厭氧/缺氧環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/缺氧交替運行的馴化方式馴化46 d，使得缺氧脫氮率、除磷率分別穩定在95%、93%以上。試驗結果表明，磷的吸收量和亞硝酸鹽的消耗量基本呈線性關系，可以認為系統完成了污泥的馴化，經測試表明，短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

關鍵詞：短程反硝化聚磷菌；厭氧/缺氧；馴化；污泥

中圖分類號： Q939.97；X703文獻標志碼： A文章編號：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，反硝化除磷技術在近年來已成為水處理研究領域的一個熱點[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，此時聚磷菌體內的聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）并不在傳統的好氧吸磷過程中被O2氧化去除，而是作為NO-3反硝化的碳源，從而實現了脫氮除磷過程的耦合[3-4]。與傳統的好氧聚磷菌相比，利用反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorus accumulation organisms，DPAO）除磷可以減少50%的化學需氧量（COD）需求和30%的O2消耗，從而實現“一碳兩用”，同時可以減少50%的剩余污泥[5-6]。相關研究表明，反硝化過程一般都要產生中間產物亞硝酸鹽，甚至在某些試驗的反硝化過程中會出現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中直接厭氧/缺氧馴化的方法，經過1.5個月的培養，成功馴化出了短程反硝化聚磷菌。

1材料與方法

1.1設備與試劑

試驗采用SBR（sequencing batch reactor activated sludge process）反應器，高60 cm，直徑30 cm，總有效容積10 L，為有機玻璃材質。設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。為了保證試驗污泥的絕對厭氧環境，本試驗創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程中與氧的接觸，并通過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表1、表2。試驗所用試劑均為國產分析純。

2結果與分析

2.1厭氧/缺氧階段COD的去除性能

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

由圖1可以看出，1 d厭氧結束以后，COD的剩余量仍然有60.8 mg/L，缺氧結束后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，即碳源添加過多。由圖1還可以看出，在缺氧階段加入亞硝態氮（NO-2-N）以后，反硝化菌利用剩余的碳源作為電子受體，發生反硝化反應，使COD進一步降低；在試驗2 d后及以后的馴化期間將COD投加量改為150 mg/L時，厭氧結束、缺氧結束后的COD基本穩定在20 mg/L，去除率在85%以上，說明此時碳源充足，且能避免缺氧階段亞硝態氮與碳源的接觸，從而阻止反硝化菌利用碳源作為電子受體。

2.2亞硝態氮濃度的變化與去除率

由圖2可以看出，反應1 d后，NO-2-N的去除率高達8162%；反應2、3 d后，去除率急劇下降，尤其是在反應2 d后的去除率只有29.83%；反應8 d以后，去除率逐步提高并趨于穩定。這主要是因為反應1 d時在厭氧結束后有剩余的碳源，大部分亞硝態氮通過反硝化反應被去除了；2 d時進入缺氧階段，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；在后續階段逐步聚集了小部分反硝化聚磷菌，利用亞硝態氮作為電子受體，發生反硝化聚磷，使得NO-2-N去除率逐步升高；穩定運行后，即使 NO-2-N 濃度由20 mg/L增加到40 mg/L，系統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

聚磷菌在經過厭氧釋磷以后進入缺氧階段，利用缺氧環境中的亞硝態氮作為電子受體可以達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，厭氧進水總磷濃度穩定在10 mg/L左右，厭氧結束后總磷濃度在40 mg/L以上，僅在反應2、3 d后有所下降，造成這種情況的原因主要是反應1 d后，缺氧結束后亞硝態氮仍有大量剩余，從而抑制了聚磷菌的厭氧釋磷；在反應10 d后，釋磷量恢復到穩定狀態，結合圖1還可以發現，雖然進水COD的濃度有所降低，但是穩定后的釋磷量不變，進一步說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境中，反硝化菌優先利用剩余的碳源作為電子受體而發生反硝化反應，但只有很少量的聚磷。不難看出，隨著馴化的進行，缺氧除磷率不斷上升并穩定在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等原生和后生動物，表示水質良好，馴化已基本完成。

2.4NO-2-N去除量與總磷去除量的關系

為了證明短程反硝化聚磷菌已經馴化成功，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系，詳見圖4。

2.5活性污泥中短程反硝化聚磷菌數量的估計

對經過厭氧/缺氧交替運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行對比。首先將厭氧/缺氧活性污泥在SBR反應器中經過3 h充分厭氧釋磷，然后將污泥平均分為2份，分別置于2個相同容積的SBR反應器中，其中1個以氧為電子受體，在好氧環境下運行，另一個投加亞硝酸鹽作為電子受體，在缺氧環境下運行，吸磷（PO3-4-P）情況詳見圖5。endprint

由圖5可以看出，經過3 h的厭氧釋磷后，PO-4-P的濃度達到40.68 mg/L，菌體在好氧條件下表現出良好的聚磷特性，在好氧開始3.5 h后就基本檢測不到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）。但是，依然可以看出，經過馴化，短程反硝化聚磷菌已發生很大程度聚集，聚磷能力大幅提高。從圖5可以看到，3 h厭氧釋磷后，經過4 h的缺氧反應，PO-4-P濃度已經從開始的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）。該污泥中短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

3結論

研究結果表明，以亞硝態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。

穩定運行期間，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。缺氧結束時，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系，其關系式為：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，經過厭氧/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：

[1]馬娟，彭永臻，王麗，等. 反硝化除磷技術及其影響因素分析[J]. 工業水處理，2009，29（4）：4-8.

[2]賈學斌，王強，杜叢，等. 反硝化聚磷菌富集、篩選及其特性[J]. 哈爾濱工業大學學報，2011，43（2）：35-39.

[3]Jiang Y F，Wang L，Wang B Z，et al. Biological nitrogen removal with enhanced phosphate uptake in （AO）2 SBR using single sludge system[J]. Journal of Environmental Sciences，2004，16（6）：1037-1040.

[4]Jrgensen K S，Pauli A S L. Polyphosphate accumulation among denitrifying bacteria in activated sludge[J]. Anaerobe，1995，1（3）：161-168.

[5]Kuba T，Wachtmeister A，van Loosdrecht M C M，et al. Effect of nitrate on phosphorus release in biological phosphorus removal systems[J]. Water Science and Technology，1994，30（6）：263-269.

[6]Kuba T，Murnleitner E，van Loosdrecht M C，et al. A metabolic model for biological phosphorus removal by denitrifying organisms[J]. Biotechnology and Bioengineering，1996，52（6）：685-695.

[7]王亞宜，彭永臻，王淑瑩，等. 碳源和硝態氮濃度對反硝化聚磷的影響及ORP的變化規律[J]. 環境科學，2004，25（4）：54-58.

[8]曹長青，雷中方，胡志榮，等. 反硝化除磷過程中的影響因素探討[J]. 中國給水排水，2005，21（7）：22-25.陳瑩，鐘理，趙麗麗，等. 截葉鐵掃帚種子萌發期對巖溶生境高鈣干旱的生理生化反應[J]. 江蘇農業科學，2014，42（9）：335-339.endprint

由圖5可以看出，經過3 h的厭氧釋磷后，PO-4-P的濃度達到40.68 mg/L，菌體在好氧條件下表現出良好的聚磷特性，在好氧開始3.5 h后就基本檢測不到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）。但是，依然可以看出，經過馴化，短程反硝化聚磷菌已發生很大程度聚集，聚磷能力大幅提高。從圖5可以看到，3 h厭氧釋磷后，經過4 h的缺氧反應，PO-4-P濃度已經從開始的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）。該污泥中短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

3結論

研究結果表明，以亞硝態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。

穩定運行期間，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。缺氧結束時，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系，其關系式為：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，經過厭氧/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，經過3 h的厭氧釋磷后，PO-4-P的濃度達到40.68 mg/L，菌體在好氧條件下表現出良好的聚磷特性，在好氧開始3.5 h后就基本檢測不到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）。但是，依然可以看出，經過馴化，短程反硝化聚磷菌已發生很大程度聚集，聚磷能力大幅提高。從圖5可以看到，3 h厭氧釋磷后，經過4 h的缺氧反應，PO-4-P濃度已經從開始的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）。該污泥中短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。

3結論

研究結果表明，以亞硝態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。

穩定運行期間，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。缺氧結束時，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系，其關系式為：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，經過厭氧/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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[8]曹長青，雷中方，胡志榮，等. 反硝化除磷過程中的影響因素探討[J]. 中國給水排水，2005，21（7）：22-25.陳瑩，鐘理，趙麗麗，等. 截葉鐵掃帚種子萌發期對巖溶生境高鈣干旱的生理生化反應[J]. 江蘇農業科學，2014，42（9）：335-339.endprint