反硝化除磷污泥系統(tǒng)馴化及其性能影響因素研究綜述

鄭于藍，吳義鋒,*，李淑萍

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2.西藏民族大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西咸陽 712082)

污、廢水中氮、磷污染物的過量排放是水體富營養(yǎng)化的主要原因。在傳統(tǒng)生物脫氮除磷過程中，自養(yǎng)硝化和異養(yǎng)反硝化實現(xiàn)氮的去除，聚磷菌(phosphorus accumulating organisms，PAOs)厭氧釋磷、好氧超量聚磷，并在好氧段結(jié)束后排出一部分富磷污泥實現(xiàn)磷的去除。然而，異養(yǎng)反硝化、異養(yǎng)細菌存在碳源競爭，氨氧化細菌(ammonia oxidation bacteria，AOB)、PAOs、異養(yǎng)細菌和亞硝酸鹽氧化細菌(nitrite oxidation bacteria，NOB)存在需氧競爭，給傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝對氮、磷污染物的高效去除帶來了巨大挑戰(zhàn)。

反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus accumulating organisms，DPAOs)能夠在缺氧條件下以硝酸鹽為電子受體，在脫氮的同時進行超量聚磷，能夠很大程度地減少COD需求量、氧氣消耗量以及剩余污泥產(chǎn)生量[1]。作為一種高效低耗、節(jié)能減排的強化生物脫氮除磷工藝，反硝化脫氮除磷受到了廣泛關(guān)注并具有廣闊應(yīng)用前景。反硝化聚磷污泥的馴化是成功運行反硝化除磷工藝的前提。本文旨在綜述反硝化同步脫氮除磷污泥系統(tǒng)的運行機理和馴化方式，分析討論主要性能影響因素及影響機理，并對未來重點研究方向做出展望，對反硝化除磷技術(shù)的實踐應(yīng)用，具有一定的理論指導(dǎo)和現(xiàn)實意義。

1 反硝化聚磷菌的發(fā)現(xiàn)及機理

2 反硝化聚磷污泥的馴化方式

DPAOs的富集馴化方式主要有一步法、兩步法和三步法。一步法，即缺氧階段初期向反應(yīng)器內(nèi)投加硝態(tài)氮作為DPAOs的電子受體，隨后對接種污泥采用厭氧/缺氧或厭氧/缺氧/好氧交替運行的方式馴化DPAOs；兩步法，采用厭氧/好氧交替運行富集PAOs，再通過厭氧/缺氧(初期加入硝態(tài)氮)交替運行富集DPAOs；三步法，在兩步法的中間增加厭氧/排水/進水/缺氧交替運行的階段，即在厭氧結(jié)束后沉淀排水，然后重新加入不含COD的模擬配水，避免缺氧段開始反硝化細菌利用反應(yīng)器內(nèi)殘留的COD將硝態(tài)氮直接轉(zhuǎn)化為N2，而使得DPAOs電子受體不足。本文對采用不同方式馴化DPAOs及其效果進行了總結(jié)，如表2所示。

表1 反硝化聚磷系統(tǒng)活性污泥微生物種屬(DPAOs)Tab.1 Microbe Species of Activated Sludge in Denitrifying Phosphorus Removal System (DPAOs)

圖1 反硝化聚磷機理示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Denitrifying Phosphorus Accumulation Mechanism

2.1 一步法馴化方式及效果

2.2 兩步法馴化方式及效果

表2 反硝化聚磷污泥的馴化方式及效果Tab.2 Acclimation Methods and Effect of Denitrifying Phosphorus Accumulation Sludge

(續(xù)表2)馴化方式接種污泥反應(yīng)器馴化方式及時間溫度/℃pH值CODin/(mg·L-1)TPin/(mg·L-1)NH+4-Nin/(mg·L-1)電子受體ano/(mg·L-1)及投加方式運行效果/連續(xù)流,SRT=15→10 d厭氧120 min/好氧240 min→厭氧120 min/缺氧240 min/好氧120 min(逐步延長缺氧時間、縮短好氧時間)→厭氧120 min/缺氧360 min,59 d//270→808～15/1.5 mL/min,濃度100 mg/L/99%//[47]二沉池SBR,有效容積為12 L厭氧/好氧→厭氧180 min/缺氧60 min/好氧180 min(逐步延長缺氧時間、縮短好氧時間)→厭氧180 min/缺氧180 min18～26/300～4008～1015～20NO-3-N=5→10,一次性投加/84.63～88.19//[48]AO回流污泥SBR,有效容積為25 L,容積交換比為0.76～0.8,污泥濃度為3 000 mg/L厭氧180 min/好氧180 min→厭氧150～180 min/好氧90～0 min/缺氧90～240 min/好氧30～0 min(逐步延長缺氧時間、縮短好氧時間),50周期307～81501050NO-3-N=40,一次性投加中試短程硝化反應(yīng)器SBR,有效容積為10 L,容積交換比為0.4,SRT=12→18 d,污泥濃度為3 500 mg/L厭氧120 min/好氧120 min→厭氧120 min/缺氧120 min/好氧60 min,95 d/7.4±0.3159.19～279.934.89～7.1055.1～90.6NO-3-N=10,一次性投加二沉池回流污泥SBR,有效容積為9.5 L厭氧120 min/好氧180 min→厭氧120 min/好氧90 min /缺氧30～90 min/好氧30 min(逐漸延長缺氧時間),100 d25±17～8150～3501020～50/90%92%88%/[51]三階段馴化法二沉池SBR,有效容積為25 L,SRT=8 d,污泥濃度為5 000～8 000 mg/L厭氧180 min/好氧120 min→厭氧180 min/換水(不含COD)/缺氧240 min→厭氧180 min/缺氧240 min,36 d/6.5～7.6400530NO-3-N=150,逐滴加入曝氣池SBR,有效容積為4.5 L,容積交換比為0.44,污泥濃度為3 000～3 500 mg/L厭氧150 min/好氧180 min→厭氧150 min/換水(不含COD)/缺氧180 min→厭氧150 min/缺氧180 min→厭氧150 min/缺氧180 min/曝氣30 min,90 d//250→20010→30→512NO-3-N=20,一次性投加

2.3 三步法馴化方式及效果

2.4 不同馴化方式對比

綜上，兩步法是目前研究人員使用最多的反硝化聚磷污泥馴化方法，馴化方法相對成熟，在不同廢水負荷、反應(yīng)器容積條件下，均可成功富集DPAOs。三步法的第二階段，重新加入不含COD的模擬廢水，可有效抑制反硝化細菌與DPAOs爭奪電子受體，可縮短馴化時間，但第二階段進水和沉淀排水操作頻繁，實際工程應(yīng)用時難度較大。一步法馴化方式具有運行操作簡潔、馴化時間短的特點，但目前該方法的研究成果較少，缺乏運行過程中主要影響因素的相關(guān)研究，仍需進一步深入探索。

3 主要性能影響因素

活性污泥系統(tǒng)特定菌群的富集會不同程度受反應(yīng)器、接種污泥、處理水質(zhì)、運行參數(shù)、環(huán)境條件等的影響。DPAOs富集過程性能的影響因素主要包括溫度、pH、碳源種類及濃度、電子受體種類及濃度、污泥濃度、污泥齡等。

3.1 溫度

3.2 pH

pH對微生物的影響主要表現(xiàn)為改變蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子所帶電荷及細胞膜電荷、改變胞外有害物質(zhì)的毒性大小及營養(yǎng)物質(zhì)的可獲取程度[67-68]。pH對DPAOs的影響主要體現(xiàn)在厭氧釋磷階段，當厭氧段pH升高時，DPAOs需水解更多的胞內(nèi)多聚磷酸鹽，以維持質(zhì)子移動力(proton motive force，PMF)的平衡，此時消耗單位質(zhì)量碳源所釋放的磷增加，即表現(xiàn)為DPAOs厭氧釋磷能力的增強[69-70]。pH過高會引起磷酸鹽沉淀，此時釋磷量反而下降[71-72]。大部分研究結(jié)果表明，DPAOs的最適pH為中性偏堿[35,50-51,73-74]。但是，楊輝等[51]、靳茹[35]的研究表明，pH值=7.5時，DPAOs能同時達到最優(yōu)生長速率和反硝化除磷率。任南琪等[74]、王琦等[50]卻認為，控制厭氧段pH值=8.0、缺氧段pH值=7.0時，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)脫氮除磷效果。孫玲[75]利用分離篩選出的DPAOs菌株進行pH影響試驗，菌株對堿性環(huán)境的適應(yīng)能力較強，但當pH值=6.0時，生長速率明顯下降，pH值=5.0時幾乎不生長。表1也表明，大部分研究者均在中性偏堿的環(huán)境下成功富集DPAOs，而直接利用實際生活污水(pH值≈7.0～9.0)富集DPAOs也基本滿足要求。

3.3 碳源種類及濃度

有機碳源投加量對厭氧釋磷及缺氧反硝化聚磷至關(guān)重要。碳源濃度過低會對厭氧釋磷速率和釋磷量產(chǎn)生影響，導(dǎo)致釋磷不完全[81,89]。碳源濃度過高的不利影響主要有兩點：①反硝化聚糖菌(denitrifying glycogen accumulating organisms，DGAOs)和DPAOs一樣，可以在厭氧階段吸收碳源并合成PHA儲存體內(nèi)，缺氧時利用胞內(nèi)碳源進行反硝化作用，但不具有釋磷和超量吸磷的功能；若碳源濃度過高，DGAOs會在缺氧段跟DPAOs爭奪電子受體，從而導(dǎo)致缺氧聚磷量下降；② 碳源濃度過高時，厭氧段未吸收完全的碳源會進入缺氧段，而異養(yǎng)反硝化細菌對碳源的利用速率高于DPAOs，能搶先利用碳源進行反硝化作用，使得DPAOs電子受體不足，在系統(tǒng)競爭中處于劣勢[71, 90-93]。為保證缺氧聚磷的順利進行，碳源投加量宜保證缺氧初始反應(yīng)器內(nèi)CODCr濃度小于50 mg/L[54-55]。

3.4 電子受體種類及濃度

3.5 污泥濃度

3.6 污泥齡

4 結(jié)論與展望

反硝化脫氮除磷技術(shù)作為一種高效低耗、節(jié)能減排的強化生物脫氮除磷工藝，逐步走入視野并受到廣泛關(guān)注。國內(nèi)外針對反硝化聚磷菌的運行機理、富集方式及其主要性能影響因素的研究已取得了一定成果，現(xiàn)總結(jié)如下。

(1)反硝化聚磷污泥的3種馴化方式均能有效富集DPAOs。其中，兩步法發(fā)展相對成熟，是目前研究人員采用最多的馴化方法；三步法的第二階段可有效抑制反硝化細菌與DPAOs爭奪電子受體，縮短馴化時間，但操作相對繁瑣，不利于實際工程應(yīng)用；一步法具有運行操作簡單、馴化速度快的特點，有很大的發(fā)展?jié)摿Γ瑱C理及其應(yīng)用基礎(chǔ)的研究還需進一步深化。

(2)DPAOs富集及穩(wěn)定運行會不同程度受反應(yīng)器、接種污泥、處理水質(zhì)、運行參數(shù)、環(huán)境條件等的影響，關(guān)于DPAOs相關(guān)影響因素研究的結(jié)論仍存在很多分歧，且對碳源、電子受體等影響因素的作用機理仍需進一步探索。