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不同的操作方法对活性污泥驯化苯酚、以及后续活性污泥中的好氧颗粒和PHA积累的影响

摘要

好氧颗粒是一种相对新颖的微生物凝聚体，能降解多种有毒有机污染物。颗粒化需采取适当的驯化方法才能使种子污泥适应有毒物质的颗粒化，本试验采用两种不同的策略，即混合或单一碳源，获得苯酚驯化污泥。本文分析了它们对反应器性能、生物质特性、微生物种群和颗粒化过程的影响。其中，单用苯酚的污泥表现出更快的驯化和更早出现的颗粒，但可能会降低微生物的多样性和反应器的稳定性。另一方面，在驯化阶段使用醋酸和苯酚的混合物，会导致反应器苯酚降解和颗粒化较慢，但最终形成强而稳定的好氧颗粒。

1.介绍

好氧颗粒污泥（AGS）是一种新兴的废水处理技术，受到越来越多的关注和研究。AGS通常是在曝气柱式序批式反应器（SBRS）中形成的，它具有圆形、结构紧凑、密度高、沉降速度快等特点（2）。AGS反应器已经表现出显著的去除有毒和顽抗物质的能力[3 ]，其中包括苯酚（4）、对硝基苯基、三氯乙烯（6）和卤代苯酚（7），并且已经适应了高浓度和应力负荷（8）。

其中的一些物质，例如苯酚和卤代酚，虽然有毒，却能够支持微生物的生长。它们的毒性通常与浓度水平有关。例如，在许多工业废水中发现的污染物苯酚（9）可以在低浓度下有效地生物降解[10 ]。然而，它通过影响细胞膜的流动性[11]而在较高水平上造成严重的细胞毒性[11 ]，是典型的底物抑制效果。因此，去除高浓度苯酚需要特殊的措施。一些研究人员采用细胞固定化，即形成生物膜或颗粒，这提高了细胞对苯酚毒性的抗性[9，12，13]。此外，无论是附着的还是自由移动的细胞，微生物可以从这些基质的适当驯化过程中获得很大的益处（10）。

为了使普通活性污泥适应有毒但可生物降解的物质，至少可以使用两种策略。一是将其作为唯一的碳源和能量源，逐步增加浓度。另一种是使用葡萄糖等良性物质作为补充底物，并逐渐用有毒物质取代它（14）。这两种策略可能会产生不同的影响。使用第一个策略，有可能过大的提高浓度可能导致严重的抑制甚至反应器崩溃。另一方面，良性的碳源底物可以在早期驯化阶段迅速增加微生物种群，提供更好的抗毒性，但是它也可能阻碍驯化过程，因为污泥倾向于降解良性底物，从而无法对有毒物质发挥活性。事实上，生物有机化合物都报道了有益和不利的影响。（16）。

之前也有以完全驯化过的活性污泥为种子，研究了好氧颗粒污泥降解苯酚[4，13]。然而，在这些研究中，驯化过程是非常短暂的，很少有人知道它可能对驯化过程产生什么样的影响。因此，本研究拟对这两种策略进行平行试验，即将普通活性污泥驯化为适应苯酚的污泥进行并好氧颗粒化。目的是评估这两种策略，并初步了解它们对苯酚降解的效率和程度、微生物种群的结构和生理状态以及对后续颗粒形成的相对影响。好氧颗粒在去除有毒物质中的成功应用得益于有效的驯化过程和稳定的培养。因此，本研究的目的是为进一步的工程应用提供指导。此外，还对好氧颗粒的PHA积累进行了简要的研究。这项研究还趋向用一种有毒化合物作为生长底物来研究这种现象。

材料与方法

2.1反应器设置和运行策略

这项研究是在实验室规模的两SBRS（R1和R2）中进行的，这两个反应器的高度为157厘米，内径为6厘米，工作容积为3 L。由底部放置的曝气盘提供氧气，流速为5 L/min，使浅层上行气流速度约3cm/S。整个操作分为两个阶段，即驯化阶段和颗粒化阶段。在培养基中，R1中用两种碳源，乙酸钠（NaAc）和苯酚，R2中只加入苯酚一种碳源。其中，R1的进料NaAc浓度逐渐降低，苯酚的浓度增加，但其组合碳负荷（计算为G-TOC D＝1）保持恒定。其循环时间（4小时）、沉降时间（每循环30分钟）和体积交换率（50%）也保持恒定。相反，在R2中加入浓度增加的苯酚，随着苯酚浓度的增加，循环时间延长。相应地，一天内的循环越少，沉降时间越长，每个循环的交换率就会越高。通过驯化，每天的总沉降时间保持恒定在180分钟，两个反应器的水力停留时间为8小时。驯化结束后，R2的循环周期、沉降时间和交换率均调整到与R1相同的水平，两个反应器的操作相同。详细的操作策略和参数列于表1中。

驯化36天后，反应器内的苯酚浓度从50 mg/L上升到250 mg/L，从而达到驯化。然后通过在7周内颗粒化逐步将沉降时间从每循环30 min降至2 min，开始颗粒化。在此阶段，反应器操作相同，在循环开始时苯酚浓度在两周内增加到500mg/L。详细的条件列于表S1。

2.2接种污泥与培养基

反应器接种的活性污泥从上海东部的生活污水处理厂获得。采用分析级化学品和自来水作反应器进水，其中含有碳源、NH₄Cl、KH₂ PO4、大量营养元素和微量元素以及缓冲溶液。在表S2中可以看到碳源的变化，而在整个培养过程中施加恒定的TOC/N比为10:1和TOC/P比为15:1（W/W），并在进水中加入大量养分（Mg/L）：CaCl2，20；MgSO4，23.4；和FeSO₄·7H2 O，30。在每升反应器进水中加入1 mL微量元素原液，其详细组成也列于表S2。当反应器出水pH降至6.5以下时，每升进水中加入10 mL 1 mol/L NaHCO3作为缓冲液。

表1 驯化阶段R1和R2的操作策略和参数。

2.3反应器性能和生物质特性的监测

对反应器的各项性能指标进行了监测，包括进水和出水pH、苯酚和化学需氧量（COD）浓度如前面所述。苯酚用比色法测量。用高锰酸钾在150℃下消化2小时后，用离心法测定离心水溶液的COD。根据标准方法（19）确定了在不同苯酚浓度下的污泥浓度（污泥指数）和特定氧利用率（酸）污泥特性。当测量酸液时，将已知量的生物质分配到200毫升溶解氧（DO）瓶中。除了碳源以外，所有营养物质都经过曝气，然后与生物物质混合，直到它被氧饱和，然后与生物质混合。用DO计密封瓶，以合适的时间间隔记录内DO浓度的变化作为内呼吸速率。然后将不同的碳源，例如NaAc和苯酚加入瓶中，再进行重新测定，并再次测定其速率。测得的O2消耗率除以瓶内SS含量就是酸度的含量。

为了测定反应器中的混合液悬浮固体（MLSS）和废水中的PHA含量和生物质中的PHA含量，在循环结束时取10毫升混合液并离心（10000g，10分钟）。用10 mL去离子水洗涤沉淀物，在105℃过夜干燥后测定SS，随后用连续消化法测定PHA含量〔20〕。将干燥的污泥与10毫升十二烷基硫酸钠（1% W/V pH 10）混合，在200 rpm、37℃下摇匀直至完全分散。再加入20毫升次氯酸钠（活性氯＞6%）和去离子水在7000g的条件下离心分离4分钟，残渣在105℃下干燥24小时，称重，测定PHA量。收集超过24～48小时的反应器出水，并用于确定污泥停留时间（SRT）。充分混合流出物，取50毫升测定其中的MLSS含量。然后计算出水中的总MLSS，并将反应器中MLSS含量除以含有MLSS的出水的总量作为SRT。

通过数码相机成像观察生物形态，用PHA特异染料尼罗蓝A染色后进行光学显微镜观察（21）。利用图像处理软件EDDAS和ArcGIS对图像进行分析，计算颗粒大小。为了研究微生物多样性，定期采集生物样品，并根据供方提供的手册使用DNA分离试剂盒（MiBioplab Inc.，卡尔斯巴德，CA，美国）提取它们的基因组DNA。PC

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