反硝化聚磷菌在污水处理中的应用
摘要：综合国内外反硝化除磷技术的最新研究，着重分析反硝化聚磷菌的脱氮除磷机理和对反硝化除磷工艺有较大影响的各种因素，介绍反硝化聚磷菌在污水处理中的应用及目前反硝化除磷技术在工艺上的研究进展。
关键词：反硝化 生物除磷 脱氮 反硝化聚磷菌
随着人类生活水平的不断提高和工业生产的快速发展，带来越来越严重的水质污染问题。废水的强化生物除磷过程因具有经济性的优势而得到广泛运用。在强化生物除磷过程中，聚磷菌(PAoS)起着关键的作用，这类微生物能够以氧等物质作为电子受体将废水中的磷聚集在细胞内以聚磷酸盐的形式储存?1。一般认为，聚磷菌分为两种，兼性厌氧的反硝化聚磷菌(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盐作为电子受体，而好氧聚磷菌只能利用氧作为电子受体[3]。近年来，反硝化除磷技术以其独特的优势已成为废水生物处理技术领域的研究热点。本文综合国内外最新研究，着重介绍反硝化聚磷菌脱氮除磷机理和在污水处理中的应用及目前反硝化除磷技术在工艺上的研究进展。
1 DPB脱氮除磷的基本原理
DPB被证实具有和好氧聚磷菌极为相似的代谢特征[6~8]。Kuba等从动力学性质上对这两类聚磷菌进行了比较，认为以硝酸盐作为电子受体的DPB有着和好氧聚磷菌同样高的强化生物除磷性能[9-10]。因DPB是兼性厌氧菌，它利用生物体内合成的高分子聚合磷酸盐在厌氧/缺氧交替变化中进行生物除磷。
(1)在厌氧条件下，将细胞内的聚磷酸盐Poly—P以溶解性的磷酸盐形式释放到溶液中；同时，利用此过程中产生的能量将酵解产物低级脂肪酸(如乙酸盐或丙酸盐等)，合成有机储备物质聚β一羟基丁酸酯(poly—β—hydroxybu—tyrate，PHB)颗粒作为下一阶段的电子供体，此时表现为磷的释放[6，l1-12]，即磷酸盐由微生物体向环境转移。
(2)当微生物进入缺氧环境后，它们的活力将得到恢复，并在充分利用基质的同时(如PHB及内源碳)，大量吸收溶解态的正磷酸盐，在细胞内合成含能高的多聚磷酸盐并加以积累[9,13-14]，这种积磷作用大大超过微生物正常生长所需的磷量，可达到细胞干重的6%左右，甚至有报道可达8%，此阶段表现为磷的吸收。同时还存在将硝酸盐当作电子受体，进行还原产气的过程，表现为环境中氮的去除。DPB在不同环境下的生理活动见图1。
 |
2 DPB在污水处理中的应用
2．1 DPB脱氮除磷特性
反硝化除磷技术的发现是生物除磷的最新研究成果，是一种高效、可行的污水除磷脱氮技术。它的最大优点是节省大量的曝气量，而且减少剩余污泥量，反硝化除磷能节省30%的o2消耗量，相应减少50%的剩余污泥量。反硝化除磷与传统生物除磷技术相比，能使生物除磷与反硝化脱氮为同一种反硝化聚磷菌在一个生理过程中完成，将两者有机地合二为一。这是该技术可节省能源和资源的原因，也正是这个原因，上述一系列工艺被誉为适合可持续发展的绿色除磷脱氮工艺。
Kuba[9]等在研究厌氧/缺氧SBR工艺的运行特征时发现C/N值为3．4时，除磷率几乎达到100% 。
李相昆等[15]对接触氧化、SBR、A/O、A2/O和双污泥系统的活性污泥做了好氧吸磷和缺氧吸磷的静态烧杯试验。结果表明，SBR、A2/O、双污泥系统的污泥在好氧和缺氧条件下均有很好的吸磷效果，其中双污泥系统污泥的缺氧吸磷速
率和反硝化速率最大。而且在缺氧条件下，当N03 充足时，其浓度对吸磷效果影响不大，吸磷速率为7．52 mgPO4 3- P/(gMLVSS·h)，反硝化速率为9．74 mgN0x一N/(gMLVSS·h)。在厌氧条件下，以蔗糖为碳源的释磷量最小，释磷速率亦最低，而以CHsC(X)Na为碳源的释磷量和释磷速率均最大，释磷速率为4．2 nag．PO4 3- 一P/(gMLVSS·h)。
李勇智等[16]也采用厌氧/缺氧SBR反应器对以硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷过程进行了研究。结果表明，反硝化聚磷菌完全可以在厌氧/缺氧交替运行条件下得到富集。稳定运行的厌氧/缺氧SBR反应器的反硝化除磷效率>90%，出水磷浓度<lmg/L。进水COD对反硝化除磷的效率影响很大，在COD<180mg/L时，进水COD越高，除磷效率也就越高，最大效率可达94%。
2．2 影响因素
对于反硝化除磷工艺效果的影响因素较多，主要集中在电子受体、氧含量、pH、碳源和菌种竞争等方面。
(1)批量试验结果表明，初始硝态氮浓度越高，缺氧吸磷的速率就越快[17]。如果硝酸盐氮不充分，甚至为零，一方面会降低缺氧培养时的吸磷量，另外会导致缺氧培养时的二次放磷 3，对于筛选造成干扰。在碳源(电子供体)充足的前提下，NCh-的含量(电子受体)是决定缺氧吸磷是否完全的限制性因素[18]。
(2)Brdjanovic等l19J报道周末或大雨导致污水厂低负荷运行，即使再恢复到正常运行负荷时，系统除磷效率也会发生严重恶化。令云芳等的研究也表明[20]，工艺中厌氧条件对DPB吸收转化进水中易降解的有机物CODRB和释磷极为
重要，而缺氧段的低IX)也是实现反硝化吸磷的重要因素。因此，厌氧段和缺氧段的DO的质量浓度通常控制在0．1～0．2 mg/L。另外，如果在以氧作为电子受体吸磷的条件下长期运行，普通№ 大量繁殖和生长，而DPB不再是系统中的优势菌种，并且将逐渐从系统中被淘汰掉，反硝化除磷失效。
(3)pH值对DPB厌氧释磷影响较大，在一定pH值范围内，随着pH值的升高则释磷量也升高，但当pH值达到8以上时释磷量反而下降[21]。有研究结果表[22]，pH值对DPB反硝化除磷系统和传统除磷系统的影响有相似之处，当pH值为8时会出现磷酸盐沉淀。根据任南琪等的报道[23]，缺氧段pH值为7．0±0．1，厌氧段pH值为7．0～8．0时，在较高的pH值条件下脱氮除磷效果最好；当厌氧段pH为8．0时，厌氧结束时，释磷是最充分的，缺氧结束时，磷的去除率最高70%，磷的释放、吸收和硝酸盐反硝化始终保持最高的反应速率，并且硝酸盐的去除率最高。
(4)有机基质类型对胞内聚合物的合成有很大的影响，其中，PHB和糖原的合成与降解，在反硝化聚磷菌的释磷和吸磷过程中起着十分重要的作用。在厌氧条件下合成的PHB越多，则好氧条件下聚磷合成量越大，除磷效果越佳；但随着糖原含量的上升，污泥的除磷能力迅速下降[13]。王亚宜等[17]报道：增大进水有机负荷，提高COD/TN比值(4～7之间)，可以增强工艺脱氮除磷效果和系统稳定性，但当COD/TN高达9以上时，虽然脱氮可保持稳定，但缺氧吸磷受到抑制，系统缺氧吸磷比例下降，好氧吸磷比例提高。
(5)Liu[24]认为，如果用葡萄糖作外碳源，容易引发聚糖菌(Glycogen Accumulating Organism，简称GAOs)与聚磷菌的竞争。Satoh的理论[25]认为，如果好氧段进水中的氨基酸或蛋白质含量过低，聚磷菌的生长速率就会减慢，从而导致聚糖菌占优势。但是T Saito等报道[26]：系统中N0 的积累可能是造成聚糖菌繁殖的主要因素，因为NOr的积累抑制PAOs的生理活动，而增强了GAOs的生理活动。另外如果在以氧作为电子受体吸磷的条件下长期运行，普通PAOs大量繁殖和生长，而DPB不再是系统中的优势菌种，也将逐渐被淘汰掉，反硝化除磷失效。
2．3 应用
随着微生物学和生物化学的发展以及人们对生物技术的掌握，脱氮除磷技术由以单纯工艺改革向着以生物学特性研究、促进工艺改革的方向发展，以达到高效低耗的目的。
 |
目前，满足DPB所需环境和基质的工艺有单、双两级。在单级工艺中，DPB细菌、硝化细菌及非聚磷异养菌同时存在于悬浮增长的混合液中，顺序经历厌氧/缺氧/好氧三种环境。最具代表性的是BCFS工艺。在双级工艺中，硝化细菌独立于DPB而单独存在于某反应器中。双级工艺主要有Dephanox和A2NSBR等[27]，见表1。
3 结语
(1)反硝化聚磷菌DPB具有在缺氧环境吸磷，能使吸磷和反硝化(脱氮)这两个生物化学过程借助同一种细菌在同一种环境下一并完成的特点，故在工艺环境中有不仅可以节省对碳源的需要，而且吸磷过程在缺氧段内完成可节省曝气所需要的能源，产生的剩余污泥量也大为降低等诸多优点。
(2)反硝化聚磷过程在废水的强化生物除磷过程占有重要的地位，具有良好的应用前景。随着学科和技术的发展，基础研究向工艺改革的转化，反硝化除磷技术必将得到更多的应用和更大的重视。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
