不同磷浓度下反硝化除磷菌的代谢机制

【摘要】：反硝化除磷技术的就是利用反硝化除磷菌(Denitrifying Polyphosphate Accumulating Organisms,简称DPAOs)在交替厌氧/缺氧条件下,以NO_2~-/NO_3~-代替传统的氧气为电子受体,实现氮、磷的同步去除。因该工艺缺氧段以厌氧段贮存的胞内聚合物-聚羟基烷酸(poly-β-hydroxyalkanoates,简称PHA)为电子供体同时完成吸磷和反硝化,具有“一碳两用”的特点,从而为低C/N废水的同步脱氮除磷开辟了新途径。实际工程应用中,由于进水水质波动,聚磷菌(Polyphosphate Accumulating Organisms,简称PAOs)代谢机制受到影响,从而导致除磷效果不稳定。本研究采用序批式反应器(SBR)考察不同进水磷浓度下系统反硝化除磷菌的代谢机制,主要研究结果如下:第一阶段以厌氧/好氧交替运行条件富集PAOs,并进行缺氧小试以揭示其在无磷及富磷条件下的代谢机制。经过8天的培养驯化,系统厌氧释磷量从14.9mg·L~(-1)增至55.3mg·L~(-1),说明系统内聚磷菌的占比逐渐升高。驯化15天后释磷量达69.8mg·L~(-1),磷的去除率稳定在90%,PAOs逐渐成为优势种群。运行至21天时,厌氧释磷量显著降低,分析原因可能是随着PAOs的不断富集其对COD的需求量增加导致释磷不完全。为了验证上述猜测,第39天提高进水COD至600mg·L~(-1),厌氧30min释磷量即从24.0增至90.3mg·L~(-1),说明有机底物的不足会使PAOs合成PHA受限,进而导致释磷不完全。此外,由无磷和磷饥饿后富磷条件下PAOs应急代谢机制的缺氧小试发现:(1)未经缺氧吸磷驯化的PAOs能够利用NO_2~-为电子受体进行反硝化吸磷;(2)PAOs在无磷条件下能够进行NO_2~-的还原,意味着无磷条件下PAOs可能启动了应激代谢机制,由磷代谢转为糖代谢。而磷饥饿后的富磷条件下PAOs利用NO_2~-为电子受体反硝化吸磷,说明其代谢机制又从糖代谢转为正常的磷代谢,小试试验初步推断PAOs具有应激代谢的可能。第二阶段将富集后的PAOs以NO_2~--N为电子受体,驯化得到DPAOs,待系统运行稳定后,通过不同磷负荷乃至磷饥饿实验长期评估进水磷浓度对系统反硝化除磷性能、碳源转化利用的影响。由不同磷浓度下NO_2~-去除性能发现,磷饥饿(工况Ⅰ,进水P=2mg·L~(-1))时,前期NO_2~-在缺氧段被完全利用且并未造成积累,说明当NO_2~-浓度较高且在短期内暴露于系统时,由于磷的匮乏,DPAOs仅利用厌氧段贮存的PHA还原NO_2~-以解毒而不吸磷。但后期NO_2~-平均积累量达5.1mg·L~(-1),系统除磷性能弱化,说明磷饥饿条件下长期投加较高浓度的NO_2~-对DPAOs产生了一定的生物毒性。然而,在工况Ⅱ(进水P=5mg·L~(-1))和Ⅲ(进水P=10mg·L~(-1))后期NO_2~--N平均积累量为1.7 mg·L~(-1)和1.1mg·L~(-1),除磷性能始终保持稳定,说明NO_2~-的投加并未对系统微生物造成毒害及抑制作用。由污泥性能可知,随着进水磷浓度的增加,吸磷后污泥体内poly-P值从12.4增至280.0mg·L~(-1),MLVSS从3179降至2033mg·L~(-1),系统内生物量逐渐减少且生物活性逐渐下降。由不同磷浓度下典型周期污染物变化规律可知,HAc的吸收量、PHA的合成量和Gly的消耗量在磷饥饿状态时均达到最大,碳源利用更为充分,说明DPAOs可能启动了应激代谢机制或者系统菌群结构改变导致了化学计量学变化;由工况Ⅱ和Ⅲ的典型周期发现,在有磷的情况下,磷代谢优先于糖代谢,NO_2~--N和PO_4~(3-)-P的存在与否并不会限制PHA的降解,说明缺氧吸磷代谢过程中最先发生PHA的降解。此外,工况Ⅳ(进水P=20mg·L~(-1))典型污染物变化规律发现,55.3mg·L~(-1)PO_4~(3-)-P在缺氧阶段被吸收需要10mg·L~(-1)NO_2~--N作为电子受体进行反硝化吸磷,而工况Ⅴ(进水P=40mg·L~(-1))中,由于进水磷负荷过高,缺氧段电子受体投加不足导致此工况吸磷过程必须由NO_2~-和氧气两种电子受体协作完成,但poly-P的贮存并未受影响。第三阶段以富含DPAOs的活性污泥为研究对象,评估不同磷浓度对高度富集的DPAOs化学计量学的影响,并分析不同进水磷浓度对微生物分布特征的影响,探明参与除磷的Accumulibacter菌属的代谢机制。高通量测序结果表明,进水磷为2mg·L~(-1)时DPAOs中Accumulibacter丰度为92%,说明低磷浓度仍可高度富集DPAOs。磷浓度为40mg·L~(-1)时群落中物种的丰富度虽略有降低,但种群均匀度略有增加,且Accumulibacter丰度提高至98%。而随着进水磷浓度的增加,释磷量从5.9mg·L~(-1)增至107mg·L~(-1),比释磷速率从3.14增至35.1 mg·(g VSS·h)~(-1)。工况Ⅴ由于NO_2~-电子受体有限,后曝气过程成为吸磷主要时段,即由缺氧代谢转为好氧代谢,且好氧吸磷速率快于反硝化吸磷速率。本研究结果表明,DPAOs应激代谢主要表现为:(1)磷饥饿条件下(工况Ⅰ)poly-P降解产生的能量无法满足DPAOs厌氧吸收HAc并贮存PHA,此时DPAOs会利用Gly降解提供能量,即由磷代谢转为糖代谢,缺氧阶段NO_2~-浓度过高并产生抑制效应时,DPAOs则仅利用PHA还原NO_2~-以解毒而不吸磷,代谢机制也转为糖代谢;(2)富磷条件下(工况Ⅳ和Ⅴ),厌氧阶段poly-P降解产生的能量完全满足HAc的吸收并贮存PHA,Gly几乎不降解,缺氧阶段利用PHA还原NO_2~-且吸磷,整个过程为磷代谢;(3)有磷条件下(工况Ⅱ和Ⅲ),厌氧阶段首先利用poly-P降解产生的能量吸收部分HAc并贮存PHA,Gly几乎不降解,当poly-P清空后会利用Gly降解提供能量,缺氧阶段则首先利用PHA还原NO_2~-且吸磷,而当无磷酸盐可供DPAOs吸收时,仅利用PHA还原NO_2~-,厌氧和缺氧阶段DPAOs都既有磷代谢又有糖代谢,可以描述为DPAOs的糖代谢向磷代谢的过渡行为。