氮磷缺乏对污泥沉降性能及丝状菌生长的影响

2014年3月CIESCJournal·1040·March2014第65卷第3期化工学报Vol.65No.3氮/磷缺乏对污泥沉降性能及丝状菌生长的影响杨雄，彭永臻，郭建华，唐晓雪，宋姬晨，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：在4个序批式反应器中，分别考察了氮磷正常供给、磷缺乏、氮缺乏及氮磷同时缺乏对污泥沉降性能和丝状菌生长的影响。结果显示：磷缺乏会导致聚磷菌流失，限制菌胶团菌对碳源的贮存和利用，导致胞外聚合物中蛋白质的含量减少，SVI达到200～250ml·g−1；氮缺乏对聚磷菌生长及菌胶团菌贮存利用碳源的影响较小，能刺激菌胶团菌大量分泌蛋白质，SVI低于100ml·g−1；短期内氮磷同时缺乏会导致污泥沉降性能恶化，但经长期驯化后微生物种群结构会发生较大改变，丝状菌数量减少，且会滋生大量球状菌胶团菌，SVI在120ml·g−1左右。进水磷缺乏的优势丝状菌为N.limicolaII；进水氮缺乏的优势丝状菌为Type0092；进水氮磷同时缺乏的优势丝状菌为N.limicolaI。氮磷缺乏所滋生的丝状菌种类对污泥沉降性能均只能产生有限的影响。关键词：需氧；营养元素；氮磷缺乏；污泥膨胀；丝状菌；沉降；分子生物学DOI：10.3969/j.issn.0438-1157.2014.03.038中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：0438—1157（2014）03—1040—09Influenceofnitrogen/phosphatedeficiencyonsludgesettleabilityandfilamentousgrowthYANGXiong,PENGYongzhen,GUOJianhua,TANGXiaoxue,SONGJichen,WANGShuying(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,EngineeringResearchCenterofBeijing,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:Theinfluenceofnitrogen(N),phosphate(P)andN&Pdeficiencyonsludgesettleabilityandfilamentousgrowthwasinvestigatedinfoursequencingbatchreactors.TheresultsshowedthatPdeficiencyininfluentwouldcausedecreaseofpolyphosphate-accumulatingorganisms(PAOs)andinhibitthestoragecapabilityoffloc-formers.Moreover,theproportionofproteininextracellularpolymersubstances(EPS)decreasedandsludgevolumeindex(SVI)of200—250ml·g−1wasobserved.NdeficiencyininfluenthadlessimpactonthegrowthofPAOsandthestoragecapabilityoffloc-formers.ProteininEPSwassignificantlyimproved,andSVIoflessthan100ml·g−1wasobservedunderthiscondition.Theshort-termdeficiencyofN&Pininfluentwouldcausedeteriorationofsludgesettleability,butnofurtherdeteriorationwasobservedafterlong-termdomestication.Noexcessivegrowthoffilamentsbutlargenumbersofsphericalfloc-formersexistedintheN&Pdeficiencysystem,resultinginSVIofaround120ml·g−1.ThedominantfilamentsforN,PandN&PdeficiencywereN.limicolaII,2013-05-26收到初稿，2013-08-05收到修改稿。联系人：彭永臻。第一作者：杨雄（1986—），男，博士研究生。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）；北京市教委科技创新平台项目。Receiveddate:2013-05-26.Correspondingauthor:Prof.PENGYongzhen,[e-mail]:supportedbytheNationalKeyScienceandTechnologySpecialProjectsofWaterPollutionControlandManagementDuringtheTwelfthFive-yearPlanPeriod（2012ZX07302002-06）andtheProjectofScientificResearchBaseandScientificInnovationPlatformofBeijingMunicipalEducationCommission.第3期杨雄等：氮/磷缺乏对污泥沉降性能及丝状菌生长的影响·1041·Type0092andN.limicolaI,respectively.Allofthesedominantfilamentshadlimitedeffectonsludgesettleability.Keywords:aerobic;nutrient;nitrogen/phosphatedeficiency;sludgebulking;filaments;sedimentation;molecularbiology引言活性污泥法工艺是目前应用昀广泛的污水处理工艺，处理效果好，运行管理方便。但是由于运行条件的不稳定，污水处理厂经常遭受污泥膨胀问题的困扰，污水水质就是其一[1-2]。通常认为，污水水质中的碳（C）、氮（N）和磷（P）3种元素是微生物生长及代谢所必需的营养物质，营养物质的均衡供给是微生物正常生长、污水处理厂稳定运行的关键[3]。但是在实际污水处理过程中，污水水质都不同程度地存在碳源不足或氮磷营养元素缺乏的问题。当进水碳源不足时，会造成进水的有机负荷偏低，引发丝状菌的过量繁殖，导致污泥膨胀的发生，工程实际中一般通过设定生物选择器的方式来预防此类污泥膨胀[2]。进水水质中氮磷营养元素缺乏的情况也很常见[4-5]，尽管陈滢等[6]通过采用不同的进水氮磷比证明了不同氮磷比条件会造成不同类型的污泥膨胀，但是针对进水中氮磷营养元素缺乏对丝状菌生长影响的研究很少，且已有的研究主要考察了进水氮磷缺乏时污泥沉降性能的宏观表现，很少有文献从微生物的角度对氮磷缺乏所引发的污泥沉降性能问题进行系统研究。本文主要考察了在氮缺乏、磷缺乏及氮磷同时缺乏的条件下污泥沉降性能的变化情况和丝状菌生长的特性，并对影响到污泥沉降性能的絮体微生物胞内、胞外贮存特性进行了深入分析，以期丰富和完善污泥膨胀理论体系，并为工程实际中处理氮磷严重缺乏的废水提供理论依据和借鉴。1试验材料和方法1.1装置及运行方式试验在4个具备自动控制系统的序批式反应器（SBR）中进行，反应器为圆柱形筒体，直径200mm，由有机玻璃制成，有效容积为12L，沿垂直方向均布有取样口，如图1所示。自动控制系统能控制进水泵、出水阀、排泥泵、曝气阀和搅拌器电源的启闭，从而实现反应器的自动运行。试验过程中，采用鼓风曝气，好氧期曝气量恒定在0.4m3·h−1，保证溶解氧（DO）足量供给，不对DO浓度进行控制；通过加热棒控制温度稳定在(25±0.5)℃。试验共运行90d，每天运行4个周期，每个周期6h。每周期包括10min进水，110min缺氧搅拌，180min好氧曝气，50min沉淀及10min排水、闲置。每周期进水及排水均为6L，水力停留时间（HRT）为12h，每周期好氧末期排放200ml泥水混合液，使污泥龄（SRT）维持在15d左右，污泥浓度维持在1800～2500mg·L−1之间。图1SBR装置Fig.1SBRconfiguration1—influenttank；2—influentpump;3—magneticstirrer;4—sludgepump;5—sludgetank;6—automaticheater;7—effluentvalve;8—airvalve;9—airflowmeter;10—airpump;11—effluenttank;12—communicationline;13—automaticcontrolsystem1.2用水水质及接种污泥4个系统分别编号SBR-1，SBR-2，SBR-3和SBR-4，均采用人工配水，配水水质如表1所示；其中，微量元素的配制方法参照文献[7]。为了防止进水中带入氧化态氮或磷影响试验结果，4个SBR的进水均采用蒸馏水配制。SBR-2~4进水中分别缺乏磷源、氮源及氮磷都缺乏；SBR-1作为对照，进水中氮磷都具备。4个SBR接种污泥均来自北京市高碑店污水处理厂A2O系统排泥。接种时，污泥的SVI值低于150ml·g−1，具有良好的脱氮除磷能力。化工学报第65卷·1042·表1进水水质表Table1CharacteristicofartificalwastewaterItemSBR-1SBR-2SBR-3SBR-4CH3COONa/mg·L−1（COD=300mg·L−1）384.38384.38384.38384.38NH4Cl/mg·L−1（NH4-N=30mg·L−1）114.64114.64——KH2PO4/mg·L−1（PO4-P=15mg·L−1）65.81—65.81—MgSO4·7H2O/mg·L−191.291.291.291.2CaCl2/mg·L−111.111.111.111.1traceelements[7]/ml·L−11111COD:N:P100:10:5100:10:0100:0:5100:0:01.3分析项目及检测方法试验过程中，对SVI、混合液悬浮固体浓度（MLSS）、混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）、CODCr、聚-β-羟基烷酸（PHA）、糖原、胞外聚合物（EPS）等指标进行了监测。其中，PHA采用氯仿作有机溶剂，在100℃下消解20h进行提取，并按照Oehmen等[8]所述的改良方法，利用Agilent6890N型气相色谱及AgilentDB-1型色谱分离柱进行测定；糖原采用0.6mol·L−1的HCl在100℃下消解6h，用蒽酮法进行测定；SVI、MLSS、MLVSS、CODCr均按标准方法测定[9]。EPS采用甲醛加碱法提取[10]，具体步骤为：取20ml好氧期结束时的污泥混合液，3000r·min−1离心15min，弃去上清液；加入1×PBS40ml，振荡摇匀，随后加入0.12ml36.5%的甲醛溶液，4℃放置1h，并不时摇匀；加入8ml1mol·L−1的NaOH溶液，4℃放置3h，并不时摇匀；昀后在10000r·min−1、4℃条件下离心20min，上清液用0.22μm的水系滤膜过滤即为所提取的EPS。EPS组分的测定：多糖用蒽酮法测定，蛋白质用修正的Lowry法测定，DNA采用二苯胺法测定[10]；3种组分的测定值相加即为总的EPS。试验过程中污泥形态结构的观察、丝状菌丰度（FI）的判断及革兰染色、纳氏染色镜检均采用Olympus_BX