反硝化聚磷菌在污水處理中的應(yīng)用

摘要：綜合國內(nèi)外反硝化除磷技術(shù)的最新研究，著重分析反硝化聚磷菌的脫氮除磷機(jī)理和對(duì)反硝化除磷工藝有較大影響的各種因素，介紹反硝化聚磷菌在污水處理中的應(yīng)用及目前反硝化除磷技術(shù)在工藝上的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：反硝化 生物除磷 脫氮 反硝化聚磷菌

隨著人類生活水平的不斷提高和工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，帶來越來越嚴(yán)重的水質(zhì)污染問題。廢水的強(qiáng)化生物除磷過程因具有經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢而得到廣泛運(yùn)用。在強(qiáng)化生物除磷過程中，聚磷菌(PAoS)起著關(guān)鍵的作用，這類微生物能夠以氧等物質(zhì)作為電子受體將廢水中的磷聚集在細(xì)胞內(nèi)以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存⋯1。一般認(rèn)為，聚磷菌分為兩種，兼性厭氧的反硝化聚磷菌(DenitrifyingPhosphate—Accumulating Organisms，DNPAOs，或Denitrifying Phosphorus Removing Bacteria，DpB)[2]和好氧聚磷菌，其中反硝化聚磷菌能利用氧或硝酸鹽作為電子受體，而好氧聚磷菌只能利用氧作為電子受體[3]。近年來，反硝化除磷技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢已成為廢水生物處理技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文綜合國內(nèi)外最新研究，著重介紹反硝化聚磷菌脫氮除磷機(jī)理和在污水處理中的應(yīng)用及目前反硝化除磷技術(shù)在工藝上的研究進(jìn)展。

1 DPB脫氮除磷的基本原理

DPB被證實(shí)具有和好氧聚磷菌極為相似的代謝特征[6~8]。Kuba等從動(dòng)力學(xué)性質(zhì)上對(duì)這兩類聚磷菌進(jìn)行了比較，認(rèn)為以硝酸鹽作為電子受體的DPB有著和好氧聚磷菌同樣高的強(qiáng)化生物除磷性能[9-10]。因DPB是兼性厭氧菌，它利用生物體內(nèi)合成的高分子聚合磷酸鹽在厭氧/缺氧交替變化中進(jìn)行生物除磷。

(1)在厭氧條件下，將細(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽Poly—P以溶解性的磷酸鹽形式釋放到溶液中；同時(shí)，利用此過程中產(chǎn)生的能量將酵解產(chǎn)物低級(jí)脂肪酸(如乙酸鹽或丙酸鹽等)，合成有機(jī)儲(chǔ)備物質(zhì)聚β一羥基丁酸酯(poly—β—hydroxybu—tyrate，PHB)顆粒作為下一階段的電子供體，此時(shí)表現(xiàn)為磷的釋放[6，l1-12]，即磷酸鹽由微生物體向環(huán)境轉(zhuǎn)移。

(2)當(dāng)微生物進(jìn)入缺氧環(huán)境后，它們的活力將得到恢復(fù)，并在充分利用基質(zhì)的同時(shí)(如PHB及內(nèi)源碳)，大量吸收溶解態(tài)的正磷酸鹽，在細(xì)胞內(nèi)合成含能高的多聚磷酸鹽并加以積累[9,13-14]，這種積磷作用大大超過微生物正常生長所需的磷量，可達(dá)到細(xì)胞干重的6%左右，甚至有報(bào)道可達(dá)8%，此階段表現(xiàn)為磷的吸收。同時(shí)還存在將硝酸鹽當(dāng)作電子受體，進(jìn)行還原產(chǎn)氣的過程，表現(xiàn)為環(huán)境中氮的去除。DPB在不同環(huán)境下的生理活動(dòng)見圖1。

2 DPB在污水處理中的應(yīng)用

2．1 DPB脫氮除磷特性

反硝化除磷技術(shù)的發(fā)現(xiàn)是生物除磷的最新研究成果，是一種高效、可行的污水除磷脫氮技術(shù)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省大量的曝氣量，而且減少剩余污泥量，反硝化除磷能節(jié)省30%的o2消耗量，相應(yīng)減少50%的剩余污泥量。反硝化除磷與傳統(tǒng)生物除磷技術(shù)相比，能使生物除磷與反硝化脫氮為同一種反硝化聚磷菌在一個(gè)生理過程中完成，將兩者有機(jī)地合二為一。這是該技術(shù)可節(jié)省能源和資源的原因，也正是這個(gè)原因，上述一系列工藝被譽(yù)為適合可持續(xù)發(fā)展的綠色除磷脫氮工藝。

Kuba[9]等在研究厭氧/缺氧SBR工藝的運(yùn)行特征時(shí)發(fā)現(xiàn)C/N值為3．4時(shí)，除磷率幾乎達(dá)到100% 。

李相昆等[15]對(duì)接觸氧化、SBR、A/O、A2/O和雙污泥系統(tǒng)的活性污泥做了好氧吸磷和缺氧吸磷的靜態(tài)燒杯試驗(yàn)。結(jié)果表明，SBR、A2/O、雙污泥系統(tǒng)的污泥在好氧和缺氧條件下均有很好的吸磷效果，其中雙污泥系統(tǒng)污泥的缺氧吸磷速

率和反硝化速率最大。而且在缺氧條件下，當(dāng)N03 充足時(shí)，其濃度對(duì)吸磷效果影響不大，吸磷速率為7．52 mgPO4 3- P/(gMLVSS·h)，反硝化速率為9．74 mgN0x一N/(gMLVSS·h)。在厭氧條件下，以蔗糖為碳源的釋磷量最小，釋磷速率亦最低，而以CHsC(X)Na為碳源的釋磷量和釋磷速率均最大，釋磷速率為4．2 nag．PO4 3- 一P/(gMLVSS·h)。

李勇智等[16]也采用厭氧/缺氧SBR反應(yīng)器對(duì)以硝酸鹽作為電子受體的反硝化除磷過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，反硝化聚磷菌完全可以在厭氧/缺氧交替運(yùn)行條件下得到富集。穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧/缺氧SBR反應(yīng)器的反硝化除磷效率>90%，出水磷濃度<lmg/L。進(jìn)水COD對(duì)反硝化除磷的效率影響很大，在COD<180mg/L時(shí)，進(jìn)水COD越高，除磷效率也就越高，最大效率可達(dá)94%。

2．2 影響因素

對(duì)于反硝化除磷工藝效果的影響因素較多，主要集中在電子受體、氧含量、pH、碳源和菌種競爭等方面。

(1)批量試驗(yàn)結(jié)果表明，初始硝態(tài)氮濃度越高，缺氧吸磷的速率就越快[17]。如果硝酸鹽氮不充分，甚至為零，一方面會(huì)降低缺氧培養(yǎng)時(shí)的吸磷量，另外會(huì)導(dǎo)致缺氧培養(yǎng)時(shí)的二次放磷 3，對(duì)于篩選造成干擾。在碳源(電子供體)充足的前提下，NCh-的含量(電子受體)是決定缺氧吸磷是否完全的限制性因素[18]。

(2)Brdjanovic等l19J報(bào)道周末或大雨導(dǎo)致污水廠低負(fù)荷運(yùn)行，即使再恢復(fù)到正常運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)除磷效率也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重惡化。令云芳等的研究也表明[20]，工藝中厭氧條件對(duì)DPB吸收轉(zhuǎn)化進(jìn)水中易降解的有機(jī)物CODRB和釋磷極為

重要，而缺氧段的低IX)也是實(shí)現(xiàn)反硝化吸磷的重要因素。因此，厭氧段和缺氧段的DO的質(zhì)量濃度通�？刂圃�0．1～0．2 mg/L。另外，如果在以氧作為電子受體吸磷的條件下長期運(yùn)行，普通№ 大量繁殖和生長，而DPB不再是系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌種，并且將逐漸從系統(tǒng)中被淘汰掉，反硝化除磷失效。

(3)pH值對(duì)DPB厭氧釋磷影響較大，在一定pH值范圍內(nèi)，隨著pH值的升高則釋磷量也升高，但當(dāng)pH值達(dá)到8以上時(shí)釋磷量反而下降[21]。有研究結(jié)果表[22]，pH值對(duì)DPB反硝化除磷系統(tǒng)和傳統(tǒng)除磷系統(tǒng)的影響有相似之處，當(dāng)pH值為8時(shí)會(huì)出現(xiàn)磷酸鹽沉淀。根據(jù)任南琪等的報(bào)道[23]，缺氧段pH值為7．0±0．1，厭氧段pH值為7．0～8．0時(shí)，在較高的pH值條件下脫氮除磷效果最好；當(dāng)厭氧段pH為8．0時(shí)，厭氧結(jié)束時(shí)，釋磷是最充分的，缺氧結(jié)束時(shí)，磷的去除率最高70%，磷的釋放、吸收和硝酸鹽反硝化始終保持最高的反應(yīng)速率，并且硝酸鹽的去除率最高。

(4)有機(jī)基質(zhì)類型對(duì)胞內(nèi)聚合物的合成有很大的影響，其中，PHB和糖原的合成與降解，在反硝化聚磷菌的釋磷和吸磷過程中起著十分重要的作用。在厭氧條件下合成的PHB越多，則好氧條件下聚磷合成量越大，除磷效果越佳；但隨著糖原含量的上升，污泥的除磷能力迅速下降[13]。王亞宜等[17]報(bào)道：增大進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷，提高COD/TN比值(4～7之間)，可以增強(qiáng)工藝脫氮除磷效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性，但當(dāng)COD/TN高達(dá)9以上時(shí)，雖然脫氮可保持穩(wěn)定，但缺氧吸磷受到抑制，系統(tǒng)缺氧吸磷比例下降，好氧吸磷比例提高。

(5)Liu[24]認(rèn)為，如果用葡萄糖作外碳源，容易引發(fā)聚糖菌(Glycogen Accumulating Organism，簡稱GAOs)與聚磷菌的競爭。Satoh的理論[25]認(rèn)為，如果好氧段進(jìn)水中的氨基酸或蛋白質(zhì)含量過低，聚磷菌的生長速率就會(huì)減慢，從而導(dǎo)致聚糖菌占優(yōu)勢。但是T Saito等報(bào)道[26]：系統(tǒng)中N0 的積累可能是造成聚糖菌繁殖的主要因素，因?yàn)镹Or的積累抑制PAOs的生理活動(dòng)，而增強(qiáng)了GAOs的生理活動(dòng)。另外如果在以氧作為電子受體吸磷的條件下長期運(yùn)行，普通PAOs大量繁殖和生長，而DPB不再是系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌種，也將逐漸被淘汰掉，反硝化除磷失效。

2．3 應(yīng)用

隨著微生物學(xué)和生物化學(xué)的發(fā)展以及人們對(duì)生物技術(shù)的掌握，脫氮除磷技術(shù)由以單純工藝改革向著以生物學(xué)特性研究、促進(jìn)工藝改革的方向發(fā)展，以達(dá)到高效低耗的目的。

目前，滿足DPB所需環(huán)境和基質(zhì)的工藝有單、雙兩級(jí)。在單級(jí)工藝中，DPB細(xì)菌、硝化細(xì)菌及非聚磷異養(yǎng)菌同時(shí)存在于懸浮增長的混合液中，順序經(jīng)歷厭氧/缺氧/好氧三種環(huán)境。最具代表性的是BCFS工藝。在雙級(jí)工藝中，硝化細(xì)菌獨(dú)立于DPB而單獨(dú)存在于某反應(yīng)器中。雙級(jí)工藝主要有Dephanox和A2NSBR等[27]，見表1。

3 結(jié)語

(1)反硝化聚磷菌DPB具有在缺氧環(huán)境吸磷，能使吸磷和反硝化(脫氮)這兩個(gè)生物化學(xué)過程借助同一種細(xì)菌在同一種環(huán)境下一并完成的特點(diǎn)，故在工藝環(huán)境中有不僅可以節(jié)省對(duì)碳源的需要，而且吸磷過程在缺氧段內(nèi)完成可節(jié)省曝氣所需要的能源，產(chǎn)生的剩余污泥量也大為降低等諸多優(yōu)點(diǎn)。

(2)反硝化聚磷過程在廢水的強(qiáng)化生物除磷過程占有重要的地位，具有良好的應(yīng)用前景。隨著學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，基礎(chǔ)研究向工藝改革的轉(zhuǎn)化，反硝化除磷技術(shù)必將得到更多的應(yīng)用和更大的重視。來源：陳靖 何澤超 張陵