生物除磷及其生化機(jī)理研究
論文類型 | 技術(shù)與工程 | 發(fā)表日期 | 2001-01-01 |
來(lái)源 | 《中國(guó)給水排水》VOL.17 No.1 2001 | ||
作者 | 田淑媛,楊睿,王景峰,李錚 | ||
關(guān)鍵詞 | 生物除磷 生化機(jī)理 PHB COD 聚磷菌 | ||
摘要 | 田淑媛,楊睿,王景峰,李錚 (天津大學(xué)環(huán)境工程系,天津300072) 摘要:利用氧化還原電位控制整個(gè)反應(yīng)過(guò)程,研究了厭氧、好氧狀態(tài)下磷酸鹽和PHB、COD之間 的關(guān)系,并根據(jù)厭氧和好氧狀態(tài)下有關(guān)的生化模型,較深入地探討了生物除磷過(guò)程的生化機(jī)理。 關(guān)鍵詞:生物除磷;生化機(jī)理; ... |
田淑媛,楊睿,王景峰,李錚
(天津大學(xué)環(huán)境工程系,天津300072)
摘要:利用氧化還原電位控制整個(gè)反應(yīng)過(guò)程,研究了厭氧、好氧狀態(tài)下磷酸鹽和PHB、COD之間 的關(guān)系,并根據(jù)厭氧和好氧狀態(tài)下有關(guān)的生化模型,較深入地探討了生物除磷過(guò)程的生化機(jī)理。
關(guān)鍵詞:生物除磷;生化機(jī)理;PHB;COD;聚磷菌
中圖分類號(hào):X501
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C
文章編號(hào): 1000-4602(2001)01-0071-03
1 試驗(yàn)裝置和方法
試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。
圖1 試驗(yàn)裝置示意圖
首先培養(yǎng)可高效除磷的活性污泥:從模擬的改進(jìn)UCT流程的好氧區(qū)取出4 L污水(沉淀后其上 清液與沉淀污泥的體積比約為2∶1),注入到柱型有機(jī)玻璃反應(yīng)器中,加蓋攪拌至氧化還原 電位在-100~-200 mV之間,表明污水已處于嚴(yán)格的厭氧狀態(tài),無(wú)游離氧受氫體和硝酸根受 氫體存在。然后在反應(yīng)器內(nèi)添加乙酸使其濃度為50、75、100、200 mg/L,測(cè)定在不同乙酸 濃度下磷酸鹽釋放量和PHB合成量、乙酸基質(zhì)(COD)消耗量的關(guān)系。
分別在第20、40、60、120 min時(shí)取樣,每次取樣7.5 mL并馬上分析:首先離心,將上清液 置于冰箱中在4 ℃保存(供測(cè)定PO3-4濃度用),再用2 mL濃度為6%的漂白粉溶液處 理沉淀污泥并將其冷凍保存(供測(cè)定PHB用)。
測(cè)定方法及所用儀器如下:
?、傺趸€原電位:采用Fisher Accumlt pH儀測(cè)定。將電極用標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定(電極在 pH=7的緩沖液中讀數(shù)為86 mV,在pH=4的緩沖液中讀數(shù)為263 mV),用此指標(biāo)可嚴(yán)格監(jiān)控反應(yīng) 的厭氧、缺氧、好氧狀態(tài)。
?、赑HB:首先將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的活性污泥離心20 min(10 000 r/min),倒掉上清液,將沉淀 污泥在真空和干燥環(huán)境下冷凍10 h,然后用分析天平稱重并用氯仿萃取,再應(yīng)用Comlau(198 8)和Mab(1990)改進(jìn)的方法,將2 μL氯仿萃取液注入到氣液相色譜儀上,即可得到一個(gè)典型 的污泥樣品色譜層析圖。
③PO3-4:用Lachat auikchlm自動(dòng)流注射離子分析儀測(cè)定。
④COD:重鉻酸鉀法。
?、軵HB和聚磷顆粒染色切片觀察:光學(xué)顯微鏡。
2 試驗(yàn)結(jié)果
2.1厭氧試驗(yàn) 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
由表1可見(jiàn),在厭氧條件下,PHB含量和磷酸鹽釋放量均隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,隨乙酸基質(zhì)濃 度的增加而增長(zhǎng),但磷酸鹽釋放量在前40 min增長(zhǎng)較快,之后則增長(zhǎng)緩慢。
表1 PHB含量及磷酸鹽釋放量隨時(shí)間及乙酸濃度的變化
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算,磷酸鹽的釋放量與乙酸基質(zhì)的消耗量呈正比關(guān)系,其斜率約為0.5,相 應(yīng)的分子比率是0.97∶1.0(摩爾磷∶摩爾乙酸)。
2.2 厭氧—好氧連續(xù)試驗(yàn)
采用葡萄糖基質(zhì)作為唯一碳源,控制磷酸鹽濃度為10~20 mg/L,COD濃度為300~550 m g/L,且(COD/PO3-4)>30。
試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 厭氧、好氧狀況下磷酸鹽與COD變化曲線
從圖2可以看出,COD在厭氧段的初期(前30 min)和好氧段的初期(前60 min)降解較 快,隨后降解速度降低,曲線趨于平緩。COD的總?cè)コ试?0%以上,可見(jiàn)強(qiáng)化生物除磷 系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除效果非常理想。磷酸鹽的釋放規(guī)律性并不明顯,總釋磷量也不大,但磷的釋放一般會(huì)在COD降解一段時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)定,這表明COD首先被產(chǎn)酸細(xì)菌發(fā)酵降解為乙酸、乳酸等,被聚磷菌(PAOS)快速吸收之后聚磷菌大量繁殖,合成了大量PHB ,同時(shí)釋放出大量磷酸鹽,并消耗掉COD。
對(duì)活性污泥樣品中PHB顆粒和聚磷酸鹽顆粒進(jìn)行特殊染色,并在光學(xué)顯微鏡(10倍×40倍)下觀察,結(jié)果顯示:在厭氧區(qū)(氧化還原電位<-100 mV)污泥細(xì)胞內(nèi)PHB顆 粒迅速、大 量地增加,聚磷酸鹽顆粒迅速減少;而在好氧區(qū)污泥細(xì)胞內(nèi)PHB顆粒迅速減少,聚磷酸鹽顆粒迅速增加。
3 生物除磷機(jī)理
在營(yíng)養(yǎng)豐富的活性污泥中,PAOS在即將進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)能從外界吸收大量的可溶性磷酸鹽,在體內(nèi)合成多聚磷酸鹽(Poly-Pn)并積累起來(lái)(供對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期中合成核酸)。細(xì)菌經(jīng)過(guò)對(duì) 數(shù)生長(zhǎng)期進(jìn)入靜止期時(shí),大部分細(xì)胞已減慢繁殖,核酸的合成速度降低,對(duì)磷的需要量很低 ,但若環(huán)境中仍有磷源而細(xì)胞又有一定的能量時(shí),PAOS能繼續(xù)從外界吸收磷素,以Poly-P n的形式積累于細(xì)胞內(nèi)作為儲(chǔ)存物質(zhì)。當(dāng)細(xì)菌細(xì)胞處于極不利的生活條件即所謂細(xì)菌“壓抑 ”狀態(tài)(bacterial“stress”)時(shí),積累于體內(nèi)的Poly-Pn就會(huì)分解,并釋放到環(huán)境中,同時(shí)釋放出能量,為合成PHB提供能量來(lái)源。此時(shí)菌體內(nèi)Poly-Pn逐漸消失,以可溶性單磷酸鹽的 形式排放到環(huán)境中。如果再次進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)豐富的好氧環(huán)境時(shí),將重復(fù)上述過(guò)程?;谶@些現(xiàn)象 ,可以相信在細(xì)菌處于缺少能量狀態(tài)時(shí),Poly-Pn可使某些成分磷?;?例如從ADP到ATP)。
研究表明,在厭氧條件下,細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)磷大量消失,PHB大量增多;好氧條件下,PHB迅速減少,Poly-Pn迅速增多。厭氧條件下合成的PHB越多,好氧條件下Poly-Pn合成量越大。由于PAOS可以主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞侥鏉舛忍荻葘⑽鬯械牧走\(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)內(nèi),因此可通過(guò)過(guò)量吸 收磷達(dá)到高效除磷效果。
厭氧條件下由于污水中的酸性發(fā)酵,大部分溶解性有機(jī)物以乙酸和脂肪酸的形式存在,而兼 性厭氧菌的發(fā)酵反應(yīng)也會(huì)增加脂肪酸的數(shù)量。乙酸以被動(dòng)擴(kuò)散方式進(jìn)入細(xì)胞,并立即被活化 ,通過(guò)偶聯(lián)ATP的水解轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A,并產(chǎn)生ADP。ATP同時(shí)被用于補(bǔ)償因運(yùn)輸乙酸離解出 的H+而損失的質(zhì)子推動(dòng)力。ATP/ADP值控制著Poly-Pn的分解與生成,厭氧條件下當(dāng)ATP/AD P值降低時(shí),PAOS刺激從Poly-Pn到ATP的合成反應(yīng)。一部分乙酰輔酶A通過(guò)糖酵解提供的還 原性物質(zhì)(NADH+H+)進(jìn)行PHB合成(如果沒(méi)有Poly-Pn為ATP合成提供能量,乙酸將在細(xì)胞內(nèi) 累積而不被吸收,因而不會(huì)合成PHB),Poly-Pn水解產(chǎn)生的無(wú)機(jī)磷酸鹽同陽(yáng)離子一起被釋放進(jìn)入溶液。
當(dāng)污水及污泥剛進(jìn)入好氧段時(shí),PAOS 中貯存有大量的PHB而Poly-Pn含量較低,污水中無(wú) 機(jī)磷酸鹽含量則很豐富,PAOS在好氧段中以O(shè)2作為電子受體,利用胞內(nèi)PHB作為碳源及能源進(jìn)行正常的好氧代謝,通過(guò)氧化磷酸化生成ATP。此外,當(dāng)ATP/ADP比值增加時(shí),刺激Po ly-Pn的合成反應(yīng)。由于胞內(nèi)存貯的PHB好氧代謝提供了大量能量,PAOS可吸收所有厭氧段釋磷及污水中的磷酸鹽。
在好氧條件下有可能發(fā)生乙醛酸循環(huán),使異檸檬酸轉(zhuǎn)化為琥珀酸和乙醛酸,乙醛酸和乙酰輔酶A再經(jīng)蘋果酸脫氫酶的作用形成蘋果酸,補(bǔ)充和促進(jìn)了三羧酸循環(huán)。試驗(yàn)中單純用乙酸作 基質(zhì),其對(duì)磷酸鹽和COD去除效果都很好,這說(shuō)明有乙醛酸循環(huán)存在。
4 結(jié)論
?、偕锍走^(guò)程中,活性污泥聚磷菌細(xì)胞中貯存能量的PHB脂質(zhì)顆粒發(fā)揮著重要作用,短 鏈脂肪酸能促進(jìn)磷酸鹽釋放,且PHB的合成與COD的快速降解去除呈正比。
?、谝宜猁}的消耗量與磷酸鹽釋放量呈線性關(guān)系,本研究中消耗1 mol乙酸 釋放0.97 mol分子磷酸鹽。
?、鄹咝С椎闹匾蛩厥窃趨捬鯒l件下PHB的大量合成、好氧條件下活性污泥聚磷菌細(xì)胞對(duì)磷酸鹽的大量吸收以及有大量聚磷酸鹽貯存在細(xì)胞內(nèi)。厭氧條件下PHB大量合成的關(guān)鍵, 第一是短鏈脂肪酸的加入(由于污泥發(fā)酵液中含有短鏈脂肪酸,這樣使用投加污泥發(fā)酵液的方法比投加化學(xué)試劑如乙酸等,既降低了成本又便于推廣,從而提高了對(duì) 磷的去除率);第二是避免電子受體如硝酸根進(jìn)入?yún)捬醵巍?br> ?、芫哿拙趨捬醵文鼙绕渌?xì)菌更優(yōu)先地吸收短鏈脂肪酸,大量地增長(zhǎng)繁殖,獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此在高效除磷工藝中應(yīng)首先設(shè)置厭氧段,保證活性污泥菌膠團(tuán)中聚磷菌占優(yōu)勢(shì)。
⑤通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察活性污泥PHB及聚磷顆粒染色切片,對(duì)高效除磷有很好的監(jiān)測(cè)作用 ,其方法簡(jiǎn)便快速,易于推廣、應(yīng)用。
?、迲?yīng)用氧化還原電位監(jiān)測(cè)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程,可以準(zhǔn)確快速地掌握各階段的溶解氧狀況,易于 在污水廠推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
?。?]鄭興燦.污水除磷脫氮技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.
?。?]Satoh H,Mino T,Matsuo T.Uptake of organic substrates and accumula tion of polyhydroxyalkanonates linked with glycolysis of intracellular carbohydr ates under anaerobic conditions in the biological excess phosphate removal proce ss[J].Water Sci Technol,1992,26,933-942.
電話:(022)27407034
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收稿日期:2000-08-01
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