉淀、排水和閑置時間.由時間程序控制器及附屬電子線路控制運行周期和各段進水、厭氧、曝氣、沉淀、排水等.采用電動攪拌器使厭氧階段反應(yīng)器內(nèi)混合液均勻，以曝氣器連接曝氣頭作為好氧階段氣源.

圖1 試驗裝置

1.3 進水配制

用自配模擬生活污水進行實驗室小試，配水水質(zhì)見表 1.進水采用乙酸/丙酸作為混合碳源(摩爾比為1∶2)；厭氧開始時反應(yīng)器化學(xué)需氧量為 200 mg/L，磷質(zhì)量濃度為 10 mg/L.混合液揮發(fā)性懸浮固體(VSS)約3000 mg/L，污泥齡約為10 d.

表1 配水水質(zhì)

1.4 分析方法

可溶解性正磷酸鹽(SOP)采用鉬銻抗分光光度法；混合液懸浮固體(MLSS)，混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)按標準方法測定；脫氫酶活性的測定按尹軍等[6]的方法進行；采用熒光原位雜交(fluorescence in situ hybridization，簡稱 FISH)用于確定EBPR系統(tǒng)中 PAOs所占比例，具體方法參考Amann[7].本實驗采用 16 srRNA-EUBMIX探針(EUB338，EUB338-Ⅱ和EUB338-Ⅲ)標記表征所有細菌；采用 PAOMIX探針(PAO462，PAO651和PAO846)標記表征聚磷功能菌即 PAOs；污泥樣品雜交后，用熒光顯微鏡(奧林巴斯 IX71)切換不同的濾光片組觀察，并用影像捕捉系統(tǒng)攝像，用Imagepro-Plus 6.0對所得圖片進行分析，并計算PAOs占全菌的比例.

2 結(jié)果與討論

2.1 pH的周期變化

厭氧階段開始時，將各反應(yīng)器內(nèi)pH值分別調(diào)節(jié)為 6.5，7.0和 7.5，相應(yīng)的反應(yīng)器編號為 SBRl～SBR3.反應(yīng)器的pH值調(diào)節(jié)使用0.5 M HC1或0.5 M NaOH，pH值在進水倒入反應(yīng)器的瞬間調(diào)節(jié)；在厭氧起始控制pH值策略中，pH值變化如圖2所示.厭氧階段，各反應(yīng)器中的pH值均向中性變化，在厭氧末，起始pH值為6.5，反應(yīng)器的pH值升高至7.1，起始pH值為7.5，反應(yīng)器pH值下降至7.2，而起始pH值為7.0則反應(yīng)器的pH值基本保持不變.好氧階段，由于CO2溢出，pH值升高，但由于厭氧起始pH值不同，3個反應(yīng)器的好氧末pH值也不同，較高的厭氧起始pH值對應(yīng)較高的好氧末pH值.

圖2 不同起始pH值的SBR中pH的周期變化

2.2 pH對EBPR磷代謝及微生物生長的影響

經(jīng)過1個月的馴化期，3個SBR反應(yīng)器污泥的SOP釋放與吸收達最大，SOP去除率穩(wěn)定，污泥沉降性能提高并穩(wěn)定.此時，可以認為聚磷菌在各SBR反應(yīng)器富集并處于穩(wěn)定狀態(tài).

表2為不同pH值下一個周期內(nèi)溶解性正磷酸鹽(SOP)變化情況.由表2可知，隨著pH值的升高，厭氧釋磷量和好氧吸磷量都逐漸增加，釋磷速率和吸磷速率也在增加.Yagci等[8]比較了不同條件下EBPR中吸收單位VFA時的厭氧釋磷量，認為在具有較高SOP釋放／VFA吸收的EBPR系統(tǒng)中，聚磷菌的含量也增大.由于3個反應(yīng)器的進水量完全相同，而較高的pH對應(yīng)較高的釋磷量，因此，推測在pH＝7.5時聚磷菌的含量最高.為了驗證這種推測，本文采用FISH結(jié)合DAPI染色的方法鑒定聚磷菌并計算其含量比，如圖3所示.DAPI染色在FISH雜交后對同一樣品進行染色，DAPI與DNA結(jié)合會呈現(xiàn)藍色，而與多聚磷酸鹽結(jié)合會呈現(xiàn)黃色，既可以提供觀片的背景色，又可以觀察目標微生物的多聚磷酸含量情況.通過直接計數(shù)法測得，三種pH值條件下，聚磷菌占總菌的比例分別為 51.5%，59.3%，64.2%，pH＝7.5條件下聚磷菌含量最多.從分子生物學(xué)角度分析了三種pH值條件下系統(tǒng)對磷的去除性能.與厭氧釋磷相比，SOP的好氧吸收增加得更快，所以SOP的去除率由82.69%增加到98.50%.隨著pH值升高，隨著馴化污泥的pH值升高，SVI逐漸增加，由89增加到108，污泥沉降性能較為穩(wěn)定.此結(jié)果表明，pH值升高有利于EBPR中聚磷微生物的生長.

表2 pH對EBPR磷代謝的影響

圖3 三種pH值下系統(tǒng)中聚磷菌的FISH分析

2.3 進水pH對聚磷微生物酶活性的影響

在不同pH條件下，脫氫酶活性在一個周期內(nèi)的變化趨勢相同，如圖4所示.由圖4可知，脫氫酶活性在厭氧過程沒有明顯變化，這是由于厭氧階段不存在最終電子受體，因而脫氫酶活性基本不變[9].在好氧階段，脫氫酶活性隨著時間延長而降低，并且厭氧階段活性大于好氧階段活性.結(jié)果與文獻報道一致，如Goel等人[10]研究發(fā)現(xiàn)，脫氫酶活性在厭氧階段比在好氧階段高40%～60%；Trevors等人[11]對土壤的脫氫酶活性進行研究，發(fā)現(xiàn)厭氧階段的活性大于好氧階段的活性，其原因有待于進一步研究.

圖4 不同pH值厭氧和好氧條件下脫氫酶活性的變化曲線

由前述可知，好氧末脫氫酶活性可以反映微生物細胞的合成能力，脫氫酶活性在好氧始和好氧末的差值可以反映 PHA降解能力.在不同 pH值條件下，好氧始和好氧末的脫氫酶活性如圖5所示.由圖5可知，隨著pH值升高，好氧末脫氫酶活性增加，表明微生物細胞的合成能力增強.這說明，較高的pH有利于聚磷菌的生長代謝，從而提高了除磷效率.同時，也反映了在高pH下，EBPR除磷效率的提高是由于聚磷微生物的富集，這進一步說明在一定pH范圍內(nèi)，高pH時除磷效率的改善主要是微生物作用而不是化學(xué)作用[2].脫氫酶活性在好氧始和好氧末的差值隨著pH升高變化不大，表明微生物降解PHA的速率受pH值的影響較小.

圖5 不同pH值下好氧始與好氧末脫氫酶活性的變化曲線

3 結(jié) 論

(1)控制起始pH值在6.5～7.5范圍內(nèi)，隨著pH值升高，厭氧釋磷量和好氧吸磷量都逐漸增加，釋磷速率和吸磷速率也在增加.在好氧末，可溶解性正磷酸鹽(SOP)濃度 SBR3＜SBR2＜SBR1，除磷效率分別為98.50%，93.87%，82.69%；最佳除磷效果發(fā)生在pH＝7.5.

(2)從分子生物學(xué)角度分析了三種 pH值條件下系統(tǒng)對磷的去除性能.即運用FISH技術(shù)計算出不同pH值條件下聚磷菌在系統(tǒng)中的含量比，得知隨著pH值升高，聚磷菌占總菌的比例分別為21.5%，29.3%，34.2%，在pH＝7.5條件下聚磷菌含量最多，其除磷效果也最高.

(3)比較不同 pH值下增強生物除磷系統(tǒng)中關(guān)鍵酶活性的變化規(guī)律.結(jié)果表明，在 pH＝6.5～7.5范圍內(nèi)，脫氫酶的活性隨著pH的增加而線性增加，表明較高的pH有利于聚磷菌的生長和提高聚磷菌的活性，從而提高了除磷效率.

綜上所述，在高pH下，EBPR除磷效率的提高是由于聚磷微生物的富集，這進一步說明在一定 pH范圍內(nèi)，高pH時除磷效率的改善主要是微生物作用而不是化學(xué)作用.可見，污水起始pH值對EPBR的除磷效果的影響是顯著的，通過控制起始pH值可以達到顯著提高污水除磷效果的目的.

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