硫酸鹽還原產(chǎn)物對(duì)EBPR系統(tǒng)影響的研究進(jìn)展

高春娣，侯春艷，李 悅，王傳德，韓穎璐，程麗陽，楊簫陽

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

1 硫化物對(duì)CEBPR系統(tǒng)的影響及作用機(jī)理

傳統(tǒng)強(qiáng)化生物除磷工藝廣泛應(yīng)用于污水處理廠，主要通過聚磷菌(polyphosphate accumulating organisms, PAO)在厭氧階段釋放磷酸鹽、好氧階段過量吸收磷酸鹽并形成多聚磷酸鹽(polyphosphate, poly-P)，然后通過排放剩余污泥以實(shí)現(xiàn)高效除磷[9].最常見的PAO屬于β-變形菌(Betaproteo-bacterial)綱的紅環(huán)菌(Rhodocyclaceae)科，被命名為CandidatusAccumulibacter[10]，常與聚糖菌(glycogen accumulating organisms, GAO)競(jìng)爭(zhēng)碳源，對(duì)較高水溫(>20 ℃)和硫酸鹽還原作用敏感[11-13].

1.1 硫化物對(duì)CEBPR系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物去除和沉降性能的影響及作用機(jī)理

盡管CEBPR系統(tǒng)的前置厭氧段具有厭氧選擇器的作用，其富集的PAO也容易形成密實(shí)的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)[14-15]，但是文獻(xiàn)多次報(bào)道，硫化物引起Eikelboom type 021N、Thiothrixsp.和Beggiatoasp.等絲狀硫細(xì)菌在該系統(tǒng)內(nèi)過度增殖，導(dǎo)致其沉降性能及營(yíng)養(yǎng)物去除效果下降[14,16-20].與之對(duì)應(yīng)的是，Rubio-Rincón等[21]通過調(diào)整水力停留時(shí)間(hydraulic retention time, HRT)以及延長(zhǎng)污泥齡(sludge retention time, SRT)等方法，使得CEBPR系統(tǒng)在進(jìn)水硫化物質(zhì)量濃度(文中均以H2S-S計(jì))為100 mg/L時(shí)實(shí)現(xiàn)了近100%的生物除磷效率,并且該系統(tǒng)的進(jìn)水磷酸鹽濃度(均以P計(jì))可高達(dá)20～30 mg/L.雖然上述反應(yīng)器污泥沉降性能也受到負(fù)面影響，但是研究表明，當(dāng)CEBPR系統(tǒng)長(zhǎng)期維持污泥絲狀菌微膨脹狀態(tài)(污泥體積指數(shù)為150～200 mL/g、污泥絮體直徑≥400 μm)，不僅泥水能夠正常分離，COD、P和SS的去除效率也均會(huì)增加[22].

1.2 硫化物對(duì)PAO的影響及作用機(jī)理

研究表明，H2S分子可透過細(xì)胞膜，降低胞內(nèi)pH，對(duì)PAO具有直接抑制作用[33]，同時(shí)發(fā)生解離導(dǎo)致胞內(nèi)陰離子積累，對(duì)PAO吸收和轉(zhuǎn)化乙酸鹽的酶產(chǎn)生抑制[35-37].此外，硫化物與微量元素(如銅、鈷、鐵等)也可能形成金屬硫化物沉淀，從而降低PAO的生物活性[38-39].但是當(dāng)一定濃度硫化物存在時(shí)，PAO能夠通過厭氧釋磷量的增加，再次平衡胞內(nèi)降低的pH，恢復(fù)細(xì)胞膜的pH梯度，并滿足細(xì)胞因維持及解毒作用增加的能量需求，同時(shí)也能通過糖原(glycogen)水解提供部分能量[28].此外，部分硫氧化菌(sulfur-oxidizing bacteria，SOB)的存在可能減輕硫化物毒性對(duì)PAO的抑制作用[26, 40]，如Thiothrixcaldifontis能夠在CEBPR系統(tǒng)的好氧初始階段將硫化物迅速氧化，而Accumulibacter phosphatis Clade IA的數(shù)量也會(huì)隨著硫化物濃度的增加而相對(duì)增加，并且系統(tǒng)除磷效果也得到有效保證[21].因此，硫化物的存在不一定完全抑制PAO的活性，也可能篩選出耐硫化物毒性的微生物，進(jìn)而保證CEBPR系統(tǒng)的除磷效果.

2 S-EBPR系統(tǒng)的創(chuàng)建及特征

S-EBPR系統(tǒng)可能主要通過硫酸鹽還原菌(sulfate reducing bacteria, SRB)和SOB對(duì)C、N、P、S等物質(zhì)進(jìn)行協(xié)同生物轉(zhuǎn)化[25-26,41]，因此能夠高效去除含硫酸鹽污水中的C、N、P，并且具有能夠適應(yīng)較高水溫以及產(chǎn)生的污泥量較少的優(yōu)點(diǎn)[7-8,26].

2.1 S-EBPR系統(tǒng)的創(chuàng)建及生物轉(zhuǎn)化過程

盡管硫酸鹽還原產(chǎn)生的硫化物會(huì)抑制PAO的活性，但是研究發(fā)現(xiàn)智利等沿海地區(qū)存在的大型硫細(xì)菌，例如Thiomargarita，Thioploca和Beggiatoa能以硫化物作能源為形成poly-P提供能量，對(duì)磷灰?guī)r的形成具有重要作用[42-44].為了高效去除含硫酸鹽廢水中的磷酸鹽并探究硫循環(huán)和生物除磷的關(guān)系，Wu等[45]初次嘗試以硫酸鹽作缺氧段的電子受體，以厭氧-缺氧模式運(yùn)行序批式反應(yīng)器(sequencing batch reactor, SBR)，但并未觀察到明顯的磷酸鹽釋放和吸收過程；后來通過在進(jìn)水中投加硫酸鹽、保持碳硫比為1.1∶1.0等方式，使得以厭氧-微好氧模式運(yùn)行的SBR在不含有PAO的情況下，實(shí)現(xiàn)了較高的生物除磷效率，即成功構(gòu)建了以氧氣為電子受體的硫循環(huán)參與的EBPR(limited-oxygen sulfur cycle-associated EBPR, LOS-EBPR)反應(yīng)器系統(tǒng)[8]；而后又進(jìn)一步構(gòu)建了容積負(fù)荷更高、運(yùn)行時(shí)間更短的以硝酸鹽為電子受體的硫循環(huán)協(xié)同反硝化生物除磷(denitrifying sulfur conversion-associated EBPR, DS-EBPR)系統(tǒng)[7].目前Guo等[46]也已在低有機(jī)負(fù)荷的升流式反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)DS-EBPR污泥顆?；?

2.2 S-EBPR系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)功能菌

目前通過運(yùn)用FISH、基于16S rRNA的PCR擴(kuò)增測(cè)序和宏基因組測(cè)序等分子生物學(xué)技術(shù)，基本確定S-EBPR系統(tǒng)中不存在PAO，主要優(yōu)勢(shì)微生物是SRB和SOB，而干擾微生物仍是GAO[7,25,40,49]，但具體對(duì)于哪種菌屬能夠同時(shí)進(jìn)行P、S代謝還存在爭(zhēng)議.

不過最近一項(xiàng)基于宏基因組測(cè)序技術(shù)的研究提出[40]，SOB主要進(jìn)行硫化物的氧化，而部分SRB能夠直接參與PHA和poly-P的代謝，并且認(rèn)為Desulfobacteraceae可能就是其中的一種S-PAO[40,54].此外，盡管目前關(guān)于Thauera(反硝化細(xì)菌)除磷功能的報(bào)道較少，并且該菌也可能缺乏參與硫轉(zhuǎn)化及代謝所需的功能基因dsrAB[40]，也有觀點(diǎn)認(rèn)為Thauera能夠進(jìn)行生物除磷，且能以CO2為電子受體氧化硫化物為poly-S[41].

綜上所述，目前針對(duì)S-EBPR系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)功能菌的研究并沒有得出一致的結(jié)論，而且多是通過菌種豐度與系統(tǒng)除磷性能變化的相關(guān)性間接判定能夠同時(shí)進(jìn)行P、S代謝的菌屬，但并未提供微生物同時(shí)進(jìn)行P、S生物轉(zhuǎn)化的直接依據(jù).

2.3 S-EBPR系統(tǒng)除磷效果的影響因素

3 poly-S在S-EBPR系統(tǒng)中的功能作用

3.1 S-EBPR系統(tǒng)中poly-S的組成與產(chǎn)生

3.2 poly-S在S-EBPR系統(tǒng)中的功能作用

并且有研究表明，在硫循環(huán)參與的生物除磷系統(tǒng)中，硫化物只有被氧化為poly-S后，吸收磷酸鹽以及形成poly-P的生物轉(zhuǎn)化過程才開始[21,25].重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果也顯示，在DS-EBPR系統(tǒng)的缺氧段投加一定量的硫化物，能夠使得該系統(tǒng)已經(jīng)降低的除磷效果得到有效恢復(fù)[25].Zhang等[41]還通過Spearman相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，DS-EBPR系統(tǒng)的除磷效率和硫化物的氧化程度顯著正相關(guān).可見，在S-EBPR系統(tǒng)中相對(duì)較少出現(xiàn)的硫化物對(duì)其除磷效果也具有強(qiáng)化作用，但可能主要和poly-S的形成與消耗有關(guān).

4 結(jié)論及展望

2)S-EBPR系統(tǒng)中C、N、P的生物轉(zhuǎn)化趨勢(shì)同CEBPR系統(tǒng)基本一致，最大的不同是，硫元素作為電子和能量載體參與生物除磷過程.S-EBPR系統(tǒng)中不含有PAO，主要優(yōu)勢(shì)菌是SRB和SOB，除磷性能對(duì)運(yùn)行條件和環(huán)境因素的變化也更為敏感.目前關(guān)于哪種菌屬能夠同時(shí)進(jìn)行P、S代謝的研究并未得出一致結(jié)論，其具體的代謝途徑以及優(yōu)勢(shì)菌間的合作競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制也需要進(jìn)一步研究.為了實(shí)現(xiàn)S-EBPR系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，未來還需要通過宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、宏蛋白質(zhì)組測(cè)序及主要功能微生物的富集與分離等技術(shù)，繼續(xù)探究并驗(yàn)證S-EBPR系統(tǒng)的性能優(yōu)化條件及具體代謝機(jī)制.