劉壯　楊造燕　王暄
（天津大學(xué)　環(huán)境工程系，天津　300072）

　　摘　要：通過(guò)考察乙酸鈉和葡萄糖兩種單基質(zhì)配水厭氧快速吸收COD去除情況、厭氧磷量變化、細(xì)胞內(nèi)糖變化規(guī)律、混合液厭氧pH值以及細(xì)胞外糖濃度與混合液COD的相互關(guān)系，證明對(duì)于糖類(lèi)和非糖類(lèi)基質(zhì)，細(xì)胞都可以建立以?xún)?nèi)糖(胞內(nèi)單糖和糖元)為厭氧吸收能量來(lái)源的機(jī)制。通過(guò)對(duì)比兩種配水污泥馴化的難易程度、綜合分析各方面數(shù)據(jù)，論證了當(dāng)基質(zhì)中含有糖類(lèi)成分時(shí)，細(xì)胞可能優(yōu)先利用單糖酵解產(chǎn)能，為厭氧快速吸收系統(tǒng)提供啟動(dòng)能量，從而縮短污泥馴化時(shí)間。由此提出當(dāng)采用本文的厭氧快速吸收新工藝處理實(shí)際廢水時(shí)，可依水質(zhì)情況考慮投加適量能自發(fā)酵解產(chǎn)能的簡(jiǎn)單有機(jī)物，以加快系統(tǒng)的啟動(dòng)進(jìn)程。
　　關(guān)鍵詞：厭氧快速吸收；能量來(lái)源；細(xì)胞內(nèi)糖；糖酵解
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：　A
　　文章編號(hào)：　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

　　周期循環(huán)刺激下厭氧快速吸收有機(jī)物的處理工藝源于生物除磷技術(shù)，但發(fā)展至今，早已不僅局限于除磷范圍，其中出現(xiàn)的許多新的生物現(xiàn)象和處理效果引起人們的極大興趣。這種工藝方法作為一個(gè)新的研究課題，已經(jīng)成為目前深受重視的非穩(wěn)態(tài)理論應(yīng)用與研究的一部分，其現(xiàn)實(shí)意義旨在利用非穩(wěn)態(tài)技術(shù)開(kāi)創(chuàng)污水處理新工藝，實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效的有機(jī)物厭氧吸收；其中機(jī)理研究的核心是厭氧快速吸收的能量來(lái)源問(wèn)題。
　　目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于由生物除磷引發(fā)的厭氧—好氧生物處理中厭氧吸收有機(jī)物的研究普遍認(rèn)為，厭氧快速吸收主要有兩種可能的能量來(lái)源：多聚磷酸鹽和糖元。其中，前者屬于生物除磷機(jī)理，即在厭氧條件下聚磷菌利用體內(nèi)多聚磷酸鹽分解產(chǎn)生的能量吸收并儲(chǔ)存有機(jī)物，同時(shí)釋放出ATP水解產(chǎn)生的正磷酸鹽。后者則來(lái)自于對(duì)最初的生物除磷生化代謝模式(Comeau,1986)的修正(Arun&Mino等，1988)以及“G細(xì)菌”的發(fā)現(xiàn)^［1］。研究者們認(rèn)為：聚磷菌以多聚磷酸鹽為能量來(lái)源的同時(shí)，也利用糖元分解為有機(jī)物厭氧吸收和PHB合成提供所需還原力和部分能量^［2～4］；“G細(xì)菌”則不具備積累多聚磷酸鹽的能力，完全以胞內(nèi)糖元為厭氧吸收的能量來(lái)源。近來(lái)，意大利學(xué)者Carucci(1997)依據(jù)實(shí)驗(yàn)又提出在以葡萄糖為唯一有機(jī)基質(zhì)并延長(zhǎng)進(jìn)水時(shí)間的情況下，可以由一部分葡萄糖無(wú)氧糖解、放出能量，供給另一部分葡萄糖厭氧合成糖元。他的實(shí)驗(yàn)結(jié)論認(rèn)為在一定厭氧時(shí)間里，細(xì)菌優(yōu)先利用進(jìn)入細(xì)胞的葡萄糖，而不是糖元，并對(duì)其進(jìn)行酵解以供厭氧吸收和轉(zhuǎn)化成所需能量^［5］?？梢?jiàn)，關(guān)于厭氧吸收的能量來(lái)源問(wèn)題還有很多內(nèi)容尚待深入研究。

1　試驗(yàn)設(shè)備與方法

　　分別采用兩個(gè)SBR反應(yīng)器對(duì)乙酸鈉、葡萄糖兩種人工配水進(jìn)行小試研究，污泥來(lái)源見(jiàn)表1。人工配水COD值均為500～600 mg/L，A配水磷濃度較高，P/COD為(5～6)/100，G配水中氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素按BOD∶N∶P＝100∶5∶1配給，配水主要成分見(jiàn)表2。兩個(gè)反應(yīng)器均按照厭氧—好氧SBR工藝運(yùn)行，每個(gè)周期運(yùn)行時(shí)間8 h，具體運(yùn)行程序及參數(shù)見(jiàn)表3。A、G兩種配水分別經(jīng)過(guò)120 d和20 d左右的污泥馴化和培養(yǎng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，用于厭氧快速吸收COD去除效果的測(cè)定，穩(wěn)定運(yùn)行期間室溫26～30 ℃。
　　細(xì)胞內(nèi)糖(IC)、外糖(EC)含量的測(cè)定采用70～80 ℃水浴加熱、離心分離，而后用苯酚—濃硫酸法定量測(cè)定。其他測(cè)定項(xiàng)目均采用國(guó)家環(huán)保局頒發(fā)的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第三版中的標(biāo)準(zhǔn)方法。

表1　不同配水的反應(yīng)器與污泥來(lái)源 配水種類(lèi) 反應(yīng)器容積(L) 控制方式 污泥來(lái)源 乙酸鈉(A) 5.0 PLC
自動(dòng)控制 葡萄糖配水
膜生物反應(yīng)器 葡萄糖(G) 8.0 人工控制 天津紀(jì)莊子污水廠(chǎng)
回流污泥泵井

表2　人工配水主要成分　　　　mg/L 項(xiàng)　目 A配水 G配水 主要有機(jī)成分 乙酸鈉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，F(xiàn)eSO₄*7H₂O 0.1

表3　運(yùn)行程序及時(shí)間參數(shù) 運(yùn)行程序 時(shí)間參數(shù)(min) 進(jìn)水 5 厭氧攪拌 120 沉降 20 排上清液 10 曝氣 300 閑置 25

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　厭氧快速吸收去除COD的情況
　　A、G兩種配水的污泥分別經(jīng)過(guò)120 d和20 d左右的適應(yīng)馴化期，都實(shí)現(xiàn)了對(duì)各自基質(zhì)的厭氧快速吸收。在好氧饑餓5 h的前提下，厭氧2 h的COD去除率均達(dá)到80%～90%。事實(shí)上，A配水厭氧吸收45 min，G配水厭氧吸收30 min，COD去除率均已在80%以上(如圖1、2)。

　　　

2.2　多聚磷酸鹽作為能量來(lái)源的討論
　　A、G兩種配水混合液厭氧磷濃度變化如圖3所示。

　　伴隨厭氧COD去除，兩反應(yīng)器中都沒(méi)有過(guò)量釋磷現(xiàn)象。相反，A配水厭氧末期磷量降低約50%；G配水在厭氧初15 min內(nèi)磷濃度略有上升，而后也呈下降趨勢(shì)。關(guān)于這種厭氧除磷的異常現(xiàn)象將另文探討，而由此無(wú)厭氧釋磷現(xiàn)象可以排除本試驗(yàn)中以多聚磷酸鹽為厭氧吸收有機(jī)物能量來(lái)源的可能性。
2.3　糖元作為能量來(lái)源的討論
　　A配水中不含糖類(lèi)成分，細(xì)胞吸收基質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)不會(huì)對(duì)胞內(nèi)糖元的測(cè)定產(chǎn)生干擾。因此，該配水下的內(nèi)糖(IC)曲線(xiàn)與G配水相比，更能清晰地從糖元含量的角度反映細(xì)胞內(nèi)糖類(lèi)物質(zhì)與非糖類(lèi)物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，表明以糖元為能量來(lái)源進(jìn)行厭氧快速吸收的真實(shí)內(nèi)糖變化規(guī)律。將A配水穩(wěn)定運(yùn)行期內(nèi)糖變化規(guī)律及同期測(cè)定的COD厭氧去除情況(見(jiàn)圖1)與A配水馴化期IC與COD曲線(xiàn)(圖4)用來(lái)對(duì)比細(xì)胞建立內(nèi)糖能源機(jī)制前后的IC變化及COD去除的特點(diǎn)，可以看出馴化期基本沒(méi)有COD厭氧吸收，細(xì)胞內(nèi)糖也僅有小幅度變化，無(wú)明顯變化規(guī)律，IC/MLSS水平較低(為0.13～0.14)；穩(wěn)定運(yùn)行期的混合液COD在厭氧段迅速下降，細(xì)胞內(nèi)糖含量伴隨這一過(guò)程而降低，即糖元分解并在隨后的好氧段重新合成，內(nèi)糖水平得到恢復(fù)，IC/MLSS高于馴化期(為0.25～0.33)。另外，曲線(xiàn)表明糖元的分解與合成都較為緩慢。

2.4　葡萄糖酵解作為啟動(dòng)能源的討論
　　對(duì)比圖1與圖2的IC曲線(xiàn)并將厭氧最初30 min兩種配水IC變化情況局部放大為圖5，可以看出，雖然兩種配水的內(nèi)糖變化總體趨勢(shì)均呈厭氧分解、好氧合成的規(guī)律，但G配水厭氧初期的內(nèi)糖變化具有明顯特征：厭氧最初10 min的內(nèi)糖水平激增達(dá)峰值，而后在約5 min內(nèi)以較快速度下降，這一突變過(guò)程可能涉及到G配水下的能量來(lái)源問(wèn)題。

　　厭氧最初10 min內(nèi)糖水平激增顯然是由葡萄糖基質(zhì)被快速吸收進(jìn)入細(xì)胞所引起的。然而如果僅僅考慮糖元的緩慢分解則很難解釋此后內(nèi)糖的快速下降，因此推測(cè)存在某種比糖元更容易被迅速利用的糖類(lèi)在厭氧初期被消耗，G配水下顯然就是吸收入細(xì)胞的葡萄糖發(fā)生酵解或轉(zhuǎn)化成其他非糖元的儲(chǔ)存物。試驗(yàn)從兩方面來(lái)驗(yàn)證這一推測(cè)，首先G配水厭氧混合液pH值曲線(xiàn)(圖6)表明，厭氧最初15 min內(nèi)混合液pH值明顯降低，這說(shuō)明確實(shí)發(fā)生了葡萄糖的酸性發(fā)酵。另外，同期測(cè)定的外糖(EC)與混合液COD曲線(xiàn)(圖7)顯示，整個(gè)厭氧過(guò)程中EC和COD并非同步下降，EC下降速率要大于COD降解速率，厭氧末EC濃度僅為41 mg/L而COD仍有108 mg/L?？梢?jiàn)在厭氧過(guò)程中混合液COD組成成分在不斷變化，已經(jīng)不是完全由配水的葡萄糖組成，其中糖類(lèi)成分逐漸減少而由其他物質(zhì)取代，這些組成COD的新物質(zhì)很可能就是被釋放到混合液中的糖酵解產(chǎn)物。

　　　　

　　由此可以認(rèn)為，G配水厭氧初期IC曲線(xiàn)的特殊變化可能是四部分綜合作用的結(jié)果：吸收葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞，葡萄糖厭氧酵解，葡萄糖轉(zhuǎn)化為其他非糖物質(zhì)以及糖元的分解。其中，前兩者是厭氧初期影響內(nèi)糖水平的主要因素。
　　根據(jù)以上細(xì)胞利用葡萄糖酵解釋放能量進(jìn)行厭氧吸收這一推測(cè)，可認(rèn)為A、G兩種配水污泥馴化時(shí)間上的差異，是源于兩種基質(zhì)自身的還原態(tài)不同。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，也就是污泥馴化期，在細(xì)胞體內(nèi)并無(wú)儲(chǔ)備糖元的情況下，G配水葡萄糖基質(zhì)的還原態(tài)較高，可以自發(fā)酵解產(chǎn)能為馴化提供啟動(dòng)能量；而A配水的乙酸基質(zhì)還原態(tài)低，基質(zhì)本身在厭氧時(shí)不發(fā)生放能反應(yīng)，該配水下的厭氧吸收除糖元以外沒(méi)有其他可利用的能源，馴化期內(nèi)只能憑借較緩慢的代謝調(diào)節(jié)才能建立起內(nèi)糖能源機(jī)制，導(dǎo)致較長(zhǎng)時(shí)間里沒(méi)有厭氧吸收效果。將這一結(jié)論應(yīng)用于實(shí)際，可以在非生物除磷的厭氧快速吸收系統(tǒng)啟動(dòng)之初，向污染物還原態(tài)較低、不易被厭氧吸收的進(jìn)水中投加適量的能夠自發(fā)酵解產(chǎn)能的簡(jiǎn)單有機(jī)物，以加快系統(tǒng)的啟動(dòng)進(jìn)程。

3　結(jié)論

　　試驗(yàn)證明在厭氧飽食—好氧饑餓周期循環(huán)刺激條件下，對(duì)乙酸鈉、葡萄糖兩種基質(zhì)都能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)物厭氧快速吸收。好氧饑餓5 h前提下，乙酸鈉配水厭氧45 min、葡萄糖配水厭氧30 min時(shí)，厭氧出水COD去除率均達(dá)80%以上，只是兩者馴化時(shí)間不同(試驗(yàn)中乙酸鈉配水馴化期為120 d，葡萄糖配水則只需20 d左右)。這一現(xiàn)象可從厭氧吸收能量來(lái)源的角度來(lái)解釋?zhuān)椿|(zhì)的還原態(tài)不同，導(dǎo)致厭氧吸收的能量來(lái)源不同，乙酸鈉配水由于缺乏啟動(dòng)能源而需較長(zhǎng)的馴化期。一旦建立起以?xún)?nèi)糖為能源的機(jī)制，兩種基質(zhì)的厭氧快速吸收效果并無(wú)明顯差別。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59778020)

作者簡(jiǎn)介：劉壯(1974-)，女，天津人，碩士，現(xiàn)在美國(guó)Arizona State University就讀，研究方向：污水生物處理。
收稿日期：2000-01-19