洛克沙胂对污水生物除磷的影响研究*

王 健 包先明

(1. 淮北市环境科学研究所，安徽 淮北 235000；2. 淮北师范大学生命科学学院，安徽 淮北235000)

洛克沙胂对污水生物除磷的影响研究*

王 健1包先明2

(1. 淮北市环境科学研究所，安徽 淮北 235000；2. 淮北师范大学生命科学学院，安徽 淮北235000)

以合成废水为研究对象，在厌氧/好氧交替序批式反应器(SBR)中探究了不同浓度洛克沙胂对污水生物除磷的影响，并对影响机制进行分析。实验结果表明：低浓度洛克沙胂对生物除磷效果影响不明显，而高浓度洛克沙胂将严重抑制生物除磷效果，当洛克沙胂的质量浓度为90mg/L时，生物除磷效率仅为62.6%，是空白对照组的63.5%。高浓度洛克沙胂将抑制聚磷菌(PAO)中胞内聚合物聚羟基脂肪酸酯(PHA)的合成，导致好氧阶段PHA分解产能较低，影响PAO对磷酸盐的超量吸收。此外，高浓度洛克沙胂会促进糖原质的降解，提高聚糖菌(GAO)的相对丰度而降低PAO的相对丰度，并且对PAO中的关键酶活性产生不利影响。

洛克沙胂 生物除磷 胞内聚合物 厌氧/好氧

当前我国水体富营养化程度日益严重，磷是导致水体富营养化的主要元素。水体中磷酸盐的去除方法主要有3种：生物法、物理法和化学法[1]。其中，生物法因具有除磷效率高，处理费用低等特点而备受关注。在生物法除磷过程中，水体中的聚磷菌(PAO)在厌氧/好氧的环境中得到富集[2]，在厌氧阶段PAO将体内的聚磷分解为三磷酸腺苷(ATP)产生还原力，并以主动运输的方式吸收水体中的有限碳源，在PAO体内合成胞内聚合物聚羟基脂肪酸酯(PHA)[3]。在好氧阶段，厌氧阶段贮存的PHA被PAO分解利用产生能量，用于超量吸收水体中磷酸盐，补给糖原质等，最后通过排放富含磷酸盐的污泥实现生物除磷[4]。

为有效控制畜禽疾病，畜禽养殖过程中兽用药的食用量不断加大。有机砷化合物能有效遏制球虫病并促进动物饲料的转化，因此有机砷类化合物常被用作饲料添加剂，其中洛克沙胂应用最普及[5]。洛克沙胂在畜禽体内很难分解，大部分洛克沙胂通过畜禽粪便排放到水环境，最终经污水处理厂(站)进入水生态系统[6]。研究表明，洛克沙胂的存在能够遏制微生物的氨化作用进而抑制生物氮的转化与利用，同时洛克沙胂还能减缓微生物的硝化速率[7]。洛克沙胂对微生物的影响研究主要集中在生物氮的转化与利用，而对生物除磷的影响研究较少，尤其在传统的厌氧/好氧交替模式下的影响更是鲜有报道。为此，本研究以合成废水为研究对象，建立厌氧/好氧交替序批式反应器(SBR)，探究了不同浓度的洛克沙胂对生物除磷效率的影响，对含洛克沙胂的实际废水治理提供一定的指导。

1 材料与方法

1.1 实验装置及SBR的运行

活性污泥取自淮北某污水处理厂生物反应器，该污水处理厂采用A2/O处理工艺，稳定运行时生物除磷效率高于90%。将取回后的活性污泥在实验室培养2个月后投入5个SBR中，投加量均为2.0 L。SBR每天运行3个周期，每个周期运行8 h，具体为厌氧4 h，好氧3 h，排水及闲置1 h。活性污泥悬浮固体(MLSS)约为4 000 mg/L，挥发性悬浮固体(MLVSS)约为3 000 mg/L；实验过程中温度控制在20 ℃，好氧期的溶解氧通过鼓风曝气控制在3.0 mg/L。

1.2 实验设计

SBR的运行方式如1.1节，在厌氧初期向合成废水中投加一定洛克沙胂使其在进水中的质量浓度分别控制在0(空白对照组)、10、30、60、90 mg/L。合成废水每日配制，以乙酸钠和丙酸钠为混合碳源(质量比1∶1)，NH4Cl为氮源，KH2PO4和K2HPO4为混合磷源(质量比1∶1)，进水中COD、氮、磷的质量浓度分别控制在300、40、15 mg/L。合成废水中还含有微量元素，微量元素的具体含量详见文献[8]。反应初始pH控制在7.0，由3.0 mol/L HCl和NaOH进行调节，反应过程不再控制pH。SBR反应器放置在20 ℃恒温房间内，水力停留时间和污泥停留时间分别控制在12 h和15 d左右。

1.3 检测方法

MLSS、MLVSS采用重量法测定；COD采用重铬酸钾法测定；溶解性磷酸盐(SOP)采用磷钼蓝比色法测定[9]；胞内聚合物PHA采用气相色谱法测定，气相色谱的型号为Agilent 6890N，测定方法如下：将提取产物用1 mL氯仿提取后加入850 μL甲醇、150 μL浓硫酸放入小瓶中，旋紧盖子，在100 ℃沸水中酯化1 h，冷却到达室温后，向小瓶中加入1 mL蒸馏水，充分振荡，静置分层，取下层溶液进行分析；糖原质采用苯酚-硫酸法测定；外切聚磷酸盐水解酶(PPX)及聚磷酸盐激酶(PPK)的检测方法参见文献[10]。

2 结果与讨论

2.1 洛克沙胂对有机物去除的影响

有机物的去除效果是评估SBR性能的重要指标之一。图1为洛克沙胂对COD去除率的影响。由图1可见，随着洛克沙胂浓度的升高，COD去除率逐渐降低。空白对照组COD去除率为90.2%，当洛克沙胂的质量浓度升高至10 mg/L时，COD去除率下降至84.6%，而当洛克沙胂的质量浓度继续增加至90 mg/L时，COD去除率继续下降至43.8%，仅为空白对照组的48.5%，说明高浓度洛克沙胂将严重抑制SBR对COD的去除效果。这是因为洛克沙胂作为一种有机砷制剂，内含砷离子和有机官能团，其在水中具有较好的溶解性，会吸附到污泥絮体的表面从而影响污泥系统对COD的去除能力[11]。

图1 洛克沙胂对COD去除率的影响Fig.1 Effect of roxarsone on COD removal efficiency

2.2 洛克沙胂对生物除磷性能的影响

在SBR的稳定运行期，洛克沙胂对SOP及SOP去除率的影响见图2。由图2可见，出水SOP随着洛克沙胂含量的升高而升高。空白对照组中出水SOP的质量浓度为0.2 mg/L，此时SOP去除率高达98.6%，说明SBR能够达到良好的生物除磷效果。当洛克沙胂的质量浓度为10 mg/L时，出水SOP仅为0.5 mg/L，表明低浓度洛克沙胂对生物除磷的影响不明显。而当洛克沙胂的质量浓度继续升高至90 mg/L时，出水SOP增加至5.6 mg/L，相应地，SOP去除率下降至62.6%，是空白对照组的63.5%，表明高浓度洛克沙胂能够抑制生物除磷过程。

图2 洛克沙胂对出水SOP及SOP去除率的影响Fig.2 Effect of roxarsone on the effluent SOP concentration and SOP removal efficiency

表1 洛克沙胂对SOP周期性变化的影响

2.3 洛克沙胂对生物除磷的影响机制

SOP的周期性变化能够反映磷酸盐的变化趋势，对阐述洛克沙胂对生物除磷的影响具有一定意义。表1为不同浓度洛克沙胂作用下SOP的周期性变化。由表1可见，各实验组厌氧释磷量均随着厌氧时间的延长而增加，反应4 h时SOP浓度达到最大值。洛克沙胂对SOP的周期性变化具有严重影响，随着洛克沙胂浓度的升高，厌氧阶段释放的SOP不断减少。空白对照组厌氧阶段SOP最大值为(67.5±0.4) mg/L，当洛克沙胂的质量浓度为10 mg/L时，厌氧阶段SOP最大值为(65.7±0.6) mg/L，与空白对照组相差不明显。而当洛克沙胂的质量浓度由30 mg/L增加至90 mg/L时，SOP最大值由(56.9±1.1) mg/L下降至(43.5±1.6) mg/L，说明高浓度洛克沙胂将抑制PAO的厌氧释磷。

PAO在好氧阶段会超量吸收厌氧阶段释放的磷酸盐。由表1所示，洛克沙胂对好氧释磷同样产生严重的抑制作用。空白对照组中好氧吸磷量为(67.3±1.3) mg/L，当洛克沙胂的质量浓度为10 mg/L时，好氧吸磷量为(65.2±1.1) mg/L，与空白对照组相差不明显。然而，当洛克沙胂的质量浓度由30 mg/L增加至90 mg/L时，好氧吸磷量由(55.6±0.9) mg/L下降至(37.9±0.8) mg/L。好氧吸磷量的减少将导致出水SOP增加，进而导致生物除磷效率下降。

如上所述，PAO在好氧阶段分解体内的PHA产生能量用于吸收水体中超量的磷酸盐，因此PHA最大合成量对生物除磷过程有着决定性的作用[12]。图3为洛克沙胂对PHA最大合成量的影响。由图3可见，在空白对照组中PHA最大合成量为3.1 mmol/g(以单位质量MLVSS的PHA合成量计，下同)。当洛克沙胂的质量浓度为10 mg/L时，PHA最大合成量为3.0 mmol/g，说明低浓度洛克沙胂对PHA最大合成量影响不明显。然而，当洛克沙胂的质量浓度为90 mg/L时，PHA最大合成量仅为1.9 mmol/g，是空白对照组的61.3%，说明高浓度洛克沙胂严重抑制了PHA的合成，导致后续由PHA分解产生的能量较少，影响水体中磷酸盐的吸收，导致出水SOP质量浓度升高。

图3 洛克沙胂对PHA最大合成量的影响Fig.3 Effect of roxarsone on the maximum yield of PHA

糖原质是PAO体内的另外一种储能物质，同时其也是聚糖菌(GAO)体内的主要储能物质。在厌氧环境下，PAO体内的糖原质分解产生还原力以合成PHA，同时在GAO体内糖原质也在厌氧环境中分解以吸收水体中的碳源。糖原质的降解量越大，环境体系中GAO的相对丰度越大。由图4可见，随着洛克沙胂浓度的升高，糖原质的降解量逐渐增大，说明环境体系中GAO的相对丰度在不断升高。GAO能够与PAO竞争水体中有限的碳源而对磷酸盐的去除没有任何贡献。可见，抑制PHA的合成及促进糖原质的降解是导致高浓度洛克沙胂降低生物除磷效率的主要原因。

2.4 洛克沙胂对微生物及关键酶的影响

生物除磷性能依赖于PAO的相对丰度，洛克沙胂对生物除磷性能的影响主要体现在其对PAO的相对丰度及关键酶活性的影响上[13]。PAO中生物除磷的关键酶主要有PPX、PPK，其中PPX是厌氧释磷作用的关键酶，而PPK是好氧吸磷作用的关键酶。表2为不同浓度的洛克沙胂对功能微生物及关键酶活性的影响。随着洛克沙胂浓度的升高，PAO相对丰度不断减少而GAO相对丰度不断增大。洛克沙胂质量浓度由0 mg/L增加至90 mg/L时，PAO相对丰度由43.9%下降至19.4%，而GAO相对丰度却由12.8%上升至35.9%。PPX、PPK活性均随着洛克沙胂质量浓度的升高呈现下降趋势，上述实验表明洛克沙胂能够减少PAO相对丰度以及PPX、PPK活性，进一步印证了高浓度洛克沙胂能够抑制生物除磷过程。

图4 洛克沙胂对糖原质降解量的影响Fig.4 Effect of of roxarsone on the degradation of glycogen

表2 不同浓度洛克沙胂对微生物种群相对丰度及关键酶活性的影响

注：1)以单位时间内单位质量蛋白质中的硝基苯酚含量计；2)以单位时间内单位质量蛋白质中的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸含量计。

3 结 论

洛克沙胂对生物除磷的影响与洛克沙胂的浓度密切相关，低浓度洛克沙胂(≤10 mg/L)对COD和磷酸盐的去除效率影响不明显，而高浓度洛克沙胂严重抑制COD和磷酸盐的去除效率。高浓度洛克沙胂对PAO厌氧释磷和好氧吸磷均有影响，厌氧阶段高浓度洛克沙胂通过抑制胞内聚合物PHA的合成，导致在随后的好氧阶段产能较低从而影响磷酸盐的吸收。此外，高浓度洛克沙胂会促进糖原质的降解，提高GAO相对丰度而降低PAO相对丰度，并且对PAO中的关键酶活性产生不利影响。

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Researchontheeffectofroxarsoneonenhancedbiologicalphosphorusremovalfromwastewater

WANGJian1，BAOXianming2.

(1.HuaibeiCityEnvironmentalScienceResearchInstitute，HuaibeiAnhui235000；2.CollegeofLifeSciences,HuaibeiNormalUniversity,HuaibeiAnhui235000)

The effects of different concentrations of roxarsone on the biological phosphorus removal were explored in the anaerobic/oxic alternating sequencing batch reactor (SBR) with synthetic wastewater as the research object,and the influence mechanism was also analyzed. Experimental results showed that the low concentration of roxarsone had little effect on biological phosphorus removal,while the high concentration of roxarsone would seriously inhibit the biological phosphorus removal. When the mass concentration of roxarsone was 90 mg/L,the biological phosphorus removal efficiency was only 62.6%,which was 63.5% of that in control group. The high concentration of roxarsone inhibited the synthesis of polyhydroxyalkanoates (PHA) in polyphosphate (PAO),leading to low decomposition of PHA in oxic phase,which affected the luxury uptake of phosphate by PAO. In addition,high concentrations of roxarsone promoted the degradation of glycogen and increased the relative abundance of polysaccharide (GAO) while reducing the relative abundance of PAO,and posed a negative impact on the activities of key enzymes in PAO.

roxarsone； biological phosphorus removal； intracellular polymers； anaerobic/oxic

王 健，男，1973年生，硕士，高级工程师，研究方向为水污染防治与生物技术。

*国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2012ZX07103-005)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.014

2016-11-10)