Zn2+對SBR單級好氧模式生物除磷性能的影響

賈利濤,陳洪波,李小明,楊 麒,許德超,趙建偉,向 沙,劉芳芳,李娟娟 (湖南大學環境科學與工程學院,湖南 長沙 410082)

Zn2+對SBR單級好氧模式生物除磷性能的影響

賈利濤,陳洪波,李小明*,楊 麒,許德超,趙建偉,向 沙,劉芳芳,李娟娟 (湖南大學環境科學與工程學院,湖南 長沙 410082)

以合成廢水為研究對象,以丙酸鹽為單一外加碳源,通過比較進水中不同Zn2+濃度(0,1,5,10,20mg/L)下單級好氧模式下序批式反應器(SBR)的除磷效果,考察進水 Zn2+濃度對單級好氧 SBR生物除磷性能的影響,并通過分析各反應器中典型周期內磷及微生物體內儲能物質的變化,探究Zn2+對單級好氧SBR生物除磷性能的影響機理.當進水Zn2+濃度為0和1mg/L時,除磷率分別高達96.84%和97.90%.當進水Zn2+濃度為5,10,20mg/L時,系統除磷率分別為89.32%,76.43%和57.29%,說明較高濃度Zn2+對單級好氧SBR生物除磷有抑制作用.結果表明,較高濃度Zn2+可抑制COD的降解,微生物體內聚羥基脂肪酸酯好氧合成及磷酸鹽激酶活性,并促進GAOs的代謝,使聚磷合成和水解量減少,從而降低系統的除磷性能.

序批式反應器；丙酸鹽；Zn2+；單級好氧工藝；生物除磷

強化生物除磷(EBPR)理論[1]認為,生物除磷須通過聚磷菌(PAOs)在厭氧條件下水解多聚磷酸鹽(poly-P)而釋磷.在此過程中,PAOs需以主動運輸方式吸收污水中的揮發性脂肪酸(VFA),利用糖原的EMP途徑或者乙酰輔酶A通過三羧酸(TCA)循環來提 NADH在胞內合成聚羥基脂肪酸酯(PHA),其中poly-P的分解則為此過程提供三磷酸腺苷(ATP)[2].在隨后的好氧期,PAOs以游離的氧為電子受體來氧化先前貯存的PHA,并利用此反應產生的ATP來過量攝取污水中的磷酸鹽,從而達到減少水體中磷含量的目的[3-4].

本研究小組以往研究[5-7]發現,進水后不經特定的厭氧段而直接進行好氧曝氣,序批式反應器(SBR)仍能保持良好的除磷能力.與傳統厭氧/好氧(A/O)模式不同,單級好氧SBR中PAOs可在好氧條件下吸收VFA,并通過糖原分解和TCA循環產生的 NADH提供還原當量合成 PHA,同時分解合成的PHA來提供合成poly-P所需的能量,從而實現磷的去除.

微量重金屬是生物酶活性的輔助因子,是微生物必需元素.然而,當多數生物體內的重金屬離子濃度達到 mg/L水平,即可使生物體中毒[8].釋放到環境中的重金屬通常由于它們的毒性以及通過食物鏈的累積,而對生態環境和人類健康產生嚴重危害[9].鋅(Zn)是生活污水和污泥中的最常見的重金屬之一[10],并隨著冶金和化工等產業的發展及含Zn制品市場的日益擴大,Zn在廢水中廣泛存在,并會導致生活污水與工業廢水合并處理時存在風險[11].據統計,我國2000～2010年污灌污水中 Zn濃度范圍為 0.00119～90.0mg/L[12].而ZnO納米材料的廣泛應用,使其向環境中釋放的 Zn2+對厭氧-低溶解氧 SBR脫氮除磷系統產生不利影響,并隨其濃度增高,抑制作用逐漸增強

[13].Ting等[14]設置0,1,5,10,20mg/L濃度梯度研究了Zn2+對A/O工藝的影響,結果發現磷的去除性能對Zn2+非常敏感,較高的Zn2+濃度會降低系統除磷能力.

雖然有關重金屬對傳統A/O工藝除磷效果影響的研究較多,但關于其影響機制的深入探討卻甚少.此外,單級好氧SBR與傳統A/O模式有截然不同的運行方式,除磷過程中微生物能量代謝也有較大區別[5].重金屬對單級好氧SBR除磷性能的影響尚不明確,這嚴重限制了該工藝的推廣與應用.因此,本文以合成廢水為研究對象,通過比較0,1,5,10,20mg/L的Zn2+濃度下單級好氧SBR除磷效果,研究Zn2+濃度對單級好氧SBR除磷性能的影響,并通過分析典型周期內磷及微生物體內儲能物質的變化,探究 Zn2+對單級好氧SBR除磷性能的影響機理.

1 材料與方法

1.1 活性污泥馴化

活性污泥的馴化在由有機玻璃制成的反應器中進行,反應器有效容積為 9L,接種污泥取自于長沙市開福區污水處理廠回流池.反應器每天運行 3個周期,每周期為 8h,具體運行方法為:瞬時進水→好氧(4h)→沉淀出水(0.5h)→靜置(3.5h).在每周期好氧段開始前,向反應器中加入 5L合成廢水,用0.5mol/L的鹽酸和0.5mol/L的氫氧化鈉調節pH值,使pH值保持在7～8范圍內.靜置期末排水約5L.按上述方法馴化約10d后,污泥外觀呈黃色,活性及沉淀效果均較好,系統除磷率穩定在99%左右,系統開始試運行.

1.2 實驗裝置及運行方法

實驗以5個有效容積為1.8L的玻璃燒杯作為反應器.將馴化好的活性污泥平均接種至上述5個SBR中,初始污泥濃度約為4000mg/L.SBR運行方法及控制條件均與馴化期一致.控制污泥停留時間(SRT)在18d左右,水力停留時間(HRT)大約為14.4h.每周期的靜置期末排水1L且加入1L合成廢水,并且分別向5個反應器中加入濃度為 0,1,5,10,20mg/L的 Zn2+,分別編號為 R1,R2, R3,R4和R5.

1.3 污水水質

進水采用合成廢水,以丙酸鹽作為單一外加碳源,各組進水水質和濃度均相同:丙酸鈉(以 C計)15mmol/L;磷酸二氫鉀(以 P計)15mg/L;氯化銨40mg/L;硫酸鎂5mg/L;氯化鈣5mg/L;微量元素 1mL.其中微量元素主要成分及濃度見文獻[15],但本研究不加硫酸鋅.

1.4 分析方法

溶解性磷酸鹽(SOP)用鉬銻抗分光光度法[16]測定;混合液懸浮固體(MLSS)與混合液揮發性懸浮固體(MLVSS)采用重量法[16]測定; COD采用重鉻酸鉀法[16]測定;糖原質(Glycogen)采用苯酚-硫酸法[8]測定; PHA采用氣相色譜法[17-18]測定;磷酸鹽激酶(PPK)粗酶提取及酶活測定參照文獻[19]中的方法;粗酶液總蛋白含量采用Folin-酚法.

2 結果與討論

2.1 長期運行過程中各反應器的除磷效果

自活性污泥接種至 5個反應器時起,每周期加入相應濃度的Zn2+,并且每3d進行進出水取樣來用于SOP含量的測定.圖1為100d長期運行過程中各反應器中SOP的去除率.

由圖1可知,加入Zn2+后,R2除磷率不僅沒有降低,反而比 R1更高,秦海霞等[20]的研究也證實了低濃度Zn2+有利于提升活性污泥系統的除磷性能.與R1和R2相比,R3,R4和R5的除磷率則明顯受到影響,且 Zn2+的濃度越大,系統除磷效率越差,R3,R4和 R5除磷率分別為 82.4%,64.8%和28.2%.然而,在隨后的一周內,3個反應器的除磷率均有明顯回升,運行至第 7d,3個反應器除磷率分別回升至93.4%,75.4%和58.9%.由此可知,較高濃度Zn2+的沖擊負荷使系統的除磷性能大幅度下降,并在一段時間的適應期內得以不同程度的回升.在隨后的一個月內,R3與 R4除磷率仍有少量回升,R3除磷率最終穩定在90%以上,R4則維持在80%以上.而R5除磷性能經過前期適應階段有所改善后,后期并未出現回升,基本維持在55%左右.

圖1 5個反應器長期運行中SOP去除率Fig. 1 SOP removal efficiencies in 5 SBRs during the long-term operation

為更準確地表示這 5個反應器的除磷狀況差別,本研究對各個反應器進行了單位質量 VSS磷去除量的分析(圖2).由圖2可知,R1,R2中污泥具有較強的除磷能力,平均單位污泥除磷量分別達6.188,6.242mgP/gVSS. R3,R4和R5單位污泥除磷量明顯低于 R1,且加入 Zn2+濃度越大,差距越明顯,說明以上3個反應器污泥除磷能力受到不同程度的抑制.

圖2 5個反應器長期運行中單位質量VSS的除磷量Fig. 2 Variations of phosphorus removed per gram of VSS in 5 SBRs during the long-term operation

由表1可見,R2中MLSS和MLVSS都比R1大,而R4和R5中MLSS和MLVSS明顯小于R1.可見當相對高濃度(10,20mg/L)Zn2+存在時,微生物的生長會受明顯抑制.Oehmen等[21]研究表明,較低的MLVSS/MLSS值意味著活性污泥中有更多的聚磷存在.表中各反應器中 MLVSS/MLSS值依次增大,說明隨著Zn2+濃度增大,反應器除磷性能逐漸減弱,這與長期運行過程中各反應器除磷性能一致.此外,表1還表明 R1,R2中PPK活性較高,而R3,R4,R5中隨著Zn2+濃度增大PPK活性逐漸減弱.Zheng等[13]也曾有類似的報道.可見,較高濃度的Zn2+可抑制活性污泥的PPK活性.

表1 5個反應器穩定運行期PPK活性以及MLSS和MLVSS的變化Table 1 PPK activity and changes of MLSS and MLVSS in 5SBRs during the steady-state operation

2.2 典型周期內SOP,DO,COD,糖原和PHA的變化

由圖3可知,Zn2+的加入對DO的變化無明顯影響,且每個反應器在好氧期的前30min DO都很低,處于0.4mg/L以下,但30min后便大幅度上升,在好氧段末能達到4.2mg/L左右,又在隨后靜置期的前60min內急劇下降至0.4mg/L左右,最后低至0.1mg/L以下.與之相對應,5個反應器在好氧期的前30min都產生了釋磷現象,Wang等[7]的研究也有類似現象.這與本課題組以往的研究

[22-23]不同,可能是因為在好氧初期,微生物通過消耗氧來大量分解丙酸鹽,形成供氧速度低于耗氧速度,造成DO過低而形成缺氧甚至厭氧的情況,此時也有部分聚磷分解并產生ATP,可以為微生物吸收 VFA提供能量,從而有一部分的磷釋放出來.還可能因為上個周期的靜置階段所釋放的磷酸鹽被吸附在活性污泥表面,而在新一周期由于好氧曝氣又分散到介質中.

圖3表明,R1與R2在好氧初期的SOP濃度可上升至44.57,47.05mg/L,但出水濃度分別只有0.89,0.73mg/L.這說明Zn2+濃度較低時,有更多的聚磷參與分解與合成,而聚磷的參與量是生物除磷的關鍵.與R1,R2相比,R3,R4和R5中SOP濃度在好氧期波動幅度相對較小,即 SOP上升量,吸收量亦少,且 Zn2+濃度愈大,波動幅度愈小.到靜置期時,各反應器都出現明顯釋磷現象,其釋磷量出現 R5

生物除磷過程與細胞內的PHA和糖原的轉化密切相關[24],并且它們是 PAOs在代謝過程中所需能量的儲存與供給者[21].在以丙酸鹽為碳源的單級好氧工藝中,PAOs進行吸磷代謝所需的能量亦來自于PHA的分解[7].本研究中的好氧期可分為外碳源消耗階段(儲能物質積累)和內碳源消耗階段(儲能物質轉化).外碳源消耗階段大概為好氧期的前 45min.在這期間,COD急劇下降,PHA大量合成,而糖原呈下降趨勢,為PHA合成提供還原當量,此時并沒有明顯的吸磷現象,丙酸鹽分解所產生的ATP主要供給內碳源的積累(圖3,圖4).到內碳源消耗階段時,PHA優于糖原先分解,因為PHA是微生物在好氧條件下最容易利用的細胞內儲存物質[25].PHA首先氧化分解生成乙酰輔酶A和丙酰輔酶A,然后通過TCA循環產生能量供磷酸鹽的吸收,還有部分PHA經糖原異生作用合成糖原質.因此在內碳源消耗階段,PHA因好氧分解而減少,但糖原處于開始累積狀態.

圖3 5個反應器中典型周期內SOP和DO的變化Fig.3 Variations of SOP and DO during a typical cycle in 5SBRs

圖 4表明,在外碳源消耗階段,R1與 R2的COD降解量基本相同,而其他 3個反應器中的COD降解量相對較少(R5

圖4 5個反應器典型周期內COD,PHA和糖原的變化Fig.4 Variations of COD, PHA and glycogen during a typical cycle in 5SBRs

綜上所述,以 R1為代表的采用丙酸鹽為單一外加碳源的單級好氧工藝,在正常運行情況下可取得良好的除磷效果,并且代謝過程中PHA的參與比較活躍,而糖原代謝途徑相對較少.當加入1mg/L的Zn2+時,PHA的參與代謝量增加,糖原的參與有所降低,對 PPK活性無明顯影響,并利于SOP的去除;當加入5mg/L以上的Zn2+時,好氧期PHA的生成與消耗量隨Zn2+增高而減小,糖原的波動幅度則隨 Zn2+濃度增加而變大,與之對應的PPK活性和 SOP去除能力隨 Zn2+增加而變弱.但Zn2+的加入對整個過程的DO影響不明顯.

2.3 Zn2+對單級好氧SBR除磷性能的影響機理Zn是乙酸脫氫酶、RNA和DNA聚合酶的組分[19],是微生物生長所需的微量元素.而本實驗所用的微量元素并不含Zn,這就可以解釋為什么R2的除磷效果整體比R1要好.但當Zn2+濃度較高時,就可能使微生物體與水體之間的滲透壓增大,導致其他物質進入細胞體內,從而影響微生物的代謝過程,甚至死亡;也可以打破化學平衡直接與微生物細胞內的物質相結合而產生毒害作用[26],所以隨著 Zn2+濃度的增大和時間的推移,MLSS和MLVSS逐漸變小,即微生物的量在漸漸減少.

重金屬與微生物蛋白酶活性中心的-SH有強烈反應性,可使酶失活,并且可與非活性中心的其他部分結合而使結構發生變形,也可導致活性變弱[27-28].本研究中發現,較高濃度的Zn2+對PPK活性有抑制作用,并且Zheng等[13]通過熒光原位雜交技術(FISH)分析得知,ZnO納米材料釋放出的Zn2+同樣對PAOs中PPK活性產生抑制作用.而 PPK是 PAOs進行生物除磷時至關重要的酶,poly-P的合成是由PPK催化完成的,并且這個過程是可逆的,PPK也可催化poly-P的分解,并伴隨著能量的轉移(nATP?nADP + poly-Pn)[18,23].因此,當加入較高濃度的 Zn2+(5,10,20mg/L)時,PPK就會受到不同程度的抑制,因而poly-P的好氧期合成和靜置期分解就會受到抑制,即PAOs的好氧吸磷與靜置期釋磷受阻,這與圖3中SOP的周期變化規律相符合.在靜置期poly-P的分解量減少則會引起分解時產生的用來維持細胞生長所需的ATP也隨之減少,這也可能是導致R3-R5后期MLSS較小的另外一個原因.

PHA被認為是 EBPR的關鍵儲存物,因為PHA的大量積累是PAOs好氧吸磷所需能量的保證[5].可見,當加入較高濃度的 Zn2+(5,10, 20mg/L)時,PHA在外碳源消耗階段的積累會受到不同程度的抑制,而Zn2+對COD降解的抑制作用也可能是 PHA合成受抑制的原因之一,因為COD的降解量間接反映碳源的利用率.隨后內碳源消耗期PHA分解產生的ATP也隨之減少,從而導致PAOs進行poly-P合成時所需ATP能量不足.R1,R2,R3和R4在相同COD去除率的情況下,PHA合成量減少,糖原的積累量就會相對較高.而 R5的碳源利用率相對較低,但其糖原積累量最高,可見 R5中糖原的代謝更為旺盛.糖原的合成量較多,也可能是因為聚糖菌(GAOs)的代謝旺盛,因為在生物除磷系統中,GAOs可與 PAOs競爭VFA而大量生長,其能量主要來源于糖原分解,但代謝過程中不伴隨磷的參與[29].GAOs的過度生長則是EBPR性能惡化的潛在原因[30].因此,較高Zn2+對PHA合成的抑制及糖原參與量的提高,可降低系統的除磷性能.

Lu等[25]發現 poly-P和糖原同時存在時,糖原為優先利用的儲能物質來維持細胞生長,直到糖原降到較低水平才分解 poly-P,所以在靜置期R3,R4和R5的釋磷量相對于R1,R2較少.圖4表明,隨著加入的Zn2+的提高,靜置期分解的糖原量越多,當 R3-R5中的糖原降至較低水平時,仍繼續分解,因而 poly-P的降解量更少.這可能是因為GAOs的代謝旺盛,而PAOs的代謝途徑相對較少.因為GAOs與PAOs有著相似的代謝途徑,不同之處在于GAOs沒有磷的釋放與吸收,并且其能量和還原當量主要來源于糖原的分解[29],并且PAOs對Zn2+比較敏感[13].研究表明,GAOs的能量來源主要是糖原的分解,當以乙酸鹽為碳源時,GAOs會產生比PAOs更多的聚β羥基戊酸(PHV)和 PHA[23,30].而本研究雖以丙酸鹽為碳源,但在靜置期同樣存在該現象,即當較高濃度的Zn2+存在時,較多的糖原經ED或EM途徑分解產生ATP,并生成丙酰輔酶A來維持氧化還原平衡,最后生成更多的PHV[32].因此R3,R4和R5中較多的PHV生成,可能是它們靜置期的PHA積累量比R1,R2要多的原因,也可能是GAOs代謝活性旺盛的表現.一般來說,生物除磷過程中 PHA和糖原的變化與PAOs和GAOs有關,并且較多的糖原轉化量意味著 GAOs的代謝更為活躍

[23,31,33],而圖 4則表明了 5個反應器中典型周期內糖原的變化幅度(R2

3 結論

3.1 低濃度(1mg/L)的 Zn2+有利于提高單級好氧 SBR除磷效果,而較高濃度(5,10,20mg/L)的Zn2+可抑制單級好氧SBR除磷性能,且Zn2+濃度越高,抑制作用越明顯.

3.2 Zn2+的短期沖擊負荷會導致除磷效果急劇下降,但長期馴化作用可使除磷性能得到不同程度回升.

3.3 5,10mg/L的Zn2+對COD降解初期略有抑制作用,但對其總去除率無明顯影響;20mg/L對COD降解不利.

3.4 較高濃度的Zn2+可抑制PHA的合成和PPK的活性,減少poly-P的生成,同時不利于PAOs代謝,并使得GAOs的代謝較更為旺盛,從而降低系統的除磷性能.

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Effect of Zn2+on biological phosphorus removal performance in single-stage oxic sequencing batch reactor.

JIA Li-tao, CHEN Hong-bo, LI Xiao-ming*, YANG Qi, XU De-chao, ZHAO Jian-wei, XIANG Sha, LIU Fang-fang, LI Juan-juan (College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2266～2272

Effect of Zn2+(0, 1, 5, 10 and 20mg/L) on phosphorus removal in single-stage oxic sequencing batch reactor (SBR) was investigated, the cyclic variations of phosphorus and intracellular polymers were analyzed, and the influencing mechanism of Zn2+on phosphorus removal induced by the single-stage oxic regime was explored. The experimental results showed that 96.54% and 97.48% of the influent phosphorus could be removed in the reactors fed with 0and 1mg/L Zn2+. However, the phosphorus removal efficiency decreased to 89.20%, 76.43%, 57.29% respectively in the reactors fed with 5, 10and 20mg/L Zn2+, suggesting that a higher concentration of Zn2+inhibited the phosphorus removal induced by the single-stage oxic regime. It was demonstrated that the effect of Zn2+on phosphorus removal was due to the inhibition to the degradation of COD, synthesis and hydrolysis of polyhydroxyalkanoates and the activity of polyphosphate kinase. Moreover, the metabolic shift from polyphosphate accumulating organisms to glycogen accumulating organisms at high Zn2+concentrations of could also decrease the phosphorus removal ability of the system.

sequencing batch reactor；propionate；Zn2+；single-stage oxic process；biological phosphorus removal

X701.3

A

1000-6923(2014)09-2266-07

賈利濤(1988-),男,河南焦作人,湖南大學環境科學與工程學院碩士研究生,主要從事水污染控制研究.

2014-01-07

國家自然科學基金(51278175,51378188)

* 責任作者, 教授, xmli@hnu.edu.cn