不同乙酸钠甘油比对好氧延长闲置SBR除磷性能的影响

第３５卷第７期２０１５年７月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３５，Ｎｏ．７Ｊｕｌ．，２０１５基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．５１２７８１７５，５１３７８１８８）；湖南省研究生科研创新项目（Ｎｏ．ＣＸ２０１４Ｂ１３７）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５１２７８１７５，５１３７８１８８）ａｎｄｔｈｅＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒＰｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅ（Ｎｏ．ＣＸ２０１４Ｂ１３７）作者简介：李娟娟（１９８９—），女，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：ＬＩＪｕａｎｊｕａｎ（１９８９—），ｆｅｍａｌｅ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１４．０９３８李娟娟，陈洪波，李小明，等．２０１５．不同乙酸钠／甘油比对好氧／延长闲置ＳＢＲ除磷性能的影响［Ｊ］．环境科学学报，３５（７）：２０７０⁃２０７６ＬｉＪＪ，ＣｈｅｎＨＢ，ＬｉＸＭ，ｅｔａｌ．２０１５．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｔｉｏｓｏｆａｃｅｔａｔｅｔｏｇｌｙｃｅｒｏｌｏｎｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｉｎｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒｏｐｅｒａｔｅｄａｓｏｘｉｃ／ｅｘｔｅｎｄｅｄ⁃ｉｄｌｅｒｅｇｉｍｅ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３５（７）：２０７０⁃２０７６不同乙酸钠／甘油比对好氧／延长闲置ＳＢＲ除磷性能的影响李娟娟１，陈洪波１，李小明１，２，∗，杨麒１，赵建伟１，刘芳芳１，向沙１，贾利涛１１．湖南大学环境科学与工程学院，长沙４１００８２２．湖南大学环境生物与控制教育部重点实验室，长沙４１００８２收稿日期：２０１４⁃０８⁃１０　　　修回日期：２０１４⁃０９⁃２６　　　录用日期：２０１４⁃０９⁃２６摘要：以合成废水为研究对象，以甘油和生活污水中常见的乙酸钠作为碳源，建立了５个好氧／延长闲置序批式反应器（乙酸钠／甘油比分别为１∶０、４∶１、１∶１、１∶４和０∶１），考察了各反应器长期运行过程中的除磷效果，并通过分析典型周期内磷及微生物体内各储能物质的变化，初步探究不同乙酸钠／甘油比对除磷性能的影响机理．研究表明，当乙酸钠／甘油比由１∶０逐渐降至４∶１和１∶１时，平均除磷率由９０．１％升至９２．５％、９７．３％．乙酸钠／甘油比继续降至１∶４及０∶１时，系统除磷率降至６５．７％、５３．４％．当乙酸钠／甘油比为１∶１时，聚磷菌体内合成大量聚羟基脂肪酸酯（ＰＨＡｓ）（２．５５ｍｍｏｌ·ｇ－１，以每ｇＶＳＳ积累的Ｃ（ｍｍｏｌ）计，下同），为后续磷的吸收及聚磷合成提供更多的能量，而以甘油作为单一碳源时，ＰＨＡｓ合成量最少（０．８２ｍｍｏｌ·ｇ－１），糖原合成量最大（２．５６ｍｍｏｌ·ｇ－１，以每ｇＶＳＳ积累的Ｃ（ｍｍｏｌ）计）．关键词：甘油；好氧／延长闲置工艺；序批式反应器；生物除磷；聚羟基脂肪酸酯；糖原文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１５）０７⁃２０７０⁃０７　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＥｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｔｉｏｓｏｆａｃｅｔａｔｅｔｏｇｌｙｃｅｒｏｌｏｎｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｉｎｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒｏｐｅｒａｔｅｄａｓｏｘｉｃ／ｅｘｔｅｎｄｅｄ⁃ｉｄｌｅｒｅｇｉｍｅＬＩＪｕａｎｊｕａｎ１，ＣＨＥＮＨｏｎｇｂｏ１，ＬＩＸｉａｏｍｉｎｇ１，２，∗，ＹＡＮＧＱｉ１，ＺＨＡＯＪｉａｎｗｅｉ１，ＬＩＵＦａｎｇｆａｎｇ１，ＸＩＡＮＧＳｈａ１，ＪＩＡＬｉｔａｏ１１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８２２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＢｉｏｌｏｇｙａｎｄＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８２Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１０Ａｕｇｕｓｔ２０１４；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２６Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１４；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ２６Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１４Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｆｌｕｅｎｔａｃｅｔａｔｅ／ｇｌｙｃｅｒｏｌｒａｔｉｏｓ（４∶０，４∶１，１∶１，１∶４ａｎｄ０∶４）ｏｎｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ（Ｐ）ｒｅｍｏｖａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒｏｐｅｒａｔｅｄａｓｏｘｉｃ／ｅｘｔｅｎｄｅｄ⁃ｉｄｌｅｒｅｇｉｍｅ．ＴｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆＰａｎｄｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｐｏｌｙｍｅｒｓｗｅｒｅａｎａｌｙｓｉｓｅｄｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｃｅｔａｔｅ／ｇｌｙｃｅｒｏｌｒａｔｉｏｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ９０．１％，９２．５％，ａｎｄ９７．３％ｏｆＰｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｗｅｒｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｏｂｔａｉｎｅｄｉｎＲ１，Ｒ２ａｎｄＲ３．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｉｔｈａｃｅｔａｔｅ／ｇｌｙｃｅｒｏｌｒａｔｉｏｄｅｃｒｅａｓｅｄｔｏ１∶４ａｎｄ０∶４，ｔｈｅＰｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｃｅｎｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｔｏ６５．７％ａｎｄ５３．４％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｔｃａｎｂｅｆｏｕｎｄｔｈａｔ２．５５ｍｍｏｌ（Ｃ）·ｇ－１（ＶＳＳ）ｐｏｌｙｈｙｄｒｏｘｙａｌｋａｎｏａｔｅ（ＰＨＡｓ）ｗｅｒｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｗｉｔｈａｎａｃｅｔａｔｅ／ｇｌｙｃｅｒｏｌｒａｔｉｏｏｆ１∶１，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅｓｏｕｒｃｅｆｏｒＳＯＰｕｐｔａｋｅ．Ｉｎｃｏｎｓｔｒａｓｔ，ｊｕｓｔ０．８２ｍｍｏｌ（Ｃ）·ｇ－１（ＶＳＳ）ＰＨＡｓｂｕｔｈｉｇｈｇｌｙｃｏｇｅｎ（２．５６ｍｍｏｌ（Ｃ）·ｇ－１（ＶＳＳ））ｗｅｒｅａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄｗｈｅｎｇｌｙｃｅｒｏｌｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｓｏｌｅｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｌｙｃｅｒｏｌ；ｏｘｉｃ／ｅｘｔｅｎｄｅｄ⁃ｉｄｌｅｒｅｇｉｍｅ；ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ；ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ；ｐｏｌｙｈｙｄｒｏｘｙａｌｋａｎｏａｔｅｓ；ｇｌｙｃｏｇｅｎ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）磷（Ｐ）是生物体内的重要营养源，而水体中磷过剩会引发水体富营养化（Ｊａｒｖｉｅｅｔａｌ．，２００６）．强化生物除磷（ＥＢＰＲ）是一种经济有效的除磷方法（Ｏｅｈｍｅｎｅｔａｌ．，２００７），其原理聚磷菌（ＰＡＯｓ）在厌７期李娟娟等：不同乙酸钠／甘油比对好氧／延长闲置ＳＢＲ除磷性能的影响氧条件下吸收水体中挥发性脂肪酸（ＶＦＡｓ）合成聚羟基脂肪酸酯（ＰＨＡｓ），并在随后的好氧环境中氧化ＰＨＡｓ供能，超量吸收水中的磷酸盐（Ｃｈｅｎｅｔａｌ．，２００４）．近年来，Ｗａｎｇ等（２００８）提出了好氧／延长闲置（Ｏ／ＥＩ）序批式反应器（ＳＢＲ）．Ｏ／ＥＩ反应器省略了传统除磷理论认为必需的厌氧段，将闲置期由１２０ｍｉｎ适当延长至２１０～４５０ｍｉｎ，系统仍能保持良好的除磷效果（王冬波等，２００７）．与传统ＥＢＰＲ不同，Ｏ／ＥＩ反应器中ＰＡＯｓ在好氧段吸收ＶＦＡｓ合成ＰＨＡｓ和糖原（Ｇｌｙｃｏｇｅｎ），并在随后的好氧环境中将其氧化供能，超量吸收磷酸盐并合成聚磷（ｐｏｌｙ⁃Ｐ），合成的ｐｏｌｙ⁃Ｐ在延长闲置期逐渐水解以维持微生物代谢（王冬波等，２００８）．刘医璘等（２０１０）研究了葡萄糖和乙酸钠作为单一碳源，对Ｏ／ＥＩ系统除磷的影响．Ｗａｎｇ等（２０１２ａ）研究证实，以丙酸钠为碳源时，Ｏ／ＥＩ系统也能取得良好的除磷效果．废水中碳源充足时，ＥＢＰＲ可达到良好的除磷效果（ＤｅＢａｓｈａｎｅｔａｌ．，２００４）．而实际废水中有机物的含量较低，除磷性能也随之受到影响，因此，需补充外加碳源以达到预期的除磷效果（吴昌永等，２００９）．现阶段用于生物除磷的有机碳源主要是乙酸、丙酸等ＶＦＡｓ，这些物质虽易被ＰＡＯｓ利用，但由于成本较高，因此，并不是一种经济的碳源（Ｐｕｉｇｅｔａｌ．，２００７）．近年来，醇类作为一种价廉易得的碳源得到了广泛关注（Ｐｕｉｇｅｔａｌ．，２００８）．甘油是生产生物柴油的副产物，产量大而需求量小，且处置费用较高（Ｊｏｈｎｓｏｎｅｔａｌ．，２００７）．同时，甘油是反硝化系统的良好碳源，在厌氧消化过程中可促进甲烷的产生（Ａｋｕｎｎａｅｔａｌ．，１９９３；Ａｍｏｎｅｔａｌ．，２００６）．Ｙｕａｎ等（２０１０）发现，甘油作为单一碳源时，会导致ＥＢＰＲ崩溃．Ｇｕｅｒｒｅｒｏ等（２０１２）通过延长厌氧段将甘油分解为ＶＦＡｓ（主要为丙酸），并通过延长好氧段使得ＶＦＡｓ被ＰＡＯｓ充分吸收用于磷的去除，取得了较好的除磷效果．Ｏ／ＥＩ反应器好氧段前未设置厌氧段，ＰＡＯｓ代谢途径与传统ＥＢＰＲ有较大区别（Ｔａｙｅｔａｌ．，１９９６）．因此，甘油能否被Ｏ／ＥＩ系统吸收利用尚未明确，且不同乙酸钠／甘油比对Ｏ／ＥＩ系统除磷性能的影响有待研究．本文旨在通过比较不同乙酸钠／甘油比例条件下Ｏ／ＥＩ反应器的除磷效果，考察不同乙酸钠／甘油比对Ｏ／ＥＩ系统除磷性能的影响，并通过分析典型周期磷元素及微生物体内各储能物质的变化，初步探究甘油影响Ｏ／ＥＩ反应器除磷性能的机理．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　实验装置与运行方法研究在５个有效体积约为１．６Ｌ的玻璃烧杯（分别标记为Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５）中进行．接种活性污泥取自长沙市第二污水处理厂，初始污泥浓度约为４０００ｍｇ·Ｌ－１．反应器具体运行方式为：瞬时进水→曝气（４ｈ）→沉淀出水（０．５ｈ）→闲置（３．５ｈ）．每周期开始前瞬时进水１Ｌ，好氧段采用鼓风曝气，曝气速率为１．８Ｌ·ｍｉｎ－１，每天在好氧段末排泥水混合物１００ｍＬ，污泥停留时间控制在１６ｄ左右，好氧段结束沉淀０．５ｈ后排水１Ｌ，水力停留时间约为１４ｈ．整个反应过程中不控制ｐＨ，反应器在室温（（２３±２）℃）条件下运行．按上述方式驯化培养１６ｄ后，污泥外观呈黄褐色，活性及沉淀效果均较好，开始试运行．２．２　污水水质进水采用合成废水，各反应器中碳元素的投加量相等（１５ｍｍｏｌ·Ｌ－１，即ＣＯＤ为４８０ｍｇ·Ｌ－１），乙酸钠／甘油比分别为１∶０、１∶４、１∶１、４∶１和０∶１，其他进水成分及浓度为：磷酸二氢钾１５ｍｇ·Ｌ－１（以ＰＯ４３－⁃Ｐ计）、氯化铵３０ｍｇ·Ｌ－１（以ＮＨ４＋⁃Ｎ计）、硫酸镁５ｍｇ·Ｌ－１（以Ｍｇ２＋计）、氯化钙５ｍｇ·Ｌ－１（以Ｃａ２＋计）、微量元素０．１ｍＬ，微量元素成分及浓度见文献（Ｔａｙｅｔａｌ．，１９９６）．２．３　分析方法Ｇｌｙｃｏｇｅｎ：苯酚⁃硫酸法（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００９）；ＰＨＡｓ：气相色谱法（Ｔａｋａｂａｔａｋｅｅｔａｌ．，２００２；Ｏｅｈｍｅｎｅｔａｌ．，２００５ａ）；乳酸：高效液相色谱法（景丽洁等，２０００）；溶解性正磷酸盐（ＳＯＰ）：钼锑抗分光光度法；混合液悬浮固体（ＭＬＳＳ）与混合液挥发性悬浮固体（ＭＬＶＳＳ）：重量法；ｐＨ：玻璃电极法；ＣＯＤ：重铬酸钾法．具体方法见文献（国家环境保护局《水和废水监测分析方法》编委会，２００２）．３　结果与讨论（Ｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ）３．１　各反应器中ＭＬＳＳ和ＭＬＶＳＳ变化各反应器长期运行过程中，ＭＬＳＳ、ＭＬＶＳＳ的变化情况如表１所示．由表１