SBR中缺氧颗粒污泥反硝化过程中PHB的存储与利用

书书书第３１卷第２期２０１１年２月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３１，Ｎｏ．２Ｆｅｂ．，２０１１基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ．５０４７８０４７）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５０４７８０４７）作者简介：赵红梅（１９７８—），女，讲师（博士），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；通讯作者（责任作者）Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＺＨＡＯＨｏｎｇｍｅｉ（１９７８—），ｆｅｍａｌｅ，ｌｅｃｔｕｒｅｒ（Ｐｈ．Ｄ．），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ赵红梅，牛伟，刘晓英，等．２０１１．ＳＢＲ中缺氧颗粒污泥反硝化过程中ＰＨＢ的存储与利用［Ｊ］．环境科学学报，３１（２）：２６０２６７ＺｈａｏＨＭ，ＮｉｕＷ，ＬｉｕＸＹ，ｅｔａｌ．２０１１．ＳｔｏｒａｇｅａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙβｈｙｄｒｏｘｙｂｕｔｙｒａｔｅｕｎｄｅｒｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎａｎａｎｏｘｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅＳＢＲ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３１（２）：２６０２６７ＳＢＲ中缺氧颗粒污泥反硝化过程中ＰＨＢ的存储与利用赵红梅１，２，，牛伟１，刘晓英１，彭党聪１１．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安７１００５５２．长安大学环境科学与工程学院，西安７０００５４收稿日期：２０１００４２７　　　修回日期：２０１００７２８　　　录用日期：２０１００８０９摘要：微生物在非平衡的生长条件（暂态）下，存储胞内聚合物是去除易生物降解有机物的一种机制，这种现象对不同微生物种群在暂态下的基质竞争有着重要意义．本试验采用ＳＢＲ反应器以乙酸为基质，在缺氧条件下成功培养出颗粒污泥，在此基础上对乙酸的消耗以及胞内聚合物聚β羟基丁酸（ＰＨＢ）的合成与利用进行研究．结果表明：间歇条件下，颗粒污泥中反硝化菌对基质的利用存在着储存机制．日常运行周期内当基质较多时，颗粒污泥中ＰＨＢ含量上升，基质缺乏时，ＰＨＢ含量衰减，周期末端ＰＨＢ含量为０．７５％～１．０％；ＰＨＢ合成阶段，ΔＰＨＢ／ΔＣＯＤ（即ＹＳＴＯＤ）为０．３９，最大合成比速率为０．１２４ｇ·ｇ－１·ｈ－１，且ΔＣＯＤ／ΔＮＯｘＮ的比值可间接反映出ＰＨＢ的变化状态；进水ＣＯＤ／ＮＯ－３Ｎ（Ｃ／Ｎ）＝５提高基质负荷情况下，周期内ＰＨＢ变化情况与日常运行条件下相似，ＹＳＴＯＤ为０．３５～０．２５；进水Ｃ／Ｎ＝７．５时，乙酸供给富余，反硝化过程中缺氧颗粒污泥ＰＨＢ含量不断升高，直至反应结束，ＹＳＴＯＤ为０．３８～０．４５．关键词：ＳＢＲ；反硝化；颗粒污泥；ＰＨＢ文章编号：０２５３２４６８（２０１１）０２２６００８　　　中图分类号：Ｘ７０３．１　　　文献标识码：ＡＳｔｏｒａｇｅａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙβｈｙｄｒｏｘｙｂｕｔｙｒａｔｅｕｎｄｅｒｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎａｎａｎｏｘｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅＳＢＲＺＨＡＯＨｏｎｇｍｅｉ１，２，，ＮＩＵＷｅｉ１，ＬＩＵＸｉａｏｙｉｎｇ１，ＰＥＮＧＤａｎｇｃｏｎｇ１１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ＆ＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ′ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００５５２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ′ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ７０００５４Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２７Ａｐｒｉｌ２０１０；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２８Ｊｕｌｙ２０１０；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ９Ａｕｇｕｓｔ２０１０Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｏｒａｇｅｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｐｏｌｙｍｅｒｓｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｏｎｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｒｅａｄｉｌｙｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｌｅｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｆｏｒｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃ（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｉｓｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｓｕｂｓｔｒａｔｅｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｌｔｕｒｅｓｕｎｄｅｒｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ａｎｏｘｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｗａｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｃｕｌｔｉｖａｔｅｄｗｉｔｈａｃｅｔａｔｅａｓｓｕｂｓｔｒａｔｅｕｎｄｅｒａｎｏｘｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎａｎＳＢＲａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆａｃｅｔａｔｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｓｔｏｒａｇｅａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｐｏｌｙｍｅｒ，ｐｏｌｙβｈｙｄｒｏｘｙｂｕｔｙｒａｔｅ（ＰＨＢ），ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｄｅｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａｕｓｅｄｔｈｅａｃｅｔａｔｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｉｎａｓｔｏｒａｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅＰＨＢｃｏｎｔｅｎｔｏｆｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｉｎｉｔｉａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｈｉｌｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｗａｓａｖａｉｌａｂｌｅａｎｄｔｈａｎｄｅｃｒｅａｓｅｄｉｎｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｓｕｂｓｔｒａｔｅｄｅｆｉｃｉｅｎｔｓｔａｇｅｏｆｔｈｅｄａｉｌｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｙｃｌｅ．ＴｈｅＰＨＢｃｏｎｔｅｎｔｃｏｕｌｄｒｅａｃｈａｓｈｉｇｈａｓ０．７５％～１．０％ｏｆｔｈｅｂｉｏｍａｓｓｂｙｔｈｅｅｎｄ．ＤｕｒｉｎｇｔｈｅＰＨＢｓｙｎｔｈｅｓｉｓｐｈａｓｅ，ΔＰＨＢ／ΔＣＯＤ（ＹＳＴＯＤ）ｗａｓ０．３９，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｙｎｔｈｅｔｉｃｒａｔｅｗａｓ０．１２４ｇ·ｇ－１·ｈ－１ａｎｄｓｔｏｒａｇｅｏｒｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＰＨＢｃｏｕｌｄｂｅｒｅｆｌｅｃｔｅｄｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙｂｙｔｈｅｒａｔｉｏｏｆΔＣＯＤ／ΔＮＯｘＮ．ＷｈｅｎｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｌｏａｄｗａｓｒａｉｓｅｄｓｕｃｈｔｈａｔｔｈｅＣＯＤ／ＮＯ－３Ｎ（Ｃ／Ｎ）ｒａｔｉｏｗａｓ５，ｔｈｅＰＨＢｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｈｅｂｉｏｍａｓｓｓｈｏｗｅｄａｔｒｅｎｄｖｅｒｙｓｉｍｉｌａｒｔｏｔｈａｔｏｆｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｄａｉｌｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｙｃｌｅａｎｄＹＳＴＯＤｗａｓ０．３５～０．２５．ＷｈｅｎＣ／Ｎｒａｔｉｏｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏ７．５，ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＰＨＢｗｅｒｅｒａｉｓｅｄｃｏｎｔｉｎｕａｌｌｙｕｎｔｉｌｔｈｅｅｎｄｏｆｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄＹＳＴＯＤｗａｓ０．３８～０．４５ｄｕｅｔｏｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｕｐｐｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＢＲ；ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；ｐｏｌｙβｈｙｄｒｏｘｙｂｕｔｙｒａｔｅ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）在污水处理过程中，微生物在一些情况下会处于非平衡的生长状态（称为暂态），如基质浓度梯度较大或高基质浓度与低基质浓度交替的情况（Ｃｅｃｈ和Ｃｈｕｄｏｂａ，１９８３）以及好氧、厌氧或缺氧多种工艺２期赵红梅等：ＳＢＲ中缺氧颗粒污泥反硝化过程中ＰＨＢ的存储与利用交替运行的情况（Ｄａｉｇｇｅｒ和Ｇｒａｄｙ，１９８２）．由于微生物合成胞内聚合物的速度比其自身生长快且对所处环境的适应性要求更低，一些微生物会在暂态下先吸附或摄入基质形成聚合物存储于细胞内，之后再用于自身生长（Ｄａｉｇｇｅｒ和Ｇｒａｄｙ，１９８２；Ｂｅｕｎｅｔａｌ．，２０００ａ），当所用基质为挥发性脂肪酸（ＶＦＡｓ）时，胞内聚合物以聚羟基烷酸（ＰＨＡｓ）为主，乙酸属于ＶＦＡｓ，作为基质时，ＰＨＡｓ的主要成份为聚β羟基丁酸ＰＨＢ（Ｙａｇｃｉｅｔａｌ．，２００３）．ｖａｎＬｏｏｓｄｒｅｃｈｔ等、Ｍａｊｏｎｅ等和Ｂｅｕｎ等通过研究（ｖａｎＬｏｏｓｄｒｅｃｈｔｅｔａｌ．，１９９７；Ｍａｊｏｎｅｅｔａｌ．，１９９９；Ｂｅｕｎｅｔａｌ．，２０００ａ）证明胞内聚合物的存储与消耗是非平衡条件下微生物去除易生物降解有机物过程的一种重要机制．微生物在暂态下形成胞内聚合物的现象对工程应用也有着重要意义，主要体现在工艺设计中利用微生物之间对基质竞争力的差别实现对特定菌群的选择，如强化除磷工艺中通过聚磷菌（ＰＡＯｓ）在厌氧状态下对基质的存储实现ＰＡＯｓ富集培养（Ｍｉｎｏｅｔａｌ．，１９９８），选择池中菌胶团通过存储作用与丝状菌竞争基质，遏制丝状膨胀（Ｍａｊｏｎｅｅｔａｌ．，１９９９），因此不同工艺条件下微生物对基质的存储与利用受到关注．近年来国内外学者已在好氧状态下（Ｄｉｒｃｋｓｅｔａｌ．，２０００；Ｂｅｃｃａｒｉｅｔａｌ．，２００２；Ｆｅｄｅｒｉｃｏｅｔａｌ．，２００３）、厌氧好氧工艺交替的运行状态下（Ｓｍｏｌｄｅｒｓｅｔａｌ．，２００１；Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００８）、好氧厌氧工艺交替运行状态下（Ｌｅｉｅｔａｌ．，２００５），观察到微生物有存储与利用胞内聚合物的现象，而有关缺氧状态下基质利用方式的研究主要集中于缺氧好氧工艺交替运行的情况（Ｂｅｕｎｅｔａｌ．，２０００ｂ；Ａｖｃｉｏｇｌｕｅｔａｌ．，２００３；Ｃｉｇｇｉｎｅｔａｌ．，２００７）．在缺氧工艺末端添加好氧段虽然可使污泥沉淀性能更好、系统更加稳定，但微生物的生长环境与单纯的缺氧环境存在差异，Ｃｉｇｇｉｎ等（Ｃｉｇｇｉｎｅｔａｌ．，２００７）试验结果显示在好氧段有胞内聚合物ＰＨＢ的衰减，并且由于氨氮的氧化使废水中硝酸盐浓度增加；对于单纯缺氧情况下，Ｍａｊｏｎｅ等（Ｍａｊｏｎｅｅｔａｌ．，１９９８）研究了好氧活性污泥在缺氧情况下对乙酸的利用，Ｄｏｎｉｓｉ等（Ｄｏｎｉｓｉｅｔａｌ．，２００１）采用连续搅拌槽式反应器（ＣＳＴＲ）对乙酸的存储与消耗进行了初探，由于Ｄｏｎｉｓｉ等（Ｄｏｎｉｓｉｅｔａｌ．，２００１）设定试验系统为乙酸限制型反硝化系统，因此试验结论更侧重于反硝化过程中基质不足情况下ＰＨＢ的存储，而有关胞内聚合物的利用情况以及不同ＣＯＤ／ＮＯ－３Ｎ（Ｃ／Ｎ）比值下基质的存储利用情况并未涉及，因此对于缺氧情况下基质存储与利用的状况仍需深入研究．此外有关颗粒污泥的研究已有多年的历史，因其极佳的沉淀性能、污泥浓度大以及高活性，可使处理工艺的处理效率更高、更加紧凑，至今仍受到国内外研究者的普遍关注（Ｊｉａｎｇｅｔａｌ．，２００８；Ｆａｎｇｅｔａｌ．，２００８；Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００８；Ｐａｇａｃｏｖａｅｔａｌ．，２０１０），同时大量研究结果表明（Ｌｉｕ和Ｔａｙ，２００４），颗粒污泥中微生物的种类、形态与分布以及细胞间距等与普通活性污泥存在差别，反应特性差别较大，因此，一些学者对好氧颗粒污泥在氮、磷等污染物去除过程中基质的存储与利用进行研究（Ｌｅｉｅｔａｌ．，２００５；Ｌｉｕｅｔａｌ．，２００８）．本试验以乙酸为基质，在缺氧ＳＢＲ反应器中成功培养出形态稳定、性能良好的缺氧颗粒污泥的基础上，对缺氧颗粒污泥反硝化过程中ＣＯＤ等多个水质指标以及颗粒污泥中ＰＨＢ含量的变化情况进行测定分析，探讨缺氧颗粒污泥反硝化过程中基质的代谢以及胞内聚合物的存储与利用，为高效脱氮工艺的设计与研发提供参考．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）图１　ＳＢＲ试验装置Ｆｉｇ．１　ＳｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳＢＲｒｅａｃｔｏｒ２．１　试验装置试验采用玻璃材质ＳＢＲ反应器，高３５ｃｍ，内径１６ｃｍ，上部筒形，底部为半球形，顶盖为圆形不锈钢板设预留孔，具体试验装置图见图１．设定ＳＢＲ反应器有效容积为４Ｌ，每周期进水２Ｌ，排水比０．５，由液位器控制高液位，出水管控制低液位，废水为人工配制．ＳＢＲ分进水、反应、沉淀、排水、闲置５个阶段，１６２环　　境　　科　　学　　学　　报３１卷进水及反应阶段采用ＪＨＳ１／６０恒速搅拌机搅拌（转速８０ｒ·