王　杰,彭永臻,楊　雄,王淑瑩 （北京工業(yè)大學北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心,北京 100124）

不同碳源種類對好氧顆粒污泥合成PHA 的影響

王杰,彭永臻*,楊雄,王淑瑩 （北京工業(yè)大學北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心,北京 100124）

影響好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的因素眾多,其中碳源種類的不同會造成好氧顆粒污泥合成聚羥基烷酸酯（PHA）的不同,進而影響其穩(wěn)定性能.采用混合碳源馴化培養(yǎng)的好氧顆粒污泥進行試驗.考察了厭氧條件下,乙酸鈉等八種碳源對好氧顆粒污泥合成PHA的影響.結(jié)果表明,顆粒污泥對乙酸鈉和蔗糖具有較好的轉(zhuǎn)化能力,合成PHA的量分別為102.19mgCOD/g·VSS和70.58mgCOD/g·VSS,顯著高于其他碳源的PHA合成量（5～26mg/g·VSS）.故以蔗糖和乙酸鈉作碳源均有利于顆粒污泥穩(wěn)定性能的維持,而當以甲醇作碳源時好氧顆粒污泥的貯存能力最差.

好氧顆粒污泥；碳源貯存；聚羥基烷酸酯（PHA）；菌膠團；穩(wěn)定性

與傳統(tǒng)的活性污泥相比,好氧顆粒污泥具有沉降速度快,污泥濃度高,生物活性強以及微生物種類多等優(yōu)勢,具有較大的發(fā)展?jié)摿?近年來也受到越來越多的關注［1］.但反應條件對顆粒污泥影響很大,若不能合理地控制,好氧顆粒污泥經(jīng)常會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,這也極大限制了其在實際污水處理工程中的大規(guī)模應用［2］.

近年來國內(nèi)外研究者對影響好氧顆粒污泥穩(wěn)定運行的因素做了大量深入的研究［3］,為好氧顆粒污泥的應用提供了一定的理論支撐.但這些研究主要集中在溫度［4-6］,pH值［7-9］,污泥泥齡［10-11］,有毒有害物質(zhì)［12-13］等方面,且在探究過程中大多是從這些因素對顆粒污泥的胞外聚合物（EPS）的影響展開,未曾涉及顆粒污泥胞內(nèi)的貯存特性.同時已有研究表明,在普通的絮體污泥系統(tǒng)中,菌膠團在外碳源充足的情況下會將多余的碳源以聚羥基烷酸酯（PHA）的形式貯存于體內(nèi),以備其在底物缺乏的條件下使用.由于大部分的絲狀菌都不具備底物貯存能力,菌膠團這種貯存底物的能力使得其在與絲狀菌的種群競爭中占優(yōu)勢,抑制絲狀菌的過量生長,防止污泥膨脹的發(fā)生［14］.好氧顆粒污泥同樣也是菌膠團和絲狀菌的集合體,絲狀菌的過量增殖必然會導致顆粒污泥結(jié)構(gòu)的松散甚至解體,不利于顆粒污泥系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行［15］；此外,不同的碳源條件下,微生物合成PHA的種類和數(shù)量也會發(fā)生改變［16］,菌膠團對不同碳源的貯存利用特性不同,會影響到污水處理系統(tǒng)中微生物的種群結(jié)構(gòu),從而會導致顆粒污泥處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性差異［2,17］.因此,研究好氧顆粒污泥對不同碳源的貯存和利用特性顯得尤為重要. Wen等［14］考察了膨脹污泥與沉降性能良好的活性污泥貯存PHA性能的差異； Fang等［18］探究了不同底物和氨氮濃度對好氧顆粒污泥合成聚-β-羥基丁酸（PHB）的影響；黃惠珺等［19］研究了不同碳源類型對活性污泥貯存性能的影響.而實際生活污水中的有機碳源主要包括有機酸類,糖類,蛋白質(zhì),纖維素等,這些碳源的種類和數(shù)量常常隨著人們的生活習慣發(fā)生季節(jié)性的變化.目前好氧顆粒污泥對單一碳源的貯存情況尚未得到詳細研究,可供參閱的文獻非常有限.基于以上原因,本文以具備良好脫氮除磷能力的好氧顆粒污泥為研究對象,在厭氧條件下考察了其對乙酸鈉等八種單一碳源的貯存特性.

1　材料與方法

1.1試驗及試驗裝置

采用有效容積為 10L的序批式活性污泥反應器（SBR）培養(yǎng)好氧顆粒污泥.該反應器每周期進水7L,排水比為70%,污泥泥齡（SRT）為10～12d.采用先缺氧后好氧的模式運行,每周期共持續(xù)6h,包含5min缺氧進水,115min缺氧攪拌,180min好氧曝氣,30～1min沉淀（沉淀時間隨著顆粒污泥的逐漸形成由30min逐漸縮短至1min,改變沉淀時間的同時相應的調(diào)整閑置時間,保證每個反應周期為6h）,10min排水,以及20～49min閑置.缺氧階段采用機械攪拌器使系統(tǒng)混合均勻,好氧階段采用鼓風曝氣,曝氣量恒定在 0.5m3/h.反應在室溫下進行,試驗期間未控制pH值.母反應器接種污泥來自北京高碑店污水處理廠A2O系統(tǒng)的二沉池剩余污泥.

本碳源貯存試驗采用小試的方式,在 2L的SBR中進行,每種碳源同時做3組平行試驗,試驗結(jié)果取平均值.試驗裝置如圖1所示.試驗所用污泥為母反應器好氧末所取的顆粒污泥,為了控制嚴格的厭氧條件,試驗開始前先用蒸餾水清洗污泥三遍,去除混合液中的 NO3--N,并最終稀釋至1.5L體積,分裝在3個小試裝置內(nèi),每個反應器中加入 0.5L的進水.污泥濃度控制在 4500～5000mg/L,開始反應計時并取樣.試驗共進行3個小時.試驗過程中,分別在0, 15, 30, 60, 90, 120, 150, 180min取50mL泥水混合樣,靜置后的上清液過濾后用來測定化學需氧量（COD）,下層污泥用于提取和測定PHA和糖原.

圖1　小試裝置示意Fig.1　Set-up diagram of Batch test

1.2進水水質(zhì)

母反應器采用混合碳源作進水碳源馴化培養(yǎng)好氧顆粒污泥.配水水質(zhì)如表1所示,其COD：N：P=400：40：8.碳源貯存小試用水除了采用單一碳源提供400mg/L的COD以外,其他配水組分與母反應器保持一致.配水中微量元素液按 1mL/L加入,母反應器的進水碳源包括乙酸鈉,葡萄糖,甲醇,淀粉,谷氨酸鈉五種,代表了生活污水中的有機酸,糖類,醇類,高分子有機物.配水的主要成分及含量如表1所示.

表1　配水的組成Table 1　The composition of feedwater

1.3測定方法

貯存的底物主要測定PHA,PHA由PHB,聚-β-羥基戊酸（PHV）和聚-β-羥基-2-甲基戊酸（PH2MV）組成,由于在本試驗污泥樣本中沒有檢測到PH2MV 的存在,故PHA 為PHB 和PHV二者之和.污泥中的PHA測定前先采用氯仿和酸化甲醇做有機溶劑［20］在 100 ℃的條件下消解20h,使微生物體內(nèi)的 PHA組分溶出,然后利用Agilent6890N 型氣相色譜以及Agilent DB-1 型氣相色譜柱對有機相（氯仿）中的PHB和PHV成分進行檢測,依據(jù)Oehmen［21］所述的改良方法進行操作.糖原采用蒽酮法［22］進行測定.

污泥體積指數(shù)（SVI）采用30min污泥沉降法測定,混合液懸浮固體濃度（MLSS）,混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）采用濾紙重量法測定,CODcr采用重鉻酸鉀法測定［23］.試驗過程中好氧顆粒污泥的粒徑分布采用Laguna等［24］所述的濕篩分方法進行測定.用五個不銹鋼制成的篩子（孔徑分別為0.5mm, 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm和2.5mm）來確定污泥粒徑分布,篩分的粒徑分為＜0.5mm, 0.5～1.0mm, 1.0～1.5mm, 1.5～2.0mm, 2.0～2.5mm, ＞2.5mm共6個等級.

2　結(jié)果與討論

2.1母反應器的運行狀態(tài)

圖2　SBR鏡檢照片（×40）Fig.2　Microscopic examination of SBR （×40）

種泥為典型的絮狀污泥［圖2（a）］.由圖2可以看出,污泥絮體粒徑較大,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,呈現(xiàn)淺黃色.經(jīng)過60d的培養(yǎng)及縮短沉淀時間篩選后,碎小的絮體被淘洗出系統(tǒng),大而密實的污泥得到保留,最終形成了如圖 2（d）所示的穩(wěn)定的顆粒污泥結(jié)構(gòu).該好氧顆粒污泥系統(tǒng)VSS/SS比值為 0.79,SVI5為 14mL/g,污泥具有較好的脫氮除磷能力,氨氮和無機磷的去除率分別達到了95%和88%.

由圖 3可知,90%的好氧顆粒污泥粒徑在0.5～1.5mm 之間.王迪［25］分別采用蔗糖和乙酸鈉作為培養(yǎng)好氧顆粒污泥的進水碳源,當以蔗糖為進水碳源時,好氧顆粒污泥粒徑主要在 1.0～1.5mm,當以乙酸鈉為進水碳源時,好氧顆粒污泥粒徑主要在 0.5～1.0mm.研究發(fā)現(xiàn),顆粒污泥并非粒徑越大越好［1］,粒徑過大,污泥內(nèi)部傳質(zhì)越差,粒徑過小則不利于其在反應器內(nèi)穩(wěn)定停留.本試驗中大部分顆粒污泥粒徑在0.5～1.5mm之間,粒徑適中.同時隨著粒徑范圍的逐漸變大,粒徑范圍內(nèi)的VSS/SS比值也逐漸變大,粒徑在0.5～1.5mm范圍內(nèi)比值趨于穩(wěn)定,約為0.79.

圖3　顆粒污泥粒徑分布及粒徑所占百分比Fig.3　Granular sludge particle size distribution and the percentage of particle size

2.2不同碳源條件下好氧顆粒污泥對 PHA的合成情況

PHA合成的理論模型［26］認為：當外界有機底物供給充足時,微生物將吸收的有機底物選擇性地供給生長和合成儲存性物質(zhì),只有在微生物生長受限的情況下細胞才開始大量合成PHA.本試驗考察經(jīng)混合碳源馴化培養(yǎng)的好氧顆粒污泥在厭氧環(huán)境下對不同碳源的貯存情況,由于菌膠團的碳源貯存能力明顯優(yōu)于絲狀菌,內(nèi)碳源的貯存能力能夠增加菌膠團的種群競爭優(yōu)勢,抑制絲狀菌的過量增殖,從而維持穩(wěn)定的顆粒污泥結(jié)構(gòu).因此可以根據(jù)顆粒污泥利用不同碳源合成PHA的能力差異,來判斷不同碳源下顆粒污泥的穩(wěn)定性.

由表2可見,當以乙酸鈉作碳源時,合成PHA的量最大,為102.19mgCOD/（g·VSS）,其次是蔗糖,合成量為70.58mgCOD/（g·VSS）,當以甲醇作碳源時合成PHA的量最少,僅為5.54mgCOD/（g·VSS）,這與微生物對甲醇較差的吸收能力關系密切.好氧顆粒污泥對另外幾種碳源都有一定的貯存轉(zhuǎn)化能力,但合成 PHA的量相對較低.這可能是因為乙酸鈉屬于揮發(fā)性脂肪酸（VFA）物質(zhì),含有CO基團,在底物貯存過程中可直接與乙酰輔酶A（CH3COCOA）結(jié)合參與三羧酸循環(huán)（TCA）,耗能少,貯存量多；而其他幾種碳源都需要先轉(zhuǎn)化為VFA物質(zhì)才能被微生物貯存,耗能多,貯存量少［26］.黃惠珺等［19］考察了不同碳源類型對活性污泥PHA貯存及轉(zhuǎn)化的影響,結(jié)果表明當以乙酸及丙酸為碳源時,PHA貯存量最大,其它碳源條件下,底物貯存量相對較低.Pijuan等［27］在強化生物除磷（EBRP）工藝中也選擇乙酸和丙酸作碳源馴化培養(yǎng)活性污泥,再以乙酸、丙酸、丁酸和葡萄糖作碳源進行試驗,同樣發(fā)現(xiàn)當以乙酸作碳源時PHA合成量最大.本文采用好氧顆粒污泥為研究對象,得到的結(jié)論與之相符.由此可見,以乙酸或乙酸鹽作碳源,不論是活性污泥還是顆粒污泥,都有較高的 PHA合成能力.事實上,顆粒污泥同活性污泥一樣,也是菌膠團和絲狀菌的結(jié)合體,二者對含有CO基團有著類似的代謝途徑.

值得注意的是蔗糖屬于非 VFA物質(zhì),但顆粒污泥利用蔗糖合成 PHA的量卻僅次于乙酸鈉,同時其他糖類如葡萄糖、麥芽糖和淀粉作碳源時顆粒污泥的 PHA合成量卻很低.這可能是由顆粒污泥微生物對不同糖類的貯存利用途徑不同造成的.蔗糖和麥芽糖同屬于二糖,但蔗糖水解產(chǎn)物為一分子果糖和一分子葡萄糖,而麥芽糖水解產(chǎn)物為兩分子葡萄糖,Majone等［28］指出在缺氧條件下,菌膠團微生物降解利用葡萄糖時主要合成體內(nèi)的糖原物質(zhì),基本沒有 PHA的合成.因此,以葡萄糖和麥芽糖為碳源時菌膠團微生物合成 PHA的量非常低.而通過本研究可以看出,蔗糖水解產(chǎn)生的果糖應該更容易轉(zhuǎn)化為 VFA物質(zhì)并被微生物快速貯存為體內(nèi)的PHA.淀粉作為大分子聚合物,其被微生物降解利用的限制步驟在于其較低的水解速率,由于其水解速率跟不上微生物對其水解產(chǎn)物的利用速率,因此以淀粉作碳源菌膠團微生物合成的PHA量很低.由此可見,由于菌膠團對甲醇,葡萄糖,麥芽糖和淀粉的貯存能力低,當進水碳源以這些種類為主時,顆粒污泥遭遇絲狀菌過量生長的風險更大,顆粒污泥的穩(wěn)定性越低.因此,有機酸和蔗糖比甲醇,葡萄糖,麥芽糖和淀粉更適合作為培養(yǎng)顆粒污泥的碳源.

表2　不同碳源條件下PHA合成情況Table 2　The storage of PHA with various types carbon source

由表 2還可看出,顆粒污泥對不同碳源的PHA平均合成速率和PHA最大合成速率有明顯差異.其中蔗糖的PHA平均合成速率和PHA最大合成速率最大,分別為 3.51mgCOD/（gVSS·h）和785.83mgCOD/（gVSS·h）,乙酸鈉的PHA平均合成速率和 PHA最大合成速率分別為1.48mgCOD/（gVSS·h）和321.56mgCOD/（gVSS·h）.顆粒污泥對乙酸鈉的合成量要高于蔗糖,但蔗糖的PHA平均合成速率和PHA最大合成速率都遠遠高于乙酸鈉.這是因為微生物貯存底物的同時也在利用貯存物,微生物利用以乙酸鈉合成的貯存物的速率要高于利用以蔗糖合成的貯存物的速率,所以以蔗糖作碳源更有利于顆粒污泥快速合成PHA,從而更有利于顆粒污泥在與絲狀菌的競爭中占優(yōu)勢.谷氨酸鈉作為谷氨酸的強堿鹽,其合成PHA的量為26.83mgCOD/（gVSS·h）,僅次于乙酸鈉和蔗糖,其 PHA平均合成速率為1.57mgCOD/（gVSS·h）,與乙酸鈉相當,其 PHA最大合成速率為462.54mgCOD/（gVSS·h）,僅次于蔗糖.這說明以谷氨酸鈉為代表的氨基酸類物質(zhì)能夠作為培養(yǎng)好氧顆粒污泥的碳源.同時蛋白胨作碳源,其 PHA合成量與谷氨酸鈉相當,但其合成速率較低,并不適合作為好氧顆粒污泥長期穩(wěn)定運行的碳源.表中所示最大合成速率出現(xiàn)的時間大都在0～5min,這與反應開始存在較高的底物濃度梯度密切相關.反應初期,菌膠團能夠迅速利用高底物濃度梯度進行新陳代謝同時將大量的底物以PHA的形式貯存起來.

2.3顆粒污泥對碳源的利用情況

表3　試驗期間COD的變化情況Table 3　The change of COD during the experiment

基于 Majone［28］所述的 COD質(zhì)量守恒原理,COD有以下幾種消耗途徑：（1） NO3--N的反硝化即污泥的呼吸作用：（2）合成胞內(nèi)有機物如PHA及糖原：（3）用于合成新細胞：（4）某些未知途徑.該平衡可用以下公式表示：

其中： -ΔS為COD的消耗量；-ΔOX為代表微生物進行生命活動所需能量的氧化量即反硝化消耗量； ΔXSTP為微生物的貯存量（PHA或者糖原）；ΔXGRO為代表微生物的生長量；為微生物攝取的NH4+-N的量.

圖4　好氧顆粒污泥對不同碳源的利用情況Fig.4　The utilization contion of aerobic granular sludge on different carbon sources

本試驗在厭氧條件下進行,進水不含NO3--N,因此不存在反硝化途徑,在COD衡算過程中不予考慮該途徑.經(jīng)測定,顆粒污泥胞內(nèi)貯存物PHA和糖原都有一定程度積累,且不同的底物有不同的積累量及積累速率,同時細胞在厭氧條件下會合成新細胞,這也需要 COD等能源物質(zhì).由此得出不同碳源條件下 COD的變化情況（表3）以及微生物對碳源的利用情況分析（圖4）.當以甲醇作碳源時,COD的降解量最低,僅為39.33mg/L，這是因為甲醇有輕微毒性,對微生物體內(nèi)的酶有抑制作用,難以被微生物吸收利用,故以甲醇作碳源顆粒污泥合成 PHA的量也最低.當以蛋白胨作碳源時,COD 的降解量為94.90mg/L,這些碳源幾乎全部用來貯存 PHA［圖4（g）］.而蛋白胨屬于有機化合物,需要降解成短鏈VFA等物質(zhì)才能被微生物吸收利用.由此,若能尋找途徑加速蛋白胨的降解率,便能將這些碳源大量的合成PHA,從而能更有效地維持顆粒污泥的穩(wěn)定性.以谷氨酸鈉［圖4（f）］和淀粉［圖4（h）］作碳源,均有40%以上的碳源用來合成PHA,另有45%以上的碳源用于維持微生物的生命活動,所以以這兩種碳源作為合成PHA的物質(zhì)并不占優(yōu)勢.

當以糖類和有機酸類作碳源時,COD的降解量均在320mg/L以上,但COD的利用情況差別較大.由圖4（c）和圖4（d）可見,顆粒污泥對麥芽糖和葡萄糖的利用情況略有差異,分別有 15.46%和14.70%的碳源用來合成 PHA,有 26.37%和22.56%的碳源用來維持顆粒污泥的生命活動.這可能是因為麥芽糖水解產(chǎn)物為兩分子葡萄糖,其需要不斷水解為葡萄糖才能被利用,而葡萄糖可直接被顆粒污泥利用,同時好氧顆粒污泥僅能將少量葡萄糖有效合成PHA,所以顆粒污泥利用麥芽糖合成PHA的量低于葡萄糖,而合成PHA消耗掉的碳源比例略高于葡萄糖.以乙酸鈉作碳源合成PHA的量最高,但合成PHA消耗掉的碳源量僅占總消耗量的61.51%,用于新陳代謝的量占26.35%.當以蔗糖作碳源時 PHA的合成量雖然低于以乙酸鈉作碳源PHA的合成量,但是當以蔗糖作碳源時,微生物消耗的有機物總量中用于合成PHA的比例占90.89%,遠高于乙酸鈉系統(tǒng)中的61.51%,也就是說顆粒污泥能將大部分蔗糖用來合成PHA物質(zhì),而僅利用7.76%的碳源維持其生命活動.由此進一步說明,以蔗糖作碳源更有利于顆粒污泥合成PHA,而以乙酸鈉作碳源能合成大量PHA.

3　結(jié)論

3.1不同碳源條件下,顆粒污泥的 PHA貯存能力為乙酸鈉＞蔗糖＞谷氨酸鈉＞蛋白胨＞葡萄糖＞淀粉＞麥芽糖＞甲醇.其中乙酸鈉合成量最大,為102.19mgCOD/（g·VSS）；其次為蔗糖,合成量為70.58mgCOD/（g·VSS）；甲 醇 最 低 ,僅 為5.5mgCOD/（g·VSS）.

3.2厭氧條件下,糖類物質(zhì)中以蔗糖作碳源, PHA的平均合成速率和最大合成速率均最大.

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Effect of various types carbon source on the synthesis of PHA of aerobic granular sludge.

WANG Jie, PENG Yong-zhen*, YANG Xiong, WANG Shu-ying （Engineering Research Center of Beijing, Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2360～2366

The stable performance of aerobic granular sludge would be affected by various factors. The type of carbon source was reported to have impact on the synthesis of poly hydroxy acid lipid （PHA）, consequently affect the stability of the aerobic granular sludge. In this study, the aerobic granular sludge was cultivated with the mixed carbon source, and the effect of different carbon source on the PHA synthesized by aerobic granular sludge was investigated. The tests were conducted with 8kinds of carbon source including sodium acetate, methanol, glucose, maltose, starch, sugar, glutamic sodium and peptone. The results showed that the aerobic granular sludge had better performance for transforming the sodium acetate and sugar to PHA, with the storage capacity reached up to 102.19mgCOD/g·VSS and 70.58mg COD/g·VSS, respectively. This was significantly higher than the value using the other carbon source, which was in the range of 5～20mg/g·VSS. Therefore, it was beneficifal to maintain the stable performance of granular sludge by using sugar and sodium acetate as carbon source. However, the lowest storage of PHA was found when methanol was used.

aerobic granular sludge；carbon storage polymers；poly hydroxy acid lipid （PHA）；zoogloea；stability

X703.1

A

1000-6923（2015）08-2360-07

2014-12-27

“十二五”國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07302002-06）；北京市教委資助項目

* 責任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn

王杰（1989-）,女,河南省信陽人,北京工業(yè)大學碩士研究生,主要從事污水生物處理理論與應用研究.