強化生物除磷系統現已被廣泛用于城鎮污水處理廠(chǎng)。在EBPR系統中,PAOs在厭氧階段將細胞內的聚磷水解為正磷酸鹽,并從中獲得能量來(lái)吸收揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)合成PHA,在缺氧或好氧階段降解PHA產(chǎn)生能量,將污水中的磷酸鹽轉化為聚磷儲存在細胞內,從而達到去除磷的目的。GAOs在厭氧階段也能吸收VFAs,與PAOs形成競爭,但不具有除磷作用,因此,PAOs和GAOs在活性污泥中的數量對EBPR的穩定性和除磷效率至關(guān)重要。影響PAOs和GAOs之間競爭的因索很多,其中溫度對其影響較為顯著(zhù)。實(shí)驗室研究表明,中低溫(低于20℃)有利于PAOs的競爭,而高溫(高于20 ℃)時(shí)GAOs處于優(yōu)勢,而有關(guān)實(shí)際污水處理廠(chǎng)在不同溫度下的PAOs與GAOs等競爭者的變化尚不清楚。
本研究通過(guò)對西安市第三污水處理廠(chǎng)氧化溝生物脫氮除磷系統的水質(zhì)、污泥中微生物組成的長(cháng)期連續測定,結合活性污泥釋磷吸磷速率測定和FISH技術(shù),探討長(cháng)期的溫度變化對EBPR系統的除磷性能和PAOs、GAOs在活性污泥中所占比例的影響,為污水處理廠(chǎng)的高效穩定運行提供依據。
1 實(shí)驗部分
1. 1污水處理廠(chǎng)工藝參數與進(jìn)出水水質(zhì)
西安市第三污水處理廠(chǎng)主要處理西安市東郊滬河兩岸及紡織城地區范圍內的生活具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。及工業(yè)廢水,處理后的出水排入滬河。設計日處理能力為15萬(wàn)t,采用厭氧選擇池+Orbal氧化溝工藝,HRT為18 h,SRT為17一19 d。
污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表1。出水水質(zhì)指標達到《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(CB 18918-2002)一級A標準。
表1 進(jìn)出水主要水質(zhì)
1. 2實(shí)驗方法
1. 2. 1常規指標檢側
實(shí)驗中常規水質(zhì)指標的測定方法按照《水和廢水監測分析方法》(第4版)進(jìn)行,揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)采用氣相色譜法測定(安捷倫6890 N ),測定條件為:檢測器:氫火焰離子檢測器(FID );色譜柱:PEWAX ETR(30 m x250 μm x0.25 μm)。
1.2.2活性污泥釋磷吸磷速率側定
活性污泥釋磷吸磷速率測定采用間歇實(shí)驗法。
將活性污泥曝氣1h,使其適應實(shí)驗環(huán)境。曝氣后用經(jīng)脫氧處理的自來(lái)水將活性污泥淘洗兩遍,然后加入無(wú)水乙酸鈉,使乙酸起始濃度為100 mg / L ,為避免氧氣進(jìn)入,實(shí)驗過(guò)程通入氮氣以保證厭氧狀態(tài),厭氧反應時(shí)間為4. 5 h,不同時(shí)間點(diǎn)取樣,測其相應的乙酸和磷的濃度,實(shí)驗結束時(shí),測定混合液的VSS。得到厭氧釋磷速率(mg P / (g VSS · h))、乙酸吸收速率(mg HAc ( g VSS · h)-1)、吸收單位乙酸的釋磷量(mg P·( mg HAc)-1)。
釋磷速率測定實(shí)驗結束后,將活性污泥分成2等份,分別進(jìn)行缺氧吸磷速率與好氧吸磷速率測定實(shí)驗。進(jìn)行缺氧反應時(shí),在活性污泥中加入KNO3,使NO3- -N的起始濃度為20 mg / L 。好氧反應時(shí),以60L / h的速率通入空氣,確保反應器內的DO濃度在2 mg / L以上。缺氧和好氧反應時(shí)間均為3h,不同時(shí)間點(diǎn)取樣,測定相應磷濃度,實(shí)驗結束時(shí)測定混合液的VSS。得到缺氧吸磷速率(mg P · ( g VSS·h)-1)、好氧吸磷速率(mg P · ( g VSS·h)-1)。
1. 2. 3 FISH方法
將直接取自污水處理廠(chǎng)的活性污泥采用生理鹽水淘洗3遍,去除其中干擾熒光測定的物質(zhì),然后稀釋至原有體積。取淘洗后的活性污泥1 mL,用4%的多聚甲醛在4℃固定2h,然后用1 x PBS緩沖溶液洗3遍,洗去多余的多聚甲醛溶液,加入1:1的PBS緩沖溶液和無(wú)水乙醇,搖勻,置于一20℃下保存,用于熒光原位雜交。雜交步驟參考AMANN等采用的方法。
FISH分析中采用的探針(生工生物工程股份有限公司)如下:
總細菌(EUB):探針為EUBmix,由EUB338 、EUB338- II和EUB338-III 3種探針按照1:1:1混合;
聚磷菌(PAO):探針為PAOmix,由PAO462 、PAO651和PAO846 3種探針按照1:1:1混合;
聚糖菌(GAO):探針為GB。
各探針的RNA序列及對應的甲酞胺濃度見(jiàn)表2。
表2 FISH分析方法中使用的探針
雜交完成后,使用共聚焦顯微鏡(德國徠卡,型號SP8)采集圖像。每個(gè)活性污泥樣品做3個(gè)平行樣,每個(gè)平行樣隨機選取10個(gè)視野采集圖像,用Image-ProPlus 6. 0軟件對所采集圖像中不同的熒光面積進(jìn)行統計,以PAO和GAO探針的熒光面積與EUB探針的熒光面積之比表示相應的PAO和GAO與EUB的數量之比。
2結果與討論
2. 1溫度對活性污泥釋磷吸磷的影響
實(shí)驗歷時(shí)1年,期間氧化溝內活性污泥的水溫在13.5 - 27. 9℃之間變化。由于厭氧釋磷速率隨溫度的變化趨勢不同,故將溫度分為3個(gè)區間(低于20 ℃ , 20℃一25℃之間,高于25 ℃ )討論,結果如表3所示。
表3 不同溫度下的釋磷吸磷速率值及與已有相關(guān)研究的對比
由表3可知,溫度低于20℃時(shí),厭氧釋磷速率和乙酸吸收速率隨溫度的升高而增大,吸收單位乙酸的釋磷量也相應增大;溫度在20一25℃時(shí),厭氧釋磷速率在其間達到最大值10. 86 mg P · ( g VSS·h)-1,之后隨溫度的上升釋磷速率開(kāi)始下降,而乙酸吸收速率則繼續增加,這跟圖1中PAOs、GAOs的數量變化有直接關(guān)系,吸收單位乙酸的釋磷量無(wú)明顯變化;溫度高于25℃時(shí),隨著(zhù)溫度的升高,厭氧釋磷速率繼續下降,而乙酸吸收速率卻一直增加,導致吸收單位乙酸的釋磷量下降,這主要是由于GAOs數量增加引起的。吸收單位乙酸的釋磷量越高,說(shuō)明EBPR中與PAO、競爭乙酸的微生物越少,生物除磷性能越好。LOPEZ等研究的荷鑄7個(gè)污水處理廠(chǎng)在12℃左右時(shí)的平均厭氧釋磷速率為13. 37 mg P·(g VSS·h)-1,吸收單位乙酸的釋磷量平均值為0. 40 mg P · ( mg HAc)-1,均大于本研究值,說(shuō)明低溫時(shí)本研究的污水處理廠(chǎng)的污泥活性偏低。ZHANC等研究的浙江10個(gè)污水處理廠(chǎng)在23℃左右時(shí),平均厭氧釋磷速率為2. 35mg P · ( g VSS · h)-1,吸收單位乙酸的釋磷量平均值為0. 14 mg P · ( mg HAc)-1,遠低于本研究值,說(shuō)明本研究污水處理廠(chǎng)活性污泥的性能優(yōu)于浙江污水處理廠(chǎng)。
同時(shí)表3的數據也表明,該污水處理廠(chǎng)的活性污泥存在明顯的反硝化吸磷現象。部分PAOs能以硝酸鹽作為電子受體,在吸磷的同時(shí)將硝酸鹽還原為氮氣,同時(shí)達到脫氮除磷的目的。KUBA等和WACHTMEISTER等認為,缺氧與好氧吸磷速率的比值反映了PAO、整體的反硝化能力。ZHANC等在生物除磷性能研究中,其平均缺氧與好氧吸磷速率比值為40. 07 %,與本研究的比值相當,而LOPEZ等研究的結果比值為24 %,遠低于相應溫度下本研究的比值,說(shuō)明本研究污水處理廠(chǎng)PAOs的反硝化能力較好。
2. 2溫度對PAOs, GAOs的比例影響
圖1描述了PAOs和GAOs占EUB的比例隨溫度的變化情況。當溫度低于20℃時(shí),隨著(zhù)溫度的上升,PAOs和GAOs占EUB的比例逐漸增大;溫度在20 - 25℃之間,PAOs占EUB的比例達到最大值6. 65 %,而后PAOs占EUB的比例開(kāi)始下降,GAOs占EUB的比例隨溫度升高繼續增大;當溫度高于25℃時(shí),PAOs占EUB的比例隨著(zhù)溫度的升高繼續降低,而GAOs占EUB的比例隨著(zhù)溫度的升高一直增大。在27. 9℃時(shí),GAOs的數量已經(jīng)超過(guò)PAOs,說(shuō)明溫度高于25℃的時(shí)候GAOs在與PAOs的競爭中處于優(yōu)勢地位,和PAOs競爭碳源,導致釋磷速率和吸收單位乙酸的釋磷量下降,這和表2的結果相一致。
LOPEZ等研究的荷蘭污水處理廠(chǎng)在12℃左右時(shí)PAOS占EUB的比例為5. 7%一16.4%,大于西安市第三污水處理廠(chǎng)大約同一溫度下的比例,導致釋磷速率較小。LOPEZ等在溫度對GAOs的影響研究中發(fā)現,溫度高于20℃時(shí),在PAOs與GAOs的競爭中GAOs由于較高的乙酸吸收速率更有利于競爭;WHANC等在30℃時(shí)通過(guò)縮短污泥齡將富含GAOs的污泥轉變?yōu)楦缓琍AOs的污泥;KUBA等的研究表明PAOs為短泥齡微生物,泥齡越短,除磷效果越好。因此,當溫度高于25℃而導致GAOs處于優(yōu)勢競爭時(shí),可適當縮短污泥齡來(lái)提升PAOs的競爭,以達到較好的除磷效果。
2. 3 PAOs, GAOs的分布形態(tài)
圖2為PAOs和GAOs在活性污泥絮體中的分布形態(tài)。隨著(zhù)溫度的變化PAOs和GAOs的數量發(fā)生了改變,但其分布形態(tài)不受溫度的影響。由圖2可知,PAOs與GAOs呈現出完全不同的分布形態(tài)。PAOs在活性污泥絮體中主要以菌膠團的形式存在,而GAOs則以單體或二分體的形式均勻的分布于活性污泥中。在基質(zhì)有限的環(huán)境中,GAOs游離的分布形態(tài)有利于基質(zhì)的吸收,而PAOs以菌膠團的形態(tài)存在不利于基質(zhì)的利用,使其在競爭中處于劣勢。
2. 4乙酸吸收速率溫度系數
由以上的數據和分析可見(jiàn),溫度對EBPR系統有重要的影響,尤其是乙酸的吸收速率,而表征溫度的影響主要采用溫度系數K.
根據測定小于20℃時(shí)不同溫度下的乙酸吸收速率,得出lnqT隨溫度(T一20)的變化關(guān)系,如圖3所示。對其進(jìn)行函數擬合,得到乙酸吸收速率的溫度系數K為1.018,
為0. 23 。LOPEZ等在實(shí)驗室SBR反應器內對PAOs的代謝研究中得出,PAOs乙酸吸收速率的溫度系數K為1.095,
為0. 20,兩者相差較小。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3結論
通過(guò)研究長(cháng)期的溫度變化對西安市第三污水處理廠(chǎng)氧化溝生物脫氮除磷系統的除磷性能和PAOs和GAOs在活性污泥中所占比例的影響,得到如下結論:
1)溫度低于20℃時(shí),厭氧釋磷速率、乙酸吸收速率隨著(zhù)溫度的上升不斷增加;溫度在20一25℃之間,厭氧釋磷速率達到最大值10. 86 mg P · ( g VSS · h)-1,乙酸吸收速率隨溫度上升繼續增加;溫度高于25℃時(shí),隨著(zhù)溫度的升高,厭氧釋磷速率下降,而乙酸吸收速率仍在增加,導致吸收單位乙酸的釋磷量及處理效果下降;
2)缺氧/好氧吸磷速率的比值為40. 55 % - 64. 90%,表明活性污泥有顯著(zhù)的反硝化吸磷能力;
3)在PAOs與GAOs的競爭中,溫度低于20℃時(shí),有利于PAOs的競爭;溫度在20一25℃之間,PAOs占EUB的比例達到最大值6. 65 %;溫度高于25℃時(shí),GAOs已經(jīng)超過(guò)PAOs的數量成為優(yōu)勢菌種;
4)通過(guò)函數擬合,活性污泥乙酸吸收速率的溫度系數為1. 018。