目前，水體富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)峻，而磷是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的重要元素，因此，將磷從 廢水中去除意義重大.與化學(xué)除磷和物理除磷相比，強(qiáng)化生物除磷因具有除磷效果好、投資少、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)而在世界各地的污水處理廠中得到廣泛應(yīng)用.EBPR中起主要作用的微生物(Micro-Organism)為聚磷菌，PAOs能夠在厭氧的環(huán)境中利用細(xì)胞內(nèi)多聚磷酸鹽的水解產(chǎn)生腺嘌呤核苷三磷酸吸收水體中的揮發(fā)性脂肪酸，并利用糖酵解途徑或者乙酰輔酶A通過三羧酸循環(huán)來提供煙酰胺腺嘌呤二核苷酸在胞內(nèi)合成聚羥基脂肪酸酯.聚磷水解后產(chǎn)生的磷酸鹽被釋放到水體中，在隨后的好氧或者缺氧環(huán)境中，PAOs利用水體中的氧氣或者硝酸鹽等為電子受體氧化PHA，PHA氧化產(chǎn)生的能量用于超量吸收水體中的磷酸鹽并貯存在體內(nèi)生成聚磷等，最后通過排放富磷污泥來達(dá)到減少水體磷含量的目的.
在實(shí)際的污水處理中，亞硝酸鹽作為硝化和反硝化的中間產(chǎn)物廣泛存在于污水的脫氮除磷系統(tǒng)中，且在一定條件下能夠積累，如D
O、溫度、pH的變化，以及高濃度的氨氮、硝態(tài)氮等.Zeng等和異化作用均不同程度地受到亞硝酸鹽的影響，且異化作用受抑制程度相對(duì)同化作用要小.近期研究發(fā)現(xiàn)，在亞硝酸鹽的水溶液中真正對(duì)微生物代謝起抑制作用的為游離亞硝酸，F(xiàn)NA為亞硝酸鹽的的質(zhì)子化形態(tài)，它能夠自由地穿過細(xì)胞膜.通過嚴(yán)格控制pH等外界條件證實(shí)，好氧(Oxygen)吸磷的真正抑制成分是亞硝酸鹽的質(zhì)子化形態(tài).FNA的濃度與溶液中亞硝酸鹽的濃度、溫度和pH密切相關(guān)，其關(guān)系可通過以下公式表示：
，其中，T為溶液的溫度，Ka為亞硝酸在T溫度下的電離平衡常數(shù).
本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，序批式反應(yīng)器進(jìn)水后未經(jīng)嚴(yán)格厭氧段而適當(dāng)延長閑置時(shí)間在處理(chǔ lǐ)合成廢水和實(shí)際生活污時(shí)均能保持良好的除磷性能.將其定義為A/EI工藝，A/EI工藝較傳統(tǒng)厭氧/好氧工藝具有對(duì)碳源依賴程度低、操作簡單及對(duì)pH耐受范圍廣等優(yōu)點(diǎn).不同EBPR工藝中聚磷菌對(duì)亞硝酸鹽的耐受能力不同，且A/EI工藝特有的運(yùn)行模式將會(huì)導(dǎo)致PAOs代謝機(jī)理較傳統(tǒng)A/O工藝不同.當(dāng)進(jìn)水中含有FNA時(shí)是否會(huì)對(duì)A/EI工藝除磷性能產(chǎn)生影響，至今尚未明確，這嚴(yán)重阻礙著工藝的進(jìn)一步完善和推廣應(yīng)用.本文旨在考察FNA對(duì)A/EI序批式反應(yīng)器除磷性能的影響，并通過比較微生物(Micro-Organism)體內(nèi)儲(chǔ)能物質(zhì)的變化，探究FNA對(duì)A/EI反應(yīng)器除磷性能的影響機(jī)制，最后通過恢復(fù)試驗(yàn)研究FNA對(duì)A/EI反應(yīng)器抑制作用的可逆性.
2 實(shí)驗(yàn)（experiment)材料與方法 2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行方法
活性污泥取自長沙第一污水處理廠回流池，經(jīng)馴化15 d后平均分配到4個(gè)序批式反應(yīng)器中.序批式反應(yīng)器有效容積為1.8 L，各反應(yīng)器中初始污泥濃度為4000 mg ? L-1左右.污泥沉降性能良好，反應(yīng)器除磷率均穩(wěn)定在90%以上.整個(gè)實(shí)驗(yàn)包含3個(gè)時(shí)期：馴化期、試驗(yàn)期和恢復(fù)期.反應(yīng)器每天運(yùn)行3個(gè)周期，每個(gè)周期包含4 h好氧曝氣、0.5 h靜置沉淀、3.5 h閑置.靜置沉淀完成后排出上清液1 L，水力停留時(shí)間為14.4 h，好氧曝氣結(jié)束后期排泥水混合物60 mL，污泥停留時(shí)間為10 d.反應(yīng)器采用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，曝氣強(qiáng)度為2 L ? min-1.
2.2 合成廢水
本研究進(jìn)水采用人工合成廢水，以磷酸二氫鉀作為磷源，濃度為20 mg ? L-1，以乙酸鈉作為單一外加碳源，進(jìn)水COD值為500 mg ? L-1，C/P比為25 ∶ 1，進(jìn)水氨氮濃度為20 mg ? L-1.合成廢水其他營養(yǎng)成分包括5 mg CaCl2、5 mg MgSO4、1 mL微量元素，每升微量元素中含有1.5 g FeCl3 ? 6H2
O、0.15 g H3BO3、0.03 g CuSO4 ? 5H2
O、0.18 g K
I、0.12 g MnCl2 ? 4H2
O、0.06 g Na2MoO4 ? 2H2
O、0.12 g ZnSO4 ? 7H2
O、0.15 g CoCl2 ? 6H2O和10 g EDTA.鑒于亞硝酸鹽濃度低于2 mg ? L-1時(shí)對(duì)PAOs的好氧吸磷抑制不明顯，而當(dāng)積累量高達(dá)20 mg ? L-1時(shí)會(huì)導(dǎo)致EBGOOGLE PR崩潰，本研究選取2 mg ? L-1和20 mg ? L-1及中間濃度10 mg ? L-13個(gè)亞硝酸鹽濃度值考察FNA對(duì)A/EI工藝除磷性能的影響(influence)，R1~R3各反應(yīng)器FNA濃度分別為5.13×10-5、2.57×10-4和5.13×10-4 mg ? L-1，R4作為空白對(duì)照.同時(shí)，在各反應(yīng)器進(jìn)水中添加少量的烯丙基硫脲以抑制硝化作用和少量的NaClO3以抑制NO-2-N的氧化.
2.3 分析方法
SO
P、CO
D、S
S、VS
S、氨氮的測定可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)檢測(檢查并測試)方法;PHA測定采用氣相色譜法，色譜儀型號(hào)為安捷倫6890N;糖原質(zhì)測定采用苯（化學(xué)式：C6H6） 酚-硫酸法;溶解氧采用便攜式溶解氧儀測定;pH測定采用玻璃電極法
3 結(jié)果與討論
3.1 FNA對(duì)污泥沉降性能的影響
各反應(yīng)器長期運(yùn)行過程(guò chéng)中的污泥體積指數(shù)變化情況如圖 1所示.由圖 1可知，在污泥馴化時(shí)期，污泥的SVI值基本維持在103~126 mL ? g-1之間，污泥沉降性能良好.在添加亞硝酸鹽后，R1、R2和R3中的SVI值均有不同程度的上升，而R4中SVI值始終維持在初始水平，這表明R4中污泥的沉降性能未受到影響.R1中SVI值最高達(dá)120 mL ? g-1，仍處于正常的沉降范圍;而R2、R3中最大SVI值分別為211 mL ? g-1和310 mL ? g-1，表明R2和R3中污泥物沉降性能變差，出現(xiàn)不同程度的污泥膨脹.這些研究（research)結(jié)果表明FNA濃度大于2.57×10-4 mg ? L-1時(shí)會(huì)導(dǎo)致污泥沉降性能變差，甚至引發(fā)污泥膨脹，而FNA小于5.13×10-5 mg ? L-1時(shí)對(duì)A/EI工藝的污泥沉降性能無明顯影響.往的研究也表明，在FNA濃度較低時(shí)對(duì)系統(tǒng)污泥沉降性影響不明顯，而濃度較高時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的污泥膨脹.
圖 1 長期運(yùn)行過程中各反應(yīng)器內(nèi)SVI值變化情況
3.2 FNA對(duì)A/EI反應(yīng)器除磷性能的影響(influence)
經(jīng)15 d馴化完成后，4個(gè)反應(yīng)器中磷的去除率均在90%以上，在130 d的長期運(yùn)行過程中出水磷濃度如圖 2所示，各反應(yīng)器平均出水磷濃度分別為2.3、7.4、11.9和2.0 mg ? L-1.各反應(yīng)器長期運(yùn)行過程中VSS及SS的平均值見表 1，則各反應(yīng)器中單位VSS磷的去除量分別為6.0、4.3、3.5和6.3 mg ? g-1.可見R1、R4反應(yīng)器的除磷性能明顯強(qiáng)于R2、R3，即FNA抑制了反應(yīng)器內(nèi)微生物的除磷能力，并且FNA濃度越高，抑制作用越大.且當(dāng)FNA濃度為2.57×10-4 mg ? L-1時(shí)反應(yīng)器除磷受到嚴(yán)重影響，單位VSS除磷量抑制達(dá)到38%.然而，當(dāng)FNA濃度為5.13×10-5 mg ? L-1時(shí)反應(yīng)器仍表現(xiàn)出良好的除磷性能，磷的平均去除率高達(dá)89%，單位VSS去磷量的抑制僅為4.75%.可見當(dāng)FNA的濃度大于2.57×10-4 mg ? L-1.時(shí)會(huì)嚴(yán)重抑制A/EI工藝的除磷效率，而FNA濃度低于5.13×10-5 mg ? L-1時(shí)對(duì)A/EI工藝除磷性能的影響并不明顯.
圖 2 長期運(yùn)行過程中各反應(yīng)器出水SOP濃度
表1 各反應(yīng)器平均VS
S、SS及出水氮濃度
3.3 典型周期內(nèi)SO
P、D
O、CO
D、PHA及糖原質(zhì)的變化
典型周期內(nèi)SO
P、D
O、CO
D、PHA及糖原質(zhì)的變化情況如圖 3所示.好氧期內(nèi)，R3和R4的吸磷量分別為3.5和6.3 mg ? g-1，R3的吸磷量遠(yuǎn)小于R4，這表明FNA能抑制反應(yīng)器中PAOs的好氧吸磷.即FNA濃度為5.13×10-4 mg ? L-1時(shí)，反應(yīng)器中PAOs好氧吸磷受抑制程度達(dá)44%.以往研究也曾報(bào)道FNA對(duì)PAOs的好氧吸磷具有抑制作用，如Pijuan等的研究表明，F(xiàn)NA濃度為5.0×10-4 mg ? L-1時(shí)對(duì)A/O工藝好氧吸磷可造成50%的抑制.Saito等研究表明，擁有較高缺氧活動(dòng)能力的PAOs能夠減緩FNA的抑制作用.而本研究系統(tǒng)(system)所特有的延長閑置時(shí)期恰好為PAOs提供了缺氧環(huán)境，這或許是本研究系統(tǒng)較傳統(tǒng)系統(tǒng)擁有較高FNA耐受能力的原因.
圖 3 典型周期內(nèi)SO
P、D
O、CO
D、PHA及糖原質(zhì)的變化
除磷的能力取決于聚磷在微生物代謝過程中所起到的作用，當(dāng)聚磷作為能源物質(zhì)在代謝過程中提供能量時(shí)，就能誘導(dǎo)聚磷微生物過量攝取污水中的磷酸鹽.Wang等研究表明，A/EI工藝在延長閑置期釋磷能誘導(dǎo)下一周期好氧吸磷，且閑置期釋磷的多少與整個(gè)周期磷的去除有極大的關(guān)系，閑置期釋磷量越大，整個(gè)周期磷的去除量就越大.本研究中4個(gè)反應(yīng)器在延長閑置時(shí)期均有釋磷，而R1和R4閑置期磷的釋放量分別為2.28和2.43 mg ? g-1，相比之下，R2和R3閑置期釋磷量僅為1.21和1.09 mg ? g-1.各反應(yīng)器中聚磷對(duì)微生物在延長閑置期前期維持自身的代謝都起到了重要作用，因而釋磷量的不同說明聚磷水解在各反應(yīng)器中提供的能量不盡相同.由于R1、R4閑置期釋磷量大于R2、R3，因而R1和R4中磷的去除量明顯大于R2和R3.R1仍表現(xiàn)出良好的攝磷和釋磷性能，表明FNA小于5.13×10-5 mg ? L-1時(shí)對(duì)A/EI反應(yīng)器好氧吸磷和閑置釋磷影響不明顯;而FNA大于2.57×10-4 mg ? L-1時(shí)對(duì)A/EI反應(yīng)器中微生物的好氧吸磷和閑置時(shí)期的釋磷有嚴(yán)重的影響.
生物除磷性能的高低同時(shí)還與周期內(nèi)PHA及糖原質(zhì)的轉(zhuǎn)化密切相關(guān).以乙酸鈉為單一碳源時(shí)，微生物在體內(nèi)通過TCA循環(huán)將乙酸鈉主要轉(zhuǎn)化成聚-β-羥丁酸和少量糖原質(zhì).由圖 3可知，R4中好氧段前60 min內(nèi)COD已基本消耗（consume)完全，同時(shí)PHA合成量達(dá)2.7 mmol ? g-1，反應(yīng)器中出現(xiàn)少量釋磷.隨后PHA被迅速氧化，且混合液中磷酸鹽迅速減少，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)超量吸磷，吸磷量達(dá)6.12 mg ? g-1.此外，整個(gè)周期中糖原質(zhì)變化不明顯.R1典型周期的變化趨勢基本與R4類似，而R2、R3中各物質(zhì)變化規(guī)律與R4相比有顯著不同.在好氧段，R2和R3中COD的去除較慢，曝氣結(jié)束時(shí)R2和R3中COD的去除率分別為82%和90%，PHA最大合成量分別為1.65和1.38 mmol ? g-1，糖原質(zhì)積累量分別為3.61和3.65 mmol ? g-1.R2、R3中PHA合成量小于R1和R4，而糖原質(zhì)合成明顯比R1、R4多.
PHA氧化產(chǎn)生的能量用于好氧吸磷、糖原質(zhì)的補(bǔ)給及微生物自身的生長，R1和R4在60 min后表現(xiàn)出超量吸磷的原因正是胞內(nèi)PHA的迅速氧化，而R2和R3沒有表現(xiàn)出明顯的超量吸磷也正是好氧初期沒有合成充足的PHA，以至于整個(gè)好氧時(shí)期的吸磷量僅為3.87和2.54 mg ? g-1.4個(gè)反應(yīng)器進(jìn)水均采用乙酸鈉為單一碳源，乙酸鈉進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過TCA循環(huán)產(chǎn)生的能量及微生物的生長代謝消耗量應(yīng)一致，理論上生成PHA的量也應(yīng)一致，而R2、R3中PHA合成明顯少于R1、R4.底物合成PHA的過程也就是合成ATP的過程，而FNA作為一種解偶聯(lián)劑，對(duì)ADP+Pi合成ATP的磷酸(化學(xué)式： H3PO4)化過程具有抑制作用，使生成的能量不能用于ADP的磷酸化，且FNA能提高質(zhì)子通透膜的通透性，從而導(dǎo)致質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力被破壞，氧化磷酸化的作用隨即也被破壞.因此，F(xiàn)NA對(duì)A/EI好氧吸磷的抑制可能是由于抑制了PHA的合成，PHA氧化產(chǎn)生的能量不足，進(jìn)而用于吸磷的能量受到限制.此外，研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NA濃度越高，PHA合成量就越小，好氧吸磷量也越小.4個(gè)反應(yīng)器好氧段末PHA的含量均降低到初始水平，表明PAOs前期合成的PHA均被充分地利用.
PHA的合成量、好氧吸磷及閑置釋磷量均與FNA有密切關(guān)系.FNA抑制PHA合成，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)氧化產(chǎn)能不足影響好氧吸磷.由于好氧末期各反應(yīng)器碳源消耗（consume)殆盡且PHA的含量均已降至初始水平，因此，聚磷水解對(duì)閑置期微生物維持自身生命活動(dòng)意義重大，研究系統(tǒng)閑置時(shí)期聚磷的水解是了解除磷性能的關(guān)鍵因素.本研究中FNA抑制閑置時(shí)期聚磷的水解，進(jìn)而下個(gè)好氧初期釋磷量不明顯.
生物除磷中普遍存在運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，聚糖菌與PAOs的競爭(competition)往往是引起不穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)因素，GAOs會(huì)與PAOs競爭有限的碳源，而對(duì)除磷無任何貢獻(xiàn)，因而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)除磷性能下降.Mino等和Wang等研究（research)表明，EBPR系統(tǒng)中較高的糖原質(zhì)轉(zhuǎn)化表明系統(tǒng)中GAOs活性較強(qiáng)，因?yàn)樘窃|(zhì)是GAOs主要形式的胞內(nèi)聚合物.本研究中R2和R3中糖原質(zhì)合成量明顯高于R1和R4，說明R2和R3中GAOs活性相比R1、R4更強(qiáng).GAOs活性增強(qiáng)會(huì)加速其與PAOs之間的競爭，從而導(dǎo)致系統(tǒng)除磷性能下降.可見，F(xiàn)NA能加速GAOs與PAOs的競爭，為GAOs在競爭中占據(jù)優(yōu)勢提供有利條件，同時(shí)也說明PAOs相比GAOs對(duì)FNA更敏感.
3.4 恢復(fù)試驗(yàn)
恢復(fù)試驗(yàn)期停止添加亞硝酸鹽，并用去離子水反復(fù)清洗污泥以去除污泥表面殘留的亞硝酸鹽.由圖 1可知，R2和R3中SVI值逐漸下降，污泥沉降性能有所提升，然而其SVI值始終未能恢復(fù)至初始水平.相比而言，R1中SVI值迅速下降并恢復(fù)至初始水平.由圖 2可知，經(jīng)恢復(fù)穩(wěn)定后，R1出水磷濃度為1.99 mg ? L-1，和R4中的1.97 mg ? L-1相差不大，而R2和R3經(jīng)恢復(fù)穩(wěn)定后出水磷濃度分別為5.4 mg ? L-1和8.46 mg ? L-1，磷的平均去除率分別為73%和58%，除磷性能相比R1及空白組R4較弱.結(jié)果表明，F(xiàn)NA濃度高于2.57×10-4 mg ? L-1時(shí)對(duì)A/EI工藝除磷性能的影響(influence)較嚴(yán)重，撤銷影響后系統(tǒng)的除磷能力和沉降性能雖有明顯回升，但無法恢復(fù)至初始水平.具體參見污水寶商城資料或
4 結(jié)論
1)FNA濃度小于5.13×10-5 mg ? L-1時(shí)對(duì)好氧/延長閑置序批式反應(yīng)器除磷性能影響(influence)不明顯，而當(dāng)FNA濃度大于2.57×10-4 mg ? L-1時(shí)對(duì)反應(yīng)器除磷性能有明顯的抑制作用，包括污泥沉降性能、好氧吸磷、PHA合成及閑置期釋磷，且FNA濃度越高，抑制作用越強(qiáng).
2)FNA濃度大于2.57×10-4 mg ? L-1時(shí)對(duì)A/EI工藝除磷性能的抑制不可逆.
