厭氧快速吸收有機物的能源來源問題的研究
摘 要：在以葡萄糖為唯一有機基質并延長進水時間的情況下，可以由一部分葡萄糖無氧糖解、放出能量，供給另一部分葡萄糖厭氧合成糖元。他的實驗結論認為在一定厭氧時間里，細菌優先利用進入細胞的葡萄糖，而不是糖元，并對其進行酵解以供厭氧吸收和轉化成所需能量。可見，關于厭氧吸收的能量來源問題還有很多內容尚待深入研究。
周期循環刺激下厭氧快速吸收有機物的處理工藝源于生物除磷技術，但發展至今，早已不僅局限于除磷范圍，其中出現的許多新的生物現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新的研究課題，已經成為目前深受重視的非穩態理論應用與研究的一部分，其現實意義旨在利用非穩態技術開創污水處理新工藝，實現節能高效的有機物厭氧吸收；其中機理研究的核心是厭氧快速吸收的能量來源問題。
目前，國內外關于由生物除磷引發的厭氧—好氧生物處理中厭氧吸收有機物的研究普遍認為，厭氧快速吸收主要有兩種可能的能量來源：多聚磷酸鹽和糖元。其中，前者屬于生物除磷機理，即在厭氧條件下聚磷菌利用體內多聚磷酸鹽分解產生的能量吸收并儲存有機物，同時釋放出ATP水解產生的正磷酸鹽。后者則來自于對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細菌”的發現。研究者們認為：聚磷菌以多聚磷酸鹽為能量來源的同時，也利用糖元分解為有機物厭氧吸收和PHB合成提供所需還原力和部分能量；“G細菌”則不具備積累多聚磷酸鹽的能力，完全以胞內糖元為厭氧吸收的能量來源。近來，意大利學者Carucci(1997)依據實驗又提出在以葡萄糖為唯一有機基質并延長進水時間的情況下，可以由一部分葡萄糖無氧糖解、放出能量，供給另一部分葡萄糖厭氧合成糖元。他的實驗結論認為在一定厭氧時間里，細菌優先利用進入細胞的葡萄糖，而不是糖元，并對其進行酵解以供厭氧吸收和轉化成所需能量。可見，關于厭氧吸收的能量來源問題還有很多內容尚待深入研究。
1 試驗設備與方法
分別采用兩個SBR反應器對乙酸鈉、葡萄糖兩種人工配水進行小試研究，污泥來源見表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、磷營養元素按BOD∶N∶P＝100∶5∶1配給，配水主要成分見表2。兩個反應器均按照厭氧—好氧SBR工藝運行，每個周期運行時間8 h，具體運行程序及參數見表3。A、G兩種配水分別經過120 d和20 d左右的污泥馴化和培養進入穩定運行階段，用于厭氧快速吸收COD去除效果的測定，穩定運行期間室溫26～30 ℃。
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表1 不同配水的反應器與污泥來源
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表2 人工配水主要成分mg/L
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表3 運行程序及時間參數
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細胞內糖(IC)、外糖(EC)含量的測定采用70～80 ℃水浴加熱、離心分離，而后用苯酚—濃硫酸法定量測定。其他測定項目均采用國家環保局頒發的《水和廢水監測分析方法》第三版中的標準方法。
2 試驗結果與討論
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過120 d和20 d左右的適應馴化期，都實現了對各自基質的厭氧快速吸收。在好氧饑餓5 h的前提下，厭氧2 h的COD去除率均達到80%～90%。事實上，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)。
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2.2 多聚磷酸鹽作為能量來源的討論
A、G兩種配水混合液厭氧磷濃度變化如圖3所示。
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伴隨厭氧COD去除，兩反應器中都沒有過量釋磷現象。相反，A配水厭氧末期磷量降低約50%；G配水在厭氧初15 min內磷濃度略有上升，而后也呈下降趨勢。關于這種厭氧除磷的異常現象將另文探討，而由此無厭氧釋磷現象可以排除本試驗中以多聚磷酸鹽為厭氧吸收有機物能量來源的可能性。
2.3 糖元作為能量來源的討論
A配水中不含糖類成分，細胞吸收基質進入體內不會對胞內糖元的測定產生干擾。因此，該配水下的內糖(IC)曲線與G配水相比，更能清晰地從糖元含量的角度反映細胞內糖類物質與非糖類物質之間的轉化，表明以糖元為能量來源進行厭氧快速吸收的真實內糖變化規律。將A配水穩定運行期內糖變化規律及同期測定的COD厭氧去除情況(見圖1)與A配水馴化期IC與COD曲線(圖4)用來對比細胞建立內糖能源機制前后的IC變化及COD去除的特點，可以看出馴化期基本沒有COD厭氧吸收，細胞內糖也僅有小幅度變化，無明顯變化規律，IC/MLSS水平較低(為0.13～0.14)；穩定運行期的混合液COD在厭氧段迅速下降，細胞內糖含量伴隨這一過程而降低，即糖元分解并在隨后的好氧段重新合成，內糖水平得到恢復，IC/MLSS高于馴化期(為0.25～0.33)。另外，曲線表明糖元的分解與合成都較為緩慢。
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2.4 葡萄糖酵解作為啟動能源的討論
對比圖1與圖2的IC曲線并將厭氧最初30 min兩種配水IC變化情況局部放大為圖5，可以看出，雖然兩種配水的內糖變化總體趨勢均呈厭氧分解、好氧合成的規律，但G配水厭氧初期的內糖變化具有明顯特征：厭氧最初10 min的內糖水平激增達峰值，而后在約5 min內以較快速度下降，這一突變過程可能涉及到G配水下的能量來源問題。
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厭氧最初10 min內糖水平激增顯然是由葡萄糖基質被快速吸收進入細胞所引起的。然而如果僅僅考慮糖元的緩慢分解則很難解釋此后內糖的快速下降，因此推測存在某種比糖元更容易被迅速利用的糖類在厭氧初期被消耗，G配水下顯然就是吸收入細胞的葡萄糖發生酵解或轉化成其他非糖元的儲存物。試驗從兩方面來驗證這一推測，首先G配水厭氧混合液pH值曲線(圖6)表明，厭氧最初15 min內混合液pH值明顯降低，這說明確實發生了葡萄糖的酸性發酵。另外，同期測定的外糖(EC)與混合液COD曲線(圖7)顯示，整個厭氧過程中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。可見在厭氧過程中混合液COD組成成分在不斷變化，已經不是完全由配水的葡萄糖組成，其中糖類成分逐漸減少而由其他物質取代，這些組成COD的新物質很可能就是被釋放到混合液中的糖酵解產物。
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由此可以認為，G配水厭氧初期IC曲線的特殊變化可能是四部分綜合作用的結果：吸收葡萄糖進入細胞，葡萄糖厭氧酵解，葡萄糖轉化為其他非糖物質以及糖元的分解。其中，前兩者是厭氧初期影響內糖水平的主要因素。
根據以上細胞利用葡萄糖酵解釋放能量進行厭氧吸收這一推測，可認為A、G兩種配水污泥馴化時間上的差異，是源于兩種基質自身的還原態不同。系統啟動時，也就是污泥馴化期，在細胞體內并無儲備糖元的情況下，G配水葡萄糖基質的還原態較高，可以自發酵解產能為馴化提供啟動能量；而A配水的乙酸基質還原態低，基質本身在厭氧時不發生放能反應，該配水下的厭氧吸收除糖元以外沒有其他可利用的能源，馴化期內只能憑借較緩慢的代謝調節才能建立起內糖能源機制，導致較長時間里沒有厭氧吸收效果。將這一結論應用于實際，可以在非生物除磷的厭氧快速吸收系統啟動之初，向污染物還原態較低、不易被厭氧吸收的進水中投加適量的能夠自發酵解產能的簡單有機物，以加快系統的啟動進程。
3 結論
試驗證明在厭氧飽食—好氧饑餓周期循環刺激條件下，對乙酸鈉、葡萄糖兩種基質都能夠實現有機物厭氧快速吸收。好氧饑餓5h前提下，乙酸鈉配水厭氧45min、葡萄糖配水厭氧30min時，厭氧出水COD去除率均達80%以上，只是兩者馴化時間不同(試驗中乙酸鈉配水馴化期為120d，葡萄糖配水則只需20d左右)。這一現象可從厭氧吸收能量來源的角度來解釋，即基質的還原態不同，導致厭氧吸收的能量來源不同，乙酸鈉配水由于缺乏啟動能源而需較長的馴化期。一旦建立起以內糖為能源的機制，兩種基質的厭氧快速吸收效果并無明顯差別。
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