磷(P)是生物体内的重要营养源，而水体中磷过剩会引发水体富营养化(Jarvie et al., 2006).强化生物除磷(EBPR)是一种经济有效的除磷方法(Oehmen et al., 2007)，其原理聚磷菌(PAOs)在厌氧条件下吸收水体中挥发性脂肪酸(VFAs)合成聚羟基脂肪酸酯(PHAs)，并在随后的好氧环境中氧化PHAs供能，超量吸收水中的磷酸盐(Chen et al.，2004).

近年来，Wang等(2008)提出了好氧/延长闲置(O/EI)序批式反应器(SBR).O/EI反应器省略了传统除磷理论认为必需的厌氧段，将闲置期由120 min适当延长至210~450 min，系统仍能保持良好的除磷效果(王冬波等，2007).与传统EBPR不同，O/EI反应器中PAOs在好氧段吸收VFAs合成PHAs和糖原(Glycogen)，并在随后的好氧环境中将其氧化供能，超量吸收磷酸盐并合成聚磷(poly-P)，合成的poly-P在延长闲置期逐渐水解以维持微生物代谢(王冬波等，2008).刘医璘等(2010)研究了葡萄糖和乙酸钠作为单一碳源，对O/EI系统除磷的影响.Wang等(2012a)研究证实，以丙酸钠为碳源时，O/EI系统也能取得良好的除磷效果.

废水中碳源充足时，EBPR可达到良好的除磷效果(De Bashan et al. 2004).而实际废水中有机物的含量较低，除磷性能也随之受到影响，因此，需补充外加碳源以达到预期的除磷效果(吴昌永等，2009).现阶段用于生物除磷的有机碳源主要是乙酸、丙酸等VFAs，这些物质虽易被PAOs利用，但由于成本较高，因此，并不是一种经济的碳源(Puig et al., 2007).近年来，醇类作为一种价廉易得的碳源得到了广泛关注(Puig et al., 2008).

甘油是生产生物柴油的副产物，产量大而需求量小，且处置费用较高(Johnson et al.，2007).同时，甘油是反硝化系统的良好碳源，在厌氧消化过程中可促进甲烷的产生(Akunna et al., 1993; Amon et al.， 2006).Yuan等(2010)发现，甘油作为单一碳源时，会导致EBPR崩溃. Guerrero等(2012)通过延长厌氧段将甘油分解为VFAs(主要为丙酸)，并通过延长好氧段使得VFAs被PAOs充分吸收用于磷的去除，取得了较好的除磷效果. O/EI反应器好氧段前未设置厌氧段，PAOs代谢途径与传统EBPR有较大区别(Tay et al., 1996).因此，甘油能否被O/EI系统吸收利用尚未明确，且不同乙酸钠/甘油比对O/EI系统除磷性能的影响有待研究.

本文旨在通过比较不同乙酸钠/甘油比例条件下O/EI反应器的除磷效果，考察不同乙酸钠/甘油比对O/EI系统除磷性能的影响，并通过分析典型周期磷元素及微生物体内各储能物质的变化，初步探究甘油影响O/EI反应器除磷性能的机理.

研究在5个有效体积约为1.6L的玻璃烧杯(分别标记为R1、R2、R3、R4、R5)中进行.接种活性污泥取自长沙市第二污水处理厂，初始污泥浓度约为4000 mg · L^-1.反应器具体运行方式为:瞬时进水→曝气(4 h)→沉淀出水(0.5 h)→闲置(3.5 h).每周期开始前瞬时进水1 L，好氧段采用鼓风曝气，曝气速率为1.8 L · min^-1，每天在好氧段末排泥水混合物100mL，污泥停留时间控制在16d左右，好氧段结束沉淀0.5 h后排水1 L，水力停留时间约为14h.整个反应过程中不控制pH，反应器在室温((23±2)℃)条件下运行.按上述方式驯化培养16 d后，污泥外观呈黄褐色，活性及沉淀效果均较好，开始试运行.

进水采用合成废水，各反应器中碳元素的投加量相等(15 mmol · L^-1，即COD为480 mg · L^-1)，乙酸钠/甘油比分别为1 ∶ 0、1 ∶ 4、1 ∶ 1、4 ∶ 1和0 ∶ 1，其他进水成分及浓度为：磷酸二氢钾15 mg · L^-1(以PO₄^3--P计)、氯化铵30 mg · L^-1(以NH₄⁺-N计)、硫酸镁5 mg · L^-1(以Mg²⁺计)、氯化钙5 mg · L^-1(以Ca²⁺计)、微量元素0.1 mL，微量元素成分及浓度见文献(Tay et al.，1996).

Glycogen：苯酚-硫酸法(Wang et al., 2009)；PHAs：气相色谱法(Takabatake et al., 2002;Oehmen et al.，2005a)；乳酸：高效液相色谱法(景丽洁等，2000)；溶解性正磷酸盐(SOP)：钼锑抗分光光度法；混合液悬浮固体(MLSS)与混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)：重量法；pH：玻璃电极法；COD：重铬酸钾法.具体方法见文献(国家环境保护局《水和废水监测分析方法》编委会，2002).

各反应器长期运行过程中，MLSS、MLVSS的变化情况如表 1所示.由表 1可知，随着甘油比例的增加，各反应器MLVSS相差不大，而MLSS相差较多，R3中较低的MLVSS/MLSS(0.61±0.06)说明微生物体内有更多的聚磷合成(Oehmen et al., 2005b).

表 1(Table 1)

表 1 各反应器长期运行中MLSS和MLVSS Table 1 MLSS and MLVSS in the SBRs during the long-term operation

表 1 各反应器长期运行中MLSS和MLVSS Table 1 MLSS and MLVSS in the SBRs during the long-term operation 反应器 MLSS/ (mg·L-1) MLVSS/ (mg·L-1) MLVSS/MLSS 注：以上数据为5个典型周期的平均数据和标准偏差. R1 3799±51 2543±58 0.67±0.08 R2 3935±48 2519±80 0.64±0.05 R3 4206±62 2562±64 0.61±0.06 R4 3468±73 2601±52 0.75±0.07 R5 3330±48 2598±71 0.78±0.09

长期运行过程中，各反应器SOP去除率变化情况如图 1所示. 由图 1可知，运行的前16 d内，各反应器除磷率波动较大，16 d后磷酸盐去除率趋于稳定.R1中出水磷浓度约为1.49 mg · L^-1(表 2)，去除率可达90.1%，单位污泥除磷量为5.32 mg · g^-1(以每克VSS中去除的P计)，与以往研究(刘医璘，2010)结果相似(除磷率为85.2%，单位污泥磷的去除量为3.8~4.6 mg · g^-1).R2和R3除磷率较高，分别为92.5%和97.3%，单位污泥磷的去除量分别为5.51和5.69 mg · g^-1.而R4中乙酸钠/甘油降至1∶4及R5中甘油作为单一碳源时，系统除磷性能逐渐减弱，除磷率分别降至65.7%和53.4%，单位污泥除磷量分别仅为3.79和3.08 mg · g^-1.

图 1(Fig.1)

图 1 各反应器长期运行中SOP的去除情况 Fig.1 SOP removal in the SBRs during the long-term operation

表 2中显示了长期运行中各反应器的COD去除效果，如表中所示，各反应器COD去除情况相似，去除率均高于90.0%.这表明尽管各反应器中除磷效果不尽相同，微生物对碳源的利用情况基本一致.

表 2(Table 2)

表 2 各反应器中COD和SOP去除情况 Table 2 COD and SOP removal in the SBRs during the long-term operation

表 2 各反应器中COD和SOP去除情况 Table 2 COD and SOP removal in the SBRs during the long-term operation 反应器 出水COD/ (mg·L-1) COD去除率 出水SOP/ (mg·L-1) SOP去除率 单位污泥除磷量/ (mg·g-1) R1 38.2 92.0% 1.49 90.1% 5.32 R2 35.9 92.5% 1.13 92.5% 5.51 R3 40.4 91.6% 0.41 97.3% 5.69 R4 35.8 92.5% 5.15 65.7% 3.79 R5 43.3 90.9% 7.01 53.4% 3.08

图 2为各反应器典型周期pH的变化情况. 由图 2可知，曝气开始后120 min内，R1、R2、R3中pH均升高，随后逐渐下降，最终分别稳定在8.01、7.82和7.65左右.而R4、R5中pH值的变化与R1、R2、R3有较大不同，曝气初期R4、R5中pH值逐渐升高，于10 min时达到最大(分别为6.68、6.48)，随后逐渐下降，45 min时降至最低(分别为6.21、5.98).曾薇等(2002)的研究表明，曝气吹脱CO₂可引起反应器内pH上升.此外，poly-P合成导致氢离子的吸收也会导致系统pH升高(Seufferheld et al., 2003).

图 2(Fig.2)

图 2 各反应器中典型周期内pH和乳酸的变化 Fig.2 Variations of pH and lactic acid during one typical cycle in the SBRs

此外，R2~R5有不同浓度的乳酸生成(图 2)，30 min时乳酸积累达到最大，随后逐渐下降，而R1中未检测到乳酸的存在.这说明甘油在直接被微生物利用的同时，会有部分氧化生成乳酸.同时，R4和R5中较高的乳酸积累也解释了反应器内pH较低的原因.

各反应器典型周期内SOP和COD变化情况如图 3所示.好氧初期，各反应器均有磷释出，释磷量分别为7.45、7.85、11.15、3.71和1.89 mg · L^-1.这可能是由于好氧初期PAOs利用溶解氧的速率较快，导致混合液中溶解氧浓度较低(Wang et al., 2012a).好氧末，各反应器SOP出水浓度分别为1.49、1.13、0.41、5.15和7.01 mg · L^-1，SOP去除速率(以每小时每克VSS去除的P计)分别为1.91、2.11、2.52、1.22和0.92 mg · g^-1 · h^-1.可见，少量甘油的存在有利于PAOs好氧吸磷，而较多的甘油会抑制好氧段磷的吸收.闲置期，R1、R2、R3有较多的磷释出，单位污泥释磷量分别为2.25、2.39和2.47 mg · g^-1.而R4和R5释磷量较少，仅分别为1.32、0.73 mg · g^-1.

图 3(Fig.3)

图 3 各反应器中典型周期内SOP和COD的变化 Fig.3 Variations of SOP and COD during one typical cycle in the SBRs

曝气开始后30 min内，R1、R2、R3中外碳源大部分被消耗掉，剩余的外碳源在好氧末被消耗完全.虽然R4和R5除磷性能减弱，然而，其COD去除率均高于90%，这可能是由于R4和R5系统中有除PAOs外的其他微生物存在，这些微生物虽然对除磷无贡献，但可以参与COD的去除.

在聚磷微生物的代谢过程中，其胞内储存物PHAs和糖原发挥着非常重要的作用，是重要的能量储存与供给物质(祝贵兵等，2005).王冬波等(2009)的研究表明，当葡萄糖为碳源时，生物除磷所需的能量主要来自糖原的分解，而乙酸盐为碳源时，生物除磷所需能量主要来自PHAs的分解.由此可知，微生物细胞内储能物质的合成和分解会随有机碳源的不同而变化，从而生物除磷的效率也会有差异.为进一步探讨各反应器的不同除磷性能，本研究监测了各反应器运行稳定后典型周期内PHAs和糖原的变化情况(图 4).

图 4(Fig.4)

图 4 各反应器中典型周期内PHAs和糖原的变化 Fig.4 Variations of PHAs and glycogen during one typical cycle in the SBRs

由图 4可知，各反应器典型周期PHAs和糖原积累和降解情况有所不同.好氧初期，随着外碳源迅速消耗，R1、R2和R3中PHAs和糖原大量积累.R1中，30 min时PHAs积累量达到最大值，为2.25 mmol · g^-1(以每克VSS积累的C计，下同);在随后的好氧段PHAs逐渐下降，而糖原继续上升，并于120 min达到顶点，积累量为0.64 mmol · g^-1，好氧末，PHAs和糖原均降至初始水平，这与Zeng等(2013)的研究一致.R2和R3中，PHAs积累量分别为2.40和2.55 mmol · g^-1，糖原积累量分别为0.68和0.71 mmol · g^-1.可见，低含量甘油的存在有利于PHAs合成，且随着甘油比例增大，系统中PHAs合成量逐渐增加，这可能是由于低含量甘油的存在可促进VFAs(乙酸钠)吸收，进而增强系统PHAs合成(Guerrero et al., 2012).

由图 4和表 3可知，与R1、R2、R3不同，R4和R5中好氧初期PHAs积累量较小(分别为1.21和0.82 mmol · g^-1)，而糖原积累量较大(分别为2.11和2.56 mmol · g^-1，以每克VSS积累的C计)；随后，PHAs与糖原逐渐下降;曝气结束时，PHAs基本恢复至曝气开始时的水平，而糖原浓度仍高于初始值.R5中PHAs各组分所占分例与文献(Guerrero et al., 2012)相似.闲置期，剩余的糖原逐渐被消耗，R4和R5糖原消耗量分别为0.35和0.47 mmol · g^-1.由此可知，甘油含量较高时，会生成较多的乳酸，导致pH较低，糖原合成量较大，糖原作为主要能源物质，维持闲置期微生物的代谢和生长.

表 3(Table 3)

表 3 各反应器好氧初期与传统厌氧段的化学计量数及PHAs各组分百分比 Table 3 Stoichiometries and percentages of PHB，PHV and PH2MV in PHAs of conventional anaerobic period and the initial oxic period in the SBRs

表 3 各反应器好氧初期与传统厌氧段的化学计量数及PHAs各组分百分比 Table 3 Stoichiometries and percentages of PHB，PHV and PH2MV in PHAs of conventional anaerobic period and the initial oxic period in the SBRs 反应器a PHAssyn/ Substrateb/ (mmol·mmol-1) 各PHAs组分百分比 PHB PHV PH2MV 注：a.R1~R5数据为长期运行的平均值和标准偏差；b.以C计. R1 0.42±0.11 73.6±2.5% 26.4%±1.8% 0 R2 0.45±0.09 74.7%±1.4% 13.6%±1.2% 11.7%±1.5% R3 0.50±0.07 75.2%±2.3% 9.6%±0.7% 15.1%±2.1% R4 0.26±0.12 59.4%±1.6% 16.3%±1.6% 24.3%±2.2% R5 0.18±0.15 20.4%±1.2% 40.1%±1.9% 39.5%±1.8% Guerrero et al., 2012 0.31 25% 45% 30% Pereira et al., 1996 1.47 71.4% 28.6% 0 Yagci et al., 2003 1.24 89% 9% 2%

王冬波(2011)的研究表明，O/EI反应器闲置期内外基质贫乏，微生物分解poly-P维持自身生长，强化了PAOs的代谢作用，从而诱导PAOs好氧段过量摄磷.本试验闲置期，各反应器外碳源消耗完全.而R1，R2和R3中PHAs和糖原在好氧段末均降至曝气开始时水平.因此，微生物直接分解poly-P维持自身生长，并以磷酸盐的形式释放于水体中.而R4、R5曝气结束时，糖原浓度仍高于初始水平.Lu等(2007)研究表明，聚磷和糖原同时存在时，微生物将优先利用糖原来维持自身生命和代谢，当糖原浓度较低时再分解其他能源物质(poly-P).可见，R1、R2、R3中维持微生物生命和代谢的能量全部来自poly-P的水解，而R4、R5则由糖原降解和poly-P水解共同提供，这与各反应器不同程度的释磷一致.

传统EBPR系统中，乙酸钠为碳源时，PAOs在厌氧段利用poly-P和糖原分解产生的ATP吸收乙酸钠合成PHAs，用于好氧段磷的吸收、糖原合成及微生物代谢(Chen et al., 2004).甘油作为单一碳源不能直接被PAOs吸收，而首先经厌氧发酵生成VFAs，随后被PAOs利用(Guerrero et al., 2012).

本研究好氧段前未设置厌氧段，乙酸钠和甘油在外碳源消耗期有不同的代谢途径.1 mol乙酸钠消耗1 mol腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)生成1 mol乙酰辅酶A，然后通过三羧酸(TCA)循环和乙醛酸循环氧化分解.1 mol甘油首先消耗1 mol ATP，在甘油激酶的催化下磷酸化生成3-磷酸甘油，然后经脱氢(产生2.5 mol ATP)、氧化(产生4.5 mol ATP)、脱羧(产生2.5 mol ATP)，生成1 mol乙酰辅酶A，乙酰辅酶A通过TCA循环和乙醛酸循环氧化分解.由此可知，单位甘油氧化分解产生的ATP数量多于乙酸钠.因此，R1~R5中外碳源氧化分解产生的ATP数量随着甘油比例的增加而逐渐增多.外碳源氧化分解产生的ATP主要用于从污水中吸磷、微生物自身代谢及内源物质的积累.由图 3可知，外碳源消耗期各反应器仅有少量的磷去除，表 2中也显示各反应器MLVSS相差不大，因此，用于微生物生长的ATP数量也几乎相等.由此可知，随着甘油比例增加，越来越多的ATP用于内源物质的合成，这与各反应器内源物质的合成量相一致.

各反应器中，随着甘油比例增大，PHAs转化量逐渐增加，乙酸钠/甘油比为1 ∶ 1时，系统PHAs合成量达到最大(图 4).Mino等(1998)的研究表明，PHAs含量高可以为后续内碳源阶段磷的吸收和聚磷合成提供更多的能量，这与R1、R2、R3逐渐升高的除磷率一致.甘油在直接被微生物利用的同时，会有部分氧化生成乳酸(图 5).R4、R5中，随着甘油比例增加，乳酸合成量逐渐增多，导致pH逐渐下降(分别为6.21、5.98).此时碳源代谢产生的内源物质以糖原为主，乳酸和磷酸二羟丙酮除了经丙酮酸进入TCA循环外，还可经糖异生途径生成糖原，因而R4、R5糖原积累量较大.

图 5(Fig.5)

图 5 乙酸钠和甘油的好氧代谢机制 Fig.5 The metabolic mechanism of acetate and glycerol during aerobic zone

Mino等(1998)的研究表明，内聚物PHAs和糖原的转化与PAOs和聚糖菌(GAOs)的代谢有关，曝气阶段较高的糖原积累量更有利于GAOs代谢.本研究中，R4、R5糖原转化量较大，而PHAs合成及聚磷合成较少，即R4、R5中GAOs活性较高而PAOs活性较低，这与R4、R5较低的除磷率一致，同时，也解释了R4、R5虽除磷性能减弱，而外碳源利用率仍较高的原因.

Wang等(2012b)研究证实，O/EI系统中单位污泥磷的去除量随闲置期释磷量的增多而增加，二次释磷不仅不会恶化除磷系统，反而可驱动PAOs在好氧段过量吸磷.本研究中，曝气结束时，各反应器糖原浓度水平不同，因此，闲置期对poly-P的依赖程度不同见3.3节，即释磷量不同，进而导致了不同的除磷性能.

综上所述，进水甘油的含量较低时，随着甘油比例增加，微生物分解外碳源时合成的PHAs逐渐增多，为除磷提供更多的能量，因而除磷性能逐渐增强.随甘油比例继续增加，较多的乳酸生成导致pH较低，糖原合成量较大，系统除磷性能减弱.

1)甘油作为辅助碳源有利于提高系统除磷性能，而作为单一碳源时，系统除磷性能减弱.

2)低含量甘油存在可促进VFAs吸收，有利于PHAs合成，可增强延长闲置段处于“饥饿”状态的聚磷菌对磷的吸收，诱导其好氧段过量摄磷;甘油含量较高时，会生成较多的乳酸，导致pH较低，糖原合成量较大，系统除磷性能减弱.