厭氧/缺氧環(huán)境馴化短程反硝化聚磷菌

翟緣等

摘要：以污水處理廠二沉池活性污泥為種泥，采用直接加藥和厭氧/缺氧交替運(yùn)行的馴化方式馴化46 d，使得缺氧脫氮率、除磷率分別穩(wěn)定在95%、93%以上。試驗(yàn)結(jié)果表明，磷的吸收量和亞硝酸鹽的消耗量基本呈線性關(guān)系，可以認(rèn)為系統(tǒng)完成了污泥的馴化，經(jīng)測(cè)試表明，短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

關(guān)鍵詞：短程反硝化聚磷菌；厭氧/缺氧；馴化；污泥

中圖分類號(hào)： Q939.97；X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）09-0332-03

作為一種新型的高效低能耗的生物脫氮除磷技術(shù)，反硝化除磷技術(shù)在近年來(lái)已成為水處理研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)[1-2]。反硝化除磷是指聚磷菌（phosphorus accumulation organisms，PAO）能在缺氧的條件下利用NO-3作為吸磷的電子受體，此時(shí)聚磷菌體內(nèi)的聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）并不在傳統(tǒng)的好氧吸磷過(guò)程中被O2氧化去除，而是作為NO-3反硝化的碳源，從而實(shí)現(xiàn)了脫氮除磷過(guò)程的耦合[3-4]。與傳統(tǒng)的好氧聚磷菌相比，利用反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorus accumulation organisms，DPAO）除磷可以減少50%的化學(xué)需氧量（COD）需求和30%的O2消耗，從而實(shí)現(xiàn)“一碳兩用”，同時(shí)可以減少50%的剩余污泥[5-6]。相關(guān)研究表明，反硝化過(guò)程一般都要產(chǎn)生中間產(chǎn)物亞硝酸鹽，甚至在某些試驗(yàn)的反硝化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定濃度亞硝酸鹽的積累，并且亞硝酸鹽可以作為反硝化聚磷菌的電子受體[7-8]。本研究采用在密閉系統(tǒng)中直接厭氧/缺氧馴化的方法，經(jīng)過(guò)1.5個(gè)月的培養(yǎng)，成功馴化出了短程反硝化聚磷菌。

1材料與方法

1.1設(shè)備與試劑

試驗(yàn)采用SBR（sequencing batch reactor activated sludge process）反應(yīng)器，高60 cm，直徑30 cm，總有效容積10 L，為有機(jī)玻璃材質(zhì)。設(shè)備裝配有電磁攪拌器，可使污泥在厭氧/缺氧階段處于懸浮狀態(tài)。為了保證試驗(yàn)污泥的絕對(duì)厭氧環(huán)境，本試驗(yàn)創(chuàng)新性地采用直接投加藥品到污泥中的方法，避免了在配制溶液過(guò)程中與氧的接觸，并通過(guò)控制投加藥品量保證污泥混合液中各種成分的濃度，混合液微量元素溶液添加量為 0.3 mL/L。微量元素溶液配方與模擬廢水成分分別見(jiàn)表1、表2。試驗(yàn)所用試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

2結(jié)果與分析

2.1厭氧/缺氧階段COD的去除性能

在厭氧階段開(kāi)始時(shí)加入碳源、氨氮和磷酸鹽，首先滿足微生物自身生長(zhǎng)的需要，其次促使聚磷菌在消耗碳源的同時(shí)釋磷，為缺氧階段反硝化聚磷做好準(zhǔn)備。COD的變化情況及去除率見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，1 d厭氧結(jié)束以后，COD的剩余量仍然有60.8 mg/L，缺氧結(jié)束后COD降為23.63 mg/L。分析原因，可能是聚磷菌在厭氧階段釋磷完成后仍有碳源，即碳源添加過(guò)多。由圖1還可以看出，在缺氧階段加入亞硝態(tài)氮（NO-2-N）以后，反硝化菌利用剩余的碳源作為電子受體，發(fā)生反硝化反應(yīng)，使COD進(jìn)一步降低；在試驗(yàn)2 d后及以后的馴化期間將COD投加量改為150 mg/L時(shí)，厭氧結(jié)束、缺氧結(jié)束后的COD基本穩(wěn)定在20 mg/L，去除率在85%以上，說(shuō)明此時(shí)碳源充足，且能避免缺氧階段亞硝態(tài)氮與碳源的接觸，從而阻止反硝化菌利用碳源作為電子受體。

2.2亞硝態(tài)氮濃度的變化與去除率

由圖2可以看出，反應(yīng)1 d后，NO-2-N的去除率高達(dá)8162%；反應(yīng)2、3 d后，去除率急劇下降，尤其是在反應(yīng)2 d后的去除率只有29.83%；反應(yīng)8 d以后，去除率逐步提高并趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)榉磻?yīng)1 d時(shí)在厭氧結(jié)束后有剩余的碳源，大部分亞硝態(tài)氮通過(guò)反硝化反應(yīng)被去除了；2 d時(shí)進(jìn)入缺氧階段，COD濃度僅為20 mg/L，NO-2-N只能被很少的反硝化聚磷菌去除，因此去除率下降；在后續(xù)階段逐步聚集了小部分反硝化聚磷菌，利用亞硝態(tài)氮作為電子受體，發(fā)生反硝化聚磷，使得NO-2-N去除率逐步升高；穩(wěn)定運(yùn)行后，即使 NO-2-N 濃度由20 mg/L增加到40 mg/L，系統(tǒng)依然有很高的去除率，且保持在95%以上。

2.3厭氧/缺氧階段總磷的變化情況與去除率

聚磷菌在經(jīng)過(guò)厭氧釋磷以后進(jìn)入缺氧階段，利用缺氧環(huán)境中的亞硝態(tài)氮作為電子受體可以達(dá)到反硝化聚磷的目的。圖3反映了各階段總磷濃度的變化，可以看出，厭氧進(jìn)水總磷濃度穩(wěn)定在10 mg/L左右，厭氧結(jié)束后總磷濃度在40 mg/L以上，僅在反應(yīng)2、3 d后有所下降，造成這種情況的原因主要是反應(yīng)1 d后，缺氧結(jié)束后亞硝態(tài)氮仍有大量剩余，從而抑制了聚磷菌的厭氧釋磷；在反應(yīng)10 d后，釋磷量恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合圖1還可以發(fā)現(xiàn)，雖然進(jìn)水COD的濃度有所降低，但是穩(wěn)定后的釋磷量不變，進(jìn)一步說(shuō)明厭氧釋磷是充分的。此外，從缺氧出水中的總磷濃度能夠看出，雖然前3 d亞硝態(tài)氮有部分被去除了（圖2），但是總磷的去除率很低，分別為47.58%、5331%、69.43%，其主要原因是在缺氧環(huán)境中，反硝化菌優(yōu)先利用剩余的碳源作為電子受體而發(fā)生反硝化反應(yīng)，但只有很少量的聚磷。不難看出，隨著馴化的進(jìn)行，缺氧除磷率不斷上升并穩(wěn)定在93%以上，充分表明污泥已具有良好的除磷特性，活性污泥的沉降性能得到明顯改善；此外，在顯微鏡下可明顯觀察到輪蟲(chóng)等原生和后生動(dòng)物，表示水質(zhì)良好，馴化已基本完成。

2.4NO-2-N去除量與總磷去除量的關(guān)系

為了證明短程反硝化聚磷菌已經(jīng)馴化成功，研究了缺氧條件下總磷的去除量與亞硝酸鹽消耗之間的關(guān)系，詳見(jiàn)圖4。

2.5活性污泥中短程反硝化聚磷菌數(shù)量的估計(jì)

對(duì)經(jīng)過(guò)厭氧/缺氧交替運(yùn)行方式馴化的短程反硝化聚磷菌與厭氧/好氧聚磷菌活性污泥體系進(jìn)行對(duì)比。首先將厭氧/缺氧活性污泥在SBR反應(yīng)器中經(jīng)過(guò)3 h充分厭氧釋磷，然后將污泥平均分為2份，分別置于2個(gè)相同容積的SBR反應(yīng)器中，其中1個(gè)以氧為電子受體，在好氧環(huán)境下運(yùn)行，另一個(gè)投加亞硝酸鹽作為電子受體，在缺氧環(huán)境下運(yùn)行，吸磷（PO3-4-P）情況詳見(jiàn)圖5。endprint

由圖5可以看出，經(jīng)過(guò)3 h的厭氧釋磷后，PO-4-P的濃度達(dá)到40.68 mg/L，菌體在好氧條件下表現(xiàn)出良好的聚磷特性，在好氧開(kāi)始3.5 h后就基本檢測(cè)不到PO-4-P的存在，好氧吸磷速率為1.91 mg/h（以混合液懸浮固體濃度計(jì)）。但是，依然可以看出，經(jīng)過(guò)馴化，短程反硝化聚磷菌已發(fā)生很大程度聚集，聚磷能力大幅提高。從圖5可以看到，3 h厭氧釋磷后，經(jīng)過(guò)4 h的缺氧反應(yīng)，PO-4-P濃度已經(jīng)從開(kāi)始的4068 mg/L降至2.13 mg/L，反硝化聚磷速率是1.61 mg/h（以混合液懸浮固體濃度計(jì)）。該污泥中短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

3結(jié)論

研究結(jié)果表明，以亞硝態(tài)氮為電子受體的短程反硝化聚磷菌是存在的，以厭氧/缺氧交替運(yùn)行的方式，并且直接投加藥劑是可以選擇并富集該菌種的。

穩(wěn)定運(yùn)行期間，短程反硝化聚磷菌在厭氧階段釋磷充分，在缺氧階段有很高的脫氮除磷效率。缺氧結(jié)束時(shí)，NO-2-N和PO-4-P的濃度都在1 mg/L以下，去除率分別在95%、93%以上。

亞硝酸鹽的消耗量與磷的吸收量基本呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為：總磷的吸收量=1.269 1×NO-2-N的消耗量（r2=0.993 4）。

缺氧反硝化吸磷的效率低于好氧吸磷，經(jīng)過(guò)厭氧/缺氧條件的馴化，短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

參考文獻(xiàn)：

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由圖5可以看出，經(jīng)過(guò)3 h的厭氧釋磷后，PO-4-P的濃度達(dá)到40.68 mg/L，菌體在好氧條件下表現(xiàn)出良好的聚磷特性，在好氧開(kāi)始3.5 h后就基本檢測(cè)不到PO-4-P的存在，好氧吸磷速率為1.91 mg/h（以混合液懸浮固體濃度計(jì)）。但是，依然可以看出，經(jīng)過(guò)馴化，短程反硝化聚磷菌已發(fā)生很大程度聚集，聚磷能力大幅提高。從圖5可以看到，3 h厭氧釋磷后，經(jīng)過(guò)4 h的缺氧反應(yīng)，PO-4-P濃度已經(jīng)從開(kāi)始的4068 mg/L降至2.13 mg/L，反硝化聚磷速率是1.61 mg/h（以混合液懸浮固體濃度計(jì)）。該污泥中短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

3結(jié)論

研究結(jié)果表明，以亞硝態(tài)氮為電子受體的短程反硝化聚磷菌是存在的，以厭氧/缺氧交替運(yùn)行的方式，并且直接投加藥劑是可以選擇并富集該菌種的。

穩(wěn)定運(yùn)行期間，短程反硝化聚磷菌在厭氧階段釋磷充分，在缺氧階段有很高的脫氮除磷效率。缺氧結(jié)束時(shí)，NO-2-N和PO-4-P的濃度都在1 mg/L以下，去除率分別在95%、93%以上。

亞硝酸鹽的消耗量與磷的吸收量基本呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為：總磷的吸收量=1.269 1×NO-2-N的消耗量（r2=0.993 4）。

缺氧反硝化吸磷的效率低于好氧吸磷，經(jīng)過(guò)厭氧/缺氧條件的馴化，短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

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由圖5可以看出，經(jīng)過(guò)3 h的厭氧釋磷后，PO-4-P的濃度達(dá)到40.68 mg/L，菌體在好氧條件下表現(xiàn)出良好的聚磷特性，在好氧開(kāi)始3.5 h后就基本檢測(cè)不到PO-4-P的存在，好氧吸磷速率為1.91 mg/h（以混合液懸浮固體濃度計(jì)）。但是，依然可以看出，經(jīng)過(guò)馴化，短程反硝化聚磷菌已發(fā)生很大程度聚集，聚磷能力大幅提高。從圖5可以看到，3 h厭氧釋磷后，經(jīng)過(guò)4 h的缺氧反應(yīng)，PO-4-P濃度已經(jīng)從開(kāi)始的4068 mg/L降至2.13 mg/L，反硝化聚磷速率是1.61 mg/h（以混合液懸浮固體濃度計(jì)）。該污泥中短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

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研究結(jié)果表明，以亞硝態(tài)氮為電子受體的短程反硝化聚磷菌是存在的，以厭氧/缺氧交替運(yùn)行的方式，并且直接投加藥劑是可以選擇并富集該菌種的。

穩(wěn)定運(yùn)行期間，短程反硝化聚磷菌在厭氧階段釋磷充分，在缺氧階段有很高的脫氮除磷效率。缺氧結(jié)束時(shí)，NO-2-N和PO-4-P的濃度都在1 mg/L以下，去除率分別在95%、93%以上。

亞硝酸鹽的消耗量與磷的吸收量基本呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為：總磷的吸收量=1.269 1×NO-2-N的消耗量（r2=0.993 4）。

缺氧反硝化吸磷的效率低于好氧吸磷，經(jīng)過(guò)厭氧/缺氧條件的馴化，短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

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