在我國，農副產品加工業(yè)、食品加工業(yè)和飲料業(yè)廢水約占10%左右，隨著國家經(jīng)濟調整，企業(yè)結構隨之往節(jié)能、高效的方向發(fā)展，此類工業(yè)廢水排放量較大并有持續(xù)增加的趨勢[1]。這類廢水的pH偏低，在4~7范圍內，COD較高但磷濃度很低，如乳制品、淀粉加工和飲料生產等廢水C/P比均超過200∶1，啤酒釀造廢水中的C/P比也超過170∶1。由于這類廢水中的N、P含量低，維持生物作用的C、N、P比例失調，采用普通的活性污泥法處理，容易發(fā)生污泥膨脹，導致污泥流失嚴重，出水COD較高。而采用生化工藝處理該類廢水時，一般是通過添加營養(yǎng)鹽保證一般微生物所需的C、N、P比來維持工藝的正常運行。但這種方式不僅會增加運行成本，而且若投加量不足則處理效果不佳，投加量過大則增加了出水的磷含量。因此，亟需建立一種少或無需投加營養(yǎng)元素的生物處理新工藝解決上述問題。
1993年，J. S. Cech等[2]最早在生物強化除磷(EBPR)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了聚磷菌(PAOs)之外的另一類微生物。這類微生物在厭氧條件下分解胞內糖原作為能量源和還原力，吸收有機質并合成聚β羥基烷酸酯(PHA)但不釋放磷，好氧條件下分解PHA合成糖原但不積聚磷。這類具有聚集糖原生長特性的微生物被稱為聚糖菌(GAOs)[3]。
PAOs和GAOs的代謝機理十分類似：二者均在厭氧階段分解胞內某一種聚合物以獲得能量，吸收有機基質;在好氧階段，再合成厭氧階段分解的胞內聚合物，以維持代謝活動，并進行增殖。GAOs對系統(tǒng)內磷的去除沒有貢獻，但是由于其特殊的代謝特點，可以在磷濃度很低的廢水中降解大量有機碳。因此，利用富集GAOs的活性污泥處理高碳低磷型工業(yè)廢水存在理論可行性。B. Kiss等[4]通過調整某酒廠生產廢水處理工藝的參數(shù)，使污泥中富集GAOs，結果COD去除率始終保持在50%以上，與通過投加營養(yǎng)元素保證污水處理效果的常規(guī)方法相比，不僅節(jié)約成本、經(jīng)濟高效，而且在不外加磷元素的條件下降低了活性污泥膨脹的可能性，保證了出水效果。
本研究采用富含GAOs的活性污泥系統(tǒng)處理某酒廠的廢水，考察pH和厭氧/好氧時間比對酒廠廢水中COD、TN、TP的去除效果。
1 實驗部分
1.1 試驗材料
實驗進水取自北京某白酒廠的生產廢水，該廢水pH為7.1，COD為650 mg/L，TP為2.60 mg/L，C/P比高達250，是一種典型的低營養(yǎng)廢水。
實驗所用活性污泥系統(tǒng)為本實驗室前期通過限制進水磷濃度的控制策略以乙酸鈉為碳源培養(yǎng)出的聚糖菌活性污泥系統(tǒng)，通過Roche 454高通量測序測得變形菌門(Proteobacteria)的豐度為84.36%(許多研究已經(jīng)驗證了α-proteobacteria，β-proteobacteria，γ-proteobacteria中存在GAOs的結論)。
1.2 試驗裝置
本研究采用3組相同的SBR裝置，有效容積4 L，裝置見圖1。
圖1 SBR實驗裝置
通過時間控制器及附屬電子線路實現(xiàn)自動進出水，3組SBR裝置共用同一進水系統(tǒng)，采用厭氧、好氧交替的方式連續(xù)運行，1天4個周期，每個周期6 h，厭氧+好氧時間為4.5 h，1.0 h沉淀，0.5 h進水和排水。厭氧階段采用電動攪拌機攪拌;好氧階段采用鼓風曝氣，溶解氧維持在2.0～4.0 mg/L。進水量和排水量各為1 L。
1.3 試驗方法
根據(jù)研究表明[5, 6]，在20~30 ℃范圍內溫度越高越有利于GAOs的富集，但由于實際廢水處理過程中，控制高溫度能耗較大也不容易實現(xiàn)，因此本研究將系統(tǒng)溫度控制在25 ℃左右，僅將進水pH和厭氧/好氧時間比作為調控因素，研究聚糖菌活性污泥系統(tǒng)對酒廠廢水的處理效果。
首先保持厭氧/好氧時間比(1∶1)不變的情況下，分別控制不同的進水pH(1號反應器pH=6.0，2號反應器pH=6.5，3號反應器pH=7.1)，考察不同進水pH條件下，聚糖菌活性污泥系統(tǒng)對釀酒廢水的處理效果。然后保持pH在6.0左右不變，分別控制不同的厭氧/好氧時間比(1號反應器厭氧/好氧時間比1∶1，2號反應器厭氧/好氧時間比2∶1，3號反應器厭氧/好氧時間比1∶2)，考察不同厭氧/好氧時間比條件下，聚糖菌活性污泥系統(tǒng)對釀酒廢水的處理效果。
1.4 檢測方法
溫度：溫度計;DO：溶解氧儀;pH：pH計;COD：高溫消解滴定法[7];PO43--P：鉬銻抗分光光度法[7];TP：過硫酸鉀消解+鉬銻抗分光光度法[7];TN：過硫酸鉀消解+紫外分光光度法[7];MLSS：烘干稱重法[7]。
2 結果與討論
2.1 不同進水pH的影響
2.1.1 系統(tǒng)內pH的變化
圖2所示的是不同進水pH條件下，系統(tǒng)內pH的變化規(guī)律。由于活性污泥自身的調節(jié)能力，3個反應器內的pH變化趨勢基本一致，在厭氧階段和好氧階段都是先升高然后逐漸趨于穩(wěn)定。
圖2 各反應器一個周期內pH的變化
在厭氧階段，隨著有機物被吸收，系統(tǒng)內的pH逐漸上升，然后趨于穩(wěn)定。進水pH越低時，厭氧階段初期系統(tǒng)pH上升速率越大，而pH的上升速率可以反映系統(tǒng)內微生物吸收乙酸鹽的速率升高，因此，在pH 6~7范圍內，進水pH越低，越有利于GAOs的代謝活動。厭氧段后期，微生物呼吸作用的代謝產物進入水中，使得水中pH下降。
在好氧階段，由于氧氣的吹脫，系統(tǒng)內的CO2逸出，pH快速上升，再趨于穩(wěn)定。好氧末段3個反應器內的pH較為相近，說明該活性污泥系統(tǒng)有一定的調節(jié)能力，將反應器中的pH向中性靠攏。E. Padan等[8]的研究表明，大部分微生物細胞內的pH都在中性范圍附近，當環(huán)境中的pH上升或下降時細胞內的pH會進行一定的調節(jié)。因此，圖2中系統(tǒng)內pH的變化是由外部因素和微生物自身調節(jié)能力綜合作用的表現(xiàn)。
2.1.2 進出水COD的變化
各反應器內的污泥負荷(以COD/MLSS計)較低，在0.030～0.035 kg/kg�？傮w上，3個反應器內的污泥負荷差異不大，但3號反應器內的污泥負荷相對較低。
實驗過程中，1號反應器的活性污泥沉降性能最好，SVI值始終保持在70～90 mL/g，由于靜沉時間足夠，并未發(fā)生活性污泥膨脹影響出水水質的情況，但3號反應器的活性污泥系統(tǒng)沉降性能較差，SV30最大達到了0.69。這是由于pH過高影響了GAOs的新陳代謝，其他異養(yǎng)細菌無法適應低磷環(huán)境，導致絲狀菌的生長，影響了活性污泥的沉降性能。
圖3和圖4是3個反應器進出水COD及COD去除率的變化情況。結合圖2可知，pH越低，COD的去除率越高，出水COD越低。
圖3 不同pH條件下各反應器進出水COD變化 
圖4 不同pH條件下各反應器COD去除率變化
當進水pH為6.0時，系統(tǒng)出水COD較低，且出水濃度穩(wěn)定。1號反應器出水COD平均為20.68 mg/L，最低時僅為15.31 mg/L，此時去除率也最高，為97.58%，遠遠低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準，可見在不額外投加營養(yǎng)元素的情況下，利用富集聚糖菌的活性污泥系統(tǒng)處理釀酒廢水這樣的高碳低磷工業(yè)廢水可行。
隨著pH的升高，出水COD也逐漸升高，處理效果變差。根據(jù)各反應器中污泥負荷的情況可知，3號反應器污泥負荷最低，但是處理效果最差，也就是說在pH相對較高的環(huán)境下不利于聚糖菌的生長。根據(jù)國內外學者對聚糖菌的研究結果表明[9, 10, 11, 12, 13, 14]，在一定范圍內厭氧區(qū)pH升高，聚糖菌對乙酸的吸收速率顯著下降;在好氧階段，雖然聚糖菌的生長速率、PHA的消耗速率以及糖原的合成速率幾乎不受pH波動的影響，但系統(tǒng)內的聚磷菌的相應指標卻會隨pH升高而顯著升高，促使系統(tǒng)中聚磷菌的增殖，使聚糖菌處于劣勢，最終導致出水效果變差。
2.1.3 進出水TP的變化
運行期間，3個反應器的進水TP一直保持在2.70 mg/L以下，C/P比始終維持在200以上，由于進水隨著存儲時間增長COD逐漸降低，因此后期C/P比有所降低。系統(tǒng)出水的TP濃度相差不大，在0.66～0.79 mg/L的范圍內，3號反應器的出水平均TP質量濃度最低，為0.66 mg/L。理論上，較高的pH更適合PAOs的新陳代謝，更有利于系統(tǒng)除磷，因而本實驗結果與理論相符。
2.1.4 進出水TN的變化
運行期間，不同進水pH條件下，出水TN濃度相差不大，因此，聚糖菌對TN沒有去除效果，是系統(tǒng)內其他微生物降解的結果。
2.2 不同厭氧/好氧時間比的影響
2.2.1 進出水COD的變化
由于本實驗3個反應器進水COD和COD污泥負荷與以pH為控制因素的實驗相差不大，在此不做贅述。
圖5和圖6是3個反應器出水COD和COD去除率的變化情況。
圖5 不同厭氧/好氧時間比條件下各反應器進出水COD變化 
圖6 不同厭氧/好氧時間比條件下各反應器COD去除率變化
1號和2號反應器的COD去除率差別不大，均保持在95%以上，這說明厭氧/好氧時間較大時，利于富集GAOs的活性污泥系統(tǒng)吸收有機質。原因在于厭氧階段是聚糖菌吸收乙酸鹽合成中間代謝產物為后續(xù)代謝活動準備的階段，如果時間不足(如3號反應器厭氧/好氧時間比為1∶2)，會使后續(xù)的好氧代謝活動受到抑制，進而在厭氧段吸收的乙酸鹽量降低，導致出水COD升高。
由于生產廢水實際處理過程中，需要考慮到節(jié)約能耗的問題。當總反應時間相同時，厭氧段時間長，就能降低曝氣時間，從而降低能耗，節(jié)約處理費用。所以，從廢水實際處理角度，考慮能耗和COD處理效果，2號反應器的運行模式最佳。
2.2.2 進出水TP的變化
運行期間，3號反應器的厭氧/好氧時間比最低(1∶2)，其出水TP也最低，這是由于系統(tǒng)中仍存在少量的聚磷菌，聚磷菌可以在較短時間內分解胞內的聚磷，好氧段時間充足，有利于聚磷菌過量吸收水中的磷酸鹽，因而出水TP低。相反，2號反應器厭氧/好氧時間比最高(2∶1)，厭氧時間過長，引起系統(tǒng)內聚磷菌的二次釋磷，在總反應時間不變的情況下，好氧段過量吸收磷酸鹽的時間不足，從而導致出水的TP濃度較高。
2.2.3 進出水TN的變化
運行期間，3號反應器的出水TN濃度最低，2號反應器出水TN最高。2號反應器脫氮能力較差主要原因在于好氧時間相對較短，水中的氮沒有徹底轉換為硝酸鹽氮，厭氧段的反硝化過程受阻。
3 結論與展望
3.1 結論
(1)釀酒廢水是一種低營養(yǎng)型廢水，C/P比為 250，若采用傳統(tǒng)的活性污泥法處理，容易發(fā)生污泥膨脹、出水COD較高的問題。本研究采用富含聚糖菌的活性污泥系統(tǒng)對釀酒廢水進行處理，在不投加營養(yǎng)元素的情況下，出水水質良好，未發(fā)生污泥膨脹，通過調整運行參數(shù)，COD的去除率最高可達到97%，出水COD最低僅為15.31 mg/L。
(2)pH是影響聚糖菌生長的一個重要因素，本研究中當pH在6.0~7.1范圍內時，pH越低，越有利于降低污泥膨脹的可能性，出水COD越低，除碳效果最好。主要原因是，pH降低，在好氧階段能抑制系統(tǒng)內聚磷菌的生長速率，且在厭氧階段能提高聚糖菌對乙酸鹽的吸收速率，從而使聚糖菌過量除碳。
(3)厭氧/好氧時間比也是影響聚糖菌活性污泥系統(tǒng)對釀酒廢水處理效果的一個重要因素，當厭氧/好氧時間比在1～2時，系統(tǒng)出水的COD較低，COD去除率能維持在95%以上，但該比值越大越不利于氮和磷的去除。當厭氧/好氧時間比小于1時，不利于對COD的去除。具體參見http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。
3.2 展望
本研究采用以乙酸鈉為碳源培養(yǎng)出的聚糖菌活性污泥系統(tǒng)對釀酒廢水進行處理，證實了在不外加磷營養(yǎng)物的條件下，聚糖菌活性污泥系統(tǒng)對釀酒廢水中的有機污染物有很好的去除效果。今后可以針對以下問題開展進一步的系統(tǒng)研究：
(1)由于GAOs種群的復雜性造成了其代謝途徑的多樣性，利用現(xiàn)代分子生物學新技術解析GAOs種群及其代謝機制，進行深入的相關理論研究，全面掌握GAOs代謝機理，為GAOs的富集培養(yǎng)奠定理論基礎。
(2)增加對富集GAOs的活性污泥系統(tǒng)處理不同類型的高碳低磷工業(yè)廢水的研究，探索將該系統(tǒng)應用于處理C/P比更大的工業(yè)廢水處理的可行性。優(yōu)化利用GAOs處理高碳低磷廢水的運行參數(shù)，提高出水水質，進行中試研究，建立生物強化除碳工藝，為實際工程應用提供技術指導。
(3)進一步利用現(xiàn)代分析檢測手段確定GAOs 的代謝產物及含量，摸索從GAOs富集系統(tǒng)的剩余污泥中提取PHA的技術方法，提高PHA的產量，實現(xiàn)該工藝的剩余污泥資源化。
