基于污水同步脫氮除磷的反硝化聚磷菌的研究與展望

王小楠 , 卞曉崢,2 , 黃健平,2* , 胡越洋

(1.華北水利水電大學 , 河南 鄭州 450046 ; 2.河南省水體污染與土壤損害修復工程技術研究中心 , 河南 鄭州 450046)

0 前言

反硝化聚磷菌(DPAOs)是反硝化除磷(DPR)過程中的主要功能微生物。傳統好氧聚磷菌(PAOs)只能利用氧氣作為電子受體除磷,而DPAOs可以利用硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體,實現污水同步脫氮除磷。因此,DPR具備節省碳源,減小曝氣量和降低污泥產量的優點,尤其適用于低C/N污水[1]。

本文論述了近十年來反硝化聚磷菌的培養,分離篩選研究現狀;基于電子受體利用能力的不同對DPAOs功能菌群進行分類分析和總結,為DPAOs后續研究提供一定的理論依據。

由于DPR技術的發展及廣泛應用,國內外學者相繼對DPR進行了深入到DPAOs方面的研究。以往對DPAOs的研究多采用顯微鏡觀察,實驗室純培養方式較難得到充分的研究和獲取相應的菌屬,操作繁瑣,很難反應真實的菌群特性。隨著熒光原位雜交(FISH)、16S rRNA克隆文庫等技術的應用,陸續將DPAOs分離鑒定出來,極大地促進了DPR的發展,將宏觀工藝與微觀細菌之間聯系,從而提高脫氮除磷性能[2-3]。DPAOs的脫氮除磷途徑如圖1所示。在厭氧條件下DPAOs吸收揮發性脂肪酸(VFA)合成聚-β-羥丁酸(PHB),同時釋放胞內磷;在缺氧的條件下添加硝酸鹽或亞硝酸鹽,DPAOs以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體,以PHB為內碳源吸收胞外磷,實現同步反硝化脫氮除磷[4]。

圖1 反硝化聚磷菌作用路徑圖

1 反硝化聚磷菌的培養

DPAOs是DPR工藝中的關鍵微生物,對DPR工藝脫氮除磷效率起關鍵作用。現有研究中,DPAOs的培養和富集的方法大多采取序批式活性污泥法(SBR)反應器進行連續流或批次培養。連續流直接培養方式,即連續進水和出水的方式,如雙污泥系統(DEPHANOX-CFR)工藝、厭氧缺氧好氧-生物接觸氧化(AAO-BCO)工藝、雙污泥耦合振動缺氧MBR工藝(A2N-VMBR)等[5-6]。另一類為批次培養的方法,其中批次培養法包括一階段培養法、二階段培養法和三階段培養法[7-9]。

1.1 直接培養法

1.2 一階段培養法

1.3 二階段培養法

1.4 三階段培養法

三階段培養方式與兩階段的不同之處在于,在第一階段的厭氧/好氧馴化完成后開始第二階段的厭氧/缺氧模式前,中間增加了一個環節,即在厭氧段結束后沉淀排水,然后重新加入不含COD的模擬配水。增加這一階段的目的是降低缺氧段開始時的COD,消除在厭氧階段未被聚磷菌吸收轉化的COD對缺氧段的影響,限制常規反硝化菌的生長。李勇智等[9]采用三階段培養法,第一階段在厭氧/好氧運行,第二階段厭氧/沉淀排水/缺氧運行,第三階段厭氧/缺氧運行。在第三階段共運行20個周期后系統進入穩定狀態,除磷和脫氮效率分別達到了94%和95%。

2 反硝化聚磷菌的分離篩選

2.1 反硝化聚磷菌的分離篩選國外研究現狀

BARKER等[10]從系統的好氧區抽取混合液樣品中分離出不動桿菌(Acinetobacter),并被認為是強化生物除磷污泥中唯一的聚磷微生物。研究者分析了來自6大洲23個國家269個污水處理廠的樣本的16S rRNA基因序列,推測出全球范圍內活性污泥系統中約有109種不同的細菌,其中只有104種被培養和詳細研究[11]。

2.2 反硝化聚磷菌的分離篩選國內研究現狀

SUN等[17]從實驗室同步脫氮除磷的SBR反應器中分離到一株Thauera,命名為N11。LB培養基是最佳的營養去除培養基,其最適pH值為8,最適溫度為35 ℃。在最佳培養條件下培養32 h,細菌始終保持活性,OD600維持在1.8左右,菌落數為1.826×1013～3.218×1013cfu/mL,反硝化率和除磷率分別為89.96%和80.38%。

LIN等[19]等從城市生物污泥中分離出一株Acinetobacter命名為ND7。菌株亞硝酸鹽(51.8mg/L)和硝酸鹽(52.1 mg/L)去除率分別為96.2%和97.18%。利用PCR技術成功擴增了功能基因hao、napA和nirS,進一步證明了ND7的異養硝化和好氧反硝化能力。最佳脫氮條件為溫度35 ℃,碳氮比為8。

YANG等[20]采集了多種不同樣品的活性污泥和沉積物。最終分離出4株Bacillus,分別命名為JD-005、JD-014、JD-016和JD-017。所有篩選的菌株都表現出很強的還原硝酸鹽、亞硝酸鹽的能力。

劉燕等[21]從活性污泥中分離出1株Paracoccus。結果表明,在碳源為葡萄糖,碳氮比為20,溫度30 ℃,pH值為7.5,接種量為1.5%,微量元素投加體積分數0.02%的最優降解條件下,該菌(初始質量濃度為100.0 mg/L的硝酸鹽在30 h內)的降解率在好氧條件下為95.3%,厭氧條件下為96.3%。

綜上所述,DPAOs主要存在于細菌中,在放線菌中也有少量報道,近年來篩選發現的DPAOs,包括假單胞菌屬(Pseudomonas)、不動桿菌屬(Acinetobacter)、副球菌屬(Paracoccus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、陶厄氏菌屬(Thauera)、脫氯單胞菌(Dechloromonas)、氣單胞菌屬(Aerodomonas)、無色桿菌屬(Achromobacter.sp)、短波單胞菌屬(Brevundimonas)等[22-24]。

3 反硝化聚磷菌電子受體利用

反硝化除磷過程中電子受體決定了污水處理脫氮和除磷的效能。目前DPAOs可分為以下三類:PO,能夠僅利用氧作為電子受體的除磷細菌;PON,能夠利用氧和硝酸鹽(但不包括亞硝酸鹽)作為電子受體的除磷細菌;PONn,能夠利用氧、硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體的除磷細菌。

4 結語

隨著DPR技術的快速發展及廣泛應用,國內外學者開始以微生物為突破口,發掘微生物的生長特性、世代繁殖周期,使其更好地控制工藝運行模式、調控工藝運行參數,充分發揮新型菌種的效能,最大程度地提高污水處理廠的去除效果。Pseudomonas、Acinetobacter、Bacillus、Dechloromonas、Thauera等都是DPR過程中常見的微生物。反硝化聚磷菌電子受體利用呈多樣性,通過多種方法鑒定和篩選能夠利用不同電子受體的反硝化聚磷菌,并對其進行脫氮和除磷功能及代謝的深入分析,是實現反硝化聚磷菌應用于污水強化脫氮除磷工藝研究的重點。