葡萄糖为碳源的EBPR长期运行效果及聚磷菌的富集培养

彭永臻 薛桂松 苗志加 翁冬晨

(北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124)

葡萄糖为碳源的EBPR长期运行效果及聚磷菌的富集培养

彭永臻 薛桂松 苗志加 翁冬晨

(北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124)

摘 要:研究了连续运行364 d以葡萄糖为碳源的强化生物除磷(EBPR)系统，比较了3个不同运行阶段典型周期的运行状况，考察了厌氧段聚磷菌(PAOs)对有机底物的贮存转化，运用FISH技术分析了系统菌群结构变化.结果表明:随着运行时间的增加PAOs富集程度增高，第180天后反应器最高厌氧释磷量达到80 mg/L，出水磷浓度小于1 mg/L，以葡萄糖为碳源的EBPR系统可以长期高效稳定运行;与第1和第2阶段相比，第3阶段典型周期效果最佳，其厌氧释磷量达到79 mg/L，PO3－4-P去除率达到97.2%;葡萄糖先被发酵细菌分解为挥发性脂肪酸(VFA)，PAOs吸收VFA合成聚羟基脂肪酸酯(PHA);荧光原位杂交技术分析发现，PAOs比例不断升高，第340天时比例为45.5%，说明以葡萄糖为碳源的EBPR系统可以富集高浓度的PAOs.

关键词:强化生物除磷;葡萄糖;挥发性脂肪酸;聚磷菌;聚羟基脂肪酸酯

强化生物除磷系统(EBPR)是目前应用最广的污水除磷工艺.利用EBPR通过富集培养的聚磷菌(PAOs)厌氧释磷、好氧吸磷的特性，使磷浓度在好氧段急剧降低，最终通过排放富磷污泥实现除磷.聚磷菌代谢过程中存在多聚磷酸盐(Poly-P)、糖原(Glycogen)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)3种储能物质，它们对生物除磷起着非常重要的作用.PAOs在厌氧条件下分解Poly-P而产生能量，同时吸收底物中的有机物合成PHA，好氧条件下分解胞内PHA而产生能量，过量吸磷而合成Poly-P.近年来的研究表明除PAOs外，生物除磷系统中还存在聚糖菌(GAOs).GAOs代谢过程与PAOs相似，在厌氧条件下吸收有机物合成PHA，好氧段分解PHA产能合成糖原，但是并不吸收磷酸盐，故不具备好氧吸磷能力［1－3］.

目前对强化生物除磷系统的研究大多以乙酸丙酸等挥发性脂肪酸(VFA)为碳源［4］.由于葡萄糖及其高分子聚合物在污水中是普遍存在的，葡萄糖为碳源的EBPR的研究日益受到重视.然而对葡萄糖碳源的EBPR能否长期稳定运行还没有一致结论.有研究表明葡萄糖可以直接被GAOs吸收利用，而不能被PAOs直接利用，从而影响PAOs成为优势菌种［4－5］.Cech 等［6］对葡萄糖与乙酸混合碳源的EBPR进行研究，发现GAOs成为优势菌.Zengin等［4］研究发现葡萄糖为碳源可以实现强化生物除磷，但系统长期运行时不稳定.而Carucci等［3］的研究表明葡萄糖为主要碳源时，GAOs并没有大量繁殖，并且系统可以长期稳定运行.Oehmen等［2］研究表明，pH 为 7.5 ～8.0，温度为 20 ℃ 时，有利于PAOs成为优势菌.本文主要通过严格控制DO、pH值、温度、碳磷比、厌氧时间及污泥龄等条件，探讨葡萄糖为碳源的EBPR系统长期运行的稳定性，并对厌氧阶段PAOs对有机底物的贮能转化进行研究，结合荧光原位杂交技术(fluorescence in situ hybridization，FISH)对其菌群结构进行分析.

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

试验采用敞口式SBR反应器，有效容积为8 L，由有机玻璃制成.反应器每天运行4个周期，每周期 6 h，其中进水 6 min，厌氧 2.5 h，好氧 3 h，沉淀15 min，排水5 min，静置4 min.每周期进水2 L，排水2 L，相应HRT为24 h，SRT为10 d.反应器污泥浓度约为2 500 mg/L，运行水温为(20±2)℃，pH值为7.2 ～8.0，好氧段DO 浓度为2 mg/L.

1.2 活性污泥与试验用水

试验用水采用人工配水，由溶液A和溶液B组成(见表1)，反应器1个周期2 L进水中含溶液A 300 mL 和溶液 B 1.7 L.进水碳磷比为20∶1.

表1 稳定运行时期配水成分

微量金属元素溶液中每升含有1.5 g FeCl3·6H2O，0.15 g H3BO3，0.03 g CuSO4·5H2O，0.18 g KI，0.12 g MnCl2·4H2O，0.06 g Na2MoO4·2H2O，0.12 g ZnSO4·7H2O，0.15 g CoCl2·6H2O 和 10 g乙二胺四乙酸(EDTA).

1.3 常规测定方法

常规水质检测方法均采用国家环境保护总局发布的标准方法测定.pH值、DO采用WTW Multi 340i在线测定.聚-β-羟丁酸(PHB)、羟基丁酸酸共聚酯(PHV)、PH2MV 按照改良后的 Oehmen等［7］的方法测定，采用Agilent6890N型气相色谱仪及Agilent DB－1型气相色谱柱，分别以3-羟基丁酸和3-羟基戊酸(体积分数比为95%∶5%，Fluka，Buchs SG，Switzerland)作为标准物质测定.葡萄糖采用苯酚 －硫酸比色法测定.VFA采用 Agilent6890N型气相色谱仪测定.

1.4 FISH分析方法

分别在反应器运行的第1，80，250，340天取泥样，使用FISH技术测定反应器内生物群落［8］.

2 结果与分析

2.1 反应器运行效果分析

反应器共运行364 d，根据除磷效果可以分为3个阶段.由图1可知，第1阶段(第0～80天)系统运行不稳定，出水PO3－4-P浓度在10 mg/L上下波动，磷去除率小于50%;随着运行时间的增加系统除磷性能逐渐增强，第3阶段(第180天后)除磷效果逐渐稳定，最高释磷量达到80 mg/L，出水PO3－4-P浓度稳定在1 mg/L，除磷效率大于90%.Hollender等［9］比较了乙酸与葡萄糖为碳源时对EBPR系统的影响，发现葡萄糖为碳源时磷系统厌氧释磷量仅为17～19 mg/L，低于乙酸为碳源的除磷系统(27 mg/L).本试验最终的最高厌氧释磷量达到80 mg/L，出现较高的厌氧释磷现象，说明反应器运行状况良好，PAOs富集程度较高.

研究表明，GAOs可以直接吸收利用葡萄糖，而PAOs只能以VFA为碳源，不能直接以葡萄糖为电子供体［4－5，10］.在以葡萄糖为基质的除磷系统内，PAOs与GAOs竞争时处于劣势，一旦系统碳源不足就会使除磷效果恶化.Zengin等［4］研究表明，随着运行时间的增加，EBPR中会滋生出大量丝状细菌，导致厌氧段无法充分释磷，好氧吸磷量减少，系统崩溃.本试验中并未发现丝状膨胀，但是系统运行比较脆弱，相比乙酸与丙酸等作为碳源的系统抗冲击负荷较差，系统运行至第230天和第330天时，由于运行故障，导致厌氧段碳源不足，之前稳定的系统立即恶化(见图1)，但故障修复后，系统除磷效果也很快恢复.

图1 系统运行364 d的磷浓度及COD变化

2.2 反应器典型周期运行分析

图2 COD，PO3－4-P，PHA和糖原的变化

图2为反应器运行至3个不同时期(第80，250，340天)时典型运行周期内反应效果图.厌氧开始20 min后，PAOs将大部分 COD去除(见图2)，同时进行厌氧释磷和合成PHA，PO3－4-P浓度与PHA急剧升高.20 min后PO3－4-P浓度保持平稳.3个典型周期厌氧结束时水样中PO3－4-P浓度分别为18 mg/L(第80 天)、51.63 mg/L(第 250 天)和89.7 mg/L(第340天)，释磷量逐渐升高.泥样中厌氧合成 PHA 量(以碳计)分别为1.09，1.73，1.2 mmol/L，PO3－4-P去除率分别为49.2%，98.0%，97.2%(见表 2)，最终系统维持高效且稳定的运行效果.如图2所示，第80天与第250天溶液中，PO3－4-P浓度峰值都不是出现在厌氧结束时，厌氧阶段末期出现不同程度的“厌氧吸磷”现象.王亚宜等［11］在厌氧时间对反硝化除磷的影响进行研究时发现，当厌氧时间从60 min增加到90 min时，厌氧吸磷量增加;Kong等［12］也发现了同样的厌氧阶段磷浓度降低现象.但是目前对这种“厌氧吸磷”的现象还没有明确的解释.本试验中使用的是敞口式SBR，可能是厌氧末期溶入氧气导致聚磷菌利用PHA好氧合成Poly-P，出现这种“厌氧吸磷”现象的原因还有待更深入的研究.

表2 比吸放磷速率、磷去除率、PHA合成及分解比较

比较3个阶段运行状况，第250天期间与250～340 d期间出水磷浓度相差不大，虽然第340天磷去除率略低于第250天，但其比吸磷速率、比释磷速率与厌氧释磷量均比第250天高1倍以上(见表2)，说明3个时期中第340天的系统运行效果最佳.第 340天比释磷速率达到 261.34 mg/(g·d).侯洪勋等［13］以厌氧/好氧氧化沟工艺为研究对象，发现葡萄糖为碳源时比释磷速率仅为49.4 mg/(g·d)，本试验中出现较高的比释磷速率可能是由于系统中PAOs富集程度较高.

第250天PHA合成量与分解量高于第340天，但第340天的比释磷速率与厌氧释磷量是第250天的2倍以上(见表2).出现这种现象的原因可能是PHA由PAOs与GAOs共同合成，运行过程中PAOs比例不断升高，GAOs比例降低，由于GAOs无释磷能力，导致PHA合成量变化不大，厌氧释磷量与比释磷速率急剧升高.以葡萄糖为碳源的除磷系统中PHA以PHV为主，而乙酸为碳源时PAOs合成 PHA 以 PHB 为主［9，14－16］.黄惠珺等［17］研究表明，葡萄糖为碳源时PHB与PHV质量分数分别为77%与23%.本试验中只检测出PHB与PHV，未检测出PH2MV.PHA以PHV为主，3个典型周期PHV质量分数分别为49.54%(第0～80天)，92.57%(第 80～250天)和 90%(第 250～340天).

2.3 厌氧段PAOs底物贮存及释磷情况

目前对葡萄糖在EBPR中的厌氧代谢途径没有明确定义，葡萄糖在厌氧阶段被发酵细菌分解为乙酸、丙酸、乳酸等挥发性脂肪酸［3，5，15］.本试验对厌氧段PAOs对底物贮存及释磷情况进行研究，试验进水PO3－4-P浓度为10 mg/L，葡萄糖浓度为200 mg/L，实验过程中不控制pH值.图3为样品中葡萄糖、PO3－

4-P、PHA、VFA浓度、pH 及 DO变化曲线.如图3所示，30 min内pH值由9.77急剧下降至7.08，5 min时葡萄糖浓度急剧下降至94 mg/L，此时测得VFA含量(以COD计)为43 mg/L，30～90 min内 VFA浓度维持在30 mg/L左右，说明EBPR中存在分解葡萄糖作为VFA的厌氧发酵细菌.实验过程中检测到的VFA浓度较低，与理论产生值不符，这可能是由于PAOs吸收VFA速率较快，而厌氧发酵型细菌分解葡萄糖速率不高所致.Jeon等［5］研究了EBPR中细菌对葡萄糖的厌氧代谢过程，发现发酵细菌能分解葡萄糖产生乳酸，PAOs再将乳酸转化成PHA，本试验中VFA检测项目为乙酸、丙酸、丁酸，不包含乳酸，这也可能是导致检测到的VFA浓度低于理论值的原因.

由图3可见，在30 min时葡萄糖浓度降低至11.9 mg/L，之后溶液中葡萄糖浓度不再降低，而PHA与PO3－4-P浓度持续升高.由表3可知，虽然0～30 min葡萄糖浓度降低了188.1 mg/L，占总葡萄糖消耗的99.5%，但厌氧释磷量和PHA合成量分别为39.9 mg/L与1.29 mmol/L，仅占总释磷量和总PHA合成量的72.3%与42.3%.在30～150 min内，葡萄糖浓度降低了0.96 mg/L，释磷量和PHA合成量分别为15.29 mg/L与1.76 mmol/L，分别占总释磷量和 PHA合成量的 27.7%与57.7%.说明前30 min葡萄糖并未被完全消耗降解，浓度急剧降低只是由于被发酵细菌吸附，厌氧过程中发酵细菌将吸附的葡萄糖分解为VFA，PAOs吸收利用VFA进行厌氧释磷.

图3 葡萄糖、PHA、VFA、PO3－4-P浓度与pH，DO变化曲线

表3 厌氧时每个时间段葡萄糖减少量、PHA合成量和释磷量

2.4 EBPR系统菌群的FISH分析

对第1，80，250，340天活性污泥进行FISH检测，图4和图5分别为第1天和第340天 PAOs与GAOs的 FISH检测图.应用 FISH计算 PAOs与GAOs占全菌比例，结果如表4所示，接种污泥中PAOs仅占全菌的4.29%，存在大量异养菌等其他菌群.在系统运行过程中，PAOs大量繁殖，运行至第80，250和340天时其质量分数分别为14.91%，27.1%，45.5%.第250天 GAOs占全菌质量分数为15.19%，第340天时下降至4.26%，远低于PAOs所占比例(45.5%)，这与3个典型周期分析结论一致.与第250天相比，第340天时PAOs比例升高，GAOs比例降低，导致PHA合成量变化不大，但厌氧释磷量与比释磷速率急剧增高.

图4 GAOs荧光原位杂交分析结果

由于 GAOs可以直接吸收利用葡萄糖，而PAOs 只能利用 VFA［4，5，10］，这可能导致葡萄糖作为碳源的EBPR中GAOs成为优势菌.李安安等［18］在磷限制条件下，以葡萄糖为单一碳源，采用厌氧/好氧交替运行的SBR反应器对活性污泥驯化，富集培养出了稳定的聚糖菌颗粒污泥.本文实验研究结果表明，通过严格控制DO、pH值、温度、碳磷比、厌氧时间及污泥龄等运行条件，以葡萄糖为碳源的生物除磷系统长期运行也能够富集培养出较高浓度的聚磷菌.

图5 PAOs荧光原位杂交分析结果

表4 PAOs与GAOs占全菌的比例变化 %

3 结论

1)180 d后系统出水PO3－4-P浓度稳定在1 mg/L以下，最高厌氧释磷量达到80 mg/L，除磷效率保持90%以上，虽然出现过效果恶化的现象，但系统在长期运行中仍然可以维持相对稳定的高效生物除磷.

2)考察了3个不同阶段典型周期(第0～80天，第81～250天，第251～340天)的系统运行效果，随着运行时间的增加除磷效果增强，3个阶段典型周期中第251～340天期间运行效果最佳，厌氧释磷量达到79 mg/L，比释磷速率达到261.34 mg/(g·d)，PHA 合成量为 1.2 mmol/L，厌氧合成PHA中PHV和PHB质量分数分别为90%与10%，未检测到PH2MV.

3)对厌氧段PAOs底物贮存转化的研究表明，葡萄糖先被发酵细菌分解为VFA，PAOs吸收葡萄糖分解产生的VFA而进行厌氧释磷.

4)FISH检测结果表明，反应器在第250～340天运行期间，PAOs浓度逐渐增高.第340 d时PAOs达到45.5%，GAOs只有4.26%，以葡萄糖为碳源的EBPR系统长期运行也可以富集较高浓度的PAOs.

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Long term effect of glucose as sole carbon source on EBPR and PAOs enrichment

Peng Yongzhen Xue Guisong Miao Zhijia Weng Dongchen
(Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environmental Recovery Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Abstract:To study the long term effect of glucose on the performance of enhanced biological phosphorus removal(EBPR)system，a laboratory scale sequencing batch reactor(SBR)fed with glucose was operated for 364 days.The SBR performance of three typical cycles in different periods was compared.The effect of glucose on anaerobic substrate storage and conversion of phosphate-accumulating organisms(PAOs)was discussed，and the quantity of populations of PAOs and glycogen accumulating organism(GAOs)was detected with fluorescent in situ hybridization(FISH).The results indicate that the system shows high and stable phosphorus removal efficiency after 180 days，the highest phosphorus release can reach 80 mg/L and the effluent concentration of PO34－-P is less than 1 mg/L.Compared with the typical cycles in the 1st and 2nd period，the typical cycle in the 3rd period showed the best performance，the anaerobic phosphorus release reaches 79 mg/L and phosphorus release rate is 97.2%.It is indicated that fermentative bacteria first converts glucose to volatile fatty acids(VFAs)and then PAOs utilize the VFAs to synthesize poly-hydro xyalkanoate(PHA).The proportion of PAOs keeps increasing rapidly and reaches 45.5%at 340 days.The FISH analysis results indicate that it is possible for EBPR using glucose as the sole carbon source to develop a system with high proportions of PAOs.

Key words:enhanced biological phosphorus removal;glucose;volatile fatty acid;polyphosphate accumulating organism;glycogen accumulating organism

中图分类号:X703.1

A

1001－0505(2013)01-0136-06

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.01.026

收稿日期:2012-04-12.

彭永臻(1949—)，男，博士，教授，博士生导师，pyz@bjut.edu.cn.

基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(优先发展领域)资助项目(20111103130002)、城市污水高效脱氮除磷新工艺与节能降耗关键技术研发资助项目(D121100000112001).

引文格式:彭永臻，薛桂松，苗志加，等.葡萄糖为碳源的EBPR长期运行效果及聚磷菌的富集培养［J］.东南大学学报:自然科学版，2013，43(1):136 －141.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.01.026］