杨鹤1,2，王少坡1,2，张铁凡3,4，于静洁1,2，李亚静1,2，王晨晨1,2，邱春生1,2，孙力平1,2
(1.天津城建大学环境与市政工程学院，天津300384;2.天津市水质科学与技术重点实验室，天津300384;3.天津创业环保集团股份有限公司，天津300384;4.天津凯英科技发展股份有限公司，天津300384)
[摘要]为研究酪蛋白水解物为碳源的强化生物除磷系统的启动及其性能，采用序批式反应器对系统启动过程中污染物的去除效果、聚磷菌的富集以及不同温度和厌氧时间下系统内菌结构变化进行了考察。结果表明：常温(20℃)下，增加厌氧时间，除磷率无明显变化,PO 43-去除率均在40%以下；增加厌氧时间后降低温度至15℃，除磷率 提高,PO 43-去除率均在65%以上，且污泥增殖迅速，沉降性能较好。高通量测序结果表明,9种聚磷菌的相对丰度能随 运行条件的改变而不断变化。
[关键词]生物除磷；酪蛋白水解物；聚磷菌；菌结构[中图分类号]X703
[文献标识码]A
[文章编号]1005-829X (2021)02-0052-06
Start ⁃up of sodium casein hydrolysate carbon source
医疗器械不良事件监测和再评价管理办法SBR biological phosphorus removal system
Yang He 1,2,Wang Shaopo 1,2,Zhang Tiefan 3,4,Yu Jingjie 1,2,
Li Yajing 1,2,Wang Chenchen 1,2,Qiu Chunsheng 1,2,Sun Liping 1,2
(1.School of Environment and Municipal Engineering ,Tianjin Chengjian University ,Tianjin 300384,China ;
2.Tianjin Key Laboratory of Water Quality Science and Technology ,Tianjin 300384,China ;
3.Tianjin Captial Environmental Protection Group Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China ;
4.Tianjin Caring Technology Development Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China )
Abstract :In order to study the start ⁃up and performance of the enhanced biological phosphorus removal system us ⁃
ing sodium casein hydrolysate as the sole carbon source ,a sequencing batch reactor was used to investigate the effect of pollutant removal and the enrichment of polyphosphate accumulating organisms during the start ⁃up of the system ,and the changes in the microflora structure of the system under different temperatures and anaerobic times.The resu ⁃lts showed that at room temperature (20℃),increasing anaerobic time ,the phosphorus removal rate did not change
obviously ,and the removal rate of PO 43-were below 40%.After increasing the anaerobic time ,the temperature redu ⁃ced to 15℃,the phosphorus removal rate increased ,the removal rate of PO 43-were above 65%,and the sludge mul ⁃tiplied rapidly ,the sedimentation performance was better.The results of high ⁃throughput sequencing showed that the relative abundance of 9types of polyphosphate accumulating organisms changed with the operating condition.Key word :biological phosphorus removal ;sodium casein hydrolysate ;polyphosphate accumulating organisms ;mic ⁃
roflora structure
[基金项目]国家自然科学基金资助项目(51678388)
aonier水体富营养化已经成为全球面临的重大水环境问题，其产生的主要原因是人类活动导致的氮、磷等营养元素在水体中的积累。由于磷是水体藻类生长
的限制因子，因此，控制磷的排放比控制氮的排放更具有实际意义。目前，强化生物除磷(EBPR )技术因具有高效、相对廉价和可持续发展的特点而备受关
第41卷第2期2021年2月工业水处理
Industrial Water Treatment
Vol.41No.2Feb.,2021
DOI :10.11894/iwt.2020-0314
开放科学(资源服务)标识码(OSID
):
注〔1〕。自EBPR技术应用于污水处理以来，有关聚磷菌(PAOs)微生物学的研究即成为热点。M.R.A. Wanger等〔2〕的研究表明，在EBPR系统中Betapro⁃teobacteria(β变形菌纲)占主导地位;M.Wanger等〔3〕在EBPR系统中检测到高丰度的Rhodocyclus(红环菌属);Yunhong Kong等〔4-5〕在丹麦、葡萄牙、日本和澳大利亚污水处理厂的EBPR系统中均监测到以高丰度存在的放线菌门的PAOs——
—Tetrasphaera(四球虫属);E.Y.Fernando等〔6〕在丹麦部分污水处理厂中发现,Tetrasphaera对磷的去除与Candidatus A cc⁃
umulibacter phosphatis(简称Accumulibacter)有着旗鼓相当的贡献。利用EBPR系统通过富集培养的PAOs厌氧释磷、好氧吸磷的特性，使水中磷浓度在
好氧段急剧降低，最终通过排放富磷污泥实现除磷〔7〕。Accumulibacter在厌氧条件下通过吸收挥发性脂肪酸(VFAs)作为碳源，而生活污水中近30%的COD 是由蛋白质和氨基酸组成的〔8〕。近年来越来越多的研究发现,Tetrasphaera是一种可以直接利用葡萄糖及氨基酸进行发酵的PAOs〔9〕。
本研究以酪蛋白水解物(简称Cas aa)为碳源，采用SBR反应器在厌氧/好氧交替运行下研究了PAOs的富集培养情况，以及温度和厌氧时间对EBPR系统除磷性能的影响，并考察了系统中的菌结构及其变化，以期为强化生物除磷工艺的稳定运行提供参考。
1材料与方法
1.1实验装置
实验装置如图1所示。本实验采用总容积为15L，有效容积为12L的SBR作为反应装置。反应器主体为双层圆柱体有机玻璃，下部进水，中部出水，上部有溢流口。辅以恒温槽、搅拌器、电磁阀、蠕动泵等装置。
1.2种泥及进水水质
本研究污泥来自天津市某污水处理厂二沉池，污泥整体呈絮状褐。反应器中初始MLSS为4000 mg/L左右，正式启动反应器前闷曝48h，使污泥充分恢复活性。
实验采用人工合成废水，以酪蛋白水解物(Cas aa)作为碳源。人工合成废水具体成分:COD(Cas aa) 150~300mg/L,N(NH4Cl)15mg/L,MgSO4·7H2O1181—溢流口;2—取样口1;3—排水口;4—电磁阀;5—取样口2;6—进水口;7—止回阀;8—蠕动泵;9—搅拌器;10—保温层出水口;11—保温层进水口;12—曝气盘;13—空气压缩机;14—流量计;15—恒温槽; 16—多参数水质分析仪;17—DO探头;18—pH探头;19—进水桶。
图1SBR反应器示意
mg/L,CaCl2·2H2O56mg/L,N-烯丙基硫脲(简称ATU)14mg/L,P(K2HPO4,KH2PO4)15~20mg/L,NaHCO
3 167mg/L，微量元素溶液0.5mL。其中,1L微量元素溶液中含有1.5g FeCl3·6H2O,0.15g H3BO3,0.03g CuSO4·5H2O,0.18g KI,0.12g MnCl2·4H2O,0.06g Na2MoO4·2H2O,0.12g ZnSO4·7H2O,0.15g CoCl2·6H2O,10g EDTA〔10〕。
1.3实验方法
EBPR系统以Cas aa为碳源，采用厌氧/好氧交替方式连续运行181d，每天运行4个周期,1个周期为6h。实验分为3个阶段：第1阶段(1~90d)，进水5min，厌氧阶段90min(搅拌)，好氧阶段150min，沉淀100min，排水10min，静置5min。第2阶段(91~140d)，进水5min，厌氧阶段120min(搅拌)，好氧阶段150min，沉淀70min，排水10min，静置5min。第1阶段和第2阶段通过恒温槽将温度控制在(20±1)℃。第3阶段(141~181d)，周期运行方式同第2阶段，但是通过恒温槽将温度控制在(15±1)℃。本系统3个阶段均通过鼓入空气获得好氧条件,DO 控制在7.0~7.5mg/L。利用人工排泥将MLSS控制在4000~4500mg/L,HRT和SRT分别为12h和20d。通过在人工合成废水中投加NaHCO3将pH控制在7.4。 1.4分析方法
磷酸盐(PO43-)采用钼锑抗分光光度法测定; COD采用15min快速消解法测定;pH、DO采用Multi 3430多参数水质分析仪(德国WTW)进行测定。
采
工业水处理2021-02,41(2)杨鹤，等：酪蛋白水解物碳源SBR生物除磷系统启动
用16S rRNA基因测序的方法进行菌的鉴定。2结果与讨论
2.1EBPR系统PO43-及COD去除性能
不同运行参数下EBPR系统PO43-浓度及COD 随时间的变化如图2所示。
(a)PO43-浓度
(b)COD
图2不同运行参数下EBPR系统
PO43-浓度及COD随时间的变化
实验结果表明，各阶段稳定运行后除磷负荷均在0.006~0.008kgPO43-/(kgMLSS·d)。系统运行的1~ 46d进水PO43-质量浓度为20mg/L左右，反应器启动运行1个周期后PO43-去除率为62.39%，运行至第8天PO43-去除率达到最低，为7.01%，后又逐渐升高。由于运行初期系统运行的不稳定导致除磷率
并不趋于稳定，且总体除磷效果较差，出水磷浓度较高。第47天将进水PO43-质量浓度调整为15mg/L左右，随着运行时间的增加，第1阶段的系统除磷率趋于稳定，但出水水质并未改善,PO43-去除率均低于40%。运行至第91天，增加厌氧时间，进水PO43-质量浓度为15mg/L左右，随着运行时间的增加，第2阶段系统稳定后PO43-的平均去除率为31.84%，出水水质依旧未提高。第141天将温度调至15℃，进水PO43-质量浓度依旧为15mg/L左右。运行至151~ 153d时曝气泵管破裂，溶解氧迅速降低，系统恶化。故障修复后，闷曝24h。155~161d除磷性能有短暂性明显提高,PO43-最高去除率为92.29%，后又降低最后趋于稳定。第3阶段系统稳定后PO43-的平均去除率为73.68%，比第1、2阶段有明显提升。实验结果表明，厌氧条件的改变对除磷效果影响不明显，而在此基础上将温度降至15℃除磷效果较好。由图2 (b)可知,3个阶段的COD去除率均较为稳定,COD 平均去除率分别为84.63%、86.98%、88.49%，说明运行条件的改变并未影响细菌对碳源吸收的稳定性。R.Marques等〔11〕在以Cas aa为碳源富集培养PAOs时，发现存在氨基酸的消耗，且有大量好氧磷的吸收。本实验选取3个阶段中反应器运行相对稳定的第69天(第1阶段)、第124天(第2阶段)、第181天(第3阶段)中的第3个周期作为典型周期，考察了系统PO43-浓度及COD随时间的变化，结果见图3。
图3系统典型周期PO43-浓度及COD随时间的变化
由图3可知,3个典型周期的进水PO43-质量浓度分别为14.09、14.31、14.92mg/L，厌氧末PO43-质量浓度分别为20.21、32.37、19.46mg/L,PO43-去除率分别为28.32%、30.20%、72.91%，厌氧末释磷
量分别是进水PO43-质量浓度的1.43倍、2.11倍、1.30倍。此外，由图3还可以看出，第3阶段的吸磷效果比第1
、试验研究工业水处理2021-02,41(2)
2阶段要显著，因此磷去除率相对要高。另外，第1阶段的COD在好氧进行30min时消耗明显，这是将厌氧时间调至120min(第2阶段)的主要原因。本实验结果表明，单一调整厌氧时间只增加了磷释放量，好氧磷的吸收不够充分，除磷效果不佳；增加厌氧时间且将温度调至15℃则更利于磷的吸收，除磷效果显著。
目前,PAOs的释磷/吸磷原理是被普遍接受的EBPR理论，实验结果表明，本研究符合这一理论。然而近年来有研究表明,EPS参与了生物除磷过程〔12〕。由此可知，本研究中的除磷效果不仅与菌结构有关，而且EPS可能对系统的除磷有贡献。
2.2污泥浓度及沉降性能变化
不同运行参数下活性污泥沉降性能随时间的变化如图4所示。国家船舶舱容积计量站
图4系统活性污泥MLSS及SVI随时间的变化
由图4可以看出,EBPR系统运行至第30天时,SVI>160mL/g，此时DO<6.0mg/L，导致丝状菌大量繁殖，引起污泥膨胀，系统迅速恶化。加大曝气量后，系统缓慢恢复。G.E.Zengin等〔13〕的研究表明，随着运行时间的增加,EBPR系统中会滋生出大量丝状细菌，导致厌氧阶段无法充分释磷，好氧阶
段吸磷量减少，最终导致系统崩溃。本研究中，其余时间未发现丝状菌导致的污泥膨胀且碳源充足，但是每个阶段的运行初期，系统运行依旧比较脆弱，可能与Cas aa作为唯一碳源导致系统抗冲击负荷能力差有关。
第1、2阶段活性污泥的MLSS在4000mg/L左右,SVI为100~140mL/g，污泥龄为20d。第3阶段MLSS逐渐升高，最高值为5990mg/L，后通过加大排泥量将MLSS控制在4000mg/L左右，且SVI稳定在60~80mL/g。实验结果表明，仅增加厌氧时间，污泥增长速率较慢,MLSS增殖速率为500mg/(L·d)；在此基础上将温度调至15℃，污泥增长速率加快,
MLSS增殖速率为700mg/(L·d)，且污泥的沉降性能较好。
2.3微生物菌结构分析
采用16S rRNA高通量测序平台对EBPR系统中微生物多样性进行分析。选取反应器不同阶段〔原污泥、第82天(第1阶段)、第126天(第2阶段)、第181天(第3阶段)〕运行稳定后的活性污泥进行了属水平上优势菌属的对比。结果表明，原污泥中的优势菌属有Terrimonas(4.07%)、Parvularcula(3.50%)、Dokdonella(3.33%)和Ottowia(2.52%)；第82天(第1阶段)污泥中的优势菌属有Saccharibacteria_gen⁃era_incertae_sedis(8.48%)、Thauera(5.10%)、A ridi⁃bacter(4.24%)和Dokdonella(3.65%)；第126天(第2阶段)污泥中的优势菌属有Saccharibacteria_gen⁃era_incertae_sedi
sem扫描电子显微镜s(19.16%)、Niabella(16.62%)、A e⁃romonas(4.83%)和Flavobacterium(4.73%)；第181天(第3阶段)污泥中的优势菌属有Sacchariba⁃cteria_genera_incertae_sedis(23.24%)、Flavobacterium (9.99%)、Sediminibacterium(6.61%)和Thiobacillus (3.92%)。Saccharibacteria_genera_incertae_sedis是属于Candidatus Saccharibacteria门的菌属。马思佳等〔14〕的研究表明，以葡萄糖和乙酸钠为单一碳源时，其优势菌门为放线菌门和变形菌门，而当含有蛋白胨时，能够促进Candidatus Saccharibacteria门的积累。本研究表明，在以Cas aa为碳源时，增加厌氧时间和降低温度，可提高Saccharibacteria_genera_in⁃certae_sedis的相对丰度。
在不同阶段污泥中检测出了9种具有除磷功能的菌属，其相对丰度对比见图5。
9种具有除磷功能的菌属分别为Aeromonas(气单胞菌属)、Tetrasphaera(四球虫属)、Dechloromonas (脱氯单胞菌属)、Pseudomonas(假单胞菌属)、Acine⁃tobacter(不动杆菌属)、Rhodocyclus(红环菌属)、Mi⁃crolunatus(小月菌属)、Enterococcus(肠球菌属)和Corynebacterium(棒杆菌属)。由图5可以看出，原污泥中Aeromonas的相对丰度为0，第126天(第2阶段)时污泥中A eromonas的相对丰度最高，为4.83%，第181天(第3阶段)时污泥中Aeromonas的相
对工业水处理2021-02,41(2)杨鹤，等：酪蛋白水解物碳源SBR生物除磷系统启动
图5不同阶段污泥中除磷功能菌属相对丰度对比
丰度降低(0.58%)。污泥中的Tetrasphaera在第82天(第1阶段)的相对丰度最高，为3.22%，第126天
(第2阶段)时其相对丰度(0.06%)降低明显，到第181天(第3阶段)时其相对丰度(0.39%)虽然有所上升，但是增殖缓慢。Dechloromonas在原污泥中的相对丰度最高(1.25%)，在第82天(第1阶段)、第126天(第2阶段)、第181天(第3阶段)污泥中Dechloromonas的相对丰度分别为0.06%、0.04%、0.50%。
研究结果表明，在反应器运行期间，通过增加厌氧时间可以提高A eromonas的相对丰度；通过增加厌氧时间和降低温度可以使Tetrasphaera和Dech⁃loromonas的相对丰度增加，进而提高了EBPR系统的除磷性能。
3结论
(1)对于酪蛋白水解物碳源EBPR系统，常温(20℃)下，仅增加厌氧时间除磷性能变化不明显；而在此基础上将温度调至15℃，除磷性能明显提高(PO43-去除率均在65%以上)。
(2)对于酪蛋白水解物碳源EBPR系统，常温(20℃)下，仅增加厌氧时间污泥增长速率较慢,MLSS 增殖
速率为500mg/(L·d)；而在此基础上将温度调至15℃，污泥增长迅速,MLSS增殖速率为700 mg/(L·d)，且沉降性能提高。
(3)本系统内，可以通过增加厌氧时间提高Aeromonas的相对丰度，以及通过增加厌氧时间和降低温度增加Tetrasphaera和Dechloromonas相对丰度的方式提高EBPR系统的除磷性能。
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