劉丹丹 李 慧 陳文清

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610065）

1 緒論

隨著經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，氮、磷逐漸增長(zhǎng)為水體中的主要污染物［1］。近年來(lái)，具有高效、低耗的反硝化除磷工藝的開(kāi)發(fā)為生物脫氮除磷提供了新的方向。反硝化除磷工藝是利用反硝化聚磷菌來(lái)進(jìn)行脫氮除磷，反硝化聚磷菌在厭氧狀態(tài)下，聚磷菌通過(guò)糖酵解和水解釋放貯存的磷酸鹽獲得能量［2］，形成的能量?jī)?chǔ)存于細(xì)胞中。能量一部分用來(lái)維持聚磷菌的生存，一部分用于聚磷菌合成PHB。而在缺氧階段可以利用硝酸鹽作為電子受體，在將硝酸鹽還原成氮?dú)獾耐瑫r(shí)進(jìn)行超量吸磷作用，從而達(dá)到同時(shí)脫氮除磷的目的［3～5］。

國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者對(duì)反硝化聚磷現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Kuba，Baker［6］等于1993年在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)：在厭氧/缺氧交替運(yùn)行的環(huán)境下更易富集反硝化聚磷菌。同年，Kerm－Jespersen等得出結(jié)論，聚磷菌分為以氧氣作為電子受體的好氧菌和以硝酸鹽為電子受體的反硝化聚磷菌。王春麗［7］等通過(guò)吸磷試驗(yàn)、硝酸鹽還原產(chǎn)氣試驗(yàn)及細(xì)菌染色等試驗(yàn)，篩選出來(lái)四株反硝化聚磷菌。周康群［13］等利用SBR動(dòng)態(tài)反應(yīng)器，富集了反硝化聚磷菌。

2 實(shí)驗(yàn)原理與方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括SBR反應(yīng)器、攪拌器、定時(shí)控制器、蠕動(dòng)泵、微孔曝氣器、水溫控制器等。反應(yīng)器由長(zhǎng)方體聚乙烯塑料制成，有效容積為10L。本課題選用的污泥來(lái)源于成都市雙流航空港污水處理廠厭氧段污泥。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)人工合成廢水

本實(shí)驗(yàn)采用人工合成廢水，人工廢水成分如表1。

表1 人工廢水成分表

2.1.2 培養(yǎng)基

富氮富磷培養(yǎng)基［8～9］（L－1）：CH3COONa·3H2O 3.32mg；K2HPO425.00mg；KNO3300mg；NH4Cl 305.52mg；MgSO4·7H2O 91.26mg；CaCl2·2H2O 25.68mg；PIPES緩沖液8.50g；NaCl 5～20 mg；微量元素2ml；pH值＝7.2。

缺磷培養(yǎng)基（L－1）：CH3COONa 3.32g；Na2HPO4·2H2O 23.00mg；CaCl2·2H2O 11.00mg；MgSO4·7H2O 81.12mg；K2SO417.83mg；NH4Cl 152.80mg；蒸餾水1000ml；微量元素2ml；HEPES緩沖液7ml；pH 值7.2。

富磷培養(yǎng)基（L－1）：CH3COONa 3.32g；K2HPO40.325g；MgSO4·7H2O 91.26mg；CaCl2·H2O 25.68mg；NH4Cl 305.52mg；蒸餾水1000 ml；微量元素 2ml；PIPES緩沖液 8.5ml；pH 值7.2。

硝酸鹽還原產(chǎn)氣培養(yǎng)基［10］（L－1）：KNO31.00g；K2HPO42.42g；葡萄糖1.00g；瓊脂1.00g；蛋白胨20.00g；pH值＝7.4。

2.2 反應(yīng)器運(yùn)行方式及其控制參數(shù)

根據(jù)聚磷菌的特性，將整個(gè)培養(yǎng)馴化分為3個(gè)階段。第1階段為厭氧/好氧條件，目的是使聚磷菌成為系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌種。第2階段為厭氧/缺氧，在厭氧段結(jié)束后加KNO3溶液，使能以硝酸鹽為電子受體的反硝化除磷菌成為優(yōu)勢(shì)菌種［11］。各階段運(yùn)行模式見(jiàn)表2。

表2 SBR反應(yīng)器運(yùn)行模式

2.3 反硝化聚磷菌的分離、純化及篩選

用動(dòng)態(tài)的SBR反應(yīng)器對(duì)反硝化聚磷菌進(jìn)行馴化富集［12］，是分離提純反硝化聚磷菌的開(kāi)始，但要對(duì)反硝化聚磷菌進(jìn)行深入的研究，須從活性污泥中分離篩選出反硝化聚磷菌，再通過(guò)對(duì)菌株的鑒定及生理生化特征研究，為更好的認(rèn)識(shí)活性污泥生態(tài)系統(tǒng)、闡明反硝化聚磷機(jī)理提供理論和技術(shù)的支持。反硝化聚磷菌的分離、純化及篩選的過(guò)程圖如圖1［14～18］。

圖1 反硝化聚磷菌分離純化篩選過(guò)程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 第一階段運(yùn)行結(jié)果

第一階段運(yùn)行的目的是為了馴化系統(tǒng)中的污泥，使最終能夠獲得高效的好氧除磷效果污泥，這一階段總磷、總氮去除率見(jiàn)圖2。

圖2 第一階段總磷總氮去除率

由圖2可以看出，反應(yīng)器處于第一階段的進(jìn)水試運(yùn)行階段和污泥馴化，系統(tǒng)中的微生物對(duì)環(huán)境有適應(yīng)的過(guò)程，所以前期去除率下降，后期由于微生物適應(yīng)了環(huán)境，所以去除率逐漸上升。反應(yīng)器第一階段總氮的去除率由開(kāi)始的50%上升至80%左右并保持在較高的去除率狀態(tài)，平均去除率達(dá)80%左右，反應(yīng)器內(nèi)污泥生長(zhǎng)狀況良好。

3.2 第二階段運(yùn)行結(jié)果與分析

由圖3中可以看出，第二階段總磷的去除率由開(kāi)始的60%左右上升到75%左右，說(shuō)明了反硝化聚磷菌在這一階段得到一定的富集。這一階段總氮平均去除率達(dá)86%。這一階段COD的去除率由80%逐漸上升至90%，說(shuō)明系統(tǒng)COD的去除率穩(wěn)定且高效。經(jīng)過(guò)第二階段的培養(yǎng)，裝置內(nèi)反硝化除磷的效果更加明顯，說(shuō)明通過(guò)馴化反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例升高，逐漸成為整個(gè)體系中的優(yōu)勢(shì)菌種。

圖3 第二階段總磷總氮COD去除率

3.3 第三階段運(yùn)行結(jié)果與分析

由圖4可以看出，總磷的去除率平均在80%左右。在后幾天運(yùn)行時(shí)，由于污泥濃度有一些變化導(dǎo)致去除率有一些波動(dòng)。這一階段總氮的去除率平均保持在90%左右，變化趨勢(shì)與總磷的變化趨勢(shì)相同。經(jīng)這一階段的培養(yǎng)運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好并具有較高的去除率。

圖4 第三階段總磷總氮去除率

3.4 周期內(nèi)總磷總氮COD濃度變化

富集活性污泥前，污泥為褐色，其顆粒細(xì)小呈散狀。富集活性污泥之后，污泥成淺褐色，顆粒增大且成絮狀。為了進(jìn)一步研究系統(tǒng)的污染物去除情況以及反硝化聚磷菌的代謝原理，在運(yùn)行第三階段運(yùn)行一段時(shí)間后，每隔30min取一周期（即8h）內(nèi)的水樣用以測(cè)定其污染物的濃度變化情況。測(cè)定結(jié)果如圖5。

圖5 一周期內(nèi)總磷、總氮、COD濃度變化

如圖5所示，在一周期內(nèi)的前3h（即180min）為厭氧階段，后5h為缺氧階段，聚磷菌在厭氧階段進(jìn)行釋磷作用，PO43－濃度由最初的32mg/L上升至37mg/L，總氮濃度也有少許上升，從最初的5.7mg/L上升到11mg/L；在缺氧階段，反硝化聚磷菌進(jìn)行吸磷作用，使得PO43－濃度從37mg/L下降到了19mg/L，反硝化聚磷菌此時(shí)進(jìn)行反硝化作用，總氮濃度也逐漸下降，從 38mg/L 下降至 18mg/L。COD主要在厭氧階段進(jìn)行消耗，缺氧段下降較少。這些變化符合反硝化聚磷菌的代謝情況，說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)富集了一定數(shù)量的反硝化聚磷菌。

反硝化聚磷菌篩選鑒定

經(jīng)過(guò)如圖1的過(guò)程篩選第三階段的活性污泥中的反硝化聚磷菌，用富氮富磷培養(yǎng)基通過(guò)厭氧－缺氧培養(yǎng)中脫氮除磷效率均較高的菌種。通過(guò)在高濃度磷酸鹽及低濃度磷酸鹽條件下進(jìn)行吸磷實(shí)驗(yàn)、硝酸鹽還原產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)及對(duì)細(xì)菌進(jìn)行類(lèi)脂肪顆粒染色、異染顆粒染色、革蘭氏染色等實(shí)驗(yàn)，篩選出四株反硝化聚磷菌。并對(duì)這四種菌進(jìn)行菌落特征分析，分析結(jié)果如表3。

表3 細(xì)菌菌落特征

4 結(jié)論

在SBR反應(yīng)器內(nèi)以乙酸鈉為碳源，經(jīng)過(guò)厭氧/缺氧交替運(yùn)行，降低COD與硝酸鹽共存的可能性的方法可以富集出反硝化聚磷菌。富集后系統(tǒng)達(dá)到90%以上的總氮以及COD的去除率、80%以上的除磷效率，脫氮除磷效果較好。系統(tǒng)MLSS適宜控制在3500～4500mg/L之間。對(duì)于篩選出來(lái)的菌種需要進(jìn)一步做DNA鑒定，確定細(xì)菌種類(lèi)。

［1］羅寧，羅固源，許曉毅.從細(xì)菌的生化特性看生物脫氮與生物除磷的關(guān)系［J］.重慶環(huán)境科學(xué)，2003，25（5）：33－36.

［2］徐亞同.水中氮磷的處理［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，1996（1）：130－133.

［3］劉暉，孫彥富，崔英德，等.一株短程反硝化除磷菌的鑒定與生物學(xué)利用［J］.化工學(xué)報(bào)，2009，60（7）：1758－1766.

［4］王亞宜，王淑瑩，彭永臻，等.MLSS、pH及NO2－N對(duì)反硝化除磷菌的影響［J］.中國(guó)給水排水，2005，21（7）：47～51.

［5］陳磊，胡文容，裴海燕.雙泥法SBR培養(yǎng)馴化反硝化聚磷菌的研究［J］.工業(yè)水處理，2008，28（7）：47～50.

［6］Kuba T，Van Loosdrecht M C M，Heijnen JJ.Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of de－nitrifying dephosphatation and nitrification in a two－sludge system.Wat.Res.，1996，30（7）：1702－1710.

［7］王春麗，馬放，劉慧，等.反硝化聚磷菌株分離篩選方法的研究［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)，2006，22（3）：5～7.

［8］馬放，王春麗，王立立.高效反硝化聚磷菌株的篩選及其生物學(xué)特性［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（6）：631～635.

［9］陳接鋒，許旭萍，佘晨興，等.合成聚盡輕基丁酸（PHB）鞘細(xì)菌的分離、鑒定與篩選［J］.工業(yè)微生物，2003，33（4）：23～26.

［10］東秀珠，蔡妙英編.常見(jiàn)細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè).北京：科學(xué)出版社，2001.

［11］Saito T，Brdjanovic D，Van Loosdrecht M C M.Effect of nitriteonphosphate uptake by phosphate accumulation or ganisms［J］.Water Research，2004，38（17）：3760－3768.

［12］Lee D S，Jeon C O，Jong M P.Biological nitrogen removal with enhanced phosphate uptake in a sequencing bath reactor using single sludge system［J］.Water Research，2001，35（16）：3978－3976.

［13］周康群，劉暉，孫彥富，等.反硝化聚磷菌的SBR反應(yīng)器中微生物種群與濃度變化［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，39（4）：705－711.

［14］吳繼濱，沈耀良，郭海娟，SBR中短程反硝化除磷菌的培養(yǎng)馴化研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34（10）：127－129.

［15］Comeau Y.Biochemical model for enhanced biological phosphorus removal.Wat.Res.，1986，20（12）：1511－1521.

［16］Vlekke G J F M.Biological phosphate removal from wastewater with oxygen or nitrate in SBRs.Environ Technol Lett.1998.9：791－796.

［17］羅寧，羅固源，吉方英，等.新型雙泥生物反硝化除磷脫氮系統(tǒng)中微生物的組成［J］.給水排水，2003，29（8）：33～35.

［18］王振，袁林江，劉爽.A/A系統(tǒng)反硝化除磷的強(qiáng)化及其穩(wěn)定性研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2009，30（10）：2975～2980.