硝酸盐和亚硝酸盐作电子受体时反硝化聚磷菌的代谢行为Word格式文档下载.docx
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关键词:
缺氧磷的吸收,反硝化聚磷菌,电子受体,生物脱氮,增强生物除磷
在过去的几十年里,生物脱氮(BNR)和除COD的技术被联合起来处理废水中的有机物的流程由于其经济优势已经在世界范围内广泛使用。
在BNR流程中,增强的生物除磷(EBPR)流程已经被认为是解决富营养化问题的最好办法,,因为磷是藻类生长的限制营养。
然而,与EBPR联合起来的BNR流程(包括将氨氮氧化为硝酸氮和将硝酸氮还原为氮气的过程)有这样一个缺点:
COD是磷的去除和低的C/N比条件下反硝化的一个限制因素。
因此,在BNR的流程中,必须在同时去除N和P时更高效的利用COD。
最近,有提议说由于COD限制所导致的问题可以通过引入反硝化聚磷菌(DNPAOs)来进行缺氧吸磷得到解决
(1)。
既然DNPAOs可以利用硝酸盐而不是氧作为电子受体,而硝酸盐不需要外加碳源进行反硝化,那么磷就可以在缺氧条件下同时得到去除。
而且,DNPAOs这种微生物还有另外一个优点,用硝酸盐而不是氧作为电子受体使得污泥的产量降低也会提高COD的去除效率(2-6)。
因此,利用DNPAOs同时去除氮和磷已经广泛应用于实验室的序批式反应池(SBR)和半工业式的BNR流程中(7-9)。
然而,现在很少有研究是针对利用硝酸盐作为电子受体,因为它在缺氧除磷时是硝化反应和反硝化反应的中间产物。
硝酸盐的积累在BNR流程中通常被认作会引起很严重的问题(10),并且,硝酸盐在缺氧吸磷时作为电子受体的抑制作用也曾经被报道过(2,4)。
然而,Meinhold等人证实低浓度的硝酸盐(4-5mg-N/L)不会对缺氧吸磷产生危害而且可以作为电子受体为缺氧吸磷服务。
因此,DNPAOs在不同电子受体情况下的缺氧吸磷的详细代谢行为还需要进一步被证实。
我们的这项研究通过评估不同电子受体下的缺氧吸磷活动来更好的了解这种行为。
这些电子受体包括硝酸盐,亚硝酸盐和二者的混合物。
材料和方法
操作步骤为了获得具有缺氧吸磷能力的活性污泥,让一个1L的序批式反应池在室温条件下交替厌氧好氧反应了两个月。
东京的一个市政污水净化厂的好氧活性污泥被接种在这个序批式反应池中。
接种的活性污泥具有在硝酸盐作为电子受体时缺氧吸磷的能力。
这显示DNPAOs在EBPR流程的微生物群中是能够起相当大的作用的。
SBR的一个循环包括八个小时,由20分钟的进水期,90分钟的厌氧期,285分钟的好氧期,60分钟的沉淀期,25分钟的排水期组成。
每一个循环结束后,0.5L的废水与等量的进水交换,因此来保持16个小时的水力停留时间。
在好氧阶段结束时,16-17ml的剩余污泥被排出以维持20天的污泥负荷。
整个过程的pH被控制在6.9-7.1之间。
反应中用到的人造废水每升包含基础培养基(1.28gCH3COONa·
3H2O,132mgKH2PO4,354mg(NH4)2SO4,28mgCaCl2·
2H2O和180mgMgS04·
7H20)和0.6ml的培养液(12)。
实验过程中观察典型的EBPR变化。
在缺氧条件下,底物中的碳被完全吸收,磷也得到释放。
废水被不包含硝酸盐的进水替代后还存在大概20mgN/l的硝酸盐(好氧阶段产生)需要反硝化。
这些状态模拟BNR流程中脱氮除磷的缺氧状态,并且有利于微生物细胞的生长和SBR中DNPAOs的生存。
在后面的好氧阶段,完成磷的吸收和氨的氧化。
分批实验的设计取来自好氧阶段结束后的SBR池的活性污泥,立刻在2000转的频率下离心5分钟,再用pH=7.0的不包含基本培养液的培养液洗三次。
为了研究不同电子受体条件下缺氧吸磷的效果,活性污泥试样在缺氧条件下用人造废水培养90分钟。
然后,置于缺氧条件下270分钟,分别与硝酸盐,亚硝酸盐和其混合物反应。
为了进一步研究缺氧吸磷的活动,缺氧条件下培养90分钟的活性污泥的试样被置于不同负荷的电子受体和不同的活性污泥浓度下。
缺氧条件下,伴随着磷的吸收,硝酸盐迅速反硝化转化为氮气。
因此,最初厌氧条件下的20mgN/l在45分钟内被完全耗尽。
如此迅速的反硝化使得合理的估计低浓度硝酸盐对缺氧磷的吸收的影响是不可能的。
因此,在这个实验中,30分钟内每除去一份的氮相对所吸收的磷的量被用做是在相同状况下评估电子受体作用的参照。
最初的缺氧环境下DNPAOs有最大的PHA(胞内脂肪酸)和最少的多磷酸盐形式。
在给定时间内,在这种缺氧条件下得到的实验结果可以可靠地评估初始负荷下电子受体对缺氧吸磷的作用。
这是因为DNPAOs和聚磷菌有相同的代谢行为,即好氧吸磷行为依赖于PHA和细胞中多磷酸盐的形式(13-16)。
分析方法MLSS和磷含量的分析采用标准方法(17)。
硝酸盐和亚硝酸盐的浓度是由带阴离子柱的高效液相色谱(IC-阴离子-PW,日本东曹)和紫外光检测器测得。
结果
利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体缺氧吸磷的可行性为了研究不同类型电子受体对缺氧吸磷的作用,用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体分别做了实验。
图一显示了在用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体的不同条件下缺氧吸磷的典型结果。
硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体并没有抑制缺氧时磷的吸收。
实验结果显示缺氧条件下相对来说利用硝酸盐时吸收2.2mgP/mgN,利用亚硝酸盐时吸收0.4mgP/mgN。
实验结果证实了DNPAOs可以利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体来缺氧吸磷而不产生任何抑制作用。
然而对于每脱一份的氮,相对于硝酸盐来说,亚硝酸盐的作用下吸收了相对来说较少的磷。
另外,当硝酸盐作为电子受体时,像图一显示的那样,据观察亚硝酸盐的积累贯穿于缺氧环境的整个过程。
亚硝酸盐在整个缺氧环境一直存在,而一直被缺氧吸磷利用的是硝酸盐。
然而,如如图一显示的那样,对于亚硝酸盐来说,反硝化和缺氧吸磷同时进行,这就暗示了在缺氧吸磷的过程中,硝酸盐比亚硝酸盐更优先被利用。
图一在最初提供硝酸盐(a)和亚硝酸盐(b)的缺氧条件下,吸磷行为的典型变化。
符号:
空心圆:
总吸磷量;
空心三角形:
硝酸盐;
实心三角形:
亚硝酸盐。
缺氧吸磷过程中亚硝酸盐的利用为了证实在硝酸盐和亚硝酸盐同时存在时亚硝酸盐对于缺氧吸磷做电子受体的有效性,实验评估了含有不同硝酸盐和亚硝酸盐浓度比的混合物的缺氧吸磷效果。
图二显示了含有不同硝酸盐和亚硝酸盐浓度比的混合物的缺氧吸磷典型效果。
无论是怎么样的混合比例,硝酸盐和亚硝酸盐的反硝化被同时观察到并且在180分钟内完成。
如图二a显示的那样,在缺氧吸磷的进程中,亚硝酸盐的积累仅仅短暂的发生在硝酸盐的浓度高于亚硝酸盐的浓度时,而这积累的亚硝酸盐会立刻发生反硝化。
如图二b显示的那样,硝酸盐和亚硝酸盐的同时反硝化也发生在缺氧环境的最初硝酸盐的浓度比较低的时候,这说明了一个亚硝酸盐不会积累的硝酸盐的临界浓度。
这也许是由于在缺氧吸磷时硝酸盐比亚硝酸盐作为电子受体的更加有效性。
此外,如图二a显示的那样,只有当硝酸盐浓度降低到一定的浓度后硝酸盐和亚硝酸盐的同时反硝化才会发生,这一事实说明混合液体中存在的电子受体的有效性会影响缺氧吸磷的行为。
图二在最初提供硝酸盐和亚硝酸盐混合物的缺氧条件下,吸磷行为的典型变化。
初始负荷中电子受体数量的作用 基于以上的结果,为了弄清在最初的缺氧条件下电子受体的量是如何影响缺氧吸磷的,这种吸收效果分别在不同的电子受体初始负荷下被评估。
图三显示了在30分钟内缺氧吸磷的程度和电子受体初始负荷直接的关系。
当硝酸盐被用作电子受体,即超过20mgN/L的硝酸盐被利用而亚硝酸盐开始累积时,随着硝酸盐初始负荷的增加,每除去一分子氮缺氧吸磷的量呈直线增长。
相反,当亚硝酸盐作为电子受体时,随着亚硝酸盐初始负荷的增加,每除去一分子氮缺氧吸磷的量仅仅稍稍增长。
图三不同初始负荷的电子受体条件下的缺氧吸磷效果。
30分钟内每除去一份的氮相对所吸收的磷的量被用做是在相同状况下评估电子受体作用的参照,MLSS浓度设定为6200mg/l。
图例:
实心圆:
这些结果显示电子受体的最初负荷与缺氧吸磷的效果之间的关系取决于电子受体的类型。
此外,这个结果证实了亚硝酸盐作为反硝化过程中的中间媒介而对缺氧吸磷不起决定性作用。
并且,它在缺氧吸磷中作为电子受体的作用比硝酸盐相对来说低。
MLSS浓度的作用既然缺氧吸磷的效果受电子受体初始负荷的影响很大,那么当电子受体的浓度一定时,缺氧吸磷的效果也应该受MLSS浓度的影响。
因此,为了证实这一点,在40mgN/L这一固定的电子受体浓度下,实验评估了随着MLSS浓度变化的缺氧吸磷效果的变化。
图四显示了缺氧吸磷效果和MLSS浓度之间的关系。
对于硝酸盐作为电子受体的实验中,就像预期的那样,随着MLSS浓度的降低,每除去一分子的氮吸磷的量显著增加。
但是对于亚硝酸盐的实验中,则不会增加。
亚硝酸盐的这一结果与图三显示的MLSS浓度一定时随着亚硝酸盐初始负荷的增加缺氧吸磷的量只会轻微增加的结果相一致。
因此,这个结果明确的证实了DNPAOs缺氧吸磷时的代谢行为与电子受体的种类、初始负荷和MLSS的浓度有关。
图四最初30分钟内不同MLSS浓度下每除去一份氮吸收的磷的量的变化。
最初的硝酸盐和亚硝酸盐量是40mg-N/l。
讨论
这项研究与其他的研究相比研究了特殊的缺氧吸磷。
一般来说,亚硝酸盐不能作为缺氧吸磷时的电子受体是被人们接受的。
Kerrn-Jespersen等人(4)和Comeau等人
(2)发现亚硝酸盐的存在对缺氧磷的吸收是非常不利的。
Meinhold等人指出高浓度的亚硝酸盐(高于8mg/l)对缺氧吸磷是完全抑制的,而且随后的曝气和亚硝酸盐的提供并不会引起额外的对磷的吸收(11)。
然而这项研究表明,尽管在很广的浓度范围(20-40mg/l)内无论是硝酸盐还是亚硝酸盐,只要是有一种电子受体存在缺氧吸磷的活动就会保持。
因此这个结果证实了亚硝酸盐可以作为缺氧吸磷的电子受体即使它是唯一的那个。
此外,这个发现表明从数据上来说,很容易忽视利用亚硝酸盐的缺氧吸磷可以部分应用于和EBNR联合的EBPR流程中。
另外,结果显示,每除一分子的氮缺氧吸磷的量随着硝酸盐作为电子受体时其量的增长和MLSS浓度的降低而增长,而当使用亚硝酸盐时稍稍降低。
这些发现明确的证实了亚硝酸盐作为电子受体时既不有害也不有利于DNPAOs用于缺氧吸磷时的代谢行为。
然而我们发现相对于每份MLSS浓度时,亚硝酸盐初始负荷的增长会对缺氧吸磷行为稍稍有害。
图五显示了对于每份MLSS浓度时不同亚硝酸盐初始负荷条件下吸收磷的量。
与亚硝酸盐浓度不变时相比,在一定的MLSS浓度下,亚硝酸盐初始负荷的增加会引起缺氧吸磷的量锐减。
这种现象也许是因为亚硝酸盐数量的增长除了用于吸磷外,还会有别的用途。
众所周知,DNPAOs用于缺氧时磷的去除。
它吸收磷,利用缺氧条件下碳源和来自PHA的能源生长(13-14)。
因此,导致缺氧时吸磷量的减少其中一个原因可能就是生物量的增加导致了亚硝酸盐需要更多地PHA氧化。
这个假定与亚硝酸盐做实验时的现象相一致并且和Kuba等人的结果一致(18)。
他们的结果是随着MLVSS浓度的增加,缺氧时磷的释放增加,而这是由于维持细胞的能量需求增多。
图五不同亚硝酸盐初始负荷和MLSS浓度的缺氧吸磷的量。
固定MLSS浓度(6200mg/l),亚硝酸盐量不同;
亚硝酸盐浓度固定(40mg/l).MLSS浓度不同。
另外,我们发现当硝酸盐和亚硝酸盐被完全消耗时,尽管缺乏胞外的碳源物质一小部分磷仍会被释放。
引起这种现象的一个可能原因是pH的增长。
因为反硝化是一个产生强碱的过程,缺氧吸磷会引起pH的增长。
Bong等人指出缺氧条件下pH的增长引起磷的释放并不伴随着对碳源的摄取,这是由于细胞内的碱化(19)。
另外一个可能的原因是一些类型的PAOs的溶解使得其没有能力利用硝酸盐或者亚硝酸盐作为其电子受体进行缺氧磷的吸收而是采用氧气。
因为实验采用的活性污泥曾在交替的缺氧好氧条件下培养,它利用氧气作为其电子受体的可能性也是存在的。
因此,缺氧时吸磷的效果可能与活性污泥的活动和代谢差异有关。
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