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）

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）

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.

好氧颗粒污泥；碳源贮存；聚羟基烷酸酯（PHA）；菌胶团；稳定性

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.

图1　小试装置示意Fig.1　Set-up diagram of Batch test

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.

表1　配水的组成Table 1　The composition of feedwater

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Agilent DB-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2　SBR镜检照片（×40）Fig.2　Microscopic examination of SBR （×40）

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/SS比值为 0.79,SVI5为 14mL/g,污泥具有较好的脱氮除磷能力,氨氮和无机磷的去除率分别达到了95%和88%.

由图 3可知,90%的好氧颗粒污泥粒径在0.5～1.5mm 之间.王迪［25］分别采用蔗糖和乙酸钠作为培养好氧颗粒污泥的进水碳源,当以蔗糖为进水碳源时,好氧颗粒污泥粒径主要在 1.0～1.5mm,当以乙酸钠为进水碳源时,好氧颗粒污泥粒径主要在 0.5～1.0mm.研究发现,颗粒污泥并非粒径越大越好［1］,粒径过大,污泥内部传质越差,粒径过小则不利于其在反应器内稳定停留.本试验中大部分颗粒污泥粒径在0.5～1.5mm之间,粒径适中.同时随着粒径范围的逐渐变大,粒径范围内的VSS/SS比值也逐渐变大,粒径在0.5～1.5mm范围内比值趋于稳定,约为0.79.

图3　颗粒污泥粒径分布及粒径所占百分比Fig.3　Granular sludge particle size distribution and the percentage of particle size

2.2不同碳源条件下好氧颗粒污泥对 PHA的合成情况

PHA合成的理论模型［26］认为：当外界有机底物供给充足时,微生物将吸收的有机底物选择性地供给生长和合成储存性物质,只有在微生物生长受限的情况下细胞才开始大量合成PHA.本试验考察经混合碳源驯化培养的好氧颗粒污泥在厌氧环境下对不同碳源的贮存情况,由于菌胶团的碳源贮存能力明显优于丝状菌,内碳源的贮存能力能够增加菌胶团的种群竞争优势,抑制丝状菌的过量增殖,从而维持稳定的颗粒污泥结构.因此可以根据颗粒污泥利用不同碳源合成PHA的能力差异,来判断不同碳源下颗粒污泥的稳定性.

由表2可见,当以乙酸钠作碳源时,合成PHA的量最大,为102.19mgCOD/（g·VSS）,其次是蔗糖,合成量为70.58mgCOD/（g·VSS）,当以甲醇作碳源时合成PHA的量最少,仅为5.54mgCOD/（g·VSS）,这与微生物对甲醇较差的吸收能力关系密切.好氧颗粒污泥对另外几种碳源都有一定的贮存转化能力,但合成 PHA的量相对较低.这可能是因为乙酸钠属于挥发性脂肪酸（VFA）物质,含有CO基团,在底物贮存过程中可直接与乙酰辅酶A（CH3COCOA）结合参与三羧酸循环（TCA）,耗能少,贮存量多；而其他几种碳源都需要先转化为VFA物质才能被微生物贮存,耗能多,贮存量少［26］.黄惠珺等［19］考察了不同碳源类型对活性污泥PHA贮存及转化的影响,结果表明当以乙酸及丙酸为碳源时,PHA贮存量最大,其它碳源条件下,底物贮存量相对较低.Pijuan等［27］在强化生物除磷（EBRP）工艺中也选择乙酸和丙酸作碳源驯化培养活性污泥,再以乙酸、丙酸、丁酸和葡萄糖作碳源进行试验,同样发现当以乙酸作碳源时PHA合成量最大.本文采用好氧颗粒污泥为研究对象,得到的结论与之相符.由此可见,以乙酸或乙酸盐作碳源,不论是活性污泥还是颗粒污泥,都有较高的 PHA合成能力.事实上,颗粒污泥同活性污泥一样,也是菌胶团和丝状菌的结合体,二者对含有CO基团有着类似的代谢途径.

值得注意的是蔗糖属于非 VFA物质,但颗粒污泥利用蔗糖合成 PHA的量却仅次于乙酸钠,同时其他糖类如葡萄糖、麦芽糖和淀粉作碳源时颗粒污泥的 PHA合成量却很低.这可能是由颗粒污泥微生物对不同糖类的贮存利用途径不同造成的.蔗糖和麦芽糖同属于二糖,但蔗糖水解产物为一分子果糖和一分子葡萄糖,而麦芽糖水解产物为两分子葡萄糖,Majone等［28］指出在缺氧条件下,菌胶团微生物降解利用葡萄糖时主要合成体内的糖原物质,基本没有 PHA的合成.因此,以葡萄糖和麦芽糖为碳源时菌胶团微生物合成 PHA的量非常低.而通过本研究可以看出,蔗糖水解产生的果糖应该更容易转化为 VFA物质并被微生物快速贮存为体内的PHA.淀粉作为大分子聚合物,其被微生物降解利用的限制步骤在于其较低的水解速率,由于其水解速率跟不上微生物对其水解产物的利用速率,因此以淀粉作碳源菌胶团微生物合成的PHA量很低.由此可见,由于菌胶团对甲醇,葡萄糖,麦芽糖和淀粉的贮存能力低,当进水碳源以这些种类为主时,颗粒污泥遭遇丝状菌过量生长的风险更大,颗粒污泥的稳定性越低.因此,有机酸和蔗糖比甲醇,葡萄糖,麦芽糖和淀粉更适合作为培养颗粒污泥的碳源.

表2　不同碳源条件下PHA合成情况Table 2　The storage of PHA with various types carbon source

由表 2还可看出,颗粒污泥对不同碳源的PHA平均合成速率和PHA最大合成速率有明显差异.其中蔗糖的PHA平均合成速率和PHA最大合成速率最大,分别为 3.51mgCOD/（gVSS·h）和785.83mgCOD/（gVSS·h）,乙酸钠的PHA平均合成速率和 PHA最大合成速率分别为1.48mgCOD/（gVSS·h）和321.56mgCOD/（gVSS·h）.颗粒污泥对乙酸钠的合成量要高于蔗糖,但蔗糖的PHA平均合成速率和PHA最大合成速率都远远高于乙酸钠.这是因为微生物贮存底物的同时也在利用贮存物,微生物利用以乙酸钠合成的贮存物的速率要高于利用以蔗糖合成的贮存物的速率,所以以蔗糖作碳源更有利于颗粒污泥快速合成PHA,从而更有利于颗粒污泥在与丝状菌的竞争中占优势.谷氨酸钠作为谷氨酸的强碱盐,其合成PHA的量为26.83mgCOD/（gVSS·h）,仅次于乙酸钠和蔗糖,其 PHA平均合成速率为1.57mgCOD/（gVSS·h）,与乙酸钠相当,其 PHA最大合成速率为462.54mgCOD/（gVSS·h）,仅次于蔗糖.这说明以谷氨酸钠为代表的氨基酸类物质能够作为培养好氧颗粒污泥的碳源.同时蛋白胨作碳源,其 PHA合成量与谷氨酸钠相当,但其合成速率较低,并不适合作为好氧颗粒污泥长期稳定运行的碳源.表中所示最大合成速率出现的时间大都在0～5min,这与反应开始存在较高的底物浓度梯度密切相关.反应初期,菌胶团能够迅速利用高底物浓度梯度进行新陈代谢同时将大量的底物以PHA的形式贮存起来.

2.3颗粒污泥对碳源的利用情况

表3　试验期间COD的变化情况Table 3　The change of COD during the experiment

基于 Majone［28］所述的 COD质量守恒原理,COD有以下几种消耗途径：（1） NO3--N的反硝化即污泥的呼吸作用：（2）合成胞内有机物如PHA及糖原：（3）用于合成新细胞：（4）某些未知途径.该平衡可用以下公式表示：

其中： -ΔS为COD的消耗量；-ΔOX为代表微生物进行生命活动所需能量的氧化量即反硝化消耗量； ΔXSTP为微生物的贮存量（PHA或者糖原）；ΔXGRO为代表微生物的生长量；为微生物摄取的NH4+-N的量.

图4　好氧颗粒污泥对不同碳源的利用情况Fig.4　The utilization contion of aerobic granular sludge on different carbon sources

本试验在厌氧条件下进行,进水不含NO3--N,因此不存在反硝化途径,在COD衡算过程中不予考虑该途径.经测定,颗粒污泥胞内贮存物PHA和糖原都有一定程度积累,且不同的底物有不同的积累量及积累速率,同时细胞在厌氧条件下会合成新细胞,这也需要 COD等能源物质.由此得出不同碳源条件下 COD的变化情况（表3）以及微生物对碳源的利用情况分析（图4）.当以甲醇作碳源时,COD的降解量最低,仅为39.33mg/L，这是因为甲醇有轻微毒性,对微生物体内的酶有抑制作用,难以被微生物吸收利用,故以甲醇作碳源颗粒污泥合成 PHA的量也最低.当以蛋白胨作碳源时,COD 的降解量为94.90mg/L,这些碳源几乎全部用来贮存 PHA［图4（g）］.而蛋白胨属于有机化合物,需要降解成短链VFA等物质才能被微生物吸收利用.由此,若能寻找途径加速蛋白胨的降解率,便能将这些碳源大量的合成PHA,从而能更有效地维持颗粒污泥的稳定性.以谷氨酸钠［图4（f）］和淀粉［图4（h）］作碳源,均有40%以上的碳源用来合成PHA,另有45%以上的碳源用于维持微生物的生命活动,所以以这两种碳源作为合成PHA的物质并不占优势.

当以糖类和有机酸类作碳源时,COD的降解量均在320mg/L以上,但COD的利用情况差别较大.由图4（c）和图4（d）可见,颗粒污泥对麦芽糖和葡萄糖的利用情况略有差异,分别有 15.46%和14.70%的碳源用来合成 PHA,有 26.37%和22.56%的碳源用来维持颗粒污泥的生命活动.这可能是因为麦芽糖水解产物为两分子葡萄糖,其需要不断水解为葡萄糖才能被利用,而葡萄糖可直接被颗粒污泥利用,同时好氧颗粒污泥仅能将少量葡萄糖有效合成PHA,所以颗粒污泥利用麦芽糖合成PHA的量低于葡萄糖,而合成PHA消耗掉的碳源比例略高于葡萄糖.以乙酸钠作碳源合成PHA的量最高,但合成PHA消耗掉的碳源量仅占总消耗量的61.51%,用于新陈代谢的量占26.35%.当以蔗糖作碳源时 PHA的合成量虽然低于以乙酸钠作碳源PHA的合成量,但是当以蔗糖作碳源时,微生物消耗的有机物总量中用于合成PHA的比例占90.89%,远高于乙酸钠系统中的61.51%,也就是说颗粒污泥能将大部分蔗糖用来合成PHA物质,而仅利用7.76%的碳源维持其生命活动.由此进一步说明,以蔗糖作碳源更有利于颗粒污泥合成PHA,而以乙酸钠作碳源能合成大量PHA.

3　结论

3.1不同碳源条件下,颗粒污泥的 PHA贮存能力为乙酸钠＞蔗糖＞谷氨酸钠＞蛋白胨＞葡萄糖＞淀粉＞麦芽糖＞甲醇.其中乙酸钠合成量最大,为102.19mgCOD/（g·VSS）；其次为蔗糖,合成量为70.58mgCOD/（g·VSS）；甲 醇 最 低 ,仅 为5.5mgCOD/（g·VSS）.

3.2厌氧条件下,糖类物质中以蔗糖作碳源, PHA的平均合成速率和最大合成速率均最大.

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Effect of various types carbon source on the synthesis of PHA of aerobic granular sludge.

WANG Jie, PENG Yong-zhen*, YANG Xiong, WANG Shu-ying （Engineering Research Center of Beijing, Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2360～2366

The stable performance of aerobic granular sludge would be affected by various factors. The type of carbon source was reported to have impact on the synthesis of poly hydroxy acid lipid （PHA）, consequently affect the stability of the aerobic granular sludge. In this study, the aerobic granular sludge was cultivated with the mixed carbon source, and the effect of different carbon source on the PHA synthesized by aerobic granular sludge was investigated. The tests were conducted with 8kinds of carbon source including sodium acetate, methanol, glucose, maltose, starch, sugar, glutamic sodium and peptone. The results showed that the aerobic granular sludge had better performance for transforming the sodium acetate and sugar to PHA, with the storage capacity reached up to 102.19mgCOD/g·VSS and 70.58mg COD/g·VSS, respectively. This was significantly higher than the value using the other carbon source, which was in the range of 5～20mg/g·VSS. Therefore, it was beneficifal to maintain the stable performance of granular sludge by using sugar and sodium acetate as carbon source. However, the lowest storage of PHA was found when methanol was used.

aerobic granular sludge；carbon storage polymers；poly hydroxy acid lipid （PHA）；zoogloea；stability

X703.1

A

1000-6923（2015）08-2360-07

2014-12-27

“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, pyz@bjut.edu.cn

王杰（1989-）,女,河南省信阳人,北京工业大学硕士研究生,主要从事污水生物处理理论与应用研究.