低温对EBPR系统生物除磷特性的影响

张婧倩，王淑莹，唐旭光，彭永臻

(北京工业大学 北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京，100124)

摘要：以实际生活污水为研究对象，在SBR系统中采用厌氧/好氧运行方式，考察低温对EBPR生物除磷系统除磷特性的短期影响。试验在20 ℃驯化除磷污泥，除磷率稳定维持在90%以上。随后，温度分别控制为15，10和5 ℃，考察低温对EBPR系统的短期影响。研究结果表明：4种温度下(20, 15, 10和5 ℃)的厌氧释磷率分别为358.5%，358.5%，247.8%和209.1%；厌氧阶段挥发性脂肪酸(VFAs)的利用率分别为100%，88.9%，58.4%和33.8%；好氧前30 min的吸磷速率分别为11.67，6.43，2.24和1.34 mg/(g·h)。温度在15 ℃时，EBPR系统仍具备较好的除磷性能；温度低于15 ℃后，EBPR系统的除磷性能恶化；温度低于10 ℃时，聚糖菌的活性受到较大的抑制。

关键词：EBPR系统；温度；除磷率；PAO-GAO竞争

中图分类号：X703.1         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)09-2882-05

Effect of low temperature on EBPR system

ZHANG Jing-qian, WANG Shu-ying, TANG Xu-guang, PENG Yong-zhen

(Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,

Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract: In order to investigate the effect of low temperature on EBPR system, an anaerobic/aerobic SBR system was used for treating real domestic wastewater. The system ran at 20 ℃, and the phosphorus removal efficiency kept above 90% steadily. Then the system ran in low temperature conditions (15, 10 and 5 ℃). The results show that the phosphorus release ratio at the four temperatures (20, 15, 10 and 5 ℃) is 358.5%, 358.5%, 247.8% and 209.1% with the VFAs usage ratio at 100%, 88.9%, 58.4% and 33.8% in each case separately in anaerobic phase. And the phosphorus uptake rate of each case is 11.67, 6.43, 2.24 and 1.34 mg/(g·h) during the first 30 min of aerobic phase. According to the experimental results, EBPR system still runs well at 15 ℃, and deteriorates at 10 ℃ and 5 ℃. Glycogen accumulating organisms (GAOs) are inhibited obviously below 10 ℃ .

Key words: EBPR system; temperature; phosphorus removal efficiency; PAO-GAO competition

温度对EBPR生物除磷系统的影响可以从2个方面来阐述。一方面，温度降低，使得聚磷菌的代谢速率降低^[1-3]，其吸放磷速率会受到一定的影响，在特定的周期时间内，EBPR系统的除磷效率会有所下降^[3]；另一方面，从PAO(聚磷菌)-GAO(聚糖菌)的竞争角度来说，低温条件易于EBPR系统的稳定运行。这是由于PAO是一种嗜冷性细菌^[4-6]，其在低温条件下对挥发性脂肪酸(VFAs)依然具有较强的利用能力，而GAO对低温的适应能力较弱，因此，在低温条件下，聚磷菌在PAO-GAO竞争中占优势，可有效抑制聚糖菌对EBPR系统的不利影响^[7-9]。从已报道的研究结果来看：EBPR系统在低温条件下运行时不但不会发生恶化，其运行效果反而被增强^[10-12]。但是，在以往的研究中，多采用配水展开实验，配水水质与实际污水的水质状况存在较大差距，得到的结论也与实际污水厂的运行情况存在较大的差异^[12]。在此，本文作者以实际生活污水为研究对象，考察低温对EBPR系统除磷性能的影响以及对PAO-GAO竞争的影响。

1  实验材料与方法

1.1  实验水质

本实验采用试验采用北京工业大学家属区排放的实际生活污水，试验期间其主要水质指标如表1所示。

表1  实际生活污水水质指标

Table 1 　Real domestic wastewater characteristics

1.2  实验装置及运行阶段

本试验为实验室小试研究。采用SBR有机玻璃反应器，如图1所示。反应器直径为20 cm，高为40 cm，总容积为12 L，有效容积为10 L。

图1  SBR反应器示意图

Fig.1  Schematic diagram of SBR reactor

反应器每天运行2个周期，采用瞬间进水方式，1个周期包括进水、厌氧2 h、好氧2 h、沉淀0.5 h和排水15 min共5个阶段。维持污泥质量浓度3 g/L，控制污泥龄为10 d，排水比为80%。反应器配有溶解氧(DO)在线监测仪。

试验共分4个阶段进行，不同阶段控制不同的实验温度(20，15，10和5 ℃)，考察不同温度下聚磷菌的放吸磷特性，运行工况如表2所示。在好氧阶段初期投加烯丙基硫脲(Allylthiourea，简称ATU)消除硝 化反应对EBPR系统的影响^[5]。各工况下的曝气量为160 L/h。

表2  实验运行阶段

Table 2  Running phase of experiment

1.3  试验水质分析方法

COD采用COD快速测定仪测定；PO₄^3--P采用抗坏血酸-钼酸铵法测定；VFAs采用气相色谱法测定；采用WTW测定仪及相应探头在线监测液相内DO和温度。

2  实验结果与讨论

2.1  中温条件(20 ℃)下EBPR系统驯化

试验污泥在20 ℃(中温)条件下，在SBR反应器中进行驯化，驯化持续30周期。20周期后，出水PO₄^3--P质量浓度可稳定维持在0.5 mg/L以下，除磷率稳定维持在90%以上，如图2所示。

20 ℃下，典型周期(第27周期)中COD，VFA和P的变化规律如图3所示。从图3可见：进水PO₄^3--P质量浓度为7.85 mg/L，厌氧末PO₄^3--P质量浓度为28.15 mg/L，厌氧释磷率为358.5%，厌氧阶段前30 min的释磷速率为5.37 mg/(g·h)；进水中VFA质量浓度为23.21 mg/L，在厌氧阶段60 min时几乎利用完全(1.34 mg/L)，释磷速率收到底物VFAs浓度的限制，逐渐减小；吸磷过程在好氧阶段90 min时完成，出水PO₄^3--P质量浓度为0.34 mg/L，好氧吸磷率为98.7%，除磷率95.6%；好氧阶段前30 min的平均吸磷速率为    11.67 mg/(g·h)。

图2  EBPR系统驯化过程中除磷率的变化曲线

Fig.2  Variety of PO₄^3--P during adjusting range of EBRP system

图3  20 ℃典型周期中COD，VFA和P的质量浓度变化规律

Fig.3  Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in typical operational cycle at 20 ℃

2.2  低温条件下EBPR系统的除磷性能

从第31个周期开始，EBPR系统先后在 15，10和5 ℃下运行，每个阶段持续10个周期，以考察低温对EBPR系统的短期影响。3个阶段的PO₄^3--P，COD和VFA质量浓度的典型变化曲线分别如图4~6所示，图7所示为3个阶段的DO质量浓度的比较结果。

从图4~6可以看出：低温(≤15 ℃)条件下，聚磷菌的吸放磷速率均较中温条件下的有所下降。15，10和5 ℃ 3个阶段典型周期的进水PO₄^3--P质量浓度分别为6.06，7.74和6.17 mg/L，厌氧末PO₄^3--P质量浓度分别为23.67，19.18和12.90 mg/L；厌氧释磷率分别为358.5%，247.8%和209.1%，较20 ℃时分别下降了0，30.8%和41.6%；厌氧阶段前30 min的释磷速率分别为3.84，2.35和1.37 mg/(g·h)，较20 ℃时分别下降了26.0%，56.2%和74.5%；厌氧阶段VFAs的利用率分别为88.9%，58.4%和33.8%。

聚磷菌在15，10和5 ℃ 3个阶段的好氧吸磷率分别为97.1%，76.0%和46.1%，较20 ℃时分别下降了1.0%，22.9%和57.8%；好氧阶段前30 min的吸磷速率分别为6.43，2.24和1.34 mg/(g·h)，较20 ℃时分别下降了44.9%，80.8%和88.5%。出水PO₄^3-P质量浓度分别为0.67，4.60和6.95 mg/L，除磷率分别为88.9%，24.0%和^­­-12.6%，较20 ℃时分别下降了7.0%，74.9%和112.6%。

图4  15 ℃典型周期中COD，VFA和P质量浓度的变化规律

Fig.4  Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in typical operational cycle at 15 ℃

图5  10 ℃典型周期中COD，VFA和P的质量浓度变化规律

Fig.5  Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in typical operational cycle at 10 ℃

图6  5 ℃典型周期中COD，VFA和P质量浓度的变化规律

Fig.6  Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in a typical operational cycle at 5 ℃

图7所示为4种温度下典型周期的DO质量浓度变化曲线。由图7可以看到：随着温度的降低，DO质量浓度曲线的上升速率逐渐加快，且DO质量浓度逐渐增大。本试验各个阶段维持恒定曝气量160 L/h，DO质量浓度为充氧量质量浓度与耗氧量质量浓度之差，表明温度越低，微生物的耗氧速率越低。从侧面反映了聚磷菌在低温条件下的活性受到了抑制。

图7  不同工况的典型周期下DO质量浓度变化趋势

Fig.7  Profiles of mass concentration of DO in typical circles of different stages

通过比较可以看出：15 ℃时，EBPR系统仍有较好的除磷性能，尽管在聚磷菌的最大吸放磷速率受到了较大影响。但是，在本试验的周期时间下，其释磷率和吸磷率仍然可以保证，能够取得较好的出水效果。当温度降至10 ℃及以下时，聚磷菌的吸放磷速率受到较为严重的抑制，出水效果严重恶化。

2.3  低温对PAO-GAO竞争的影响

在EBPR系统中，聚糖菌(GAO)是造成其运行不稳定的主要原因。GAO与PAO在厌氧条件下竞争有机底物VFAs，从而影响PAO的释磷量及PHA的合成，使得EBPR系统的除磷效率下降。本实验通过分析VFAs和PO₄^3--P质量浓度在不同温度下的变化情况，来推测PAO-GAO竞争情况的改变。

图8所示为不同工况下磷在厌氧段的变化趋势图。由图8可见：低温(15，10和5 ℃)下的释磷曲线与20 ℃下的不同，在厌氧阶段，释磷量与时间几乎呈线性关系。这主要是因为低温条件下的VFAs在厌氧段没有降解完，聚磷菌的释磷速率没有收到底物的限制，释磷量随时间线性增长。

图8  不同工况下磷质量浓度在厌氧段的变化趋势

Fig.8  Profiles of mass concentration of P in typical circles of different stages in aerobic phase

图9所示为不同工况下VFAs在厌氧段的变化趋势图。从图9可以看出：在10 ℃和5 ℃时，VFAs的质量浓度也与时间呈较好的线性关系，但是，在15 ℃时，VFA的质量浓度变化曲线与时间不再呈线性关系，其变化曲线与20 ℃时的更为相近；在厌氧前    30 min内，于温度5，10，15和20 ℃时释磷量的比为1:1.7:2.6:3.01，但VFAs利用量的比为1:1.7:4.5:9.09，表明在15~20 ℃时，厌氧阶段初期的一部分VFAs被聚糖菌利用，聚磷菌和聚糖菌存在一定的竞争；而在5~10 ℃时，聚糖菌的活性受到了一定的抑制，且由于释磷量的比与VFAs利用量的比相同，表明聚糖菌的活性在10 ℃与5 ℃时没有明显的变化。

图9  不同工况下VFAs质量浓度在厌氧段的变化趋势

Fig.9  Profiles of mass concentration of VFAs in typical circles of different stages in aerobic phase

3  结论

(1) EBPR系统的释磷和吸磷速率随着温度的降低而下降。但是，在周期时间为4 h(厌氧段和好氧段各2 h)时，15 ℃下的EBPR系统仍能表现出较好的除磷特性，而10 ℃及5 ℃的EBPR系统的吸放磷量受到严重影响，EBPR系统无法正常运行。

(2) 低温可有效抑制聚糖菌(GAO)的活性。在5~10 ℃时，GAO的活性受到较明显的抑制，且GAO在10 ℃和5 ℃时的活性没有明显的变化。

(3) 当厌氧阶段VFAs不作为限制因素时，释磷量与时间呈线性增长关系。

参考文献：

[1] Grady C P L Jr, Daigger G T, Lim H C. Biological wastewater treatment[M]. 2nd ed. New York: Marcel Dekker, 1999: 1-1076.

[2] Beatons D, Vanrolleghem P A, Hosten L H. Temperature effects in bio-P removal[J]. Wat Sci & Tech, 1999, 39(1): 215-225.

[3] Damir B, Susanne L M C, van Loosdrecht M. Influence of temperature on EBPR: Process and molecular ecological studies[J]. Wat Res, 1998, 32(4): 1035-1048.

[4] Knoop S, Kunst S. Influence of temperature and sludge loading on activated sludge settling, especially on microthrix parvicella[J]. Wat Sci & Tech, 1998, 37(4/5): 27-35.

[5] Euiso C, Daewhan R, Zuwhan Y, et al. Temperature effects on biological nutrient removal system with weak municipal wastewater[J]. Wat Sci & Tech, 1998, 37(9): 219-226.

[6] Helmer C, Kunst S. Low temperature effects on phosphorus release and up take by microorganisms in EBPR plants[J]. Wat Sci & Tech, 1998, 37(4/5): 531-539.

[7] Panswad T, Doungchai A, Anotai J. Temperature effect on microbial community of enhanced biological phosphorus removal system[J]. Water Res, 2003, 37(2): 409-415.

[8] Erdal U G, Erdal Z K, Randall C W. The competition between PAOs (phosphorus accumulating organisms) and GAOs (glycogen accumulating organisms) in EBPR (enhanced biological phosphorus removal) systems at different temperatures and the effects on system performance[J]. Wat Sci & Tech, 2003, 47(11): 1-8.

[9] Erdal Z K, Erdal U G, Randall C W. Biochemistry of enhanced biological phosphorus removal and anaerobic COD stabilization[J]. Water Sci & Tech, 2005, 52(10/11): 557-567.

[10] 姜体胜, 杨琦, 尚海涛, 等. 温度和pH值对活性污泥法脱氮除磷的影响[J]. 环境工程学报, 2007, 1(9): 10-14.
JIANG Ti-sheng, YANG Qi, SHANG Hai-tao, et al. Effects of temperature and pH on nitrogen and phosphorus removal by activated sludge[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2007, 1(9): 10-14.

[11] Henze M, Harrenmoes P, Jansen J L C, et al. Wastewater treatment/biological and chemical processes[M]. 2nd ed. New York: Springer, 1997: 109-115.

[12] Barnard J L, Stevens G M, Leslie P J. Design strategies for nutrient removal plant[J]. Wat Sci & Tech, 1985, 17(11/12): 233-242.

(编辑 杨幼平)

收稿日期：2010-09-19；修回日期：2010-12-02

基金项目：北京高校人才强教计划高层次人才基金资助项目(PHR20090502)；北京市教委科技创新平台项目(PXM2008_014204_050843)

通信作者：彭永臻(1949-)，男，山东掖县人，博士，教授，从事污水处理与过程控制、脱氮除磷等研究；电话：010-67392627；E-mail: pyz@bjut.edu.cn