厌氧快速吸收有机物的启动能源研究

刘壮　杨造燕　王暄
（天津大学　环境工程系，天津　300072）

　　摘　要：通过考察乙酸钠和葡萄糖两种单基质配水厌氧快速吸收COD去除情况、厌氧磷量变化、细胞内糖变化规律、混合液厌氧pH值以及细胞外糖浓度与混合液COD的相互关系，证明对于糖类和非糖类基质，细胞都可以建立以内糖(胞内单糖和糖元)为厌氧吸收能量来源的机制。通过对比两种配水污泥驯化的难易程度、综合分析各方面数据，论证了当基质中含有糖类成分时，细胞可能优先利用单糖酵解产能，为厌氧快速吸收系统提供启动能量，从而缩短污泥驯化时间。由此提出当采用本文的厌氧快速吸收新工艺处理实际废水时，可依水质情况考虑投加适量能自发酵解产能的简单有机物，以加快系统的启动进程。
　　关键词：厌氧快速吸收；能量来源；细胞内糖；糖酵解
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：　A
　　文章编号：　1000-4602(2000)05-0001-04

Study on the Start-Up Energy Source for the Anaerobic Fast Absorption of Organic Materials

LIU Zhuang，YANG Zao-yan，WANG Xuan
(Depart.of Environ.Eng.,Tianjin Univ.,Tianjin 300072,China)

　　Abstract：Acetate and glucose were used as the main substrate in the experiment. On the basis of measuring and analyzing the anaerobic COD degradation and the variation of phosphate and intracellular carbohydrate content in anaerobic phase, it was verified that in both carbohydrate and non-carbohydrate substrate conditions microbes could establish such a mechanism that intracellular carbohydrate could be utilized as the energy source of anaerobic absorption. Moreover, this paper suggested that bacterial cells might use the energy released by glucose glycolysis for start-up of anaerobic absorption. As a conclusion, it was proposed that, according to the characteristics of the wastewater to be treated, adding some simple organic materials with the ability of self-fermentation into the influent might help in speeding up the start-up course of anaerobic absorption system.
　　Keywords:anaerobic fast absorption;　energy source;　intracellular carbohydrate;　glycolysis

　　周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的处理工艺源于生物除磷技术，但发展至今，早已不仅局限于除磷范围，其中出现的许多新的生物现象和处理效果引起人们的极大兴趣。这种工艺方法作为一个新的研究课题，已经成为目前深受重视的非稳态理论应用与研究的一部分，其现实意义旨在利用非稳态技术开创污水处理新工艺，实现节能高效的有机物厌氧吸收；其中机理研究的核心是厌氧快速吸收的能量来源问题。
　　目前，国内外关于由生物除磷引发的厌氧—好氧生物处理中厌氧吸收有机物的研究普遍认为，厌氧快速吸收主要有两种可能的能量来源：多聚磷酸盐和糖元。其中，前者属于生物除磷机理，即在厌氧条件下聚磷菌利用体内多聚磷酸盐分解产生的能量吸收并储存有机物，同时释放出ATP水解产生的正磷酸盐。后者则来自于对最初的生物除磷生化代谢模式(Comeau,1986)的修正(Arun&Mino等，1988)以及“G细菌”的发现^［1］。研究者们认为：聚磷菌以多聚磷酸盐为能量来源的同时，也利用糖元分解为有机物厌氧吸收和PHB合成提供所需还原力和部分能量^［2～4］；“G细菌”则不具备积累多聚磷酸盐的能力，完全以胞内糖元为厌氧吸收的能量来源。近来，意大利学者Carucci(1997)依据实验又提出在以葡萄糖为唯一有机基质并延长进水时间的情况下，可以由一部分葡萄糖无氧糖解、放出能量，供给另一部分葡萄糖厌氧合成糖元。他的实验结论认为在一定厌氧时间里，细菌优先利用进入细胞的葡萄糖，而不是糖元，并对其进行酵解以供厌氧吸收和转化成所需能量^［5］。可见，关于厌氧吸收的能量来源问题还有很多内容尚待深入研究。

1　试验设备与方法

　　分别采用两个SBR反应器对乙酸钠、葡萄糖两种人工配水进行小试研究，污泥来源见表1。人工配水COD值均为500～600 mg/L，A配水磷浓度较高，P/COD为(5～6)/100，G配水中氮、磷营养元素按BOD∶N∶P＝100∶5∶1配给，配水主要成分见表2。两个反应器均按照厌氧—好氧SBR工艺运行，每个周期运行时间8 h，具体运行程序及参数见表3。A、G两种配水分别经过120 d和20 d左右的污泥驯化和培养进入稳定运行阶段，用于厌氧快速吸收COD去除效果的测定，稳定运行期间室温26～30 ℃。
　　细胞内糖(IC)、外糖(EC)含量的测定采用70～80 ℃水浴加热、离心分离，而后用苯酚—浓硫酸法定量测定。其他测定项目均采用国家环保局颁发的《水和废水监测分析方法》第三版中的标准方法。

表1　不同配水的反应器与污泥来源 配水种类 反应器容积(L) 控制方式 污泥来源 乙酸钠(A) 5.0 PLC
自动控制 葡萄糖配水
膜生物反应器 葡萄糖(G) 8.0 人工控制 天津纪庄子污水厂
回流污泥泵井

表2　人工配水主要成分　　　　mg/L 项　目 A配水 G配水 主要有机成分 乙酸钠700 葡萄糖500 NH₄Cl-N 18.5 17.5 KH₂PO₄-P 20.5 3.5 微量元素 CaCl₂ 30，MgSO₄*7H₂O 90，KCl 20，MnCl₂ 0.1
CuSO₄^．5H₂O 0.1，ZnSO₄ 0.1，FeSO₄*7H₂O 0.1

表3　运行程序及时间参数 运行程序 时间参数(min) 进水 5 厌氧搅拌 120 沉降 20 排上清液 10 曝气 300 闲置 25

2　试验结果与讨论

2.1　厌氧快速吸收去除COD的情况
　　A、G两种配水的污泥分别经过120 d和20 d左右的适应驯化期，都实现了对各自基质的厌氧快速吸收。在好氧饥饿5 h的前提下，厌氧2 h的COD去除率均达到80%～90%。事实上，A配水厌氧吸收45 min，G配水厌氧吸收30 min，COD去除率均已在80%以上(如图1、2)。

　　　

2.2　多聚磷酸盐作为能量来源的讨论
　　A、G两种配水混合液厌氧磷浓度变化如图3所示。

　　伴随厌氧COD去除，两反应器中都没有过量释磷现象。相反，A配水厌氧末期磷量降低约50%；G配水在厌氧初15 min内磷浓度略有上升，而后也呈下降趋势。关于这种厌氧除磷的异常现象将另文探讨，而由此无厌氧释磷现象可以排除本试验中以多聚磷酸盐为厌氧吸收有机物能量来源的可能性。
2.3　糖元作为能量来源的讨论
　　A配水中不含糖类成分，细胞吸收基质进入体内不会对胞内糖元的测定产生干扰。因此，该配水下的内糖(IC)曲线与G配水相比，更能清晰地从糖元含量的角度反映细胞内糖类物质与非糖类物质之间的转化，表明以糖元为能量来源进行厌氧快速吸收的真实内糖变化规律。将A配水稳定运行期内糖变化规律及同期测定的COD厌氧去除情况(见图1)与A配水驯化期IC与COD曲线(图4)用来对比细胞建立内糖能源机制前后的IC变化及COD去除的特点，可以看出驯化期基本没有COD厌氧吸收，细胞内糖也仅有小幅度变化，无明显变化规律，IC/MLSS水平较低(为0.13～0.14)；稳定运行期的混合液COD在厌氧段迅速下降，细胞内糖含量伴随这一过程而降低，即糖元分解并在随后的好氧段重新合成，内糖水平得到恢复，IC/MLSS高于驯化期(为0.25～0.33)。另外，曲线表明糖元的分解与合成都较为缓慢。

2.4　葡萄糖酵解作为启动能源的讨论
　　对比图1与图2的IC曲线并将厌氧最初30 min两种配水IC变化情况局部放大为图5，可以看出，虽然两种配水的内糖变化总体趋势均呈厌氧分解、好氧合成的规律，但G配水厌氧初期的内糖变化具有明显特征：厌氧最初10 min的内糖水平激增达峰值，而后在约5 min内以较快速度下降，这一突变过程可能涉及到G配水下的能量来源问题。

　　厌氧最初10 min内糖水平激增显然是由葡萄糖基质被快速吸收进入细胞所引起的。然而如果仅仅考虑糖元的缓慢分解则很难解释此后内糖的快速下降，因此推测存在某种比糖元更容易被迅速利用的糖类在厌氧初期被消耗，G配水下显然就是吸收入细胞的葡萄糖发生酵解或转化成其他非糖元的储存物。试验从两方面来验证这一推测，首先G配水厌氧混合液pH值曲线(图6)表明，厌氧最初15 min内混合液pH值明显降低，这说明确实发生了葡萄糖的酸性发酵。另外，同期测定的外糖(EC)与混合液COD曲线(图7)显示，整个厌氧过程中EC和COD并非同步下降，EC下降速率要大于COD降解速率，厌氧末EC浓度仅为41 mg/L而COD仍有108 mg/L。可见在厌氧过程中混合液COD组成成分在不断变化，已经不是完全由配水的葡萄糖组成，其中糖类成分逐渐减少而由其他物质取代，这些组成COD的新物质很可能就是被释放到混合液中的糖酵解产物。

　　　　

　　由此可以认为，G配水厌氧初期IC曲线的特殊变化可能是四部分综合作用的结果：吸收葡萄糖进入细胞，葡萄糖厌氧酵解，葡萄糖转化为其他非糖物质以及糖元的分解。其中，前两者是厌氧初期影响内糖水平的主要因素。
　　根据以上细胞利用葡萄糖酵解释放能量进行厌氧吸收这一推测，可认为A、G两种配水污泥驯化时间上的差异，是源于两种基质自身的还原态不同。系统启动时，也就是污泥驯化期，在细胞体内并无储备糖元的情况下，G配水葡萄糖基质的还原态较高，可以自发酵解产能为驯化提供启动能量；而A配水的乙酸基质还原态低，基质本身在厌氧时不发生放能反应，该配水下的厌氧吸收除糖元以外没有其他可利用的能源，驯化期内只能凭借较缓慢的代谢调节才能建立起内糖能源机制，导致较长时间里没有厌氧吸收效果。将这一结论应用于实际，可以在非生物除磷的厌氧快速吸收系统启动之初，向污染物还原态较低、不易被厌氧吸收的进水中投加适量的能够自发酵解产能的简单有机物，以加快系统的启动进程。

3　结论

　　试验证明在厌氧饱食—好氧饥饿周期循环刺激条件下，对乙酸钠、葡萄糖两种基质都能够实现有机物厌氧快速吸收。好氧饥饿5 h前提下，乙酸钠配水厌氧45 min、葡萄糖配水厌氧30 min时，厌氧出水COD去除率均达80%以上，只是两者驯化时间不同(试验中乙酸钠配水驯化期为120 d，葡萄糖配水则只需20 d左右)。这一现象可从厌氧吸收能量来源的角度来解释，即基质的还原态不同，导致厌氧吸收的能量来源不同，乙酸钠配水由于缺乏启动能源而需较长的驯化期。一旦建立起以内糖为能源的机制，两种基质的厌氧快速吸收效果并无明显差别。

参考文献：
［1］　Jakub S Cech，Petr Hartman. Competition between Polyphosphate and Polysaccharide Accumulating Bacteria in Enhanced Biological Phosphate Removal Systems［J］. Wat Res，1993，27(7).
［2］　Takashi Mino et al.Modelling Glycogen Storage and Denitrification Capability of Microorganisms in Enhanced Biological Phosphate Removal Processes［J］. Wat Sci Tech，1995，31(2).
［3］　Satoh H,et al.Deterioration of Enhanced Biological Phosphorus Removal by the Domination of Microorganisms without Polyphosphate Accumulation［J］.Wat Sci Tech，1994，30(6).
［4］　Smolders G J F et al.A Metabolic Model for the Biological Phosphate Removal Processes［J］.Wat Sci Tech，1995，31(2).
［5］　Carucci A et al.Microbial Competition for the Organic Substrates and Its Impact on EBPR Systems under Conditions of Changing Carbon Feed［J］.Wat Sci Tech，1999，39(1).

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(59778020)

作者简介：刘壮(1974-)，女，天津人，硕士，现在美国Arizona State University就读，研究方向：污水生物处理。
收稿日期：2000-01-19