环境科学  2017, Vol. 38 Issue (1): 276-282   PDF    
引用本文
郑莹, 潘杨, 周晓华, 廖烜弘, 孟璇, 夏健伟. 一种新型生物膜法除磷工艺中聚磷菌的富集培养过程[J]. 环境科学, 2017, 38(1): 276-282.
ZHENG Ying, PAN Yang, ZHOU Xiao-hua, LIAO Xuan-hong, MENG Xuan, XIA Jian-wei. Process of Enrichment and Culture of PAOs on a Novel Biofilm Process of Dephosphorization[J]. Environmental Science, 2017, 38(1): 276-282.
一种新型生物膜法除磷工艺中聚磷菌的富集培养过程
郑莹1,2 , 潘杨1,2,3 , 周晓华1 , 廖烜弘1,2 , 孟璇1,2 , 夏健伟4     
1. 苏州科技大学环境科学与工程学院, 苏州 215009;
2. 苏州科技大学环境生物技术研究所, 苏州 215009;
3. 江苏省环境科学与工程重点实验室, 苏州 215009;
4. 苏州市环境应急与事故调查中心, 苏州 215002
收稿日期: 2016-07-13; 修订日期: 2016-08-17
基金项目: 江苏省高校自然科学研究重大项目（14KJA610001）；江苏省研究生创新项目（SLJX15_0637）；苏州科技大学研究生创新项目（SKCX15_036）；江苏省“333”学术带头人培养工程项目（331491201）；水处理材料与技术协同创新中心项目；国家重点研发计划项目（2016YFC0401108）
作者简介: 郑莹(1992~),女,硕士研究生,主要研究方向为水污染治理,E-mail:350449185@qq.com
通讯联系人, 潘杨,E-mail:panyang@mail.usts.edu.cn
摘要: 采用挂式尼龙作为生物载体的新型生物膜反应器处理合成废水，探讨短时间内在该常规生物膜上富集培养高浓度聚磷菌的可行性，并从反应器运行效率、除磷速率以及聚磷菌的富集状态等方面进行验证.反应器启动运行10 d后，好氧阶段正磷酸盐去除率稳定在95%以上，COD出水浓度均在50 mg·L-1以下，并在该处理水平稳定运行了50 d.运行培养48 d后，吸磷及释磷速率由相同的3.4 mg·（L·h）-1分别提高到8 mg·（L·h）-1和6 mg·（L·h）-1，好氧和厌氧周期由相同的6 h分别缩短到2 h和3 h.运行培养50 d经荧光原位杂交法（FISH）测定，污泥中聚磷菌的丰度从原泥的48.96%提高到70%，杂交图中的聚磷菌以大块团聚态出现，由直接显微镜法测得生物膜厚度约为28.9 μm，证明生物膜上聚磷菌群已处于动力学增长末期即生物膜已经成熟.经过50 d的强化培养，能够在常规尼龙填料上富集占总菌70%的高浓度聚磷菌，使得本反应器能高效去除污水中的磷与有机物.
关键词: 生物膜      除磷      聚磷菌      尼龙填料      富集      FISH     
Process of Enrichment and Culture of PAOs on a Novel Biofilm Process of Dephosphorization
ZHENG Ying1,2 , PAN Yang1,2,3 , ZHOU Xiao-hua1 , LIAO Xuan-hong1,2 , MENG Xuan1,2 , XIA Jian-wei4     
1. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;
2. Environment Biotechnology Research Institute, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;
3. Jiangsu Key Laboratory of Environment Science and Engineering, Suzhou 215009, China;
4. The Environment Emergency and Accident Investigation Center of Suzhou, Suzhou 215002, China
Abstract: Using the hanging nylon as a biological carrier,a novel biofilm reactor was adopted to treat synthetic wastewater,and the feasibility of cultivating and enriching a high concentration of PAOs on this conventional biofilm within a short time was investigated,which was proved from the aspects of reactor's operational efficiency,the rate of phosphorus removal and the condition of PAOs enrichment.After 10d of operation,the rate of orthophosphate removal was higher than 95% in aerobic phase and the concentration of effluent COD was 50 mg·L-1 or less in the reactor,which was operated steadily for 50 d at this treatment level;after 48 d of operation,the reactor's phosphorus uptake rate and release rate were increased from 3.4 mg·(L·h)-1 and 3.4 mg·(L·h)-1to 8 mg·(L·h)-1 and 6 mg·(L·h)-1,respectively,and the aerobic and anaerobic cycles were shortened from equally 6 h to 2 h and 3 h,respectively.The fluorescence in situ hybridization (FISH) test found that the PAOs' abundance was increased from the original 48.96% to 70% on the 50th day,meanwhile the PAOs showed reunite chunk state in hybrid figure,the thickness of biofilm measured by direct microscopic process was about 28.9 μm,which all proved that the PAOs in biofilm were at the end of the growth kinetics and the biofilm was mature.By hardening culture for 50d,a high concentration of 70% in full organisms of PAOs could be enriched in the conventional nylon filler,enabling the reactor to show a high efficiency in removal of phosphorus and organic matter from sewage.
Key words: Biofilm      phosphorus removal      PAOs      nylon filler      enrichment      FISH     

磷作为一种重要的资源同时具有稀缺性和污染性的双重特性,若排放的污水中含有过量的磷会导致水体富营养化等问题,影响水体生态系统的健康发展,如发展到饮用水水源地区还会严重威胁人类的生活[1].因此,有必要管控污水中的磷使其利于磷资源的良性循环:即减少污水中磷含量,保证水资源环境不受危害,实现生态的可持续发展.现有的大部分污水处理厂使用强化生物除磷(EPBR)工艺去除污水中的磷,从生命周期角度看,合适的污水除磷工艺要兼顾当地情况和其他环境影响,如全球变暖、 臭氧层破坏等[2].使用EBPR工艺过程中无法避免产生大量的剩余污泥,若处理不当会产生生物毒性[3],在污泥处理过程中也会产生多余的温室气体[4].

生物膜法曾以其效率高和运行成本低等优点被广泛用于污水的有机物去除及脱氮工艺,且将生物膜法工艺用于废水脱氮,对缓解当前水体富营养化、 废水处理设施用地紧张等问题有积极作用,拥有较大的发展潜力[5].生物膜上的生物世代时间长、 生物量大[6],如能在常规生物载体上富集聚磷菌,通过微生物富集方式实现对磷酸盐的高效去除,将为磷的去除与管控提供新途径.有研究表明,用厌氧/好氧交替式生物滤池处理低碳磷比废水,最优出水TP质量浓度为0.4 mg·L-1[7]； 还有研究采用了厌氧预酸化-间歇曝气生物滤池处理生活污水,可以有效去除污水中的有机物和磷酸盐,TP出水平均浓度0.59 mg·L-1,平均去除率为85.2%[8].上述研究中的除磷生物膜多使用曝气生物滤池的形式,存在容易堵塞、 需要定期反冲洗和对进水的悬浮固体浓度要求严格等局限,工艺发展缓慢且受限.

本研究以常规填料挂式尼龙作为生物膜载体形成厌氧/好氧交替生物膜反应器,控制合适条件并在生物膜上富集聚磷菌,使废水中的磷和COD等污染物得以高效稳定地去除.该新型生物膜工艺与强化生物除磷和化学除磷法相比,剩余污泥产生量极少,大大减少了温室气体的排放量,是更为可持续的除磷方法； 该工艺的原理为简单的生物接触氧化法,无需复杂的条件控制,简单易行.本研究并没有对反应器厌氧阶段做详细分析,这是由于生物膜培养成熟后将在厌氧阶段进行磷回收工作,同时完成磷的去除与富集,符合未来处理污水节能环保、 资源回收的理念.

1 材料与方法 1.1 反应器装置

将挂式尼龙填料浸没在苏州市某污水处理厂好氧段氧化沟取回的污泥中曝气24 h,使污泥在填料上附着.反应器置于DF-101s恒温水浴加热磁力搅拌锅中,保持恒温和底部的匀速搅拌.使用3台DZ-2X水泵分别完成好氧进水、 厌氧进水以及排水的工作,用一台250 W小型空压机接软管和曝气石放入反应器中提供好氧阶段的曝气.

反应器的主体由2串尼龙填料挂在一个2 L的容器中组成,装置流程如图 1:好氧阶段,提升泵1将好氧进水泵入反应器,并由空压机提供曝气条件,反应完成后提升泵3将反应器中溶液排出； 厌氧阶段,提升泵2将厌氧进水泵入反应器,反应完成后同样由泵3将溶液排出.与其他生物除磷工艺中只有一种进水的模式不同,本工艺采用厌氧/好氧阶段泵入不同进水,使反应器中生物膜适应该运行模式,在完成生物膜培养工作后通过厌氧阶段使用同一回收液富集磷的浓溶液进行磷资源的回收.

图 1 实验装置示意 Fig. 1 Experimental device

1.2 进水和运行条件 1.2.1 进水条件

使用合成废水作为进水,其中好氧基质即为好氧进水,厌氧基质与水以1：9的比例混合作为厌氧进水.通常采用乙酸钠或丙酸钠作为模拟废水碳源,邱春生等[9]研究表明,乙酸钠比丙酸钠更能促进聚磷菌的代谢,故选取易于吸收的乙酸钠作为碳源.合成废水的水质主要指标为:好氧基质中,200 mg·L-1COD,5 mg·L-1 PO43--P,40 mg·L-1NH4+-N,少量CaCl2·2H2O、 MgSO4·7H2O、 EDTA·2Na和微量元素,加入NaHCO3调节进水pH至7.5； 厌氧基质中,2 000 mg·L-1COD,40 mg·L-1NH4+-N,自然pH值,少量CaCl2·2H2O、 MgSO4·7H2O、 EDTA·2Na和微量元素[3].

1.2.2 运行时间和条件

相关研究表明,生物膜反应器厌氧/好氧交替时间设定12 h可得到较好的处理效果[10],厌氧和好氧阶段各设置为6 h.反应器进水流量119 mL·min-1,进水时间约15 min,保持容器底部转子时刻转动使反应器中的溶液处于均匀混合状态.

合成废水的COD浓度设置为200 mg·L-1符合苏南地区的实际情况[11].有研究表明,溶解氧在生物膜反应器液相和生物膜相及膜内部存在一个传递过程,因此生物膜法与传统活性污泥法相比需要更多的曝气量,相同情况下提高曝气量能使出水的含磷量更低[12]； 另一方面,曝气量的增加也会打破原先在生物膜有效生物量[13],综合考虑将本工艺好氧阶段的曝气量控制在(3±0.5) mg·L-1.部分聚磷菌在培养环境中适应的pH范围为6~9,还有部分聚磷菌pH生长范围为6~8[14],偏碱性的环境中聚磷菌会有更好的表现[15],结合实际废水的pH,将进水的pH调节至7.5.聚磷菌的生长温度范围为10~35℃[14],温度越高微生物代谢活性越快[16],本实验在室温较低时,通过水浴加热将温度控制在25℃,当温度高于25℃时不对其进行温度控制.

1.3 分析方法 1.3.1 常规监测项目

水质监测指标有: COD采用重铬酸钾法测定； PO43--P采用钼锑抗分光光度法测定； NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定； DO采用inlab OXI7300溶氧仪测定； pH采用inlab OXI7300 pH计测定； 其他参数均参照文献[17]的方法.

1.3.2 荧光原位杂交法

将生物膜上的污泥样品固定后于-20℃保存.实验采用PAOmix探针即PAO462探针、 PAO651探针和PAO864探针的混合； 全菌探针则采用EUB338mix探针即EUB338探针、 EUB338-Ⅱ探针和EUB338-Ⅲ探针的混合,其中PAOmix和EUB338mix混合探针分别采用CY3和FITC作为荧光染料,所杂交出的图片分别为橙红色和绿色,详见表 1.经过处理的载玻片均匀涂布已固定的污泥样品.污泥样品在46℃杂交2.0 h.将杂交好的载玻片置于48℃清洗管中恒温振荡20 min,避光干燥20 min.用共聚焦显微镜LeicaDM2500(Leica仪器有限公司)观察,并用其软件LASCore摄取图片和分析[13].

表 1 微生物FISH探针序列表 Table 1 Microbial FISH probe sequence table

1.3.3 直接显微镜厚度测量法

利用显微镜对生物膜表面以及载体表面两次对焦成像,通过物镜的移动距离得到生物膜厚.具体操作方法如下:生物膜样品从反应器中取出后直接放置于显微镜观察平台上并加以固定,选定观察倍数(一般为100倍)后对生物膜表面进行对焦,直到获得清晰图像,记下此时的显微镜微调刻度数； 继续通过微调钮调节物镜对载体表面进行对焦直至获得对载体表面的清晰图像,记下此时的微调钮读数； 经校正后,两次成像时微调钮读数之差即为所测生物膜厚[19].

2 结果与讨论 2.1 反应器处理效能评价

选取挂式尼龙作为生物膜填料,根据填料情况与实验目的采取活性污泥挂膜法进行挂膜[20].取苏州某城市污水处理厂好氧段氧化沟中的污泥作为接种污泥,挂膜阶段将尼龙填料浸没于接种污泥中曝气24 h,待污泥在填料上附着后转移至厌氧/好氧交替运行的反应器中.启动阶段,由于曝气的冲刷和搅拌的扰动,刚挂上填料附着不稳的污泥会脱落下来,留在填料上的污泥则逐渐适应反应器中的水力条件,在填料上形成稳定附着的生物膜.为监测反应器的运行状况,连续测量进水、 出水的COD和正磷酸盐浓度,如图 2.反应器运行10 d后,厌氧好氧出水均在50 mg·L-1以下,好氧阶段出水磷浓度接近零,在该处理水平连续稳定运行了50 d.处理效率优于现有的曝气生物滤池工艺[3, 7, 8],且稳定性好.

图 2 常规数据监测曲线 Fig. 2 Conventional data monitoring curves

本实验所使用的挂式尼龙生物填料和现有的序批式SBBR反应器中的悬浮填料相比,挂膜稳定时间从25 d缩短到了10 d左右,具有较高的运行效率[12].本工艺适合中国苏南地区的水质,在进水条件为较低的COD进水浓度和不超过6 mg·L-1的磷含量时都能达到良好的处理效果.

2.2 反应器运行速率评价

在培养阶段,测量厌氧、 好氧段正磷酸盐的沿程浓度,制作磷的释放和吸收速率变化曲线观察反应器内聚磷菌的富集效能.根据反应器运行总时长,选取反应中0、 0.5、 1、 1.5、 2、 3、 4、 5、 5.5 h时刻的出水作为沿程测样点,磷的吸收与释放速率统一用浓度差比时间差算出并作为后一个时间点的速率值,如公式(1)所示:

(1)

式中,t1表示时间为时刻1(h),t2表示时间为时刻2(h)； c1表示在时刻1的磷浓度(mg·L-1),c2表示在时刻2的磷浓度(mg·L-1)； vt2表示在时刻2的吸磷或释磷速率mg·(L·h)-1[22].图 3(a)为好氧吸磷速率曲线,不同时间段的曲线均在1 h达到最高速率,培养时间由前到后对应的最高吸磷速率分别为3.4、 3.4、 4.05、 7.8、 9.25、 8 mg·(L·h)-1； 随着培养时间的增长,吸磷速率逐渐增大,在第40 d的吸磷速率高于48 d,可能是进水的磷浓度较高刺激了释磷速率的增长所致.吸磷速率降到零表示反应结束,从25 d及之前到48 d,反应所需时间从4 h缩短为2 h,而传统SBR法除磷所需的时间为3 h[21],序批式移动床生物膜反应器所需的240 min曝气时间[22],证明本反应器中聚磷菌富集程度的提高.图 3(b)为释磷速率曲线,不同时间段均在一开始的0.5 h达到最大值,培养时间由前到后对应的最高释磷速率分别为3.4、 4.2、 3.25、 4.15、 6.75、 6.1 mg·(L·h)-1,第40 d的释磷速率有质的提高,同样由于进水磷浓度的差别导致第48 d的速率值略低于第40 d,已无更多增长.从40 d及之前到48 d,反应所需时间从4 h缩短为3 h,与SBR、 厌氧/好氧交替生物滤池等工艺厌氧段所需时间保持一致[21, 23].

图 3 聚磷菌富集情况速率分析 Fig. 3 Rate analysis on the enrichment of PAOs

图 3(c)与3(d)描述了吸磷和释磷浓度变化,可直观地体现反应器内的效能变化情况.反应器启动时进水磷负荷设置较低,逐渐提升到6 mg·L-1,随培养时间的加长,斜率增大、 反应加快,好氧段吸收与厌氧段释放磷的量成正比； 也能看出随着培养时间的增长,浓度达到最值的时间即反应时间在缩短.

2.3 聚磷菌富集情况的分子生物评价

为了考察聚磷菌在生物膜反应器启动前后的变化情况,利用FISH技术分析从原接种泥到培养20、 35、 50 d泥样中聚磷菌的丰度,杂交图如图 4,其中亮黄色是CY3标记的荧光探针PAOmix(红色)和FITC标记的EUBmix(绿色)叠加色,通过生物图像分析软件LASCore计算荧光强度得到聚磷占总菌的比例.

图 4 荧光原位杂交图 Fig. 4 Fluorescence in situ hybridization images

数据显示,从原接种泥到培养20、 35、 50 d泥样中Accumulibacter含量分别为48.96%、 58%、 64.47%和70%,经过50 d的富集,聚磷菌占全菌的比例从48.96%上升到70%,培养后污泥内聚磷菌含量较原接种污泥所代表的传统活性污泥法有了很大提升,与王凤蕊等[24]研究培养的除磷/蓄磷生物滤池中聚磷菌72.5%的丰度相近,远高于周律等[22] 在序批式移动床生物膜反应器上测得的21%和16%数值,说明本实验在该生物膜上富集了较高浓度的聚磷菌.从图 4不难看出,随着时间的增长,其中红色部分的比例逐渐增加,这是生物膜上菌胶团形成使得聚磷菌黏结在一起所致,其中红色的聚磷菌由分散的个体逐渐变成较大的团聚结构紧密分布在菌体中,该现象在邹海明等[25]和亢涵等[26]的研究中均有出现； 从生物增长动力学的角度看,这是一个聚磷菌从快速增殖期经过积累到动力学增长末期的过程[19].对照上述速率曲线图看,图 4(b)中20 d聚磷菌仍在快速繁殖,故速率上升并不明显； 图 4(c)中35 d速率曲线有了很大的提升,对照此时的菌体明显增大,是积累期的表现； 第50 d,红色部分以大团聚体状紧密聚集在一起,对照速率曲线发现系统的速率也逐渐达到稳定.

2.4 聚磷菌富集情况的膜厚度评价

在运行55 d的生物膜反应器中截取一小段载体填料,进行直接显微镜法厚度测量.在生物膜表面各处测量10次,取平均值作为生物膜的观察厚度,表 2中是测得的生物膜厚度.

表 2 生物膜厚度测量 Table 2 Thickness measurement of the biofilms

上述数据取平均值得反应器中生物膜的厚度约为28.9 μm.已知在动力学增长末期,活性生物量达到最大值,生物膜反应器中的液相达到稳定状态,此时生物膜一般很薄,一般不超过50 μm[19],由此可以判断生物膜反应器上的微生物正处动力学增长末期.该值远低于开始挂膜时的膜厚,从反应器其他方面的效能来看生物膜逐渐成熟,因此生物膜的发展会经历一个由厚到薄的过程,在此过程中,真正有效的聚磷菌被高度富集.

3 结论

(1) 本反应器运行10d后,出水的正磷酸盐去除率稳定在95%以上,COD浓度在50 mg·L-1以下,在该处理水平下稳定运行50 d,实现对废水中磷和有机物的高效去除.

(2) 培养过程中磷的吸收和释放速率逐渐增大,在第48 d达到最大吸磷及释磷速率,从最初相同的3.4 mg·(L·h)-1分别提高到8 mg·(L·h)-1和6 mg·(L·h)-1,证明培养过程中聚磷菌不断富集,反应器效率提高.

(3) 本研究的新型生物膜反应器经过培养,在好氧阶段和厌氧阶段反应所需时间从6 h分别缩短到2 h和3 h,高于其他形式反应器的处理效率.

(4) 经 FISH测得聚磷菌丰度达到最大值(70%),在第35 d和第50 d的杂交图上聚磷菌以团聚态出现,运用直接显微镜法测得生物膜平均厚度为28.9 μm,表明聚磷菌已到动力学增长末期即生物膜已成熟.

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