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(wěn)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(tǒng)完成了污泥的馴化，經(jīng)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(tǒng)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(xiàn)了脫氮除磷過程的耦合[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%的化學需氧量（COD）需求和30%的O2消耗，從而實現(xiàn)“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(chǎn)生中間產(chǎn)物亞硝酸鹽，甚至在某些試驗的反硝化過程中會出現(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1.5個月的培養(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(tài)。為了保證試驗污泥的絕對厭氧環(huán)境，本試驗創(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(chǎn)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(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，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(wěn)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(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(wěn)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(tài)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(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)過厭氧釋磷以后進入缺氧階段，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(wěn)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(tài)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(wěn)定狀態(tài)，結合圖1還可以發(fā)現(xiàn)，雖然進水COD的濃度有所降低，但是穩(wěn)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(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，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(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(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系，詳見圖4。

2.5活性污泥中短程反硝化聚磷菌數(shù)量的估計

對經(jīng)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(jīng)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(huán)境下運行，另一個投加亞硝酸鹽作為電子受體，在缺氧環(huán)境下運行，吸磷（PO3-4-P）情況詳見圖5。endprint

由圖5可以看出，經(jīng)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(xiàn)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(jīng)過馴化，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4 h的缺氧反應，PO-4-P濃度已經(jīng)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(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(jīng)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(yè)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(yè)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.

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[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(tài)氮濃度對反硝化聚磷的影響及ORP的變化規(guī)律[J]. 環(huán)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(fā)期對巖溶生境高鈣干旱的生理生化反應[J]. 江蘇農業(yè)科學，2014，42（9）：335-339.endprint

由圖5可以看出，經(jīng)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(xiàn)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(jīng)過馴化，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4 h的缺氧反應，PO-4-P濃度已經(jīng)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(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(jīng)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(jīng)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(xiàn)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(jīng)過馴化，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4 h的缺氧反應，PO-4-P濃度已經(jīng)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(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(jīng)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(fā)期對巖溶生境高鈣干旱的生理生化反應[J]. 江蘇農業(yè)科學，2014，42（9）：335-339.endprint