洛克沙胂對污水生物除磷的影響研究*

王 健 包先明

(1. 淮北市環(huán)境科學(xué)研究所，安徽 淮北 235000；2. 淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北235000)

洛克沙胂對污水生物除磷的影響研究*

王 健1包先明2

(1. 淮北市環(huán)境科學(xué)研究所，安徽 淮北 235000；2. 淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北235000)

以合成廢水為研究對象，在厭氧/好氧交替序批式反應(yīng)器(SBR)中探究了不同濃度洛克沙胂對污水生物除磷的影響，并對影響機(jī)制進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：低濃度洛克沙胂對生物除磷效果影響不明顯，而高濃度洛克沙胂將嚴(yán)重抑制生物除磷效果，當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度為90mg/L時(shí)，生物除磷效率僅為62.6%，是空白對照組的63.5%。高濃度洛克沙胂將抑制聚磷菌(PAO)中胞內(nèi)聚合物聚羥基脂肪酸酯(PHA)的合成，導(dǎo)致好氧階段PHA分解產(chǎn)能較低，影響PAO對磷酸鹽的超量吸收。此外，高濃度洛克沙胂會(huì)促進(jìn)糖原質(zhì)的降解，提高聚糖菌(GAO)的相對豐度而降低PAO的相對豐度，并且對PAO中的關(guān)鍵酶活性產(chǎn)生不利影響。

洛克沙胂 生物除磷 胞內(nèi)聚合物 厭氧/好氧

當(dāng)前我國水體富營養(yǎng)化程度日益嚴(yán)重，磷是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要元素。水體中磷酸鹽的去除方法主要有3種：生物法、物理法和化學(xué)法[1]。其中，生物法因具有除磷效率高，處理費(fèi)用低等特點(diǎn)而備受關(guān)注。在生物法除磷過程中，水體中的聚磷菌(PAO)在厭氧/好氧的環(huán)境中得到富集[2]，在厭氧階段PAO將體內(nèi)的聚磷分解為三磷酸腺苷(ATP)產(chǎn)生還原力，并以主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞轿账w中的有限碳源，在PAO體內(nèi)合成胞內(nèi)聚合物聚羥基脂肪酸酯(PHA)[3]。在好氧階段，厭氧階段貯存的PHA被PAO分解利用產(chǎn)生能量，用于超量吸收水體中磷酸鹽，補(bǔ)給糖原質(zhì)等，最后通過排放富含磷酸鹽的污泥實(shí)現(xiàn)生物除磷[4]。

為有效控制畜禽疾病，畜禽養(yǎng)殖過程中獸用藥的食用量不斷加大。有機(jī)砷化合物能有效遏制球蟲病并促進(jìn)動(dòng)物飼料的轉(zhuǎn)化，因此有機(jī)砷類化合物常被用作飼料添加劑，其中洛克沙胂應(yīng)用最普及[5]。洛克沙胂在畜禽體內(nèi)很難分解，大部分洛克沙胂通過畜禽糞便排放到水環(huán)境，最終經(jīng)污水處理廠(站)進(jìn)入水生態(tài)系統(tǒng)[6]。研究表明，洛克沙胂的存在能夠遏制微生物的氨化作用進(jìn)而抑制生物氮的轉(zhuǎn)化與利用，同時(shí)洛克沙胂還能減緩微生物的硝化速率[7]。洛克沙胂對微生物的影響研究主要集中在生物氮的轉(zhuǎn)化與利用，而對生物除磷的影響研究較少，尤其在傳統(tǒng)的厭氧/好氧交替模式下的影響更是鮮有報(bào)道。為此，本研究以合成廢水為研究對象，建立厭氧/好氧交替序批式反應(yīng)器(SBR)，探究了不同濃度的洛克沙胂對生物除磷效率的影響，對含洛克沙胂的實(shí)際廢水治理提供一定的指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及SBR的運(yùn)行

活性污泥取自淮北某污水處理廠生物反應(yīng)器，該污水處理廠采用A2/O處理工藝，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)生物除磷效率高于90%。將取回后的活性污泥在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)2個(gè)月后投入5個(gè)SBR中，投加量均為2.0 L。SBR每天運(yùn)行3個(gè)周期，每個(gè)周期運(yùn)行8 h，具體為厭氧4 h，好氧3 h，排水及閑置1 h?；钚晕勰鄳腋」腆w(MLSS)約為4 000 mg/L，揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)約為3 000 mg/L；實(shí)驗(yàn)過程中溫度控制在20 ℃，好氧期的溶解氧通過鼓風(fēng)曝氣控制在3.0 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

SBR的運(yùn)行方式如1.1節(jié)，在厭氧初期向合成廢水中投加一定洛克沙胂使其在進(jìn)水中的質(zhì)量濃度分別控制在0(空白對照組)、10、30、60、90 mg/L。合成廢水每日配制，以乙酸鈉和丙酸鈉為混合碳源(質(zhì)量比1∶1)，NH4Cl為氮源，KH2PO4和K2HPO4為混合磷源(質(zhì)量比1∶1)，進(jìn)水中COD、氮、磷的質(zhì)量濃度分別控制在300、40、15 mg/L。合成廢水中還含有微量元素，微量元素的具體含量詳見文獻(xiàn)[8]。反應(yīng)初始pH控制在7.0，由3.0 mol/L HCl和NaOH進(jìn)行調(diào)節(jié)，反應(yīng)過程不再控制pH。SBR反應(yīng)器放置在20 ℃恒溫房間內(nèi)，水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間分別控制在12 h和15 d左右。

1.3 檢測方法

MLSS、MLVSS采用重量法測定；COD采用重鉻酸鉀法測定；溶解性磷酸鹽(SOP)采用磷鉬藍(lán)比色法測定[9]；胞內(nèi)聚合物PHA采用氣相色譜法測定，氣相色譜的型號為Agilent 6890N，測定方法如下：將提取產(chǎn)物用1 mL氯仿提取后加入850 μL甲醇、150 μL濃硫酸放入小瓶中，旋緊蓋子，在100 ℃沸水中酯化1 h，冷卻到達(dá)室溫后，向小瓶中加入1 mL蒸餾水，充分振蕩，靜置分層，取下層溶液進(jìn)行分析；糖原質(zhì)采用苯酚-硫酸法測定；外切聚磷酸鹽水解酶(PPX)及聚磷酸鹽激酶(PPK)的檢測方法參見文獻(xiàn)[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 洛克沙胂對有機(jī)物去除的影響

有機(jī)物的去除效果是評估SBR性能的重要指標(biāo)之一。圖1為洛克沙胂對COD去除率的影響。由圖1可見，隨著洛克沙胂濃度的升高，COD去除率逐漸降低?？瞻讓φ战MCOD去除率為90.2%，當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度升高至10 mg/L時(shí)，COD去除率下降至84.6%，而當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度繼續(xù)增加至90 mg/L時(shí)，COD去除率繼續(xù)下降至43.8%，僅為空白對照組的48.5%，說明高濃度洛克沙胂將嚴(yán)重抑制SBR對COD的去除效果。這是因?yàn)槁蹇松畴献鳛橐环N有機(jī)砷制劑，內(nèi)含砷離子和有機(jī)官能團(tuán)，其在水中具有較好的溶解性，會(huì)吸附到污泥絮體的表面從而影響污泥系統(tǒng)對COD的去除能力[11]。

圖1 洛克沙胂對COD去除率的影響Fig.1 Effect of roxarsone on COD removal efficiency

2.2 洛克沙胂對生物除磷性能的影響

在SBR的穩(wěn)定運(yùn)行期，洛克沙胂對SOP及SOP去除率的影響見圖2。由圖2可見，出水SOP隨著洛克沙胂含量的升高而升高。空白對照組中出水SOP的質(zhì)量濃度為0.2 mg/L，此時(shí)SOP去除率高達(dá)98.6%，說明SBR能夠達(dá)到良好的生物除磷效果。當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，出水SOP僅為0.5 mg/L，表明低濃度洛克沙胂對生物除磷的影響不明顯。而當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度繼續(xù)升高至90 mg/L時(shí)，出水SOP增加至5.6 mg/L，相應(yīng)地，SOP去除率下降至62.6%，是空白對照組的63.5%，表明高濃度洛克沙胂能夠抑制生物除磷過程。

圖2 洛克沙胂對出水SOP及SOP去除率的影響Fig.2 Effect of roxarsone on the effluent SOP concentration and SOP removal efficiency

表1 洛克沙胂對SOP周期性變化的影響

2.3 洛克沙胂對生物除磷的影響機(jī)制

SOP的周期性變化能夠反映磷酸鹽的變化趨勢，對闡述洛克沙胂對生物除磷的影響具有一定意義。表1為不同濃度洛克沙胂作用下SOP的周期性變化。由表1可見，各實(shí)驗(yàn)組厭氧釋磷量均隨著厭氧時(shí)間的延長而增加，反應(yīng)4 h時(shí)SOP濃度達(dá)到最大值。洛克沙胂對SOP的周期性變化具有嚴(yán)重影響，隨著洛克沙胂濃度的升高，厭氧階段釋放的SOP不斷減少?？瞻讓φ战M厭氧階段SOP最大值為(67.5±0.4) mg/L，當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，厭氧階段SOP最大值為(65.7±0.6) mg/L，與空白對照組相差不明顯。而當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度由30 mg/L增加至90 mg/L時(shí)，SOP最大值由(56.9±1.1) mg/L下降至(43.5±1.6) mg/L，說明高濃度洛克沙胂將抑制PAO的厭氧釋磷。

PAO在好氧階段會(huì)超量吸收厭氧階段釋放的磷酸鹽。由表1所示，洛克沙胂對好氧釋磷同樣產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用?？瞻讓φ战M中好氧吸磷量為(67.3±1.3) mg/L，當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，好氧吸磷量為(65.2±1.1) mg/L，與空白對照組相差不明顯。然而，當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度由30 mg/L增加至90 mg/L時(shí)，好氧吸磷量由(55.6±0.9) mg/L下降至(37.9±0.8) mg/L。好氧吸磷量的減少將導(dǎo)致出水SOP增加，進(jìn)而導(dǎo)致生物除磷效率下降。

如上所述，PAO在好氧階段分解體內(nèi)的PHA產(chǎn)生能量用于吸收水體中超量的磷酸鹽，因此PHA最大合成量對生物除磷過程有著決定性的作用[12]。圖3為洛克沙胂對PHA最大合成量的影響。由圖3可見，在空白對照組中PHA最大合成量為3.1 mmol/g(以單位質(zhì)量MLVSS的PHA合成量計(jì)，下同)。當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，PHA最大合成量為3.0 mmol/g，說明低濃度洛克沙胂對PHA最大合成量影響不明顯。然而，當(dāng)洛克沙胂的質(zhì)量濃度為90 mg/L時(shí)，PHA最大合成量僅為1.9 mmol/g，是空白對照組的61.3%，說明高濃度洛克沙胂嚴(yán)重抑制了PHA的合成，導(dǎo)致后續(xù)由PHA分解產(chǎn)生的能量較少，影響水體中磷酸鹽的吸收，導(dǎo)致出水SOP質(zhì)量濃度升高。

圖3 洛克沙胂對PHA最大合成量的影響Fig.3 Effect of roxarsone on the maximum yield of PHA

糖原質(zhì)是PAO體內(nèi)的另外一種儲能物質(zhì)，同時(shí)其也是聚糖菌(GAO)體內(nèi)的主要儲能物質(zhì)。在厭氧環(huán)境下，PAO體內(nèi)的糖原質(zhì)分解產(chǎn)生還原力以合成PHA，同時(shí)在GAO體內(nèi)糖原質(zhì)也在厭氧環(huán)境中分解以吸收水體中的碳源。糖原質(zhì)的降解量越大，環(huán)境體系中GAO的相對豐度越大。由圖4可見，隨著洛克沙胂濃度的升高，糖原質(zhì)的降解量逐漸增大，說明環(huán)境體系中GAO的相對豐度在不斷升高。GAO能夠與PAO競爭水體中有限的碳源而對磷酸鹽的去除沒有任何貢獻(xiàn)?？梢?，抑制PHA的合成及促進(jìn)糖原質(zhì)的降解是導(dǎo)致高濃度洛克沙胂降低生物除磷效率的主要原因。

2.4 洛克沙胂對微生物及關(guān)鍵酶的影響

生物除磷性能依賴于PAO的相對豐度，洛克沙胂對生物除磷性能的影響主要體現(xiàn)在其對PAO的相對豐度及關(guān)鍵酶活性的影響上[13]。PAO中生物除磷的關(guān)鍵酶主要有PPX、PPK，其中PPX是厭氧釋磷作用的關(guān)鍵酶，而PPK是好氧吸磷作用的關(guān)鍵酶。表2為不同濃度的洛克沙胂對功能微生物及關(guān)鍵酶活性的影響。隨著洛克沙胂濃度的升高，PAO相對豐度不斷減少而GAO相對豐度不斷增大。洛克沙胂質(zhì)量濃度由0 mg/L增加至90 mg/L時(shí)，PAO相對豐度由43.9%下降至19.4%，而GAO相對豐度卻由12.8%上升至35.9%。PPX、PPK活性均隨著洛克沙胂質(zhì)量濃度的升高呈現(xiàn)下降趨勢，上述實(shí)驗(yàn)表明洛克沙胂能夠減少PAO相對豐度以及PPX、PPK活性，進(jìn)一步印證了高濃度洛克沙胂能夠抑制生物除磷過程。

圖4 洛克沙胂對糖原質(zhì)降解量的影響Fig.4 Effect of of roxarsone on the degradation of glycogen

表2 不同濃度洛克沙胂對微生物種群相對豐度及關(guān)鍵酶活性的影響

注：1)以單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量蛋白質(zhì)中的硝基苯酚含量計(jì)；2)以單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量蛋白質(zhì)中的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸含量計(jì)。

3 結(jié) 論

洛克沙胂對生物除磷的影響與洛克沙胂的濃度密切相關(guān)，低濃度洛克沙胂(≤10 mg/L)對COD和磷酸鹽的去除效率影響不明顯，而高濃度洛克沙胂嚴(yán)重抑制COD和磷酸鹽的去除效率。高濃度洛克沙胂對PAO厭氧釋磷和好氧吸磷均有影響，厭氧階段高濃度洛克沙胂通過抑制胞內(nèi)聚合物PHA的合成，導(dǎo)致在隨后的好氧階段產(chǎn)能較低從而影響磷酸鹽的吸收。此外，高濃度洛克沙胂會(huì)促進(jìn)糖原質(zhì)的降解，提高GAO相對豐度而降低PAO相對豐度，并且對PAO中的關(guān)鍵酶活性產(chǎn)生不利影響。

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Researchontheeffectofroxarsoneonenhancedbiologicalphosphorusremovalfromwastewater

WANGJian1，BAOXianming2.

(1.HuaibeiCityEnvironmentalScienceResearchInstitute，HuaibeiAnhui235000；2.CollegeofLifeSciences,HuaibeiNormalUniversity,HuaibeiAnhui235000)

The effects of different concentrations of roxarsone on the biological phosphorus removal were explored in the anaerobic/oxic alternating sequencing batch reactor (SBR) with synthetic wastewater as the research object,and the influence mechanism was also analyzed. Experimental results showed that the low concentration of roxarsone had little effect on biological phosphorus removal,while the high concentration of roxarsone would seriously inhibit the biological phosphorus removal. When the mass concentration of roxarsone was 90 mg/L,the biological phosphorus removal efficiency was only 62.6%,which was 63.5% of that in control group. The high concentration of roxarsone inhibited the synthesis of polyhydroxyalkanoates (PHA) in polyphosphate (PAO),leading to low decomposition of PHA in oxic phase,which affected the luxury uptake of phosphate by PAO. In addition,high concentrations of roxarsone promoted the degradation of glycogen and increased the relative abundance of polysaccharide (GAO) while reducing the relative abundance of PAO,and posed a negative impact on the activities of key enzymes in PAO.

roxarsone； biological phosphorus removal； intracellular polymers； anaerobic/oxic

王 健，男，1973年生，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)樗廴痉乐闻c生物技術(shù)。

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(No.2012ZX07103-005)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.014

2016-11-10)