反硝化聚磷菌脱氮除磷机理研究

刘丹丹 李 慧 陈文清

（四川大学建筑与环境学院，四川 成都610065）

1 绪论

随着经济快速的发展，氮、磷逐渐增长为水体中的主要污染物［1］。近年来，具有高效、低耗的反硝化除磷工艺的开发为生物脱氮除磷提供了新的方向。反硝化除磷工艺是利用反硝化聚磷菌来进行脱氮除磷，反硝化聚磷菌在厌氧状态下，聚磷菌通过糖酵解和水解释放贮存的磷酸盐获得能量［2］，形成的能量储存于细胞中。能量一部分用来维持聚磷菌的生存，一部分用于聚磷菌合成PHB。而在缺氧阶段可以利用硝酸盐作为电子受体，在将硝酸盐还原成氮气的同时进行超量吸磷作用，从而达到同时脱氮除磷的目的［3～5］。

国内外有不少学者对反硝化聚磷现象进行了研究。Kuba，Baker［6］等于1993年在试验中也发现：在厌氧/缺氧交替运行的环境下更易富集反硝化聚磷菌。同年，Kerm－Jespersen等得出结论，聚磷菌分为以氧气作为电子受体的好氧菌和以硝酸盐为电子受体的反硝化聚磷菌。王春丽［7］等通过吸磷试验、硝酸盐还原产气试验及细菌染色等试验，筛选出来四株反硝化聚磷菌。周康群［13］等利用SBR动态反应器，富集了反硝化聚磷菌。

2 实验原理与方法

实验设备包括SBR反应器、搅拌器、定时控制器、蠕动泵、微孔曝气器、水温控制器等。反应器由长方体聚乙烯塑料制成，有效容积为10L。本课题选用的污泥来源于成都市双流航空港污水处理厂厌氧段污泥。

2.1 实验材料

2.1.1 实验人工合成废水

本实验采用人工合成废水，人工废水成分如表1。

表1 人工废水成分表

2.1.2 培养基

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

缺磷培养基（L－1）：CH3COONa 3.32g；Na2HPO4·2H2O 23.00mg；CaCl2·2H2O 11.00mg；MgSO4·7H2O 81.12mg；K2SO417.83mg；NH4Cl 152.80mg；蒸馏水1000ml；微量元素2ml；HEPES缓冲液7ml；pH 值7.2。

富磷培养基（L－1）：CH3COONa 3.32g；K2HPO40.325g；MgSO4·7H2O 91.26mg；CaCl2·H2O 25.68mg；NH4Cl 305.52mg；蒸馏水1000 ml；微量元素 2ml；PIPES缓冲液 8.5ml；pH 值7.2。

硝酸盐还原产气培养基［10］（L－1）：KNO31.00g；K2HPO42.42g；葡萄糖1.00g；琼脂1.00g；蛋白胨20.00g；pH值＝7.4。

2.2 反应器运行方式及其控制参数

根据聚磷菌的特性，将整个培养驯化分为3个阶段。第1阶段为厌氧/好氧条件，目的是使聚磷菌成为系统中的优势菌种。第2阶段为厌氧/缺氧，在厌氧段结束后加KNO3溶液，使能以硝酸盐为电子受体的反硝化除磷菌成为优势菌种［11］。各阶段运行模式见表2。

表2 SBR反应器运行模式

2.3 反硝化聚磷菌的分离、纯化及筛选

用动态的SBR反应器对反硝化聚磷菌进行驯化富集［12］，是分离提纯反硝化聚磷菌的开始，但要对反硝化聚磷菌进行深入的研究，须从活性污泥中分离筛选出反硝化聚磷菌，再通过对菌株的鉴定及生理生化特征研究，为更好的认识活性污泥生态系统、阐明反硝化聚磷机理提供理论和技术的支持。反硝化聚磷菌的分离、纯化及筛选的过程图如图1［14～18］。

图1 反硝化聚磷菌分离纯化筛选过程

3 实验结果

3.1 第一阶段运行结果

第一阶段运行的目的是为了驯化系统中的污泥，使最终能够获得高效的好氧除磷效果污泥，这一阶段总磷、总氮去除率见图2。

图2 第一阶段总磷总氮去除率

由图2可以看出，反应器处于第一阶段的进水试运行阶段和污泥驯化，系统中的微生物对环境有适应的过程，所以前期去除率下降，后期由于微生物适应了环境，所以去除率逐渐上升。反应器第一阶段总氮的去除率由开始的50%上升至80%左右并保持在较高的去除率状态，平均去除率达80%左右，反应器内污泥生长状况良好。

3.2 第二阶段运行结果与分析

由图3中可以看出，第二阶段总磷的去除率由开始的60%左右上升到75%左右，说明了反硝化聚磷菌在这一阶段得到一定的富集。这一阶段总氮平均去除率达86%。这一阶段COD的去除率由80%逐渐上升至90%，说明系统COD的去除率稳定且高效。经过第二阶段的培养，装置内反硝化除磷的效果更加明显，说明通过驯化反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例升高，逐渐成为整个体系中的优势菌种。

图3 第二阶段总磷总氮COD去除率

3.3 第三阶段运行结果与分析

由图4可以看出，总磷的去除率平均在80%左右。在后几天运行时，由于污泥浓度有一些变化导致去除率有一些波动。这一阶段总氮的去除率平均保持在90%左右，变化趋势与总磷的变化趋势相同。经这一阶段的培养运行，此时系统稳定性较好并具有较高的去除率。

图4 第三阶段总磷总氮去除率

3.4 周期内总磷总氮COD浓度变化

富集活性污泥前，污泥为褐色，其颗粒细小呈散状。富集活性污泥之后，污泥成浅褐色，颗粒增大且成絮状。为了进一步研究系统的污染物去除情况以及反硝化聚磷菌的代谢原理，在运行第三阶段运行一段时间后，每隔30min取一周期（即8h）内的水样用以测定其污染物的浓度变化情况。测定结果如图5。

图5 一周期内总磷、总氮、COD浓度变化

如图5所示，在一周期内的前3h（即180min）为厌氧阶段，后5h为缺氧阶段，聚磷菌在厌氧阶段进行释磷作用，PO43－浓度由最初的32mg/L上升至37mg/L，总氮浓度也有少许上升，从最初的5.7mg/L上升到11mg/L；在缺氧阶段，反硝化聚磷菌进行吸磷作用，使得PO43－浓度从37mg/L下降到了19mg/L，反硝化聚磷菌此时进行反硝化作用，总氮浓度也逐渐下降，从 38mg/L 下降至 18mg/L。COD主要在厌氧阶段进行消耗，缺氧段下降较少。这些变化符合反硝化聚磷菌的代谢情况，说明系统内富集了一定数量的反硝化聚磷菌。

反硝化聚磷菌筛选鉴定

经过如图1的过程筛选第三阶段的活性污泥中的反硝化聚磷菌，用富氮富磷培养基通过厌氧－缺氧培养中脱氮除磷效率均较高的菌种。通过在高浓度磷酸盐及低浓度磷酸盐条件下进行吸磷实验、硝酸盐还原产气实验及对细菌进行类脂肪颗粒染色、异染颗粒染色、革兰氏染色等实验，筛选出四株反硝化聚磷菌。并对这四种菌进行菌落特征分析，分析结果如表3。

表3 细菌菌落特征

4 结论

在SBR反应器内以乙酸钠为碳源，经过厌氧/缺氧交替运行，降低COD与硝酸盐共存的可能性的方法可以富集出反硝化聚磷菌。富集后系统达到90%以上的总氮以及COD的去除率、80%以上的除磷效率，脱氮除磷效果较好。系统MLSS适宜控制在3500～4500mg/L之间。对于筛选出来的菌种需要进一步做DNA鉴定，确定细菌种类。

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