温度与碳源对生物除磷系统中PAO和GAO影响及除磷效能研究

【摘要】：磷是水体中藻类和其他光合微生物生长的重要元素,过量的磷能够导致水体富营养化。生物除磷工艺通过系统内富集的聚磷菌实现水中磷的去除,是缓解水体富氧氧化的重要途径。然而由于受环境和操作条件约束力强,生物除磷工艺经常面临运行稳定性差、甚至运行失败的问题,其中无除磷能力而与聚磷菌竞争碳源的聚糖菌的出现与富集是导致除磷效果降低的主要原因。在影响聚糖菌增殖的众多因素中,温度能够决定微生物的稳定性及催化效能,而碳源直接参与聚磷菌和聚糖菌的竞争,因此一直受到广泛关注并存在很多对立观点。基于此,本论文以富集培养的聚磷菌和聚糖菌为研究对象,从厌氧/好氧生化反应过程中代谢化学计量关系和反应动力学的角度深入研究温度和碳源种类对生物除磷系统中聚磷菌和聚糖菌的影响及除磷效能,并在此基础上进行温度和碳源复合因素对聚磷菌和聚糖菌影响的数值模拟计算,为深入理解不同温度及碳源与聚磷菌和聚糖菌的代谢过程、相互竞争、优势地位和除磷效能的关系提供参考。 利用常规与逐步限磷方式分别富集了以聚磷菌和聚糖菌为优势菌群的活性污泥系统,荧光原位杂交试验表明聚磷菌富集系统中聚磷菌(Accumulibacter)含量达到86%,而聚糖菌系统中聚糖菌(Competibacter)占78%。通过维持序批式试验温度为5、10、15、20、25和30℃,分别研究了不同温度对聚糖菌和聚磷菌厌氧/好氧反应过程的影响。厌氧序批式试验结果表明温度对聚磷菌厌氧代谢化学计量关系影响不大,与此相反,5和10℃时聚糖菌厌氧ΔPHAAn/ΔVFAAn和ΔGlyAn/ΔVFAAn明显降低,说明低温条件降低了聚糖菌的活性从而抑制了糖原水解能力,需通过其他方式获得能量完成厌氧代谢。温度对聚磷菌与聚糖菌厌氧反应动力学影响显著,聚磷菌和聚糖菌厌氧反应速率分别在20℃和25~30℃达到最高。相同条件下底物最大吸收速率和厌氧ATP维持系数对比结果显示,在温度低于20℃时聚磷菌和聚糖菌对底物的吸收速率差别不大,但聚磷菌自身维持代谢能需求低于聚糖菌,使其在与聚糖菌的代谢竞争中处于优势地位。好氧序批式试验结果表明,温度对聚磷菌好氧反应代谢化学计量关系影响很小,而30℃时聚糖菌好氧化学计量参数降低了约30%,同时温度对聚磷菌和聚糖菌好氧化学反应动力学影响显著。好氧化学反应过程温度系数与国际水协标准温度系数对比表明,聚磷菌和聚糖菌的好氧化学反应与温度属于中等相关关系。在25和30℃时,聚糖菌对底物的吸收速率远高于聚磷菌的吸收速率,但好氧阶段聚糖菌增殖速率始终低于聚磷菌增殖速率。 碳源类型对低温生物除磷系统聚糖菌和聚磷菌的影响显著。厌氧底物吸收试验表明,低温条件下聚磷菌厌氧吸收丙酸钠或乙酸钠无选择性,聚磷菌对乙酸钠或丙酸钠的吸收速率基本相同,且丙酸钠能够提高聚磷菌厌氧释磷量,而聚糖菌对丙酸钠的吸收速率仅为乙酸钠吸收量的31%;聚磷菌好氧吸磷试验表明,聚磷菌对好氧PHA组成变化的适应能力的降低导致底物为乙酸钠的聚磷菌好氧吸磷速率高于丙酸钠,主要原因是以丙酸钠为底物时厌氧合成聚羟基烷酸PHA组成成分由PHB转化为PHV和PH2MV。初步研究了碳源对低温反硝化除磷的影响,发现低温生物除磷工艺中含有一定量的的反硝化除磷菌,乙酸钠为碳源时厌氧释磷量与反硝除磷效率较高,但合成的PHA中以PHB为主,降低了反硝化吸磷过程中NO3--N的利用效率;当碳源为混合基质或丙酸钠为碳源时,厌氧释磷量与乙酸钠时接近,但细胞合成的PHA中PH2MV比例逐步增加,能够提高反硝化吸磷过程中NO3--N的利用率。 葡萄糖可以作为低温生物除磷的底物,但其启动策略和稳定运行维持方式更为复杂。通过延长厌氧反应时间和系统SRT、降低好氧区DO和反应时间能够实现较为稳定的除磷效果。葡萄糖为碳源时存在厌氧区糖原的合成情况,导致聚磷菌代谢能量来源转移为糖原的后续酵解,从而降低生物除磷系统的稳定性。与乙酸钠为底物时相比,葡萄糖为底物的生物除磷系统厌氧释磷量、PHA合成量均有所降低,厌氧合成PHA的结构由乙酸底物时的PHB为主转化为PHV为主要成分。 进行了温度和碳源复合因素对聚糖菌和聚磷菌影响的数值模拟计算,计算结果对生物除磷系统运行状况的预测效果良好;同时不同条件下聚磷菌或聚糖菌生物占有量模拟计算结果表明低温条件下原水碳源为乙酸或丙酸对聚磷菌生物占有量影响不大,低温条件是决定聚磷菌优势地位的主要因素。在中温条件原水碳源为乙酸或乙酸/丙酸混合物时,聚磷菌和聚糖菌共同存在于生物除磷系统内,而碳源为丙酸时为聚磷菌生物占有量达到76%。在高温且原水碳源为乙酸或乙酸/丙酸混合物时,聚糖菌在系统内生物占有量高于聚磷菌,当碳源转化为丙酸时,聚磷菌为系统的优势菌群,聚磷菌和聚糖菌的生物占有量分别为45%和24%。