彭永臻 薛桂松 苗志加 翁冬晨

(北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

葡萄糖為碳源的EBPR長(zhǎng)期運(yùn)行效果及聚磷菌的富集培養(yǎng)

彭永臻 薛桂松 苗志加 翁冬晨

(北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

摘 要:研究了連續(xù)運(yùn)行364 d以葡萄糖為碳源的強(qiáng)化生物除磷(EBPR)系統(tǒng)，比較了3個(gè)不同運(yùn)行階段典型周期的運(yùn)行狀況，考察了厭氧段聚磷菌(PAOs)對(duì)有機(jī)底物的貯存轉(zhuǎn)化，運(yùn)用FISH技術(shù)分析了系統(tǒng)菌群結(jié)構(gòu)變化.結(jié)果表明:隨著運(yùn)行時(shí)間的增加PAOs富集程度增高，第180天后反應(yīng)器最高厭氧釋磷量達(dá)到80 mg/L，出水磷濃度小于1 mg/L，以葡萄糖為碳源的EBPR系統(tǒng)可以長(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)行;與第1和第2階段相比，第3階段典型周期效果最佳，其厭氧釋磷量達(dá)到79 mg/L，PO3－4-P去除率達(dá)到97.2%;葡萄糖先被發(fā)酵細(xì)菌分解為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，PAOs吸收VFA合成聚羥基脂肪酸酯(PHA);熒光原位雜交技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，PAOs比例不斷升高，第340天時(shí)比例為45.5%，說明以葡萄糖為碳源的EBPR系統(tǒng)可以富集高濃度的PAOs.

關(guān)鍵詞:強(qiáng)化生物除磷;葡萄糖;揮發(fā)性脂肪酸;聚磷菌;聚羥基脂肪酸酯

強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)(EBPR)是目前應(yīng)用最廣的污水除磷工藝.利用EBPR通過富集培養(yǎng)的聚磷菌(PAOs)厭氧釋磷、好氧吸磷的特性，使磷濃度在好氧段急劇降低，最終通過排放富磷污泥實(shí)現(xiàn)除磷.聚磷菌代謝過程中存在多聚磷酸鹽(Poly-P)、糖原(Glycogen)、聚羥基脂肪酸酯(PHA)3種儲(chǔ)能物質(zhì)，它們對(duì)生物除磷起著非常重要的作用.PAOs在厭氧條件下分解Poly-P而產(chǎn)生能量，同時(shí)吸收底物中的有機(jī)物合成PHA，好氧條件下分解胞內(nèi)PHA而產(chǎn)生能量，過量吸磷而合成Poly-P.近年來的研究表明除PAOs外，生物除磷系統(tǒng)中還存在聚糖菌(GAOs).GAOs代謝過程與PAOs相似，在厭氧條件下吸收有機(jī)物合成PHA，好氧段分解PHA產(chǎn)能合成糖原，但是并不吸收磷酸鹽，故不具備好氧吸磷能力［1－3］.

目前對(duì)強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)的研究大多以乙酸丙酸等揮發(fā)性脂肪酸(VFA)為碳源［4］.由于葡萄糖及其高分子聚合物在污水中是普遍存在的，葡萄糖為碳源的EBPR的研究日益受到重視.然而對(duì)葡萄糖碳源的EBPR能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行還沒有一致結(jié)論.有研究表明葡萄糖可以直接被GAOs吸收利用，而不能被PAOs直接利用，從而影響PAOs成為優(yōu)勢(shì)菌種［4－5］.Cech 等［6］對(duì)葡萄糖與乙酸混合碳源的EBPR進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)GAOs成為優(yōu)勢(shì)菌.Zengin等［4］研究發(fā)現(xiàn)葡萄糖為碳源可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化生物除磷，但系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定.而Carucci等［3］的研究表明葡萄糖為主要碳源時(shí)，GAOs并沒有大量繁殖，并且系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行.Oehmen等［2］研究表明，pH 為 7.5 ～8.0，溫度為 20 ℃ 時(shí)，有利于PAOs成為優(yōu)勢(shì)菌.本文主要通過嚴(yán)格控制DO、pH值、溫度、碳磷比、厭氧時(shí)間及污泥齡等條件，探討葡萄糖為碳源的EBPR系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，并對(duì)厭氧階段PAOs對(duì)有機(jī)底物的貯能轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究，結(jié)合熒光原位雜交技術(shù)(fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH)對(duì)其菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用敞口式SBR反應(yīng)器，有效容積為8 L，由有機(jī)玻璃制成.反應(yīng)器每天運(yùn)行4個(gè)周期，每周期 6 h，其中進(jìn)水 6 min，厭氧 2.5 h，好氧 3 h，沉淀15 min，排水5 min，靜置4 min.每周期進(jìn)水2 L，排水2 L，相應(yīng)HRT為24 h，SRT為10 d.反應(yīng)器污泥濃度約為2 500 mg/L，運(yùn)行水溫為(20±2)℃，pH值為7.2 ～8.0，好氧段DO 濃度為2 mg/L.

1.2 活性污泥與試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水采用人工配水，由溶液A和溶液B組成(見表1)，反應(yīng)器1個(gè)周期2 L進(jìn)水中含溶液A 300 mL 和溶液 B 1.7 L.進(jìn)水碳磷比為20∶1.

表1 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期配水成分

微量金屬元素溶液中每升含有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).

1.3 常規(guī)測(cè)定方法

常規(guī)水質(zhì)檢測(cè)方法均采用國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定.pH值、DO采用WTW Multi 340i在線測(cè)定.聚-β-羥丁酸(PHB)、羥基丁酸酸共聚酯(PHV)、PH2MV 按照改良后的 Oehmen等［7］的方法測(cè)定，采用Agilent6890N型氣相色譜儀及Agilent DB－1型氣相色譜柱，分別以3-羥基丁酸和3-羥基戊酸(體積分?jǐn)?shù)比為95%∶5%，F(xiàn)luka，Buchs SG，Switzerland)作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定.葡萄糖采用苯酚 －硫酸比色法測(cè)定.VFA采用 Agilent6890N型氣相色譜儀測(cè)定.

1.4 FISH分析方法

分別在反應(yīng)器運(yùn)行的第1，80，250，340天取泥樣，使用FISH技術(shù)測(cè)定反應(yīng)器內(nèi)生物群落［8］.

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)器運(yùn)行效果分析

反應(yīng)器共運(yùn)行364 d，根據(jù)除磷效果可以分為3個(gè)階段.由圖1可知，第1階段(第0～80天)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，出水PO3－4-P濃度在10 mg/L上下波動(dòng)，磷去除率小于50%;隨著運(yùn)行時(shí)間的增加系統(tǒng)除磷性能逐漸增強(qiáng)，第3階段(第180天后)除磷效果逐漸穩(wěn)定，最高釋磷量達(dá)到80 mg/L，出水PO3－4-P濃度穩(wěn)定在1 mg/L，除磷效率大于90%.Hollender等［9］比較了乙酸與葡萄糖為碳源時(shí)對(duì)EBPR系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)葡萄糖為碳源時(shí)磷系統(tǒng)厭氧釋磷量?jī)H為17～19 mg/L，低于乙酸為碳源的除磷系統(tǒng)(27 mg/L).本試驗(yàn)最終的最高厭氧釋磷量達(dá)到80 mg/L，出現(xiàn)較高的厭氧釋磷現(xiàn)象，說明反應(yīng)器運(yùn)行狀況良好，PAOs富集程度較高.

研究表明，GAOs可以直接吸收利用葡萄糖，而PAOs只能以VFA為碳源，不能直接以葡萄糖為電子供體［4－5，10］.在以葡萄糖為基質(zhì)的除磷系統(tǒng)內(nèi)，PAOs與GAOs競(jìng)爭(zhēng)時(shí)處于劣勢(shì)，一旦系統(tǒng)碳源不足就會(huì)使除磷效果惡化.Zengin等［4］研究表明，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，EBPR中會(huì)滋生出大量絲狀細(xì)菌，導(dǎo)致厭氧段無法充分釋磷，好氧吸磷量減少，系統(tǒng)崩潰.本試驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)絲狀膨脹，但是系統(tǒng)運(yùn)行比較脆弱，相比乙酸與丙酸等作為碳源的系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷較差，系統(tǒng)運(yùn)行至第230天和第330天時(shí)，由于運(yùn)行故障，導(dǎo)致厭氧段碳源不足，之前穩(wěn)定的系統(tǒng)立即惡化(見圖1)，但故障修復(fù)后，系統(tǒng)除磷效果也很快恢復(fù).

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行364 d的磷濃度及COD變化

2.2 反應(yīng)器典型周期運(yùn)行分析

圖2 COD，PO3－4-P，PHA和糖原的變化

圖2為反應(yīng)器運(yùn)行至3個(gè)不同時(shí)期(第80，250，340天)時(shí)典型運(yùn)行周期內(nèi)反應(yīng)效果圖.厭氧開始20 min后，PAOs將大部分 COD去除(見圖2)，同時(shí)進(jìn)行厭氧釋磷和合成PHA，PO3－4-P濃度與PHA急劇升高.20 min后PO3－4-P濃度保持平穩(wěn).3個(gè)典型周期厭氧結(jié)束時(shí)水樣中PO3－4-P濃度分別為18 mg/L(第80 天)、51.63 mg/L(第 250 天)和89.7 mg/L(第340天)，釋磷量逐漸升高.泥樣中厭氧合成 PHA 量(以碳計(jì))分別為1.09，1.73，1.2 mmol/L，PO3－4-P去除率分別為49.2%，98.0%，97.2%(見表 2)，最終系統(tǒng)維持高效且穩(wěn)定的運(yùn)行效果.如圖2所示，第80天與第250天溶液中，PO3－4-P濃度峰值都不是出現(xiàn)在厭氧結(jié)束時(shí)，厭氧階段末期出現(xiàn)不同程度的“厭氧吸磷”現(xiàn)象.王亞宜等［11］在厭氧時(shí)間對(duì)反硝化除磷的影響進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厭氧時(shí)間從60 min增加到90 min時(shí)，厭氧吸磷量增加;Kong等［12］也發(fā)現(xiàn)了同樣的厭氧階段磷濃度降低現(xiàn)象.但是目前對(duì)這種“厭氧吸磷”的現(xiàn)象還沒有明確的解釋.本試驗(yàn)中使用的是敞口式SBR，可能是厭氧末期溶入氧氣導(dǎo)致聚磷菌利用PHA好氧合成Poly-P，出現(xiàn)這種“厭氧吸磷”現(xiàn)象的原因還有待更深入的研究.

表2 比吸放磷速率、磷去除率、PHA合成及分解比較

比較3個(gè)階段運(yùn)行狀況，第250天期間與250～340 d期間出水磷濃度相差不大，雖然第340天磷去除率略低于第250天，但其比吸磷速率、比釋磷速率與厭氧釋磷量均比第250天高1倍以上(見表2)，說明3個(gè)時(shí)期中第340天的系統(tǒng)運(yùn)行效果最佳.第 340天比釋磷速率達(dá)到 261.34 mg/(g·d).侯洪勛等［13］以厭氧/好氧氧化溝工藝為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)葡萄糖為碳源時(shí)比釋磷速率僅為49.4 mg/(g·d)，本試驗(yàn)中出現(xiàn)較高的比釋磷速率可能是由于系統(tǒng)中PAOs富集程度較高.

第250天PHA合成量與分解量高于第340天，但第340天的比釋磷速率與厭氧釋磷量是第250天的2倍以上(見表2).出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是PHA由PAOs與GAOs共同合成，運(yùn)行過程中PAOs比例不斷升高，GAOs比例降低，由于GAOs無釋磷能力，導(dǎo)致PHA合成量變化不大，厭氧釋磷量與比釋磷速率急劇升高.以葡萄糖為碳源的除磷系統(tǒng)中PHA以PHV為主，而乙酸為碳源時(shí)PAOs合成 PHA 以 PHB 為主［9，14－16］.黃惠珺等［17］研究表明，葡萄糖為碳源時(shí)PHB與PHV質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為77%與23%.本試驗(yàn)中只檢測(cè)出PHB與PHV，未檢測(cè)出PH2MV.PHA以PHV為主，3個(gè)典型周期PHV質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為49.54%(第0～80天)，92.57%(第 80～250天)和 90%(第 250～340天).

2.3 厭氧段PAOs底物貯存及釋磷情況

目前對(duì)葡萄糖在EBPR中的厭氧代謝途徑?jīng)]有明確定義，葡萄糖在厭氧階段被發(fā)酵細(xì)菌分解為乙酸、丙酸、乳酸等揮發(fā)性脂肪酸［3，5，15］.本試驗(yàn)對(duì)厭氧段PAOs對(duì)底物貯存及釋磷情況進(jìn)行研究，試驗(yàn)進(jìn)水PO3－4-P濃度為10 mg/L，葡萄糖濃度為200 mg/L，實(shí)驗(yàn)過程中不控制pH值.圖3為樣品中葡萄糖、PO3－

4-P、PHA、VFA濃度、pH 及 DO變化曲線.如圖3所示，30 min內(nèi)pH值由9.77急劇下降至7.08，5 min時(shí)葡萄糖濃度急劇下降至94 mg/L，此時(shí)測(cè)得VFA含量(以COD計(jì))為43 mg/L，30～90 min內(nèi) VFA濃度維持在30 mg/L左右，說明EBPR中存在分解葡萄糖作為VFA的厭氧發(fā)酵細(xì)菌.實(shí)驗(yàn)過程中檢測(cè)到的VFA濃度較低，與理論產(chǎn)生值不符，這可能是由于PAOs吸收VFA速率較快，而厭氧發(fā)酵型細(xì)菌分解葡萄糖速率不高所致.Jeon等［5］研究了EBPR中細(xì)菌對(duì)葡萄糖的厭氧代謝過程，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵細(xì)菌能分解葡萄糖產(chǎn)生乳酸，PAOs再將乳酸轉(zhuǎn)化成PHA，本試驗(yàn)中VFA檢測(cè)項(xiàng)目為乙酸、丙酸、丁酸，不包含乳酸，這也可能是導(dǎo)致檢測(cè)到的VFA濃度低于理論值的原因.

由圖3可見，在30 min時(shí)葡萄糖濃度降低至11.9 mg/L，之后溶液中葡萄糖濃度不再降低，而PHA與PO3－4-P濃度持續(xù)升高.由表3可知，雖然0～30 min葡萄糖濃度降低了188.1 mg/L，占總葡萄糖消耗的99.5%，但厭氧釋磷量和PHA合成量分別為39.9 mg/L與1.29 mmol/L，僅占總釋磷量和總PHA合成量的72.3%與42.3%.在30～150 min內(nèi)，葡萄糖濃度降低了0.96 mg/L，釋磷量和PHA合成量分別為15.29 mg/L與1.76 mmol/L，分別占總釋磷量和 PHA合成量的 27.7%與57.7%.說明前30 min葡萄糖并未被完全消耗降解，濃度急劇降低只是由于被發(fā)酵細(xì)菌吸附，厭氧過程中發(fā)酵細(xì)菌將吸附的葡萄糖分解為VFA，PAOs吸收利用VFA進(jìn)行厭氧釋磷.

圖3 葡萄糖、PHA、VFA、PO3－4-P濃度與pH，DO變化曲線

表3 厭氧時(shí)每個(gè)時(shí)間段葡萄糖減少量、PHA合成量和釋磷量

2.4 EBPR系統(tǒng)菌群的FISH分析

對(duì)第1，80，250，340天活性污泥進(jìn)行FISH檢測(cè)，圖4和圖5分別為第1天和第340天 PAOs與GAOs的 FISH檢測(cè)圖.應(yīng)用 FISH計(jì)算 PAOs與GAOs占全菌比例，結(jié)果如表4所示，接種污泥中PAOs僅占全菌的4.29%，存在大量異養(yǎng)菌等其他菌群.在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PAOs大量繁殖，運(yùn)行至第80，250和340天時(shí)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為14.91%，27.1%，45.5%.第250天 GAOs占全菌質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.19%，第340天時(shí)下降至4.26%，遠(yuǎn)低于PAOs所占比例(45.5%)，這與3個(gè)典型周期分析結(jié)論一致.與第250天相比，第340天時(shí)PAOs比例升高，GAOs比例降低，導(dǎo)致PHA合成量變化不大，但厭氧釋磷量與比釋磷速率急劇增高.

圖4 GAOs熒光原位雜交分析結(jié)果

由于 GAOs可以直接吸收利用葡萄糖，而PAOs 只能利用 VFA［4，5，10］，這可能導(dǎo)致葡萄糖作為碳源的EBPR中GAOs成為優(yōu)勢(shì)菌.李安安等［18］在磷限制條件下，以葡萄糖為單一碳源，采用厭氧/好氧交替運(yùn)行的SBR反應(yīng)器對(duì)活性污泥馴化，富集培養(yǎng)出了穩(wěn)定的聚糖菌顆粒污泥.本文實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，通過嚴(yán)格控制DO、pH值、溫度、碳磷比、厭氧時(shí)間及污泥齡等運(yùn)行條件，以葡萄糖為碳源的生物除磷系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行也能夠富集培養(yǎng)出較高濃度的聚磷菌.

圖5 PAOs熒光原位雜交分析結(jié)果

表4 PAOs與GAOs占全菌的比例變化 %

3 結(jié)論

1)180 d后系統(tǒng)出水PO3－4-P濃度穩(wěn)定在1 mg/L以下，最高厭氧釋磷量達(dá)到80 mg/L，除磷效率保持90%以上，雖然出現(xiàn)過效果惡化的現(xiàn)象，但系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中仍然可以維持相對(duì)穩(wěn)定的高效生物除磷.

2)考察了3個(gè)不同階段典型周期(第0～80天，第81～250天，第251～340天)的系統(tǒng)運(yùn)行效果，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加除磷效果增強(qiáng)，3個(gè)階段典型周期中第251～340天期間運(yùn)行效果最佳，厭氧釋磷量達(dá)到79 mg/L，比釋磷速率達(dá)到261.34 mg/(g·d)，PHA 合成量為 1.2 mmol/L，厭氧合成PHA中PHV和PHB質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為90%與10%，未檢測(cè)到PH2MV.

3)對(duì)厭氧段PAOs底物貯存轉(zhuǎn)化的研究表明，葡萄糖先被發(fā)酵細(xì)菌分解為VFA，PAOs吸收葡萄糖分解產(chǎn)生的VFA而進(jìn)行厭氧釋磷.

4)FISH檢測(cè)結(jié)果表明，反應(yīng)器在第250～340天運(yùn)行期間，PAOs濃度逐漸增高.第340 d時(shí)PAOs達(dá)到45.5%，GAOs只有4.26%，以葡萄糖為碳源的EBPR系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行也可以富集較高濃度的PAOs.

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Long term effect of glucose as sole carbon source on EBPR and PAOs enrichment

Peng Yongzhen Xue Guisong Miao Zhijia Weng Dongchen
(Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environmental Recovery Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Abstract:To study the long term effect of glucose on the performance of enhanced biological phosphorus removal(EBPR)system，a laboratory scale sequencing batch reactor(SBR)fed with glucose was operated for 364 days.The SBR performance of three typical cycles in different periods was compared.The effect of glucose on anaerobic substrate storage and conversion of phosphate-accumulating organisms(PAOs)was discussed，and the quantity of populations of PAOs and glycogen accumulating organism(GAOs)was detected with fluorescent in situ hybridization(FISH).The results indicate that the system shows high and stable phosphorus removal efficiency after 180 days，the highest phosphorus release can reach 80 mg/L and the effluent concentration of PO34－-P is less than 1 mg/L.Compared with the typical cycles in the 1st and 2nd period，the typical cycle in the 3rd period showed the best performance，the anaerobic phosphorus release reaches 79 mg/L and phosphorus release rate is 97.2%.It is indicated that fermentative bacteria first converts glucose to volatile fatty acids(VFAs)and then PAOs utilize the VFAs to synthesize poly-hydro xyalkanoate(PHA).The proportion of PAOs keeps increasing rapidly and reaches 45.5%at 340 days.The FISH analysis results indicate that it is possible for EBPR using glucose as the sole carbon source to develop a system with high proportions of PAOs.

Key words:enhanced biological phosphorus removal;glucose;volatile fatty acid;polyphosphate accumulating organism;glycogen accumulating organism

中圖分類號(hào):X703.1

A

1001－0505(2013)01-0136-06

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.01.026

收稿日期:2012-04-12.

彭永臻(1949—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，pyz@bjut.edu.cn.

基金項(xiàng)目:高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域)資助項(xiàng)目(20111103130002)、城市污水高效脫氮除磷新工藝與節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)資助項(xiàng)目(D121100000112001).

引文格式:彭永臻，薛桂松，苗志加，等.葡萄糖為碳源的EBPR長(zhǎng)期運(yùn)行效果及聚磷菌的富集培養(yǎng)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，43(1):136 －141.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.01.026］