研究厭氧—好氧交替工藝生物除磷技術(shù)
本文以SBR藝為手段研究了周期循環(huán)變化的厭氧—好氧交替工藝（Alternation of Aerobic/Anaerobic Process，簡(jiǎn)稱AAA工藝）的生物除磷技術(shù)，使其在低能耗、低成本的條件下，既能穩(wěn)定高效除磷，又能去除有機(jī)物。對(duì)采用活性污泥直接染色，通過顯微鏡鏡檢活性污泥細(xì)胞內(nèi)PHB、Poly－p的狀況，來監(jiān)測(cè)生物除磷效果的方法進(jìn)行了研究。
近年來，水體磷污染狀況日益嚴(yán)重，由此導(dǎo)致了水體富營(yíng)養(yǎng)化。除磷是水污染治理的重要課題，是克服富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。生物除磷比化學(xué)除磷運(yùn)行費(fèi)用低，不造成二次污染，除磷效率高。本文以SBR藝為手段研究了周期循環(huán)變化的厭氧—好氧交替工藝（Alternation of Aerobic/Anaerobic Process，簡(jiǎn)稱AAA工藝）的生物除磷技術(shù)，使其在低能耗、低成本的條件下，既能穩(wěn)定高效除磷，又能去除有機(jī)物。對(duì)采用活性污泥直接染色，通過顯微鏡鏡檢活性污泥細(xì)胞內(nèi)PHB、Poly－p的狀況，來監(jiān)測(cè)生物除磷效果的方法進(jìn)行了研究。
1 厭氧—好氣交替工藝生物除磷試驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置（見圖1）
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1.2 實(shí)驗(yàn)方法
AAA法的運(yùn)行可分為進(jìn)水、厭氧攪拌、好氧曝氣、沉淀、排水和閑置六個(gè)階段，通過控制反應(yīng)時(shí)間等條件來強(qiáng)化聚磷菌過量攝取過程的完成。
1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
本組實(shí)驗(yàn)?zāi)MAAA工藝生物除磷技術(shù)，采用葡萄糖基質(zhì)作為唯一碳源，在不同碳磷比下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表1。
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取表1中第1、3組數(shù)據(jù)的厭氧段作圖為圖2。
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試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過1.5h厭氧后，磷的釋放基本達(dá)到最大，此時(shí)COD降解也基本完成。好氧階段在3－4h內(nèi)就可以達(dá)到最大的磷吸收量，以后再增加好氧時(shí)間，出水磷濃度不再降低，這說明此時(shí)無論是污泥的內(nèi)源基質(zhì)還是外源基質(zhì)均已消耗殆盡。由此綜合考慮除磷效果和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)確定厭氧時(shí)間為1.5h，好氧時(shí)間為4h。
2 活性污泥直接特殊染色監(jiān)測(cè)研究
在活性污泥法中，聚磷菌是生物除磷的主要完成者，許多研究者都發(fā)現(xiàn)聚磷菌體內(nèi)能聚集聚磷（Poly－phosphate）即Poly－p和聚β羥基丁酸（poly－β－h(huán)ydroxybutyrate）即PHB（細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存能量的脂質(zhì)內(nèi)含物）。通常，在厭氧條件下，污泥菌膠團(tuán)的聚磷逐漸消失，PHB逐漸增多。在好氧條件下，PHB迅速減少，聚磷迅速增加。厭氧條件下合成的PHB越多，則好氧條件下聚磷合成量越大，除磷效果越佳。在厭氧條件下，活性污泥聚磷菌細(xì)胞體內(nèi)有大量PHB迅速合成。進(jìn)入好氧區(qū)內(nèi)，聚磷菌消耗大量?jī)?nèi)含物PHB顆粒和外源機(jī)質(zhì)，產(chǎn)生細(xì)菌質(zhì)子移動(dòng)力，簡(jiǎn)稱pmf。pmf在釋磷和吸磷時(shí)，即磷在細(xì)胞內(nèi)外的轉(zhuǎn)移過程中起決定性作用。為了維持pmf的恒定，聚磷菌通過消耗pmf把胞外的磷以中性或電陽(yáng)性的形式主動(dòng)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)合成三磷酸腺甙（ATP），合成聚磷酸鹽。在好氧狀態(tài)下，細(xì)胞儲(chǔ)存的PHB降解代謝，為生物合成提供碳，并通過TCA循環(huán)（三羧酸循環(huán)）產(chǎn)生ATP，為合成細(xì)胞物質(zhì)及細(xì)胞活動(dòng)和聚磷酸鹽的大量合成提供能量。因而在好氧條件下，活性污泥聚磷菌細(xì)胞吸收磷，使廢水中磷高效去除。
活性污泥聚磷菌細(xì)胞中的PHB和Poly－p顆粒在生物除磷中發(fā)揮了重要的作用，在生物除磷工藝中，對(duì)活性污泥樣品中的PHB和Poly－y顆粒進(jìn)行染色，發(fā)現(xiàn)在厭氧區(qū)（氧化還原電位在-140mV以下）污泥細(xì)胞內(nèi)PHB顆粒迅速、大量增加，聚磷酸鹽顆粒迅速減少；在好氧區(qū)（氧化還原電位在100mV以上）污泥細(xì)胞內(nèi)PHB顆粒迅速減少，聚磷酸鹽顆粒迅速增加。因此可以通過對(duì)活性污泥直接染色，觀測(cè)活性污泥細(xì)胞的PHB和聚磷顆粒的變化，從而判斷生物除磷效果。
細(xì)胞是無色、透明的，在光學(xué)顯微鏡下，不易看清細(xì)菌的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，故通常要對(duì)活性污泥進(jìn)行分高純化，然后用染料染色，以增強(qiáng)菌體與背景的反差，便于在光學(xué)顯微鏡下觀察，步驟繁瑣，時(shí)間長(zhǎng)且成本高。PHB和聚磷作為細(xì)菌細(xì)胞的內(nèi)含物在光學(xué)顯微鏡下無法觀察，但由于其在生物除磷系統(tǒng)中的重要作用，本實(shí)驗(yàn)采用了一種特殊的染色方法，可將活性污泥直接染色，在光學(xué)顯微鏡下清楚地觀測(cè)到活性污泥細(xì)胞內(nèi)的PHB及聚磷顆粒。
2.1 PHB染色
取活性污泥于載玻片上制成膜，用0.3％的乙烯乙二醇蘇丹黑溶液染色5－15min；沖洗并風(fēng)干；在二甲苯溶液中浸沾數(shù)次，提出并風(fēng)干；用0.5％的堿性藏紅染料溶液反染色5－10s；沖洗、風(fēng)干，顯微鏡觀察。
PHB染色結(jié)果為顯示蘭黑色顆粒，其細(xì)胞質(zhì)部分顯粉紅色。
2.2 Poly－p染色
取活性污泥于載玻片上制成膜，用甲基藍(lán)溶液染色10－30s；自來水沖洗，風(fēng)干，顯微鏡觀察。
Poly－p染色結(jié)果為顯示深藍(lán)色顆粒，其細(xì)胞質(zhì)部分顯示為淺藍(lán)色。
2.3 活性污泥直接染色結(jié)果
對(duì)活性污泥直接染色的研究結(jié)果表明，在好氧厭氧交替生物除磷中，污泥吸收和釋放磷的基本情況與污水中的溶解氧及氧化還原電位有著一定的關(guān)系。在厭氧過程中，當(dāng)氧化還原電位低于-140mV此時(shí)污水中溶解氧含量很低，對(duì)污水中活性污泥進(jìn)行染色能發(fā)現(xiàn)大量的PHB存在，說明活性污泥細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)磷的含量低，處于磷的釋放階段；當(dāng)污水中有少量氧存在，即此時(shí)氧化還原電位為-140～-100mV，污泥細(xì)菌細(xì)胞的染色表明其中PHB的含量減少；當(dāng)對(duì)污泥進(jìn)行曝氣，形成好氧階段，水中溶解氧增加，氧化還原電位高于100mV，對(duì)污泥細(xì)菌細(xì)胞進(jìn)行染色表明，PHB含量極低，幾乎難以染色出來，證明細(xì)菌細(xì)胞大量吸收了磷。
3 結(jié)論
①AAA法運(yùn)行靈活，很容易通過控制反應(yīng)時(shí)間、泥齡及曝氣強(qiáng)度等條件來強(qiáng)化聚磷菌過量攝取過程的順利完成。在進(jìn)水初期反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物濃度很高，不僅很快消耗了剩余的溶解氧形成厭氧狀態(tài)，而且為釋磷提供了充分的碳源；在好氧反應(yīng)階段，有機(jī)物濃度已大大降低，容易維持反應(yīng)器內(nèi)高溶解氧濃度，同時(shí)也為細(xì)菌儲(chǔ)備能源的利用提供了途徑。另外，在此過程中，厭氧與好氧狀態(tài)的交替，充分抑制了專性好氧絲狀菌的過量繁殖，避免污泥膨脹現(xiàn)象的發(fā)生。
②活性污泥直接染色方法簡(jiǎn)單、快速（大約5min）、準(zhǔn)確，便于生物除磷污水廠日常監(jiān)測(cè)應(yīng)用。由于它們可監(jiān)測(cè)到活性污泥細(xì)胞內(nèi)的分子水平狀況，所以，該指標(biāo)的監(jiān)控結(jié)果將更直接、更準(zhǔn)確地反映厭氧段、缺氧段、好氧段的氧化還原電位情況，及各階段的溶解氧狀況和生物除磷效果。
③本實(shí)驗(yàn)研究表明，在厭氧條件下，污泥菌膠團(tuán)的污泥磷大量消失，PHB大量增加。好氧條件下，大量吸收磷的同時(shí)PHB迅速減少，聚磷迅速增加。厭氧條件下合成的PHB越多，好氧條件下聚磷合成量越大。由于聚磷菌以主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞侥鏉舛忍荻葘⑽鬯械牧走\(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中，因此可大量吸收磷，達(dá)到較高的除磷效果。
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