1 引言
近年來，水體中磷過剩導致富營養化問題日益嚴重，去除水體中過量的磷引起了極大關注.強化生物除磷(Enhanced biological phosphorus removal，EBPR)是一種有效的除磷途徑(Chen et al., 2004).聚磷菌(Polyphosphate accumulating organisms，PAOs)在厭氧段吸收揮發性脂肪酸(Volatile fatty acids，VFAs)合成聚羥基烷基脂酸(Polyhydroxyalkanoates，PHAs)，同時降解細胞體內聚磷酸鹽和糖原來提供能量和還原物質，并在隨后的好氧段水解PHAs供能過量吸磷，最后通過排出富磷剩余污泥實現磷的去除(Oehmen et al., 2007; Wang et al., 2012a).
Wang等(2008)提出了好氧/延長閑置(Oxic/Extended-idle，O/EI)序批式反應器.O/EI反應器省略了傳統除磷理論認為必需的厭氧段，進水后直接進行曝氣，隨后設置延長閑置段，系統仍能維持良好的除磷效果(除磷率90%以上).PAOs在好氧條件下吸收VFAs，利用糖原分解和三羧酸循環(Tricarboxylic acid cycle，TCA)為合成PHAs提供三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)和還原力NADH，通過分解好氧前期合成的PHAs為聚磷酸鹽(Polyphosphate，poly-P)的合成提供能量，實現好氧吸磷.研究表明(王冬波，2011)，誘導O/EI系統中微生物發生過量攝磷的根本原因在于反應過程中內外基質貧乏的閑置期的設置，Wang等(2012b)研究了O/EI系統閑置期分別設置為1.5、3.5、5.5、7.5和9.5 h時系統的除磷性能，其研究表明對于生活污水而言，閑置期設置為3.5 h較適宜.以往研究考察了不同碳源種類及濃度(王冬波等，2009)、pH(丁艷等，2010)等控制條件對O/EI系統除磷效果的影響，探究了O/EI系統除磷機理(王冬波，2011)以及處理實際污水的應用效果(陳洪波等，2012).然而，其他控制條件如污泥停留時間(Sludge retention time，SRT)、溶解氧(Dissolved oxygen，DO)濃度等對O/EI系統除磷性能的影響尚不清楚，為該工藝的推廣與應用，進一步深入研究十分必要.
DO濃度可影響PAOs攝磷速率及PAOs與聚糖菌(Glycogen accumulating organisms，GAOs)間的微生物競爭，是生物除磷的重要影響因素之一(Oehmen et al., 2007).研究表明，當DO濃度為4.5~5.0 mg · L-1時，系統中GAOs數量較多，除磷效果較差;而當DO濃度為2.5~3.0 mg · L-1時，系統富集較多PAOs，磷的去除率較高(Griffiths et al., 2002).彭趙旭等(2011)研究了好氧階段不同DO(5.5~7.0 mg · L-1和0.5~1.5 mg · L-1)對長期運行EBPR除磷的變化，結果表明高DO下不利于系統除磷效果.此外，有研究報道，為保證較高的生物除磷性能，好氧段DO濃度應維持在2 mg · L-1以上(方茜等，2004).
傳統厭氧/好氧(Anaerobic/Oxic，A/O)模式中，釋磷發生在厭氧段，而攝磷在好氧段進行，而O/EI系統磷的釋放和攝入均發生在好氧段.因此，DO對O/EI反應器中PAOs釋磷和攝磷的影響較傳統A/O模式是否一致尚不明確.此外，以往研究表明O/EI系統中微生物代謝途徑與傳統模式有所不同(Wang et al., 2012a).因此，DO對O/EI系統除磷性能的影響與傳統模式也將有較大區別.
本文旨在考察不同DO濃度對O/EI系統除磷性能的影響，并通過分析磷元素的變化及微生物體內儲能物質的積累/轉化情況，探究DO濃度影響O/EI系統除磷性能的機理，以期為工藝控制條件的優化和日后的工程設計提供理論參考.
2 材料與方法
2.1 污泥馴化
活性污泥取自長沙市第一污水處理廠回流池，污泥馴化在一個有效容積為8 L的有機玻璃反應器中進行.每天運行3個周期，每周期運行8 h，具體運行方式為:瞬時進水→曝氣(4 h)→沉淀和出水(0.5 h)→閑置(3.5 h).每周期開始時加入5 L人工合成廢水(成分見2.3節)，出水時排出5 L上清液，污泥馴化期間不排泥.
2.2 實驗裝置及運行方法
研究在4個有效容積為1.8 L的有機玻璃反應器(分別標記為R1、R2、R3和R4)中進行.各反應器分別接種馴化污泥800 mL，各反應器中初始污泥濃度約為4000 mg · L-1.運行方法與馴化時相同，在每周期開始時加入1 L合成廢水，出水時排出1 L上清液，水力停留時間約為14 h.每天在好氧末排出泥水混合物120 mL，維持SRT在15 d左右.好氧段采用鼓風曝氣，并通過磁力攪拌確保泥水混合均勻.各反應器中DO濃度通過自動控制系統分別維持約1、2、3和4 mg · L-1.溫度為20±1 ℃.
2.3 合成廢水
進水采用人工合成廢水，乙酸鈉(15 mmol · L-1，以C計，理論COD為480 mg · L-1)為單一碳源，磷酸鹽采用磷酸二氫鉀(15 mg · L-1，以PO3-4-P計)，氨氮采用氯化銨(30 mg · L-1;以NH+4-N計)，硫酸鎂和氯化鈣濃度均為5 mg · L-1，微量元素(1.0 mL · L-1)主要成分及濃度見參考文獻(Wang et al., 2008).各反應器進水成分及濃度一致.
2.4 分析方法
糖原測定采用苯酚-硫酸法(Wang et al., 2008);PHAs采用氣相色譜法(Takabatake et al., 2002;Wang et al., 2008)，色譜分析儀型號為安捷倫6890N.DO采用便攜式溶解氧儀測定，pH采用玻璃電極法，溶解性磷酸鹽(SOP)采用鉬銻抗分光光度法，混合液懸浮固體濃度(MLSS)與混合液揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)采用重量法，化學需氧量(COD)采用重鉻酸鉀法，具體方法參照文獻(魏復盛，2002).
3 結果與討論
3.1 典型周期內DO及pH變化
各反應器典型周期內DO變化情況如圖 1所示.由圖 1可見，各反應器在好氧前30 min內DO均較低(≤0.5 mg · L-1)，這與
圖 1 DO和pH周期變化圖
研究表明，pH值是生物除磷效果的重要影響因素之一(Oehmen et al., 2007).因此，筆者對各反應器典型周期內pH的變化進行了監測，結果如圖 1所示.好氧初期，PAOs吸收廢水中的VFAs合成PHAs，因而各反應器中pH值較快上升(Wang et al., 2012a).而在隨后的好氧段和延長閑置段，外碳源已被完全利用，系統依靠水解PHAs為微生物提供能量，因而pH值逐漸下降，這與Wang等(2013)的研究一致.圖中各反應器中pH值相差不大，且變化趨勢大體一致，表明DO濃度對O/EI系統pH變化無顯著影響.
3.2 各反應器中MLSS和MLVSS
穩定運行階段各反應器中MLSS及MLVSS如表 1所示.本研究中各反應器初始MLSS值約為4000 mg · L-1，MLVSS在2000 mg · L-1左右.穩定運行階段，各反應器中DO濃度越大則MLSS越小，而MLVSS相差不大，R1到R4中MLVSS/MLSS值由0.58增大至0.69.Oehmen等(2005)研究表明MLVSS/MLSS值能反映微生物中聚磷的相對含量，MLVSS/MLSS越小，細胞內聚磷含量越高，系統的除磷效果越好.因此，低DO濃度條件下較小的MLVSS/MLSS值表明反應器中可能含有較多的聚磷.
表 1 穩定運行階段各反應器中MLSS和MLVSS
3.3 長期運行過程中各反應器的除磷效果
長期運行過程中各反應器內磷的去除率如圖 2所示.由圖 2可知，污泥馴化階段，各反應器除磷率逐漸上升.穩定運行以后，各反應器中磷的去除效果具有較大差別，DO濃度越大，反應器中磷的去除效果越差.王曉蓮等(2005)也報道了A2O工藝好氧區在高DO濃度下運行，出水磷濃度會急劇增加，而隨后降低曝氣量，磷出水濃度則逐漸好轉.可見，高DO條件對生物除磷過程不利.
圖 2 長期運行下各反應器的除磷率
為更準確的表達各反應器的除磷性能，圖 3給出了長期運行下單位VSS的除磷量的變化.由圖 3可見，不同DO濃度條件下各反應器單位VSS除磷量亦有較大差異.污泥馴化階段，R1、R2和R3中單位VSS磷的去除量逐漸增大，而R4中單位VSS磷的去除量逐漸減小.穩定運行后，隨著DO增大，各反應器中單位VSS除磷量依次減少.
圖 3 各反應器單位VSS除磷量
長期運行過程中各反應器除磷性能的比較如表 2所示.由表 2可知，R1、R2、R3和R4中磷的去除率和單位VSS除磷量均依次減小.R1除磷效果 最佳，除磷率高達96%，單位VSS磷的去除量為5.02 mg · g-1，出水磷濃度僅為0.6 mg · L-1.而R4中出水磷含量高達6.71 mg · L-1，除磷率降至53%，單位VSS磷的去除量僅為2.81 mg · g-1.以上結果表明，低DO濃度有利于O/EI反應器除磷性能，當DO濃度由1 mg · L-1增至4 mg · L-1，系統除磷性能逐漸減弱.
表 2 各反應器長期除磷性能比較
Wang等(2012b)設置DO濃度為3 mg · L-1時，得出O/EI系統除磷率為54%左右，單位VSS除磷量為2.49左右，與本研究結果相近.傳統EBPR為保證出水磷濃度小于1 mg · L-1，好氧段DO必須維持在2 mg · L-1以上(方茜等，2004).本研究中O/EI系統在較低DO濃度(1 mg · L-1)條件下表現出最佳除磷效果，這表明O/EI反應器具有比傳統EBPR更低的溶解氧需求，因而降低了運行成本.低DO條件下，O/EI系統中單位VSS除磷量高得多，可能是由于低DO系統污泥中PAOs比高DO下多.當DO濃度較高時，由于曝氣量大，氧能較快穿透菌膠團，破壞菌膠團內部厭氧環境，不利于微生物釋磷，從而減少微生物吸磷量，此外，高曝氣量可能會將活性污泥中較大的菌膠團沖散，使菌膠團結構被破壞，使系統的生物除磷性能降低.為明確DO濃度對O/EI反應器除磷性能的影響機理，進一步深入研究意義重大.
3.4 典型周期內SOP、COD、糖原和PHA的變化
各反應器中典型周期內磷的去除情況如圖 4所示.由圖 4可見，好氧段前30 min各反應器中均出現明顯釋磷現象.其中，R1釋磷量較大，而R4釋磷量較小.此外，R1閑置期釋磷量(1.81 mg · g-1)也明顯高于其他反應器，而R4閑置期基本無釋磷.研究表明厭氧段釋磷量可影響系統的除磷效果，厭氧釋磷越多，系統除磷效果越好(方茜等，2004).以上結果表明，DO濃度可影響系統好氧初期釋磷量、好氧吸磷量以及閑置期釋磷量，低DO條件有利于PAOs釋磷和吸磷，從而提升系統除磷效率.
圖 4 各反應器SOP周期變化
各反應器中典型周期內COD、糖原和PHAs的變化情況如圖 5所示.由圖 5中可見，曝氣開始后，各反應器中COD急劇下降，前30 min內已被消耗完全，各反應器COD去除率均達90%以上.糖原作為除磷過程中的一種重要的胞內聚合物，它能為合成PHAs提供還原力，同時可作為碳源和能量儲存物質.從圖 5可知R2~R4中糖原變化趨勢基本一致，在好氧前期糖原降解為PAOs吸收VFAs提供能量，VFAs經過TCA循環與糖原降解共同為合成PHAs提供所需的還原力，隨后PHAs被氧化分解，提供PAOs吸磷所需的能量，同時糖原得到補充.而R1中糖原含量在整個周期內變化不大，在好氧前期并沒有分解糖原，即R1中僅TCA循環為PHAs合成提供還原物質.由圖 5還可看出，R1中好氧段PHAs合成量明顯大于其他3個反應器，約為4 mmol · g-1.以上結果表明，R1中主要儲能物質為PHAs，而在其他反應器主要依靠PHAs和糖原供能.Mino(1998)提出外碳源和電子受體(O2)同時存在時，外碳源被優先用于合成PHAs，只有當外碳源耗盡，吸磷才會發生.本研究中好氧前期微生物處于一種局部缺氧環境，微生物在細胞內儲存PHAs.PHAs極易被氧化分解，PHAs合成階段的氧氣供應越充足，PHAs的積累量則越低，表明氧在PHAs合成中不利，且氧氣存在利于PHAs好氧分解.
圖 5 各反應器中COD、糖原和PHA周期變化
各反應器中攝入單位VFAs的PHAs合成量以及PHAs各組分所占百分比如表 3所示.由表 3可知，R1中PHAs合成量/VFAs明顯高于其他反應器，表明在R1中微生物將所吸收的VFAs大部分用于合成PHAs，為隨后的好氧吸磷提供更多的能量.此外，隨著DO濃度的增大，PHB所占百分比逐漸減小.Randall和Liu(2002)研究得出PHAs組成可能是好氧吸磷的一個關鍵因素，且PHB為主要形式時更有利于好氧吸磷.隨著DO升高PHAs累積量明顯下降是由于在溶解氧不足時，微生物的代謝處于相對緩慢的狀態，代謝過程中可供利用的能量也相對較少，因而所吸收的VFAs轉化為PHAs儲存能量和還原物質，供外在碳源不足時利用;而在高DO下，微生物具有更高的代謝速率，產生更多的ATP，將吸收的VFAs更多的被用作微生物細胞生長.因此，低DO下PAOs趨向于儲存更多的PHAs，這與Third等(2003)的結論一致.DO濃度越高，系統中糖原累積量越大，這可能是由于系統中占優勢地位的微生物種群不同造成的.
表 3 各反應器中PHAs成分比較(以乙酸鈉為碳源)
由圖 5可知，與其他反應器不同，R1中糖原在好氧階段前期并沒有被分解，這表明此時O/EI系統是通過三羧酸循環為PHAs合成提供NADH.這可能是因為R1中DO較低，系統中的氧首先供微生物吸收進行好氧呼吸，通過TCA循環用于吸收和轉化VFAs，從而沒有多余的氧供糖原分解.在其他反應器中，糖原分解和TCA循環共同為PHAs合成提供NADH，然后通過PHAs分解補充糖原.好氧條件下PAOs分解PHAs產生的ATP，一部分供聚磷菌生長，另一部分ATP由磷酸激酶轉化成聚磷，將能量儲存在聚磷酸鹽的高能磷酸鍵中，實現PAOs好氧吸磷(Smolders et al., 1995).當系統DO較高時，微生物吸收的VFAs大部分用于細胞生長，儲能物質PHAs合成量少，微生物吸磷量少，除磷性能差.而低DO條件下，微生物細胞生長速率較慢，有利于微生物儲存較多的PHAs(圖 5)，當外碳源消耗完時，PHAs能為吸磷提供足夠的能量.
綜上所述，R1具有最佳除磷效果，其除磷性能明顯高于其他反應器，這是由于R1中好氧前期由于氧氣不足，微生物能釋放出較多的聚磷，并將吸收的VFAs大部分用于合成儲能物質PHAs，為好氧吸磷提高能量，而R4則由于氧氣供應充足，系統內DO升高較快，微生物釋磷量少，微生物吸收VFAs主要用于細胞的生長和生成糖原，PHAs合成量較少.由此可見，DO是通過影響O/EI系統的釋磷和吸磷過程以及PHAs合成量，從而影響系統的除磷性能.具體參見污水寶商城資料或http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
4 結論
1)低DO濃度(1 mg · L-1)有利于O/EI反應器除磷性能，除磷率高達96%，DO濃度升高至4 mg · L-1時，系統除磷性能逐漸減弱.可見DO濃度對O/EI系統除磷性能影響顯著.
2)與R4相比，R1系統中微生物能吸收更多的磷，合成較多的PHAs，但對糖原的合成和利用較少.因此，DO濃度可影響微生物體內PHAs和糖原合成量，好氧初期和閑置期釋磷量以及好氧吸磷量，進而影響系統的除磷性能.
