不同碳源种类对好氧颗粒污泥合成PHA的影响

中国环境科学2015,35(8)：2360~2366ChinaEnvironmentalScience不同碳源种类对好氧颗粒污泥合成PHA的影响王杰,彭永臻*,杨雄,王淑莹(北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京100124)摘要：影响好氧颗粒污泥稳定性的因素众多,其中碳源种类的不同会造成好氧颗粒污泥合成聚羟基烷酸酯(PHA)的不同,进而影响其稳定性能.采用混合碳源驯化培养的好氧颗粒污泥进行试验.考察了厌氧条件下,乙酸钠等八种碳源对好氧颗粒污泥合成PHA的影响.结果表明,颗粒污泥对乙酸钠和蔗糖具有较好的转化能力,合成PHA的量分别为102.19mgCOD/g·VSS和70.58mgCOD/g·VSS,显著高于其他碳源的PHA合成量(5~26mg/g⋅VSS).故以蔗糖和乙酸钠作碳源均有利于颗粒污泥稳定性能的维持,而当以甲醇作碳源时好氧颗粒污泥的贮存能力最差.关键词：好氧颗粒污泥；碳源贮存；聚羟基烷酸酯(PHA)；菌胶团；稳定性中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)08-2360-07EffectofvarioustypescarbonsourceonthesynthesisofPHAofaerobicgranularsludge.WANGJie,PENGYong-zhen*,YANGXiong,WANGShu-ying(EngineeringResearchCenterofBeijing,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(8)：2360~2366Abstract：Thestableperformanceofaerobicgranularsludgewouldbeaffectedbyvariousfactors.Thetypeofcarbonsourcewasreportedtohaveimpactonthesynthesisofpolyhydroxyacidlipid(PHA),consequentlyaffectthestabilityoftheaerobicgranularsludge.Inthisstudy,theaerobicgranularsludgewascultivatedwiththemixedcarbonsource,andtheeffectofdifferentcarbonsourceonthePHAsynthesizedbyaerobicgranularsludgewasinvestigated.Thetestswereconductedwith8kindsofcarbonsourceincludingsodiumacetate,methanol,glucose,maltose,starch,sugar,glutamicsodiumandpeptone.TheresultsshowedthattheaerobicgranularsludgehadbetterperformancefortransformingthesodiumacetateandsugartoPHA,withthestoragecapacityreachedupto102.19mgCOD/g·VSSand70.58mgCOD/g·VSS,respectively.Thiswassignificantlyhigherthanthevalueusingtheothercarbonsource,whichwasintherangeof5~20mg/g·VSS.Therefore,itwasbeneficifaltomaintainthestableperformanceofgranularsludgebyusingsugarandsodiumacetateascarbonsource.However,theloweststorageofPHAwasfoundwhenmethanolwasused.Keywords：aerobicgranularsludge；carbonstoragepolymers；polyhydroxyacidlipid(PHA)；zoogloea；stability与传统的活性污泥相比,好氧颗粒污泥具有沉降速度快,污泥浓度高,生物活性强以及微生物种类多等优势,具有较大的发展潜力,近年来也受到越来越多的关注[1].但反应条件对颗粒污泥影响很大,若不能合理地控制,好氧颗粒污泥经常会发生失稳现象,这也极大限制了其在实际污水处理工程中的大规模应用[2].近年来国内外研究者对影响好氧颗粒污泥稳定运行的因素做了大量深入的研究[3],为好氧颗粒污泥的应用提供了一定的理论支撑.但这些研究主要集中在温度[4-6],pH值[7-9],污泥泥龄[10-11],有毒有害物质[12-13]等方面,且在探究过程中大多是从这些因素对颗粒污泥的胞外聚合物(EPS)的影响展开,未曾涉及颗粒污泥胞内的贮存特性.同时已有研究表明,在普通的絮体污泥系统中,菌胶团在外碳源充足的情况下会将多余的碳源以聚羟基烷酸酯(PHA)的形式贮存于体内,以备其在底物缺乏的条件下使用.由于大部分的丝状菌都不具备底物贮存能力,菌胶团这种贮存底物的能力使得其在与丝状菌的种群竞争中占优势,抑制收稿日期：2014-12-27基金项目：“十二五”国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07302002-06);北京市教委资助项目*责任作者,教授,[e-mail]8期王杰等：不同碳源种类对好氧颗粒污泥合成PHA的影响2361丝状菌的过量生长,防止污泥膨胀的发生[14].好氧颗粒污泥同样也是菌胶团和丝状菌的集合体,丝状菌的过量增殖必然会导致颗粒污泥结构的松散甚至解体,不利于颗粒污泥系统的长期稳定运行[15];此外,不同的碳源条件下,微生物合成PHA的种类和数量也会发生改变[16],菌胶团对不同碳源的贮存利用特性不同,会影响到污水处理系统中微生物的种群结构,从而会导致颗粒污泥处理系统的稳定性差异[2,17].因此,研究好氧颗粒污泥对不同碳源的贮存和利用特性显得尤为重要.Wen等[14]考察了膨胀污泥与沉降性能良好的活性污泥贮存PHA性能的差异;Fang等[18]探究了不同底物和氨氮浓度对好氧颗粒污泥合成聚-β-羟基丁酸(PHB)的影响;黄惠珺等[19]研究了不同碳源类型对活性污泥贮存性能的影响.而实际生活污水中的有机碳源主要包括有机酸类,糖类,蛋白质,纤维素等,这些碳源的种类和数量常常随着人们的生活习惯发生季节性的变化.目前好氧颗粒污泥对单一碳源的贮存情况尚未得到详细研究,可供参阅的文献非常有限.基于以上原因,本文以具备良好脱氮除磷能力的好氧颗粒污泥为研究对象,在厌氧条件下考察了其对乙酸钠等八种单一碳源的贮存特性.1材料与方法1.1试验及试验装置采用有效容积为10L的序批式活性污泥反应器(SBR)培养好氧颗粒污泥.该反应器每周期进水7L,排水比为70%,污泥泥龄(SRT)为10~12d.采用先缺氧后好氧的模式运行,每周期共持续6h,包含5min缺氧进水,115min缺氧搅拌,180min好氧曝气,30~1min沉淀(沉淀时间随着颗粒污泥的逐渐形成由30min逐渐缩短至1min,改变沉淀时间的同时相应的调整闲置时间,保证每个反应周期为6h),10min排水,以及20~49min闲置.缺氧阶段采用机械搅拌器使系统混合均匀,好氧阶段采用鼓风曝气,曝气量恒定在0.5m3/h.反应在室温下进行,试验期间未控制pH值.母反应器接种污泥来自北京高碑店污水处理厂A2O系统的二沉池剩余污泥.本碳源贮存试验采用小试的方式,在2L的SBR中进行,每种碳源同时做3组平行试验,试验结果取平均值.试验装置如图1所示.试验所用污泥为母反应器好氧末所取的颗粒污泥,为了控制严格的厌氧条件,试验开始前先用蒸馏水清洗污泥三遍,去除混合液中的NO3--N,并最终稀释至1.5L体积,分装在3个小试装置内,每个反应器中加入0.5L的进水.污泥浓度控制在4500~5000mg/L,开始反应计时并取样.试验共进行3个小时.试验过程中,分别在0,15,30,60,90,120,150,180min取50mL泥水混合样,静置后的上清液过滤后用来测定化学需氧量(COD),下层污泥用于提取和测定PHA和糖原.12364587图1小试装置示意Fig.1Set-updiagramofBatchtest1.进水箱;2.pH计;3.蠕动泵;4.进水阀;5.排水阀;6.搅拌器;7.电源;8.pH探头1.2进水水质母反应器采用混合碳源作进水碳源驯化培养好氧颗粒污泥.配水水质如表1所示,其COD:N:P=400:40:8.碳源贮存小试用水除了采用单一碳源提供400mg/L的COD以外,其他配水组分与母反应器保持一致.配水中微量元素液按1mL/L加入,母反应器的进水碳源包括乙酸钠,葡萄糖,甲醇,淀粉,谷氨酸钠五种,代表了生活污水中的有机酸,糖类,醇类,高分子有机物.配水的主要成分及含量如表1所示.2362中国环境科学35卷表1配水的组成Table1Thecompositionoffeedwater营养液质量浓度(g/L)微量元素液质量浓度(g/L)NH4Cl0.15CoCl2·6H2O0.15K2HPO40.01NaMo4·2H2O0.06MgSO40.10MnCl2·2H2O0.12CaCl20.03KI0.18甲醇0.05(100mgCOD/L)H3BO30.15乙酸钠0.13(100mgCOD/L)FeCl3·6H2O1.50葡萄糖0.09(100mgCOD/L)EDTA10.00淀粉0.04(50mgCOD/L)CuSO4·5H2O0.03谷氨酸钠0.05(50mgCOD/L)1.3测定方法贮存的底物主要测定PHA,PHA由PHB,聚-β-羟基戊酸(PHV)和聚-β-羟基-2-甲基戊酸(PH2MV)组成,由于在本试验污泥样本中没有检测到PH2MV的存在,故PHA为PHB和PHV二者之和.污泥中的PHA测定前先采用氯仿和酸化甲醇做有机溶剂[20]在100℃的条件下消解20h,使微生物体内的PHA组分溶出,然后利用Agilent6890N型气相色谱以及AgilentDB-1型气相色谱柱对有机相(氯仿)中的PHB和PHV成分进行检测,依据Oehmen[21]所述的改良方法进行操作.糖原采用蒽酮法[22]进行测定.污泥体积指数(SVI)采用30min污泥沉降法测定,混合液悬浮固体浓度(MLSS),混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)采用滤纸重量法测定,CODcr采用重铬酸钾法测定[23].试验过程中好氧颗粒污泥的粒径分布采用Laguna等[24]所述的湿筛分方法进行测定.用五个不锈钢制成的筛子(孔径分别为0.5mm,1.0mm,1.5mm,2.0mm和2.5mm)来确定污泥粒径分布,筛分的粒径分为0.5mm,0.5~1.0mm,1.0~1.5mm,1.5~2.0mm,2.0~2.5mm,2.5mm共6个等级.2结果与讨论2.1母反应器的运行状态图2SBR镜检照片(×40)Fig.2MicroscopicexaminationofSBR(×40)(a)为种泥,(b)(c)(d)分别为培养20,40,60d的镜检照片8期王杰等：不同碳源种类对好氧颗粒污泥合成PHA的影响2363种泥为典型的絮状污泥[图2(a)].由图2可以看出,污泥絮体粒径较大,结构稳定,呈现浅黄色.经过60d的培养及缩短沉淀时间筛选后,碎小的絮体被淘洗出系统,大而密实的污泥得到保留,最终形成了如图2(d)所示的稳定的颗粒污泥结构.该好氧颗粒污泥系统VSS