反硝化聚磷菌在污水處理中的應(yīng)用
摘要：綜合國內(nèi)外反硝化除磷技術(shù)的最新研究，著重分析反硝化聚磷菌的脫氮除磷機理和對反硝化除磷工藝有較大影響的各種因素，介紹反硝化聚磷菌在污水處理中的應(yīng)用及目前反硝化除磷技術(shù)在工藝上的研究進展。
關(guān)鍵詞：反硝化 生物除磷 脫氮 反硝化聚磷菌
隨著人類生活水平的不斷提高和工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，帶來越來越嚴(yán)重的水質(zhì)污染問題。廢水的強化生物除磷過程因具有經(jīng)濟性的優(yōu)勢而得到廣泛運用。在強化生物除磷過程中，聚磷菌(PAoS)起著關(guān)鍵的作用，這類微生物能夠以氧等物質(zhì)作為電子受體將廢水中的磷聚集在細胞內(nèi)以聚磷酸鹽的形式儲存?1。一般認為，聚磷菌分為兩種，兼性厭氧的反硝化聚磷菌(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鹽作為電子受體，而好氧聚磷菌只能利用氧作為電子受體[3]。近年來，反硝化除磷技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢已成為廢水生物處理技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。本文綜合國內(nèi)外最新研究，著重介紹反硝化聚磷菌脫氮除磷機理和在污水處理中的應(yīng)用及目前反硝化除磷技術(shù)在工藝上的研究進展。
1 DPB脫氮除磷的基本原理
DPB被證實具有和好氧聚磷菌極為相似的代謝特征[6~8]。Kuba等從動力學(xué)性質(zhì)上對這兩類聚磷菌進行了比較，認為以硝酸鹽作為電子受體的DPB有著和好氧聚磷菌同樣高的強化生物除磷性能[9-10]。因DPB是兼性厭氧菌，它利用生物體內(nèi)合成的高分子聚合磷酸鹽在厭氧/缺氧交替變化中進行生物除磷。
(1)在厭氧條件下，將細胞內(nèi)的聚磷酸鹽Poly—P以溶解性的磷酸鹽形式釋放到溶液中；同時，利用此過程中產(chǎn)生的能量將酵解產(chǎn)物低級脂肪酸(如乙酸鹽或丙酸鹽等)，合成有機儲備物質(zhì)聚β一羥基丁酸酯(poly—β—hydroxybu—tyrate，PHB)顆粒作為下一階段的電子供體，此時表現(xiàn)為磷的釋放[6，l1-12]，即磷酸鹽由微生物體向環(huán)境轉(zhuǎn)移。
(2)當(dāng)微生物進入缺氧環(huán)境后，它們的活力將得到恢復(fù)，并在充分利用基質(zhì)的同時(如PHB及內(nèi)源碳)，大量吸收溶解態(tài)的正磷酸鹽，在細胞內(nèi)合成含能高的多聚磷酸鹽并加以積累[9,13-14]，這種積磷作用大大超過微生物正常生長所需的磷量，可達到細胞干重的6%左右，甚至有報道可達8%，此階段表現(xiàn)為磷的吸收。同時還存在將硝酸鹽當(dāng)作電子受體，進行還原產(chǎn)氣的過程，表現(xiàn)為環(huán)境中氮的去除。DPB在不同環(huán)境下的生理活動見圖1。
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2 DPB在污水處理中的應(yīng)用
2．1 DPB脫氮除磷特性
反硝化除磷技術(shù)的發(fā)現(xiàn)是生物除磷的最新研究成果，是一種高效、可行的污水除磷脫氮技術(shù)。它的最大優(yōu)點是節(jié)省大量的曝氣量，而且減少剩余污泥量，反硝化除磷能節(jié)省30%的o2消耗量，相應(yīng)減少50%的剩余污泥量。反硝化除磷與傳統(tǒng)生物除磷技術(shù)相比，能使生物除磷與反硝化脫氮為同一種反硝化聚磷菌在一個生理過程中完成，將兩者有機地合二為一。這是該技術(shù)可節(jié)省能源和資源的原因，也正是這個原因，上述一系列工藝被譽為適合可持續(xù)發(fā)展的綠色除磷脫氮工藝。
Kuba[9]等在研究厭氧/缺氧SBR工藝的運行特征時發(fā)現(xiàn)C/N值為3．4時，除磷率幾乎達到100% 。
李相昆等[15]對接觸氧化、SBR、A/O、A2/O和雙污泥系統(tǒng)的活性污泥做了好氧吸磷和缺氧吸磷的靜態(tài)燒杯試驗。結(jié)果表明，SBR、A2/O、雙污泥系統(tǒng)的污泥在好氧和缺氧條件下均有很好的吸磷效果，其中雙污泥系統(tǒng)污泥的缺氧吸磷速
率和反硝化速率最大。而且在缺氧條件下，當(dāng)N03 充足時，其濃度對吸磷效果影響不大，吸磷速率為7．52 mgPO4 3- P/(gMLVSS·h)，反硝化速率為9．74 mgN0x一N/(gMLVSS·h)。在厭氧條件下，以蔗糖為碳源的釋磷量最小，釋磷速率亦最低，而以CHsC(X)Na為碳源的釋磷量和釋磷速率均最大，釋磷速率為4．2 nag．PO4 3- 一P/(gMLVSS·h)。
李勇智等[16]也采用厭氧/缺氧SBR反應(yīng)器對以硝酸鹽作為電子受體的反硝化除磷過程進行了研究。結(jié)果表明，反硝化聚磷菌完全可以在厭氧/缺氧交替運行條件下得到富集。穩(wěn)定運行的厭氧/缺氧SBR反應(yīng)器的反硝化除磷效率>90%，出水磷濃度<lmg/L。進水COD對反硝化除磷的效率影響很大，在COD<180mg/L時，進水COD越高，除磷效率也就越高，最大效率可達94%。
2．2 影響因素
對于反硝化除磷工藝效果的影響因素較多，主要集中在電子受體、氧含量、pH、碳源和菌種競爭等方面。
(1)批量試驗結(jié)果表明，初始硝態(tài)氮濃度越高，缺氧吸磷的速率就越快[17]。如果硝酸鹽氮不充分，甚至為零，一方面會降低缺氧培養(yǎng)時的吸磷量，另外會導(dǎo)致缺氧培養(yǎng)時的二次放磷 3，對于篩選造成干擾。在碳源(電子供體)充足的前提下，NCh-的含量(電子受體)是決定缺氧吸磷是否完全的限制性因素[18]。
(2)Brdjanovic等l19J報道周末或大雨導(dǎo)致污水廠低負荷運行，即使再恢復(fù)到正常運行負荷時，系統(tǒng)除磷效率也會發(fā)生嚴(yán)重惡化。令云芳等的研究也表明[20]，工藝中厭氧條件對DPB吸收轉(zhuǎn)化進水中易降解的有機物CODRB和釋磷極為
重要，而缺氧段的低IX)也是實現(xiàn)反硝化吸磷的重要因素。因此，厭氧段和缺氧段的DO的質(zhì)量濃度通？刂圃0．1～0．2 mg/L。另外，如果在以氧作為電子受體吸磷的條件下長期運行，普通№ 大量繁殖和生長，而DPB不再是系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌種，并且將逐漸從系統(tǒng)中被淘汰掉，反硝化除磷失效。
(3)pH值對DPB厭氧釋磷影響較大，在一定pH值范圍內(nèi)，隨著pH值的升高則釋磷量也升高，但當(dāng)pH值達到8以上時釋磷量反而下降[21]。有研究結(jié)果表[22]，pH值對DPB反硝化除磷系統(tǒng)和傳統(tǒng)除磷系統(tǒng)的影響有相似之處，當(dāng)pH值為8時會出現(xiàn)磷酸鹽沉淀。根據(jù)任南琪等的報道[23]，缺氧段pH值為7．0±0．1，厭氧段pH值為7．0～8．0時，在較高的pH值條件下脫氮除磷效果最好；當(dāng)厭氧段pH為8．0時，厭氧結(jié)束時，釋磷是最充分的，缺氧結(jié)束時，磷的去除率最高70%，磷的釋放、吸收和硝酸鹽反硝化始終保持最高的反應(yīng)速率，并且硝酸鹽的去除率最高。
(4)有機基質(zhì)類型對胞內(nèi)聚合物的合成有很大的影響，其中，PHB和糖原的合成與降解，在反硝化聚磷菌的釋磷和吸磷過程中起著十分重要的作用。在厭氧條件下合成的PHB越多，則好氧條件下聚磷合成量越大，除磷效果越佳；但隨著糖原含量的上升，污泥的除磷能力迅速下降[13]。王亞宜等[17]報道：增大進水有機負荷，提高COD/TN比值(4～7之間)，可以增強工藝脫氮除磷效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性，但當(dāng)COD/TN高達9以上時，雖然脫氮可保持穩(wěn)定，但缺氧吸磷受到抑制，系統(tǒng)缺氧吸磷比例下降，好氧吸磷比例提高。
(5)Liu[24]認為，如果用葡萄糖作外碳源，容易引發(fā)聚糖菌(Glycogen Accumulating Organism，簡稱GAOs)與聚磷菌的競爭。Satoh的理論[25]認為，如果好氧段進水中的氨基酸或蛋白質(zhì)含量過低，聚磷菌的生長速率就會減慢，從而導(dǎo)致聚糖菌占優(yōu)勢。但是T Saito等報道[26]：系統(tǒng)中N0 的積累可能是造成聚糖菌繁殖的主要因素，因為NOr的積累抑制PAOs的生理活動，而增強了GAOs的生理活動。另外如果在以氧作為電子受體吸磷的條件下長期運行，普通PAOs大量繁殖和生長，而DPB不再是系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌種，也將逐漸被淘汰掉，反硝化除磷失效。
2．3 應(yīng)用
隨著微生物學(xué)和生物化學(xué)的發(fā)展以及人們對生物技術(shù)的掌握，脫氮除磷技術(shù)由以單純工藝改革向著以生物學(xué)特性研究、促進工藝改革的方向發(fā)展，以達到高效低耗的目的。
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目前，滿足DPB所需環(huán)境和基質(zhì)的工藝有單、雙兩級。在單級工藝中，DPB細菌、硝化細菌及非聚磷異養(yǎng)菌同時存在于懸浮增長的混合液中，順序經(jīng)歷厭氧/缺氧/好氧三種環(huán)境。最具代表性的是BCFS工藝。在雙級工藝中，硝化細菌獨立于DPB而單獨存在于某反應(yīng)器中。雙級工藝主要有Dephanox和A2NSBR等[27]，見表1。
3 結(jié)語
(1)反硝化聚磷菌DPB具有在缺氧環(huán)境吸磷，能使吸磷和反硝化(脫氮)這兩個生物化學(xué)過程借助同一種細菌在同一種環(huán)境下一并完成的特點，故在工藝環(huán)境中有不僅可以節(jié)省對碳源的需要，而且吸磷過程在缺氧段內(nèi)完成可節(jié)省曝氣所需要的能源，產(chǎn)生的剩余污泥量也大為降低等諸多優(yōu)點。
(2)反硝化聚磷過程在廢水的強化生物除磷過程占有重要的地位，具有良好的應(yīng)用前景。隨著學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，基礎(chǔ)研究向工藝改革的轉(zhuǎn)化，反硝化除磷技術(shù)必將得到更多的應(yīng)用和更大的重視。
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