鞏有奎,李美玲,孫洪偉
(1 煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院建筑工程系,山東煙臺(tái)264670; 2 煙臺(tái)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院,山東煙臺(tái)264005)
厭氧/缺氧交替運(yùn)行序批式生物反應(yīng)器(sequencing batch reactor,SBR)內(nèi),常存在以NOx-為電子受體的反硝化除磷過(guò)程。反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus accumulating organisms,DPAOs)以NOx-取代O2作為電子受體,以胞內(nèi)聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)為電子供體,可完成同步脫氮除磷,實(shí)現(xiàn)“一碳兩用”[1-3]。
在厭氧/缺氧馴化DPAOs 過(guò)程中,通常會(huì)存在與 DPAOs 競(jìng)爭(zhēng)碳源的聚糖菌(glycogenaccumulating organisms, GAOs)[4-5]。 厭 氧 階 段,DPAOs 和GAOs 同時(shí)利用原水中碳源合成內(nèi)聚物,缺氧階段,DPAOs 完成反硝化吸磷過(guò)程,GAOs 僅完成反硝化過(guò)程。多數(shù)研究只關(guān)注PAOs和GAO 之間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)系統(tǒng)除磷功能的影響,常常通過(guò)調(diào)整運(yùn)行策略來(lái)抑制GAOs 增殖,從而實(shí)現(xiàn)高效缺氧吸磷過(guò)程。而最近的研究表明,GAOs 通過(guò)消耗體內(nèi)PHA 實(shí)現(xiàn)部分硝化過(guò)程,能削弱高濃度NO2-對(duì)缺氧吸磷過(guò)程的抑制,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脫氮除磷[6-9]。Fan 等[10]對(duì)活性微生物群落鑒定表明,GAOs 內(nèi)源部分反硝化和DPAOs 反硝化處理過(guò)程的協(xié)同作用,可充分利用內(nèi)碳源,有效解決城市污水脫氮除磷過(guò)程中碳源不足的問(wèn)題。Ji 等[2]也指出,將部分內(nèi)源反硝化、anammox 和反硝化除磷作用在SBR 內(nèi)耦合,可獲得高效氮磷去除特性,且系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)存在anammox(8.4%)、GAOs(1.5%)以及DPAOs(1.1%)。然而,不同條件下DPAOs和GAOs同時(shí)利用外碳源的競(jìng)爭(zhēng)特性尚不明確,同時(shí),各菌群(DPAOs、GAOs)對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷作用的貢獻(xiàn)也未明確,且部分研究表明,GAOs內(nèi)源反硝化過(guò)程中,可能會(huì)導(dǎo)致N2O的大量積累并釋放,這將削弱同步脫氮除磷過(guò)程作為新型污水處理過(guò)程工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[11-12]。
NO2-是DPAOs 和GAO 完成NO3-還原必經(jīng)的中間產(chǎn)物。由NO2-積累導(dǎo)致的游離HNO2(free nitrite acid,F(xiàn)NA)會(huì)對(duì)DPAOs 及GAOs 代謝產(chǎn)生不同的解耦聯(lián)抑制效應(yīng)。隨運(yùn)行條件的變化,可能會(huì)出現(xiàn)DPAOs多樣性減少、GAOs富集和N2O還原能力降低等問(wèn)題[13-14]。本研究采用厭氧/缺氧/好氧SBR(An/A/O-SBR),考察不同NO3-濃度馴化條件下,同步脫氮除磷系統(tǒng)內(nèi)污染物去除及N2O 釋放特性,基于DPAOs 和GAOs 代謝模型,分析兩者之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,為An/A/O-SBR 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用及減少N2O 排放提供參考。
試驗(yàn)接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室內(nèi)具有良好脫氮除磷性能的A2/O 反應(yīng)器二沉池。試驗(yàn)開始前,A2O 反應(yīng)器已連續(xù)運(yùn)行100 d 以上,其脫氮及除磷效率分別穩(wěn)定在90%和95%以上,DPAOs/PAOs 約為0.7。試驗(yàn)采用模擬廢水,廢水分別含KH2PO4(7.5 mg P/L),CaCl2(10.0 mg/L),MgSO4·7H2O(76.9 mg/L),NH4Cl(19.1 mg/L)和0.5 ml微量元素液[14]。
試驗(yàn)采用有效容積為12 L 的序批式生物反應(yīng)器(sequencing batch reactor,SBR),以 厭 氧(120 min)-缺氧(210 min)-好氧(30 min)方式運(yùn)行(圖1),每天運(yùn)行三個(gè)周期,采用PLC 裝置控制反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程。其中,缺氧初始,一次性投加定量NaNO3馴化DPAOs。反應(yīng)器固體停留時(shí)間(SRT)控制為20 d,懸浮固體濃度(MLSS)為3800 mg/L 左右,揮發(fā)性懸浮固體(VSS)與懸浮固體(SS)的質(zhì)量濃度比約為0.75,試驗(yàn)溫度控制在(20±1)℃,試驗(yàn)過(guò)程共分為4 個(gè)階段,以反應(yīng)器連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3 d 作為改變?nèi)毖醭跏纪都覰O3--N 濃度的依據(jù)。各階段缺氧初始NO3--N 濃度分別為10、20、30 和40 mg/L,相應(yīng)反應(yīng)器分別記為R10、R20、R30和R40。
R10~R40 各反應(yīng)周期內(nèi)以密閉方式運(yùn)行。其中,厭氧段僅攪拌,缺氧和好氧反應(yīng)分別以高純氮?dú)夂涂諝馔ㄟ^(guò)底部曝氣頭曝氣,曝氣量恒定為30 L/h,以保證反應(yīng)過(guò)程中所有氣體均經(jīng)氣體干燥劑后進(jìn)入SBR 頂部設(shè)置的采樣袋。試驗(yàn)過(guò)程中,每隔30 min 更換一次采樣袋,同時(shí)取10 ml 泥水混合液,至反應(yīng)結(jié)束。
圖1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式Fig.1 Schematic diagram of the sequence batch reactor(SBR)and its operation mode
(1)水質(zhì)測(cè)定方法 以便攜式DO 和pH 測(cè)定儀(WTW,Multi340i 型)測(cè)定反應(yīng)器中DO、pH。COD、NO3--N、NO2--N、MISS 和MLVSS 均采用標(biāo)準(zhǔn)方法分析[15]。
(2)N2O 測(cè)定方法[16]氣態(tài)N2O 測(cè)定:試驗(yàn)過(guò)程中,采用濕式流量計(jì)測(cè)定各采樣袋內(nèi)收集氣體體積,以氣相色譜儀(Agilent 公司6890N 型)測(cè)定氣相N2O 濃度。色譜測(cè)定條件:進(jìn)樣口溫度110℃;爐溫180℃;ECD 檢測(cè)器300℃。溶解性N2O 測(cè)定:溶解于活性污泥混合液中N2O 以上部空間法測(cè)定。密閉條件下活性污泥混合液經(jīng)泥水分離后, 加入0.5 ml濃度為1000 mg/L 的HgCl2抑制殘余微生物活性。水樣上部加入N2,利用恒溫?fù)u床在30℃下振蕩0.5 h,測(cè)定上部氣體中的N2O 濃度,根據(jù)亨利定律計(jì)算溶解性N2O 濃度。
(3)內(nèi)源物測(cè)定方法 聚-β-羥基丁酸(polyβ-hydroxybutyrate,PHB)、聚-β-羥基戊酸(poly-βhydroxyvalerate,PHV)采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行氣相色譜分析[17],兩者之和為PHA;糖原(glycogen,Gly)采用蒽酮法測(cè)定[18]。
厭氧階段,An/A/O-SBR 反應(yīng)器有機(jī)碳源消耗(CODcon)主要包括異養(yǎng)反硝化菌耗量(CODdn)[19]和PAOs、GAOs 內(nèi) 碳 源 儲(chǔ) 存 量(CODintra)[20]。其 中,CODintra和CODdn計(jì) 算 見 式(1)和 式(2),PAOs 和GAOs 儲(chǔ)存內(nèi)碳源COD 耗量比例PPAO,An、PGAO,An計(jì)算方法分別見式(3)和式(4)[21]。
式中,ΔNO3--N 和ΔNO2--N 分別為SBR 系統(tǒng) 厭氧段NO3--N 和NO2--N 濃度的變化量,mg/L;2.86 和1.71分別為單位質(zhì)量濃度NO3--N 和NO2--N 異養(yǎng)反硝化所消耗COD 濃度,mg COD/mg N;PRA 為厭氧階段釋磷量,mmol P/L,ΔGlyAn為厭氧階段Gly 消耗量,mmol C/L;0.5 和1.12 分別為DPAOs 和GAOs 消耗外碳源轉(zhuǎn)化為內(nèi)碳源時(shí),單位有機(jī)物釋磷量和Gly 消耗量[21]。
圖2 所示為不同NO3-濃度馴化An/A/O-SBR 長(zhǎng)期運(yùn)行特性。R10 和R20 內(nèi),缺氧末期NOx--N 不足2.0 mg/L,TN 去除率達(dá)90%以上,平均氮去除量(nitrogen removal amount,NaRA)分別為8.57 和16.1 mg/L,在進(jìn)水COD 保持恒定的條件下,經(jīng)NO3-馴化促進(jìn)了DPAOs 富集,更多內(nèi)碳源用于NO3-還原過(guò)程,有利于系統(tǒng)反硝化能力增強(qiáng),NaRA 漸增。R30和R40 內(nèi),NaRA 并未隨電子受體增加而呈比例增加,且缺氧末系統(tǒng)內(nèi)殘留有部分NOx-,且以NO2-為主,平均TN 去除率分別降至68.0% 和41.3%。DPAOs以體內(nèi)PHA 作為反硝化碳源,被降解更為徹底,而GAOs 中的PHA 有較大部分被用于再生糖原[22]。一方面,經(jīng)NO3-馴化的DPAOs 內(nèi),硝態(tài)氮還原酶(Nar)活性較強(qiáng),表現(xiàn)出較高NO3-還原能力,無(wú)法馴化出適應(yīng)高濃度NO2-的DPAOs,反硝化過(guò)程優(yōu)先利用NO3-作為電子受體,引起NO2-積累[23];另一方面,初始外碳源一定,微生物吸收外碳源合成PHA能力有限,反硝化過(guò)程PHAs氧化產(chǎn)能受阻,TN去除率下降[24]。與NO2-對(duì)應(yīng),An/A/O-SBR 系統(tǒng)內(nèi)N2O 釋放與缺氧階段NO2-積累呈明顯正相關(guān)。R10~R40內(nèi)N2O 產(chǎn) 率(N2Oemission/NOxremova)l分 別 為1.68%、4.17%、8.92%和14.28%。
碳源充足條件下,缺氧階段NO3--N 濃度是決定吸磷程度的限制性因素。過(guò)低的NO3-提供電子受體有限,影響缺氧段磷吸收,降低除磷效果。R10和R20 內(nèi),厭氧階段平均釋磷量(PRA)分別為23.2 和29.9 mg P/L。R10 內(nèi),電子受體不足抑制了缺氧吸磷過(guò)程,其平均缺氧吸磷量(PUA)僅為15.8 mg P/L,進(jìn)而影響其下一周期厭氧釋磷量。R20 內(nèi),NO3-增加促進(jìn)了DPAOs 富集,厭氧和缺氧階段末平均PO43--P 濃度分別為34.9 mg/L 和0.65 mg/L,PUA 增至34.2 mg/L;R30 和R40,厭氧末平均PO43--P 分別為27.6 mg/L 和25.4 mg/L,缺氧末平均PO43--P 分別為1.3 mg/L 和3.3 mg/L,PRA 和PUA 出現(xiàn)不同程度降低,其平均PRA 分別降至23.6 mg/L 和18.1 mg/L,PUA 降至26.3 mg/L 和22.1 mg/L。據(jù)DPAOs 降解動(dòng)力學(xué), PUA/ΔPHA=0.16 mol P/mol C[25],R10~R40 內(nèi),DPAOs 利 用PHA 分 別 為3.39、6.92、5.65 和4.73 mmol C/L,利用PHA 反硝化吸磷性能先增后減。缺氧階段,DPAOs 利用NOx-作為電子受體將厭氧段合成PHA 氧化,產(chǎn)生的能量用于實(shí)現(xiàn)磷的吸收,并伴隨Gly 再生及細(xì)胞增殖。厭氧階段PHA 儲(chǔ)量增加,缺氧階段提供電子能力增強(qiáng),反硝化效率增加,PHA儲(chǔ)量降低,反硝化吸磷過(guò)程受到抑制,缺氧階段Poly-P 與Gly 合成減少,下一周期厭氧反應(yīng)所需能量可分別來(lái)自體內(nèi)Poly-P 分解和Gly 酵解,導(dǎo)致提供能量性能降低。R30 和R40 內(nèi),缺氧吸磷階段NO2-積累和吸磷性能降低抑制了DPAOs 體內(nèi)Poly-P 合成,下一階段厭氧過(guò)程中,微生物以增加糖原酵解方式獲得能量,糖酵解活性增強(qiáng),促進(jìn)了SBR 系統(tǒng)內(nèi)GAOs 增殖,DPAOs 活性下降,反硝化吸磷性能降低。即:NO2-的積累導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)GAOs 繁殖并抑制DPAOs的活性。在DPAOs-GAOs 共存系統(tǒng)內(nèi),DPAOs 優(yōu)先利用NO3-作為電子受體,高濃度NO3-不會(huì)抑制DPAOs 吸磷過(guò)程,但是,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存在NO2-時(shí),DPAOs 吸磷過(guò)程中PHA 釋能過(guò)程受到抑制,導(dǎo)致DPAOs 沒(méi)有足夠的能量進(jìn)行磷吸收,PUA 逐漸降低,而GAOs活性增強(qiáng)[26]。
圖2 An/A/O運(yùn)行過(guò)程中不同NO3--N濃度下氮(a)及磷(b)變化Fig.2 Variations of nitrogen(a)and PO43--P(b)under different NO3--N concentration in the An/A/O-SBRs
圖3 不同NO3-典型周期內(nèi)COD、NOx-和PO43--P變化情況Fig.3 Variations of COD,NOx-and PO43--P during typical cycles under diferent NO3-in An/A/O-SBRs
圖3 所示為不同NO3-典型周期內(nèi)污染物變化及N2O 釋放特性。厭氧階段DPAOs 內(nèi)Poly-P 水解,其對(duì)COD 吸收引起PO43--P 釋放,反之則認(rèn)為COD 下降是由GAOs引起的。各反應(yīng)器內(nèi)COD消耗無(wú)明顯變化,厭氧結(jié)束,其平均COD 為36.5 mg/L。R10~R40 內(nèi),釋磷量分別為23.9、30.0、24.0 和20.4 mg/L,單位有機(jī)物釋磷量分別為0.14、0.18、0.14 和0.11 mol P/mol C,遠(yuǎn)小于典型PAOs單位有機(jī)物釋磷量(0.5 mol P/mol C),表明除PAOs 外,系統(tǒng)內(nèi)存在GAOs 吸收外源COD 并將其轉(zhuǎn)化為體內(nèi)PHA。R10內(nèi),電子受體不足引起DPAOs 產(chǎn)能下降,為維持正常代謝過(guò)程,DPAOs 利用內(nèi)源呼吸過(guò)程產(chǎn)能,水解體內(nèi)Poly-P,導(dǎo)致二次釋磷,缺氧結(jié)束仍殘留有18.3 mg P/L。R20 缺氧開始60 min 內(nèi),NO3-即降至5.0 mg/L,受體消耗量的增加表明更多的PHA 在缺氧段被利用,與R10 相比,R20 內(nèi)DPAOs 的活性增強(qiáng),NO3-反硝化產(chǎn)能更好耦合于PO43-吸收和Poly-P合成,PUA 增至34.1 mg/L,吸磷速率(P uptake rate,PUR)也增至8.47 mg P/(g VSS·h)。R30和R40內(nèi),缺氧吸磷過(guò)程N(yùn)O2--N 積累峰值分別達(dá)8.75 mg/L 和11.5 mg/L,且缺氧結(jié)束仍殘留有大量NOx--N,PUA分別降至28.9 mg/L 和21.7 mg/L,相應(yīng)PUR 也降至4.22 和3.01 mg P/(g VSS·h)。下一周期厭氧階段,殘留的NO3-消耗有機(jī)質(zhì)而抑制PAOs 對(duì)磷的釋放,從而影響缺氧/好氧條件下對(duì)磷的吸收;另一方面,NO3-的存在會(huì)被部分PAOs 利用作為電子受體進(jìn)行反硝化,從而影響其發(fā)酵中間產(chǎn)物作為電子受體進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)酸,抑制PAOs 的釋磷和攝磷能力及PHA合成能力,破壞釋磷過(guò)程所需嚴(yán)格厭氧環(huán)境[14,27],導(dǎo)致其PRA降至23.6 mg P/L和18.1 mg P/L。
隨NO3-濃度增加,An/A/O-SBR 內(nèi)NaRA 分別為7.6、13.9、12.3 和11.4 mg N/L(以120~180 min 內(nèi)計(jì)),相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)PUA 分別為12.1、20.9、15.9 和13.9 mg P/L,PUA/NaRA 分別為1.60、1.50、1.29 和0.95,均小于DPAOs 還原NO3--N 代謝模型數(shù)值(2.1)[28],且 隨NO3--N 增 加,PUA/NaRA 更 偏 離DPAOs 代謝模型值,表明在DPAOs 和GAOs 共生的An/A/O-SBR 系統(tǒng)內(nèi),DPAOs 和GAOs 可分別利用自身儲(chǔ)存的內(nèi)碳源PHA 完成缺氧反硝化過(guò)程,且GAOs 反硝化脫氮比例隨NO3-增加而增加。王曉霞等[26]指出,缺氧反硝化除磷過(guò)程中,NaRA 和PUA 均隨NO3-升高而增加后趨于穩(wěn)定,高濃度NO3--N(19.8~40.0 mg/L)并不會(huì)抑制同步脫氮除磷系統(tǒng)反硝化脫氮性能,而經(jīng)NO2-馴化后,GAOs 在系統(tǒng)內(nèi)脫氮去除貢獻(xiàn)比例大于DPAOs,GAOs 較DPAOs 處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本研究中,R30 和R40 內(nèi),NO3-還原過(guò)程中出現(xiàn)NO2-積累,An/A/O-SBR 內(nèi)微生物種群發(fā)生變化,GAOs 增殖,反硝化吸磷降低。Kuba 等[1]也指出,當(dāng)生物除磷系統(tǒng)內(nèi)存在NO2-時(shí),DPAOs 代謝受到影響,GAOs 在厭氧階段COD 競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中取得優(yōu)勢(shì)并增殖。
對(duì)NO2-抑制特性的研究表明,NO2-對(duì)缺氧吸磷的抑制可能歸因于HNO2的毒性。Zhou等[11]指出,當(dāng)HNO2由0.002 mg/L 增至0.02 mg/L,其反硝化速率和缺氧吸磷速率迅速降低,HNO2=0.02 mg/L,缺氧吸磷完成則不再進(jìn)行。HNO2可破壞細(xì)胞膜并進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,通過(guò)對(duì)多聚磷酸鹽激酶(polyphosphate kinase,PPK)的破壞抑制Poly-P 合成,從而影響缺氧吸磷過(guò)程[14]。除此之外,反硝化受抑制導(dǎo)致產(chǎn)生能量減少,為維持胞內(nèi)能量平衡,更多的Poly-P 發(fā)生分解,磷吸收能量受限,也會(huì)導(dǎo)致缺氧吸磷速率降低,HNO2存在,抑制了磷吸收和微生物生長(zhǎng),其能量需求降低,通過(guò)質(zhì)子推動(dòng)力合成ATP 的需求減少,則導(dǎo)致反硝化速率變慢[29]。
在DPAOs 和GAOs 共 存 的An/A/O-SBR 內(nèi),GAOs 與PAOs 兩者在厭氧階段會(huì)形成對(duì)有機(jī)底物競(jìng)爭(zhēng)矛盾,而缺氧階段底物濃度變化,也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)功能菌群和內(nèi)碳源儲(chǔ)存改變,從而影響其脫氮除磷特性。
2.3.1 厭氧階段內(nèi)碳源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化 圖4所示分別為R10~R40 內(nèi)厭氧階段外源COD 轉(zhuǎn)化與內(nèi)碳源合成特性。R10 和R20 內(nèi),缺氧階段NO3-充分還原,其下一周期反應(yīng)過(guò)程內(nèi)無(wú)CODDN,CODPAO和CODGAO之和即為外源COD 耗量。R30、R40 內(nèi),CODDN分別為9.8 和17.7 mg/L。隨NO3-增加,其平均CODintra穩(wěn)定在165~175 mg/L 之間,無(wú)明顯變化。而R30 和R40內(nèi),CODPAO則由R20 內(nèi)的61.9 mg/L 分 別降至49.5 mg/L 和42.0 mg/L,相應(yīng)CODGAO由100.9 mg/L 分別增至109.6 mg/L和124.4 mg/L,表明缺氧反硝化過(guò)程中NO2-積累抑制DPAOs 活性,而促進(jìn)GAOs 對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)DPAOs代謝關(guān)系式:
厭氧反應(yīng)典型DPAOs 化學(xué)計(jì)量學(xué)ΔPO43--P/ΔCODin、ΔPHA/ΔCODin和ΔGly/ΔCODin分別為0.96、0.95 和0.45。本研究中,R10~R30 內(nèi)厭氧階段,ΔPO43--P/ΔCODin由0.43降至0.35 mg P/mg C,ΔPHA/ΔCODin和ΔGly/ΔCODin分別由1.56 和0.83 增至1.75和0.94。Welles 等[30]認(rèn) 為,除 磷 系 統(tǒng)ΔPO43--P/ΔCODin在0.01~0.93 mol P/mol C 之 間,并 與Candidatus Accumulibacter 組成、Poly-P 含量和GAOs含量有關(guān)。本研究中,ΔPO43--P/ΔCODin變化表明系統(tǒng)具有DPAOs 和GAOs 共存的特征,且NO3-由10 mg/L增至30 mg/L,SBR內(nèi)微生物降解特性更偏離于高富集度的DPAOs。同時(shí),GAOs 合成PHA 的能力大于PAOs,ΔPHA/ΔCODin增加也表明系統(tǒng)內(nèi)GAOs碳源競(jìng)爭(zhēng)能力逐漸增強(qiáng)。即:NO3-濃度增加促進(jìn)了GAOs 競(jìng)爭(zhēng)碳源能力。厭氧過(guò)程,Gly 酵解是GAOs合成PHA 過(guò)程中還原力和能量的唯一來(lái)源,Gly 酵解性能增加,表明系統(tǒng)內(nèi)GAOs 活性增強(qiáng)。據(jù)式(3)和式(4),本研究R10~R40 內(nèi),PPAO由33.5%降至25.1%,PGAO由59.3%增至74.1%,GAOs 競(jìng)爭(zhēng)碳源能力隨NO3-濃度增加而增加,DPAOs 逐漸受到抑制。R40 內(nèi),PHA 儲(chǔ)量降低,PHA/CODin降至1.53,這與GAOs 競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)增加不符。其原因可能是R40 內(nèi)殘留的NO3-消耗外源COD,此部分COD 不參與微生物內(nèi)碳源轉(zhuǎn)化和后續(xù)反硝化過(guò)程,導(dǎo)致PHA 合成降低[14]。報(bào)道PAOs 利用乙酸代謝模型指出,其合成PHV/PHA 接近于0[31],隨NO3-增加,厭氧階段PHV/PHA 由12.4%增至19.2%,也表明隨NO3-增加,系統(tǒng)內(nèi)GAOs 活性逐漸增強(qiáng),且GAOs 吸收的部分VFAs用于合成PHV。
圖4 An/A/O-SBR厭氧階段COD消耗(a)及內(nèi)碳源轉(zhuǎn)化(b)Fig.4 COD consumption(a)and internal polymers variation(b)during anaerobic stage in An/A/O-SBRs
圖5 不同NO3-濃度馴化An/A/O-SBR缺氧階段碳源轉(zhuǎn)化特性Fig.5 Internal polymers conversion and utilization during anoxic stage in An/A/O-SBR under different NO3-
2.3.2 缺氧階段內(nèi)碳源轉(zhuǎn)化與利用 不同NO3-馴化An/A/O-SBR 內(nèi)缺氧反硝化除磷階段內(nèi)碳源變化如圖5 所示。缺氧階段,DPAOs 和GAOs 所利用外碳源以PHA 為主,隨NO3-增加,缺氧段PHA 耗量呈先增加后減少的趨勢(shì)。R10 內(nèi),電子受體不足影響PHA 耗量,而R40 內(nèi),缺氧階段積累的NO2-抑制PHA 合成,其PHA 耗量也由R20內(nèi)8.19 mmol C/L 降至7.12 mmol C/L。當(dāng)反應(yīng)過(guò)程存在NO2-積累時(shí),會(huì)抑制PHA分解消耗,且PHA分解產(chǎn)生能量更多地用于Gly 的儲(chǔ)存,用于細(xì)胞合成并吸收磷酸鹽的能量降低。在DPAOs 和GAOs 共存系統(tǒng)內(nèi),DPAOs 體內(nèi)PHA 作為反硝化碳源時(shí),被降解得更為徹底,而GAOs 體內(nèi)的PHA,則更多用于糖原的再生。R10~R40 內(nèi),Glystor/PHAcon由41.02%增至64.33%,也印證了糖原代謝過(guò)程An/A/O-SBR 內(nèi)得到了加強(qiáng)。隨NO3-濃度增加,系統(tǒng)內(nèi)可能存在大量GAOs。高NO2-濃度下,DPAOs活性受到抑制,細(xì)胞合成和吸磷作用減弱,同時(shí),與DPAOs 相比,GAOs 消耗等量PHA 合成Gly 能力增強(qiáng),R30、R40 內(nèi)以NO2-作為電子受體的GAOs不斷增殖,Glystor/PHAcon增加。
電子受體濃度變化導(dǎo)致SBR 內(nèi)功能菌群發(fā)生動(dòng)態(tài)響應(yīng),不同菌群還原NO3-代謝性能不同,導(dǎo)致反硝化吸磷過(guò)程中出現(xiàn)部分NO2-積累并引起N2O的釋放。圖6所示為不同SBR 典型周期內(nèi)氧化亞氮變化及釋放特性。R10~R40 內(nèi),隨反硝化吸磷過(guò)程中NO2-/HNO2積累,缺氧反應(yīng)過(guò)程中均出現(xiàn)N2O大量積累并釋放,且系統(tǒng)內(nèi)溶解態(tài)N2O(N2Odis)和N2O 釋放速率(N2O emission rate)均與NO2--N 積累存在明顯正相關(guān)(圖6)。與本研究類似,Wei 等[29]也指出,內(nèi)源反硝化過(guò)程中,溶解態(tài)N2O 和NO2-在同一時(shí)間達(dá)最大值,當(dāng)NO2-降至最低時(shí),溶解態(tài)N2O 降至0 mg/L。一方面,NO2-/HNO2對(duì)氧化亞氮還原酶(Nos)活性具有抑制作用,F(xiàn)NA 與Nos 含Cu+活性位點(diǎn)結(jié)合,引起N2O還原競(jìng)爭(zhēng)性抑制,破壞其催化活性,致使反硝化過(guò)程的電子傳遞受阻,N2O 積累并釋放[11];R30和R40 內(nèi),最 大FNA 可 達(dá)1.4×10-3和1.8×10-3mg HNO2/L,遠(yuǎn)大于Zhou等[11]計(jì)算的DPAOs反硝化吸磷抑 制 并 導(dǎo) 致N2O 積 累 的HNO2濃 度(0.5×10-4mg HNO2/L),導(dǎo)致N2O 的釋放;另一方面,與R10~R30相比,R40 厭氧階段PHA 儲(chǔ)存降低,反硝化吸磷初期內(nèi)碳源減少,電子提供能力下降,加劇了內(nèi)源反硝化過(guò)程中各氧化還原酶之間電子競(jìng)爭(zhēng),Nos 獲得電子能力較弱,Nos 對(duì)電子親和力弱于Nir,反硝化過(guò)程加入NO2-,N2O 還原受阻[32],導(dǎo)致N2O 積累和釋放。也有研究指出,微生物內(nèi)源反硝化過(guò)程中,PHA 氧化速率有限,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)存在NO3-、NO2-和N2O 時(shí),在各電子受體還原酶之間存在電子競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。NO3-還原過(guò)程中,硝態(tài)氮還原酶(Nar)從UQ/UQH2 電子傳遞體系中獲得電子,其捕獲電子能力始終大于亞硝態(tài)氮還原酶(Nir),導(dǎo)致NO2-積累;Nir 和氧化亞氮還原酶(Nos)均從細(xì)胞色素氧化體系中獲得電子,Nir 和Nos 之間存在電子競(jìng)爭(zhēng),Nos 競(jìng)爭(zhēng)電子能力最弱,則導(dǎo)致高NO2-條件下N2O的積累并釋放。
圖6 An/A/O-SBR內(nèi)缺氧階段NO2-與溶解態(tài)N2O(a)和N2O釋放(b)Fig.6 Characterics of NO2--N,dissolved N2O(a)and N2O emission(b)during anoxic stage in An/A/O-SBRs
此外,反硝化除磷系統(tǒng)內(nèi)存在NO2-時(shí),PAOs 吸磷過(guò)程PHAs 分解釋能受到抑制,沒(méi)有足夠能量進(jìn)行反硝化吸磷,而R30 和R40 內(nèi),GAOs 較DPAOs 更具碳源競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),GAOs 儲(chǔ)存更多內(nèi)聚物PHA 用于后續(xù)內(nèi)源反硝化過(guò)程中,同時(shí),在GAOs 內(nèi)源反硝化過(guò)程中,不同菌種具有不同降解特性[12]。其中,Candidatus Competibacterdenitrificans 能夠?qū)O3-還原至NO2-,將NO3-還原至N2,也可將NO2-還原至N2,而Candidatus Contendobacterodensis 只能將NO3-還原至NO2-,高濃度NO2-會(huì)抑制DPAOs 反硝化吸磷活性,而經(jīng)馴化的GAOs 則幾乎不受影響,這也加劇了GAOs 的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),部分GAOs 內(nèi)源反硝化過(guò)程中,其終產(chǎn)物是N2O 而非N2,這也是導(dǎo)致高NO3-下N2O產(chǎn)率迅速增加的重要原因。
(1)An/A/O-SBR 內(nèi)污染物降解和內(nèi)碳源轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)PAOs-GAOs 共存特性,保持進(jìn)水COD 恒定,適當(dāng)增加An/A/O-SBR 內(nèi)缺氧階段NO3--N 濃度,有利于馴化DPAOs,實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷。PRA 和PUA 隨NO3-增加呈先增加后減少的趨勢(shì),NO3-較NO2-具有電子競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),導(dǎo)致缺氧階段NO2-/HNO2積累并抑制DPAOs 活性,Poly-P 分解減弱,GAOs 不斷富集并完成內(nèi)源反硝化過(guò)程,致使N2O釋放增加。
(2)R10~R30 內(nèi),隨NO3-增加,厭氧階段PAOs的COD 耗量比例由33.5%降至25.1%,相應(yīng)PGAO則由59.3% 增 至74.1%,系 統(tǒng) 內(nèi)ΔPO43--P/ΔCODin、ΔPHA/ΔCODin和ΔGly/ΔCODin逐漸背離DPAOs 降解特性,Gly性能增強(qiáng),PHA/CODin合成增加;R40內(nèi),殘留NO3-消耗外碳源,厭氧階段PHA 合成下降;R10~R40 內(nèi),缺氧階段PHA 耗量呈先增后減趨勢(shì),PHA 分解的能量更多用于Gly 儲(chǔ)存,Glystor/PHAcon由41.02%增至64.33%。
(3)DPAOs-GAOs共生體系內(nèi),NO3-增加導(dǎo)致缺氧階段NO2-積累并抑制Nos活性,可利用PHA降低,Nos 在電子競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中處于劣勢(shì),抑制N2O 還原;高濃度NO2-促進(jìn)了GAOs競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),部分GAOs還原產(chǎn)物是N2O,加劇了高NO3-下An/A/O-SBR 內(nèi)N2O釋放。