缺氧条件下PAOs与OHOs碳源竞争研究

高志广，王在东，周 琪，顾国维

（1．西北电力设计院，西安 710075；2．同济大学，上海 200092）

缺氧条件下PAOs与OHOs碳源竞争研究

高志广1，王在东1，周 琪2，顾国维2

（1．西北电力设计院，西安 710075；2．同济大学，上海 200092）

生物除磷系统中除存在大量聚磷菌（PAOs）外，还存在大量异养菌（OHOs），缺氧条件下两者可能存在对底物的竞争，有必要对缺氧条件下聚磷菌的表现和代谢规律进行研究。该试验考查了缺氧条件下普通异养菌与聚磷菌对碳源的竞争规律。根据研究结果，上述两种功能微生物在缺氧条件下对有限碳源存在竞争且各自按照其固有的动力学模式利用碳源。试验中观察到乙酸（HAc）对缺氧反硝化的抑制作用，即当环境中存在数量较多的乙酸时，反硝化聚磷菌无法进行反硝化除磷代谢，这与目前对反硝化除磷过程的理解不同。根据研究结果，对ASM2D模型有关反应动力学描述进行了改进，实测数据表明改进后的模型能够更好地描述缺氧条件下PAOs的生化反应。

%PAOs；OHOs；碳源竞争；反应动力学

传统生物脱氮除磷概念中，硝酸盐是抑制除磷的一个重要因素，它会降低聚磷菌的厌氧释磷量和好氧吸磷量，但对缺氧释磷与反硝化之间的动态竞争仍然不是十分清楚［1－6］。Malnou等［7］认为硝态氮会抑制厌氧阶段聚磷菌的释磷，而Hascoet等［8］则认为释磷与反硝化反应是同步发生的，并没有出现先后顺序。本研究设计批式试验对缺氧释磷与反硝化之间的竞争进行探索和初步研究。

1 材料和方法

1．1 聚磷菌的富集

实验室连续流AAO除磷装置用于富集聚磷菌。接种污泥取自上海市某污水处理厂；进水取自某生活小区污水泵房吸水井。驯化稳定后系统溶解性正磷去除率达92%以上，总磷去除率达78%以上。

1．2 实验设计

1．2．1 COD充足情况

从AAO工艺好氧反应器中取1．65L活性污泥进行离心分离；随后将离心后的污泥分成3等份并置于3个反应器中，将反应器置于磁力搅拌器上缓慢搅拌；然后向3个反应器中加入不同体积的KNO3溶液，使－N起始浓度分别为10，20，30mg/L；最后根据AAO工艺的污泥回流比确定批式试验的充水比，向3个反应器加入一定量的乙酸盐溶液和1．5mL微量元素液，使反应器中COD起始浓度为300mg/L。在试验过程中，将反应器置于20℃的恒温室中进行。从加入乙酸起开始计时，经缺氧2h后试验结束。取样和分析方法同上。

1．2．2 COD不足情况

取样和分析方法同上。只是向反应器中加入的乙酸量较COD充足情况减少，使反应器中COD起始浓度为150mg/L左右。

1．3 分析方法

本实验CODcr采用氧化－还原滴定法、正磷测试采用钼锑抗光度法测定［9－10］。 PHAs进行离心、冷冻干燥、裂解、萃取等预处理后送气相色谱进行分析，色谱柱为HP－5柱。

2 结果与讨论

2．1 COD充足情况下厌氧释磷及反硝化过程

各组批式试验中，初始COD浓度为300mg/L条件下至反应结束，每组SBR反应器内剩余乙酸浓度都大于20mg/L，说明反应过程中碳源充足。－N浓度分别为10，20，30mg/L的3组批式试验比释磷速率依次为10．4，10．2，10．3mgP/（gSS·h），比硝氮去除速率依次为3．7，4．8，4．4mgN/（gSS·h）。 说明试验范围内硝酸盐浓度的高低（或碳氮比）对反硝化反应及聚磷菌释磷影响微乎其微。对乙酸和胞内PHAs变化速率的统计也支持上述观点。

图1 不同硝态氮浓度下碳源竞争过程

综上，在有机物供给充足的条件下，尽管缺氧条件下反硝化过程比聚磷裂解产生更多的ATP，但反硝化作用在获取碳源并没有比释磷具有绝对“优先权”，这两个过程是同时发生的，没有出现先后顺序现象，并且释磷速率、PHAs合成速率和糖原降解速率几乎不因硝酸盐的存在而受到影响。

2．2 COD有限情况下厌氧释磷及反硝化过程

为进一步研究碳源不足情况缺氧条件下反硝化作用与释磷之间的动态竞争关系，进行了进水COD浓度为150mg/L，－N浓度10mg/L和30mg/L下聚磷菌与反硝化菌对碳源的利用竞争批式试验。

图2 不同硝态氮浓度下碳源竞争过程

图2b所示，NO3－－N浓度为30mg/L的批式试验中，当缺氧反应至60min时，乙酸已经消耗殆尽（4mg/L），此后系统释磷及反硝化速率减慢并过渡至缺氧反硝化阶段，异养菌的反硝化活动终止，聚磷菌的代谢则转为利用硝酸盐为电子受体的反硝化除磷。

对上述两批式试验中的各基质变化曲线进行拟合，可得各基质比变化速率，如表1所示。

表1 COD为300mg/L和不同－N浓度条件下各基质比变化速率

表1 COD为300mg/L和不同－N浓度条件下各基质比变化速率

PHAs/mgPHAs/gSS·h 10（C/N=30） 10.4 3.7 51.1 13.2 10（C/N=15） 10.3 4.8 47.2 13.5 20（C/N=15） 10.1 4.1 52.6 13.8 30（C/N=10） 10.2 4.4 51.8 14.9 30（C/N=5） 10.1 4.3 48.5 10.9 NO3--N浓度 P/mgP/gSS·h NO3--N/mgN/gSS·h HAc/mg/gSS·h

2．3 关于聚磷缺氧储存的动力学描述

国际水协最初的生物除磷模型中是通过在聚磷菌PHAs储存过程动力学中加入由SO2和SNO3引起的抑制开关函数来保证聚磷菌厌氧PHAs储存过程描述的［11］。然而，自从有报道证实这一过程在好氧和缺氧条件下也可以发生以来，动力学表达式中已不包括上述两个开关函数。这样就造成一个问题，即现有的聚磷菌PHAs储存和聚磷缺氧储存两过程可以在缺氧条件下同时发生，聚磷菌在进行释磷反应的同时也在进行反硝化除磷。显然这与上述试验结果相矛盾。

利用ASM2D模型的后果是缺氧条件下聚磷菌储存的PHAs有相当一部分通过聚磷缺氧储存过程消耗掉而不是通过后续的聚磷好氧储存利用。众所周知，聚磷菌好氧生长速率大于缺氧生长速率，这样系统聚磷菌的增长能力被低估，而生物强化除磷系统中磷的去除主要是通过排出剩余污泥实现的，因此系统的除磷能力也将被低估。

前面已经提到聚磷菌与异养菌在缺氧条件下存在碳源竞争但又互不影响各自反应速率，那么如何解释进入厌氧段/区的硝酸盐对聚磷菌除磷效果的破坏现象。结合上述试验研究，笔者认为聚磷菌除磷性能的降低不是因为聚磷菌PHAs储存速率降低而引起的，而是由于可利用易生物降解有机物不足造成的。

对于易降解有机物对反硝化除磷所具有抑制作用最简单的描述就是在ASM2D模型中有关聚磷缺氧储存过程动力学表述基础上增加一个关于SA的抑制开关。改进后的聚磷缺氧储存过程动力学表达式如下：

图3 缺氧反硝化动力学表达修改对AOP工艺厌氧池模拟的改善

图4 缺氧反硝化动力学表达修改对AAO工艺厌氧池模拟的改善

进行上述修正后，模型模拟结果尤其是对厌氧池释磷的模拟有了较大改善。图3、4是聚磷缺氧存储动力学表达式修正前后对AOP和AAO工艺连续流运行模拟计算结果的影响。从图中可以发现，增加关于SA的抑制开关后，对AOP和AAO工艺厌氧池磷酸盐和PHAs的模拟均得到改善，这也从一个侧面证明前述有关乙酸对反硝化除磷过程抑制作用描述的正确性。

3 结语

对COD充足和不足两种情况下缺氧反应的考查发现，PAOs和OHOs之间的确存在对碳源的竞争。但当易生物降解有机物充足时异养菌反硝化反应和聚磷菌厌氧释磷活动均遵循各自的动力学表达，相互之间影响不大。

环境中易降解有机物对反硝化除磷具有抑制作用。当环境中易降解有机物高于某一浓度时，聚磷菌只发生厌氧释磷反应，反硝化除磷反应被抑制或关闭；当环境中易降解有机物低于某一浓度时，反硝化除磷反应才得以进行。从试验结果来看，该抑制开关浓度很低，约为1～4mg/L。

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Study on Competition between OHOs and PAOs on Carbon under Anoxic Condition

GAO Zhi－guang1，WANG Zai－dong1，ZHOU Qi2，GU Guo－wei2
（1．Northwest Electric Power Design Insititute，Xi’an710075，China； 2．Tongji University，Shanghai200092，China）

PAOs；OHOs；carbon competition；kinetics

X703．5

A

1672－9900（2012）01－0001-03

2011-11-24

国家自然科学基金重点项目城市污水处理系统智能控制理论、方法与技术（501380110）

高志广（1978—），男（汉族），河北邢台人，博士，主要从事市政、环境工程设计及电力水务设计工作，（Tel）13991295920。

Abstrct： A large number of phosphorus accumulative organisms （PAOs） and ordinary heterotrophic organisms （OHOs）exist in biological phosphorus removal system．There may exist substrate competition between the above organisms．In this paper，competition between （OHOs） and PAOs on carbon under anoxic condition is investigated．Although kinetic performance of OHOs and PAOs appears irrelevant，inhibition of acetic acid on anoxic polyphosphate storage is found according to batch test designed．The phenomenon is inconsistent with common understanding of denitrifying phorsphorus removal．According to the study，a part of ASM2D model describes the reaction kinetics has been improved．The measured data show that the improved model can better describe biochemical activity of PAOs under anoxic conditions．