強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)現(xiàn)已被廣泛用于城鎮(zhèn)污水處理廠。在EBPR系統(tǒng)中，PAOs在厭氧階段將細(xì)胞內(nèi)的聚磷水解為正磷酸鹽，并從中獲得能量來(lái)吸收揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)合成PHA，在缺氧或好氧階段降解PHA產(chǎn)生能量，將污水中的磷酸鹽轉(zhuǎn)化為聚磷儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，從而達(dá)到去除磷的目的。GAOs在厭氧階段也能吸收VFAs，與PAOs形成競(jìng)爭(zhēng)，但不具有除磷作用，因此，PAOs和GAOs在活性污泥中的數(shù)量對(duì)EBPR的穩(wěn)定性和除磷效率至關(guān)重要。影響PAOs和GAOs之間競(jìng)爭(zhēng)的因索很多，其中溫度對(duì)其影響較為顯著。實(shí)驗(yàn)室研究表明，中低溫(低于20℃)有利于PAOs的競(jìng)爭(zhēng)，而高溫(高于20 ℃)時(shí)GAOs處于優(yōu)勢(shì)，而有關(guān)實(shí)際污水處理廠在不同溫度下的PAOs與GAOs等競(jìng)爭(zhēng)者的變化尚不清楚。

　　本研究通過(guò)對(duì)西安市第三污水處理廠氧化溝生物脫氮除磷系統(tǒng)的水質(zhì)、污泥中微生物組成的長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)定，結(jié)合活性污泥釋磷吸磷速率測(cè)定和FISH技術(shù)，探討長(zhǎng)期的溫度變化對(duì)EBPR系統(tǒng)的除磷性能和PAOs、GAOs在活性污泥中所占比例的影響，為污水處理廠的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1. 1污水處理廠工藝參數(shù)與進(jìn)出水水質(zhì)

　　西安市第三污水處理廠主要處理西安市東郊滬河兩岸及紡織城地區(qū)范圍內(nèi)的生活具體參見污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。及工業(yè)廢水，處理后的出水排入滬河。設(shè)計(jì)日處理能力為15萬(wàn)t，采用厭氧選擇池+Orbal氧化溝工藝，HRT為18 h,SRT為17一19 d。

　　污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)見表1。出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(CB 18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

表1   進(jìn)出水主要水質(zhì)

　　1. 2實(shí)驗(yàn)方法

　　1. 2. 1常規(guī)指標(biāo)檢側(cè)

　　實(shí)驗(yàn)中常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定方法按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)進(jìn)行，揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)采用氣相色譜法測(cè)定(安捷倫6890 N )，測(cè)定條件為:檢測(cè)器:氫火焰離子檢測(cè)器(FID );色譜柱:PEWAX ETR(30 m x250 μm x0.25 μm)。

　　1.2.2活性污泥釋磷吸磷速率側(cè)定

　　活性污泥釋磷吸磷速率測(cè)定采用間歇實(shí)驗(yàn)法。

　　將活性污泥曝氣1h，使其適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。曝氣后用經(jīng)脫氧處理的自來(lái)水將活性污泥淘洗兩遍，然后加入無(wú)水乙酸鈉，使乙酸起始濃度為100 mg / L ，為避免氧氣進(jìn)入，實(shí)驗(yàn)過(guò)程通入氮?dú)庖员ＷC厭氧狀態(tài)，厭氧反應(yīng)時(shí)間為4. 5 h，不同時(shí)間點(diǎn)取樣，測(cè)其相應(yīng)的乙酸和磷的濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，測(cè)定混合液的VSS。得到厭氧釋磷速率(mg P / (g VSS · h))、乙酸吸收速率(mg HAc ( g VSS · h)-1)、吸收單位乙酸的釋磷量(mg P·( mg HAc)-1)。

　　釋磷速率測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將活性污泥分成2等份，分別進(jìn)行缺氧吸磷速率與好氧吸磷速率測(cè)定實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行缺氧反應(yīng)時(shí)，在活性污泥中加入KNO3，使NO3- -N的起始濃度為20 mg / L 。好氧反應(yīng)時(shí)，以60L / h的速率通入空氣，確保反應(yīng)器內(nèi)的DO濃度在2 mg / L以上。缺氧和好氧反應(yīng)時(shí)間均為3h，不同時(shí)間點(diǎn)取樣，測(cè)定相應(yīng)磷濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)定混合液的VSS。得到缺氧吸磷速率(mg P · ( g VSS·h)-1)、好氧吸磷速率(mg P · ( g VSS·h)-1)。

　　1. 2. 3 FISH方法

　　將直接取自污水處理廠的活性污泥采用生理鹽水淘洗3遍，去除其中干擾熒光測(cè)定的物質(zhì)，然后稀釋至原有體積。取淘洗后的活性污泥1 mL，用4%的多聚甲醛在4℃固定2h，然后用1 x PBS緩沖溶液洗3遍，洗去多余的多聚甲醛溶液，加入1:1的PBS緩沖溶液和無(wú)水乙醇，搖勻，置于一20℃下保存，用于熒光原位雜交。雜交步驟參考AMANN等采用的方法。

　　FISH分析中采用的探針(生工生物工程股份有限公司)如下:

　　總細(xì)菌(EUB):探針為EUBmix，由EUB338 、EUB338- II和EUB338-III 3種探針按照1:1:1混合;

　　聚磷菌(PAO):探針為PAOmix，由PAO462 、PAO651和PAO846 3種探針按照1:1:1混合;

　　聚糖菌(GAO):探針為GB。

　　各探針的RNA序列及對(duì)應(yīng)的甲酞胺濃度見表2。

表2    FISH分析方法中使用的探針

　　雜交完成后，使用共聚焦顯微鏡(德國(guó)徠卡，型號(hào)SP8)采集圖像。每個(gè)活性污泥樣品做3個(gè)平行樣，每個(gè)平行樣隨機(jī)選取10個(gè)視野采集圖像，用Image-ProPlus 6. 0軟件對(duì)所采集圖像中不同的熒光面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以PAO和GAO探針的熒光面積與EUB探針的熒光面積之比表示相應(yīng)的PAO和GAO與EUB的數(shù)量之比。

　　2結(jié)果與討論

　　2. 1溫度對(duì)活性污泥釋磷吸磷的影響

　　實(shí)驗(yàn)歷時(shí)1年，期間氧化溝內(nèi)活性污泥的水溫在13.5 - 27. 9℃之間變化。由于厭氧釋磷速率隨溫度的變化趨勢(shì)不同，故將溫度分為3個(gè)區(qū)間(低于20 ℃ , 20℃一25℃之間，高于25 ℃ )討論，結(jié)果如表3所示。

表3   不同溫度下的釋磷吸磷速率值及與已有相關(guān)研究的對(duì)比

　　由表3可知，溫度低于20℃時(shí)，厭氧釋磷速率和乙酸吸收速率隨溫度的升高而增大，吸收單位乙酸的釋磷量也相應(yīng)增大;溫度在20一25℃時(shí)，厭氧釋磷速率在其間達(dá)到最大值10. 86 mg P · ( g VSS·h)-1，之后隨溫度的上升釋磷速率開始下降，而乙酸吸收速率則繼續(xù)增加，這跟圖1中PAOs、GAOs的數(shù)量變化有直接關(guān)系，吸收單位乙酸的釋磷量無(wú)明顯變化;溫度高于25℃時(shí)，隨著溫度的升高，厭氧釋磷速率繼續(xù)下降，而乙酸吸收速率卻一直增加，導(dǎo)致吸收單位乙酸的釋磷量下降，這主要是由于GAOs數(shù)量增加引起的。吸收單位乙酸的釋磷量越高，說(shuō)明EBPR中與PAO、競(jìng)爭(zhēng)乙酸的微生物越少，生物除磷性能越好。LOPEZ等研究的荷鑄7個(gè)污水處理廠在12℃左右時(shí)的平均厭氧釋磷速率為13. 37 mg P·(g VSS·h)-1，吸收單位乙酸的釋磷量平均值為0. 40 mg P · ( mg HAc)-1，均大于本研究值，說(shuō)明低溫時(shí)本研究的污水處理廠的污泥活性偏低。ZHANC等研究的浙江10個(gè)污水處理廠在23℃左右時(shí)，平均厭氧釋磷速率為2. 35mg P · ( g VSS · h)-1，吸收單位乙酸的釋磷量平均值為0. 14 mg P · ( mg HAc)-1，遠(yuǎn)低于本研究值，說(shuō)明本研究污水處理廠活性污泥的性能優(yōu)于浙江污水處理廠。

　　同時(shí)表3的數(shù)據(jù)也表明，該污水處理廠的活性污泥存在明顯的反硝化吸磷現(xiàn)象。部分PAOs能以硝酸鹽作為電子受體，在吸磷的同時(shí)將硝酸鹽還原為氮?dú)�，同時(shí)達(dá)到脫氮除磷的目的。KUBA等和WACHTMEISTER等認(rèn)為，缺氧與好氧吸磷速率的比值反映了PAO、整體的反硝化能力。ZHANC等在生物除磷性能研究中，其平均缺氧與好氧吸磷速率比值為40. 07 %，與本研究的比值相當(dāng)，而LOPEZ等研究的結(jié)果比值為24 %，遠(yuǎn)低于相應(yīng)溫度下本研究的比值，說(shuō)明本研究污水處理廠PAOs的反硝化能力較好。

　　2. 2溫度對(duì)PAOs, GAOs的比例影響

　　圖1描述了PAOs和GAOs占EUB的比例隨溫度的變化情況。當(dāng)溫度低于20℃時(shí)，隨著溫度的上升，PAOs和GAOs占EUB的比例逐漸增大;溫度在20 - 25℃之間，PAOs占EUB的比例達(dá)到最大值6. 65 %，而后PAOs占EUB的比例開始下降，GAOs占EUB的比例隨溫度升高繼續(xù)增大;當(dāng)溫度高于25℃時(shí)，PAOs占EUB的比例隨著溫度的升高繼續(xù)降低，而GAOs占EUB的比例隨著溫度的升高一直增大。在27. 9℃時(shí)，GAOs的數(shù)量已經(jīng)超過(guò)PAOs，說(shuō)明溫度高于25℃的時(shí)候GAOs在與PAOs的競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位，和PAOs競(jìng)爭(zhēng)碳源，導(dǎo)致釋磷速率和吸收單位乙酸的釋磷量下降，這和表2的結(jié)果相一致。

　　LOPEZ等研究的荷蘭污水處理廠在12℃左右時(shí)PAOS占EUB的比例為5. 7%一16.4%，大于西安市第三污水處理廠大約同一溫度下的比例，導(dǎo)致釋磷速率較小。LOPEZ等在溫度對(duì)GAOs的影響研究中發(fā)現(xiàn)，溫度高于20℃時(shí)，在PAOs與GAOs的競(jìng)爭(zhēng)中GAOs由于較高的乙酸吸收速率更有利于競(jìng)爭(zhēng);WHANC等在30℃時(shí)通過(guò)縮短污泥齡將富含GAOs的污泥轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓琍AOs的污泥;KUBA等的研究表明PAOs為短泥齡微生物，泥齡越短，除磷效果越好。因此，當(dāng)溫度高于25℃而導(dǎo)致GAOs處于優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，可適當(dāng)縮短污泥齡來(lái)提升PAOs的競(jìng)爭(zhēng)，以達(dá)到較好的除磷效果。

　　2. 3 PAOs, GAOs的分布形態(tài)

　　圖2為PAOs和GAOs在活性污泥絮體中的分布形態(tài)。隨著溫度的變化PAOs和GAOs的數(shù)量發(fā)生了改變，但其分布形態(tài)不受溫度的影響。由圖2可知，PAOs與GAOs呈現(xiàn)出完全不同的分布形態(tài)。PAOs在活性污泥絮體中主要以菌膠團(tuán)的形式存在，而GAOs則以單體或二分體的形式均勻的分布于活性污泥中。在基質(zhì)有限的環(huán)境中，GAOs游離的分布形態(tài)有利于基質(zhì)的吸收，而PAOs以菌膠團(tuán)的形態(tài)存在不利于基質(zhì)的利用，使其在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。

　　2. 4乙酸吸收速率溫度系數(shù)

　　由以上的數(shù)據(jù)和分析可見，溫度對(duì)EBPR系統(tǒng)有重要的影響，尤其是乙酸的吸收速率，而表征溫度的影響主要采用溫度系數(shù)K.

根據(jù)測(cè)定小于20℃時(shí)不同溫度下的乙酸吸收速率，得出lnqT隨溫度(T一20)的變化關(guān)系，如圖3所示。對(duì)其進(jìn)行函數(shù)擬合，得到乙酸吸收速率的溫度系數(shù)K為1.018,

　　 為0. 23 。LOPEZ等在實(shí)驗(yàn)室SBR反應(yīng)器內(nèi)對(duì)PAOs的代謝研究中得出，PAOs乙酸吸收速率的溫度系數(shù)K為1.095，

　　 為0. 20，兩者相差較小。具體參見污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3結(jié)論

　　通過(guò)研究長(zhǎng)期的溫度變化對(duì)西安市第三污水處理廠氧化溝生物脫氮除磷系統(tǒng)的除磷性能和PAOs和GAOs在活性污泥中所占比例的影響，得到如下結(jié)論:

　　1)溫度低于20℃時(shí)，厭氧釋磷速率、乙酸吸收速率隨著溫度的上升不斷增加;溫度在20一25℃之間，厭氧釋磷速率達(dá)到最大值10. 86 mg P · ( g VSS · h)-1，乙酸吸收速率隨溫度上升繼續(xù)增加;溫度高于25℃時(shí)，隨著溫度的升高，厭氧釋磷速率下降，而乙酸吸收速率仍在增加，導(dǎo)致吸收單位乙酸的釋磷量及處理效果下降;

　　2)缺氧/好氧吸磷速率的比值為40. 55 % - 64. 90%，表明活性污泥有顯著的反硝化吸磷能力;

　　3)在PAOs與GAOs的競(jìng)爭(zhēng)中，溫度低于20℃時(shí)，有利于PAOs的競(jìng)爭(zhēng);溫度在20一25℃之間，PAOs占EUB的比例達(dá)到最大值6. 65 %;溫度高于25℃時(shí)，GAOs已經(jīng)超過(guò)PAOs的數(shù)量成為優(yōu)勢(shì)菌種;

　　4)通過(guò)函數(shù)擬合，活性污泥乙酸吸收速率的溫度系數(shù)為1. 018。