高温度工业废水强化生物除磷工艺研究

高温度工业废水强化生物除磷工艺研究

强化生物除磷（EBPR）是应用最为广泛的生物除磷工艺。该工艺利用聚磷酸盐积累菌（PAO）在厌氧条件下水解体内储存的聚磷酸盐（Poly-P）获取能量，用于吸收水中的挥发性脂肪酸（VFA）并以聚羟基脂肪酸酯（PHA）的形式储存于细胞内；在好氧条件下，PAO利用细胞内储存的PHA作为碳源和能量来源，吸收水中的磷并合成为Poly-P进行细胞增殖，最终去除富磷污泥，达到废水除磷的目的。在EBPR系统中，还存在与PAO代谢机制相似的糖原积累菌（GAO），在厌氧条件下，GAO与PAO竞争底物（VFA），但在好氧条件下不吸收磷。 因此如何提高PAO活性、增强其与GAO竞争底物的能力是保证EBPR工艺稳定运行的重要内容。

研究表明，影响EBPR系统稳定运行的因素主要有碳源、pH、温度、DO等，其中温度的影响一直存在争议，一般认为，当温度低于20℃时，有利于PAO的竞争，从而提高EBPR系统的性能；当温度高于20℃时，GAO占有竞争优势，导致污泥中PAO份额逐渐减少，除磷效率逐渐降低，甚至导致EBPR系统崩溃。但最新研究表明，高温条件下EBPR系统仍能高效除磷。张建军等在SBR中采用短时间循环（厌氧20 min，好氧10 min，静态1 min），实现了30℃高温条件下EBPR的稳定运行。 利用PAO颗粒污泥与GAO颗粒污泥的密度差异，通过排除污泥床上部密度较低的GAO，在USB反应器中富集能够适应高温的PAO，在30℃条件下取得了良好的除磷效果。Ong等的研究表明，在28~32℃条件下，EBPR反应器长期运行可达到95%的磷去除率，qPCR测试结果显示污泥中PAO为Clade IIF的一个亚种。但温度对EBPR体系中PAO活性及其与GAO竞争底物的能力的影响尚无共识，因此有必要在同一实验条件下研究不同温度对PAO与GAO竞争的影响，特别是在高温条件下它们竞争过程的具体研究。

为了更好地了解高温条件下EBPR系统中PAOHT的活性及底物竞争的影响，本研究以实验室内30℃条件下长期运行的除磷功能良好的SBR反应器产生的污泥为研究对象，结合FISH技术探究15~30℃温度条件下（基于南方地区全年污水温度范围约10~30℃）嗜热聚磷菌（PAOHT）的磷释放、磷吸收及乙酸吸收速率，以期为气温变化较大地区及接收高温工业废水的生物除磷系统稳定运行提供依据。

1 材料与方法 1.1 污泥来源

实验污泥取自实验室在30 ℃高温条件下长期运行（430 d）的SBR反应器[15]。反应器以A/O方式运行，每天6个循环，每个循环持续4 h，包括进水7 min、厌氧1 h、好氧2 h、沉淀40 min、排水10 min、停机3 min。水力停留时间（HRT）控制为8 h，污泥停留时间（SRT）控制为8 d。反应器温度维持在30 ℃。 进水COD（乙酸）浓度为300 mg·L-1，磷（PO43--P）浓度为10 mg·L-1，出水磷（PO43--P）浓度始终小于0.1 mg·L-1，磷去除率高达99%以上；反应器内悬浮物（SS）和挥发性悬浮物（VSS）浓度分别稳定在2.36 g·L-1和1.63 g·L-1，运行高效稳定。

1.2 活性污泥释磷及吸收速率测定

采用间歇试验法测定活性污泥的磷释放与吸收速率。试验装置如图1所示。试验前用除氧自来水冲洗污泥，然后倒入反应瓶中，加入配制的底物溶液（与SBR反应器进水水质一致）。反应瓶底部放置磁力转子，保证充分混合。反应过程中采用水浴控制温度。在厌氧阶段，通入氮气隔绝空气，保证反应瓶处于厌氧状态；在好氧阶段，以60 L·h-1的速率通入空气，保证混合液中溶解氧（DO）大于2 mg·L-1。在不同反应时间点取样，测定相应的磷和乙酸浓度。 试验结束时，测定混合溶液的SS和VSS，计算厌氧磷释放速率[以P/VSS计，mg·（g·h）-1，下同]、好氧磷吸收速率[以P/VSS计，mg·（g·h）-1，下同]和乙酸吸收速率[以HAc/VSS计，mg·（g·h）-1，下同]。

1.氮气瓶；2.曝气器；3.进水管；4.取样管；5.排气管；6.磁力搅拌器；7.转子；8.反应瓶；9.温度计；10.水浴

图1 间歇试验装置示意图

1.3 分析方法

磷（PO43--P）测定采用钼锑分光光度法；悬浮物（SS）和挥发性悬浮物（VSS）以重量法测定；化学需氧量（COD）采用重铬酸钾法测定；pH采用玻璃电极法测定。挥发性脂肪酸（VFAs）测定采用气相色谱法（型号： 6890N），检测器为氢火焰离子化（FID）检测器，色谱柱型号为DB-FFAP。

1.4 FISH分析方法

样品预处理：好氧污泥混合液除去上清，加入1 mL 1×PBS缓冲液重悬，重复操作2次，加入1 mL 4%多聚甲醛溶液重悬，4 ℃放置2 h，然后除去上清，加入1×PBS缓冲液后离心，重复3次，洗去多余的多聚甲醛溶液，分别加入0.5 mL 1×PBS缓冲液和无水乙醇，摇匀，-20 ℃保存。

脱水与杂交：将包被好的玻片放入培养箱内烘干，再将烘干后的玻片放入75%、95%、100%乙醇溶液中脱水3分钟，取出晾干。将预先配制的杂交缓冲液与探针溶液按8:1的体积比混合，避光，涂抹在玻片上的样品上。迅速将玻片移回杂交管中，46℃杂交2-4小时。杂交完成后，取出玻片进行洗脱，立即晾干、封口。

样品观察与分析方法：采用激光共聚焦显微镜（德国Leica SP8）观察样品并采集图像，采用Image-6.0软件对采集的图像进行统计分析，确定样品中PAO、GAO、EUB的比例。

有关荧光探针和杂交的详细步骤，请参考文献。

2 结果与讨论 2.1 实验污泥的活性

图2为30 ℃条件下实验污泥的活性测试结果，其中厌氧段污泥的最大磷释放速率为239.46 mg·(g·h)-1，好氧段的最大磷吸收速率为79.90 mg·(g·h)-1，厌氧段乙酸吸收速率为357.47 mg·(g·h)-1，对应的单位乙酸吸收磷释放量（ΔP/ΔHAc）为0.628，说明污泥中的聚磷菌在高温下具有良好的磷释放、磷吸收和底物吸收能力。

图2 30℃条件下实验污泥厌氧释磷、乙酸吸收及好氧吸磷的变化

温度对生物除磷影响的研究表明，在30℃时，污泥的最大磷释放速率为68 mg·（g·h）-1，最大好氧磷吸收速率为57 mg·（g·h）-1，乙酸吸收速率为180 mg·（g·h）-1，ΔP/ΔHAc为0.376。相比之下，本研究中的实验污泥在30℃下运行一年以上，具有更好的磷释放和吸收能力，是一种适应高温的PAO，其ΔP/ΔHAc值达到了0.628，即每吸收1 mol乙酸，就会释放0.628 mol的磷，进一步表明PAO为实验污泥中的优势细菌群落，具有较强的底物竞争力。

2.2 实验污泥中聚磷菌及其比例

图3为利用目前常用的探针对实验活性污泥进行的FISH检测结果，可以看出实验污泥中的聚磷酸盐菌属于。何等利用宏基因组分析对12个具有除磷功能的城市污水处理厂污泥的种群结构进行了测定，结果显示存在5个亚种，分别为进化枝Ⅰ、ⅡA、ⅡB、ⅡC和ⅡD，不同的污水处理厂因水质和运行条件不同，其PAO的种类也不同。Ong等[14]研究了高温条件下（28~32℃）以乙酸为基质的EBPR体系对磷的去除效果，结果显示即使在高达32℃的温度下，EBPR仍然取得了良好的处理效果。利用qPCR技术发现污泥中聚磷酸盐菌的优势属为亚种进化枝IIF，何等发现的不同亚种在进化枝IIF和IIF中占主导地位。 具有不同的生理生态特征，说明该系统中适应高温的聚磷菌为亚种。

图3 实验活性污泥中的微生物群落结构

表1为实验活性污泥中PAOs和GAOs的比例以及与Ong等研究结果的对比。可以看出，实验污泥中PAO的比例高达86%，远高于Ong等培养的污泥，说明本研究实验污泥在高温条件下具有更好的增殖和底物竞争能力。上述结果显示实验污泥中的优势菌为PAOs，与活性试验结果一致，进一步证明实验污泥具有良好的磷释放和吸收能力，为温度试验奠定了良好的基础。

表 1 实验活性污泥和 Ong 等人使用的污泥中 PAO 和 GAO 的比较。

2.3 温度对活性的影响

不同温度下污泥的厌氧释磷和好氧吸磷试验结果如图4所示，对应的反应速率如表2所示。从数据可以看出，随着温度的升高，PAOHT的厌氧释磷和好氧吸磷速率逐渐增大。 当温度为15、20、23、25、27、30 ℃时，厌氧段最大磷释放速率分别为76.50、95.86、150.69、150.78、171.74、239.46 mg·(g·h)-1，好氧段最大磷吸收速率分别为27.36、44.72、49.61、51.52、61.73、79.90 mg·(g·h)-1。现有研究表明，当常温PAO温度低于20 ℃时，厌氧磷释放和好氧磷吸收速率均随温度的升高而增大，当温度高于20 ℃时，反应速率不再随温度的升高而变化。 但本研究中的高温聚磷酸盐细菌（PAOHT）在15~30℃温度范围内活性随温度的升高而增强。

图4 不同温度下实验污泥厌氧释磷和好氧吸磷的变化

表2 不同温度下磷的释放与吸收速率

在15~30℃温度范围内，PAOHT对乙酸的最大吸收速率分别为176.70、233.14、241.59、247.22、313.37、357.47 mg·(g·h)-1。乙酸的最大吸收速率随温度的升高而增大。实验结果与等关于温度对乙酸最大利用率影响的结论不同，他们认为当温度超过20℃后，PAO和GAO对乙酸的最大吸收速率不再随温度的变化而变化，其值为常数。 此外，Lopez等的研究表明，当温度为30℃时，厌氧条件下PAO对乙酸的最大吸收速率为0.20 mol·(mol·h)-1，而本研究中厌氧条件下PAOHT对乙酸的最大吸收速率为0.357 g·(g·h)-1，其中VSS的摩尔质量(以碳计)为113 g·mol-1，对应的碳摩尔质量为22.6 g·mol-1，同样，乙酸的摩尔质量为30 g·mol-1，对应的以碳摩尔质量衡量的最大乙酸利用率为0.269 mol·(mol·h)-1，该数据高于Lopez等得到的数据，也说明在此体系中培养的PAOHT对乙酸具有更高的吸收和竞争能力。

2.4 温度系数的确定

温度对化学反应速率常数的影响常用简化的阿伦尼乌斯公式来描述，其表达式为：

式中，qi为反应速率（i=1，2，3，分别代表厌氧释放磷、好氧吸收磷和乙酸吸收速率）；qi（30）为30 ℃时的反应速率；T为水温（℃）；θi为温度系数。

利用公式（1）拟合15~30℃温度范围内相应反应速率（图5~6），PAOHT的厌氧释磷速率、好氧吸磷速率和乙酸吸收速率的温度系数分别为1.08、1.07和1.05。等以20℃富集培养的除磷污泥，拟合其在不同温度条件下的变化特性，厌氧释磷速率和好氧吸磷速率的温度系数分别为1.078（5℃＜T＜20℃）和1.057（5℃＜T＜30℃）。Lopez等研究了PAO的代谢发现，当温度低于20℃时，不同温度下PAO的乙酸吸收速率的温度系数为1.095。 本研究中，在15~30℃的温度范围内，无论是厌氧释磷、好氧吸磷还是乙酸吸收速率，其数值均随着温度的升高而增大，因此温度系数的确定均以30℃为基准进行拟合，与前人研究得到的结果相比，两者数值差异较小，详情请查阅污水宝商城资料或更多相关技术文献。

图5 不同温度下实验污泥的厌氧释磷速率与好氧吸磷速率

图6 不同温度下实验污泥的乙酸吸收速率

3 结论

(1)反应器在30℃长时间运行条件下，磷去除率高达99%以上，此时污泥的磷释放速率和吸收速率分别为239.46 mg·(g·h)-1和79.90 mg·(g·h)-1，△P/△HAc为0.628。PAO占总菌体的比例高达86%±1%，而GAO仅占5%左右。反应器运行高效稳定，并出现了能适应高温的PAOHT。

(2)在15~30℃温度范围内，PAOHT活性随温度的升高而增强，这主要体现在其对底物的竞争能力上；在30℃时，PAOHT的最大乙酸利用率高于以前研究的值，其值约为0.269 mmol·(mmol·h)-1。

（3）利用简化的阿伦尼乌斯方程拟合15~30 ℃温度范围内PAOHT的反应速率，得到厌氧磷释放速率、好氧磷吸收速率和乙酸吸收速率的温度系数分别为1.08、1.07和1.05。