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丙酸/乙酸比例对厌氧-低氧生物除磷脱氮系统的影响
摘要：在本文中，三个实验室规模的厌氧/低氧（0.15-0.45mg/L）序批式反应器（SBR-A,B和C）分别采用单纯乙酸、丙酸乙酸比1/1和丙酸乙酸比2/1（碳摩尔比)进行了长期培养，并且对它们厌氧-好氧下的氮磷转化进行了比较。随着丙酸乙酸比的增加，观察到更低的厌氧释磷量和更高的释磷对短链脂肪酸的摄取率；同时也观察到更少的厌氧好氧糖原转化量以及更少的PHB和总PHA，但是PHV和PH2V的转化量有所提高。在SBR-A,B和C中，磷的去除率分别为81、94、97%。在不同的丙酸乙酸比下，几乎所有的氨氮都被去除，并且没有主要亚硝酸盐的累积。然而，观察到硝酸盐的积累和总氮的去除受到丙酸乙酸比的影响。在三个反应器中，总氮去除率分别为61、68、82%，低氧末期硝酸盐浓度分别为8.05、6.40、3.54mg/L。所有上述研究表明，单纯的乙酸引起的硝酸盐累积超过丙酸乙酸混合物，并且适当地增加废水中丙酸乙酸比率有利于厌氧/好氧脱氮除磷（低溶解氧）生物废水处理过程。
关键词：厌氧/好氧（低溶解氧）；乙酸；丙酸；磷；氮。
1.介绍
从废水中去除氮磷是控制富营养化的重要策略。传统的生物脱氮方法包含单独的好氧、缺氧阶段在分开的生物反应器中(Metcalf and Eddy, 1991; Panswad and Anan, 1999; Mulkerrins et al., 2004)。最近,同步硝化和反硝化作用(SND)受到很大关注。就是说，在低溶解氧的条件下，硝化和反硝化作用发生在一个反应器内。在低溶解氧条件下，通过SND脱氮已经被公认为一个在生物废水处理过程中可以节省能量消耗（低氧供应）的策略。但是只有极少的研究关注SND系统中磷的转化(Bertanza, 1997; Helmer and Kunst, 1998; Yoo et al.,1999; Mosquera-Corral et al., 2005)。磷可以被生物去除通过厌氧-好氧强化生物除磷（EBPR）(Mino et al.,1998; Obaja et al., 2003; Obaja et al., 2005; Tanwar et al.,2007)。因为生物除磷不需要化学沉淀剂且产生更少的污泥,它为污水处理厂提供了一个好的可以替代化学除磷的选择。实验代谢模型表明，EBPR通常和细胞内存储的碳磷聚合物的合成和消耗有关。在厌氧阶段，起作用的微生物利用的能量来自于多磷酸盐水解碳基质，比如乙酸和丙酸的摄取并随后以PHA形式存储。PHA主要包括PHB、PHV和PH2MV。在好氧阶段，之前存储的碳被用于生物量的增长和多磷酸盐的合成。好的除磷效率可以通过EBPR实现,但在好氧阶段溶解氧浓度是更高的(通常超过2mg/L),并且氮的变化很少被讨论(Zeng et al., 2003a; Oehmen et al., 2005a)。
为了减少在好氧的阶段的空气供给,有必要对厌氧低氧系统中的氮磷转化行为进行调查，以研制出一种低能耗的生物污水处理工艺。尽管如此,从文献看,只有很少研究讨论了在厌氧/低氧条件下的生物脱氮除磷。Zeng等人称SND和EBPR的结合有可能实现对污水COD最低需要量的同步脱氮除磷。然而，Meyer等人的研究表明在反应器循环的尾端有一些硝酸盐的残留。看来,硝化和反硝化作用在厌氧/低氧生物脱氮除磷系统中发生得不完全。然而,直到现在,与厌氧/低氧生物脱氮除磷系统相关的研究专注于使用醋酸作为碳源,虽然乙酸和丙酸是出现在真实污水中的主要的短链脂肪酸(SCFA)。
在厌氧/好氧(DOgt;6mg/L)EBPR系统(由于使用硫脲而没有硝化反硝化作用)中,Chen等人发现增加污水中丙酸乙酸的比率对磷的去除有积极作用。然而，丙酸乙酸比对厌氧/低氧情况下生物氮磷转化的影响还没有被证明。因此这就是本文探讨污水中丙酸乙酸比对厌氧/低氧(DO，0.15—0.45mg/L)生物脱氮除磷效率的影响的目的。在实验中，三个分别采用乙酸、丙乙酸比为1/1和2/1（碳摩尔比）的实验室规模的序批式反应器被分别培养。
2.研究方法
2.1反应器的设置与运行
生物量在三个实验室规模的厌氧/好氧序批式反应器中富集。这三个反应器每个的工作容积为3.5L,用上海市某个污水处理厂的污泥进行接种。这种反应器通过微生物氮磷营养物的去除过程来运行。实验中所有反应器均放置在（21plusmn;1）℃的恒温室中，在厌氧/低氧情况下运行8小时为一周期，每个周期中厌氧阶段2 h，低氧3 h，沉淀1 h，排水10 min，闲置110 min。在厌氧阶段前7 min，1.75 L人工配水由蠕动泵加入；在低氧阶段，空气用开关控制系统结合在线溶解氧测定仪使溶解氧（DO）自动控制在0.15～0.45mg·L-1。在好氧阶段结束前10min排放剩余污泥，以保持污泥平均停留时间在22 d左右。当沉淀结束后，排出1.75 L上清液，使得三个序批式反应器的水体滞留时间在16h。反应器不断与磁感搅拌器相作用，将沉淀物倒出，进入闲置期。污泥浓度（MLSS）维持在大约3500 mg·L-1，挥发性悬浮固体（MLVSS）维持在约2200 mg·L-1。 经过大概3个月的驯化，系统达到稳定。
2.2人工配制污水
容积为1.75 L的人工配制污水由0.09L溶液A，1.65 L溶液B和0.01L的短链脂肪酸（SCFA）水溶液组成，每升溶液A含：1 g MgSO4·7H2O；0.45 g CaCl2·H2O；2.34 g NH4Cl；0.5 g蛋白胨和6 mL营养液；每升溶液B含：29 mg KH2PO4和33 mg K2HPO4。每升营养液含: 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）。三个SBR反应器中的SCFA浓度见表1。三套SBRs的进水有机酸COD均为300 mg·L-1，NH4 -N为35 mg·L-1，SOP为12 mg·L-1。
表1
Composition of main carbon sources and their concentrations in three SBRs
2.3解析方法
从反应器中采取的三组活性化污泥样品需马上使用显微滤镜(孔径1.0–1.5mu;m)进行过滤，之后立即对滤液中的乙酸，丙酸，COD，NH4 –N,，SOP， 硝酸盐(NO3–-N) 和硝酸盐(NO2–-N)的浓度进行分析。乙酸和丙酸采用气相色谱法测定（色谱仪型号为HP 5980II型），端口需要200℃恒温条件，检测器则需要220℃恒温条件。GC的程序设定为，首先需要在110℃下分析样品维持4分钟，接下来每分钟提高10℃直到200℃持续，额外的2分钟，最终使其运转15分钟。氮气被用作生菌气体（流速为50 ml min-1）。样品和标本的酸化通过在5mu;l的样品中加入50微升的H3PO4(10%)来完成，样品的注射量为1mu;l。经过量测，乙酸和丙酸的总数记为SCFA的总量。
污泥样本在PHA分析中被吸收、甲基化并在三氯甲烷的作用下萃取物质。萃取出来的甲基将通过装备有FID (长 30 m，内径 0.53 mm, 薄膜厚度0.88lm)的GC (HP 4890)进行分析。校准曲线时需要PHB/PHV (88%/12%)的度量衡标准，这种标准可以联系美国Sigma-Aldrich公司获得。为了得到样品和注入气相色谱，六种不同的浓度标准进行了相同的操作程序。PHB浓度和相应的峰值之间的直接关联，系统蒸发散地区，以及PHV浓度和对应峰值面积之间的直接关系已经建立。另一个校准曲线使用的DL-ALPHA是由Sigma-Aldrich公司提供的。它应该是注意到这里没有样本可直接用于PH2MV的度量衡和DL-ALPHA和PH2MV是同分异构体，因此前者化合物是应用PH2MV的标准曲线（Oehmen等人，2005年b）。所测得的PHB，PHV和PH2MV的总和被记录为总PHA。
微生物细胞内糖原含量的变化采用蒽酮比色法测定，并且假设该变化是在糖原组件发生。所有其他分析方法的进行都要按照标准方法操作。COD的测定利用的是方法5220D；NH4-N，NO2--N和NO3--N的测定使用的方法分别是4500F，4500B；总氮的测量方法是4500D；SOP的测量方法是4500 E。MLSS和 MLVSS分析方法分别是2540 D和2540 E。
SND的效率和SND增率是根据公式计算的。见式（1）和（2），分别为：
式中，NH 4(tot)为在反应结束过程中被氧化的NH4 -N总浓度，单位为mg·L-1；NO-x(acc)为当NH4 -N浓度为零时NO-x-N的累积浓度，单位为mg·L-1；t为低氧曝气时间，单位为h。
在表中报告的数据是在三种不同的周期下它们的平均值和标准偏差。进行独立的实验的意义在于进行了测试使用单因素方差分析的方法。
3.结果与讨论
3.1三个SBR反应器的配置
图1 Variations of SCFA and glycogen during one cycle in three SBRs (a: acetic and propionic acids; b: glycogen).
如图1-3，表示的是在微生物一个厌氧好氧周期下三个反应器中，SCFA、糖原、氮、磷以及PHA的变化。在厌氧段，外碳源（乙酸和丙酸）在40 min内被全部消耗，同时出现明显的磷释放、糖原降解和PHA合成。在好氧阶段，由于没有外部碳源，所述内部存储的PHA会被氧化用于细胞的生长、磷的吸收以及糖原合成。此外，在好氧的情况下，SOP和铵的浓度会随着时间延长而逐步降低，同时NO3--N的浓度持续增加，但在这时所有反应器并未出现NO2--N的大量积累。好氧阶段结束时，SOP的浓度达到最低，而NO3--N的浓度达到最高。以上所有观察结果与Zeng等的研究一致。
在无氧阶段的开始，SBR-A的pH值为7.54，而在厌氧时间结束时下降到7.35。有氧阶段开始的1小时后pH值快速上升，在CO2的影响下最高值达到7.92。在此之后， pH将逐渐下降，并最终在有氧阶段结束时达到7.36。几乎能够在所有其他SBR中观察到相同的pH变化规律。
图2 Variations of N and P during one cycle in three SBRs (a: NO3_–N;b: SOP).
图3 Variations of PHB, PHV, PH2MV and total PHA during one cycle in three SBRs (a: PHA and PHV; b: PHB and PH2MV).
3.2三个SBR反应器间厌氧转化的比较
在一个循环中，三个SBR中磷的厌氧转化、PHA和合成和糖原的利用在表2中阐述。在SBR-A, SBR-B和SBR-C中的释放SOP分别为2.18、1.94、1.87 mmol/L，或者67.58、60.12和57.97mg
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