短程反硝化聚磷菌快速驯化对比研究*

刘 静 李 微 傅金祥 孙慧智 孟海停

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

短程反硝化聚磷菌快速驯化对比研究*

刘 静 李 微#傅金祥 孙慧智 孟海停

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

短程反硝化聚磷菌(DPAOs)的驯化方法主要包括两阶段驯化法和三阶段驯化法。以模拟生活污水作为处理对象，利用序批式活性污泥反应器(SBR)进行DPAOs快速驯化方法对比研究。试验结果表明：两阶段驯化法出水中总磷(TP)质量浓度为0.789mg/L；三阶段驯化法亚硝酸盐氮、TP、COD去除率分别为94.73%、95.47%、89.96%，其出水质量浓度分别为1.311、0.453、17.072mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准。采用三阶段驯化法对DPAOs的驯化更加有利，缺氧阶段开始时外碳源浓度是两种驯化方法结果产生差异的主要因素。

短程反硝化除磷 序批式活性污泥反应器 三阶段驯化法 去除率

在厌氧/缺氧交替运行环境中，系统内的污泥能够以亚硝酸盐氮为电子受体进行除磷，同时具有反硝化脱氮的功能，这类聚磷菌被称为短程反硝化聚磷菌(DPAOs)。与以O2、硝酸盐氮为电子受体相比，利用亚硝酸盐氮为电子受体的DPAOs具有运行周期短、吸磷速率快的优势，耗氧量更少，能量消耗更低，缩短了反应时间[1-5]。这引起了一些学者对短程反硝化除磷技术的广泛研究，部分学者进行了短程反硝化除磷污泥的驯化研究，并探究了工艺运行条件、性能以及实际应用情况[6-8]；还有学者探讨了短程反硝化除磷的机制，同时研究底物种类及浓度、亚硝酸盐氮浓度、泥龄(SRT)、pH、温度等因子分别对短程反硝化除磷的影响，并在此基础上对该领域的研究提出了展望[9-11]。

目前短程反硝化除磷技术还停留在实验室研究阶段，DPAOs的驯化和富集是开展短程反硝化除磷技术研究的关键。本研究通过两种驯化方式(两阶段驯化法和三阶段驯化法)进行对比，寻求DPAOs快速驯化的方法，实现反应器的快速启动，旨在为推动短程反硝化除磷技术实际应用提供支持。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验采用圆柱形序批式活性污泥反应器(SBR)，如图1所示。反应器由双层有机玻璃制成，外层与电动恒温水浴锅相连，形成水浴循环加热，以保证系统处于恒温状态。圆柱内径为14 cm，高度为85 cm，有效容积12 L。反应器上部安装电动搅拌机，使泥水在反应过程中能够混合充分。下部安装微孔曝气盘，连接气体流量计，并设有DO在线监测仪，进而控制曝气量使DO处于允许范围内。为保证系统处于合适的pH范围内，设有pH在线监测仪，超出设定范围会发出报警信号，并通过蠕动泵加入酸性缓冲液或碱性缓冲液调节pH使其在允许范围内。在反应器底部设排泥孔，侧边设多个排水接样口。系统的进水、搅拌、曝气、排水等步骤皆由时控开关和电磁阀控制保证自动切换。

1—进水箱；2—时控开关；3—电磁阀；4—水泵；5—电动搅拌机；6—搅拌桨；7—亚硝酸盐加药箱；8—微孔曝气盘；9—排泥孔；10—气体流量计；11—空气泵；12—溶解氧(DO)在线监测仪；13—pH在线监测仪；14—酸性缓冲液；15—碱性缓冲液；16—排水接样口；17—电动恒温水浴锅；18—水浴进水口；19—水浴出水口；20—进水口；21—蠕动泵图1 DPAOs驯化装置Fig.1 Experimental setup of DPAOs

1.2 试验用水水质

试验采用人工配制模拟生活污水，主要水质成分由磷酸二氢钾、氯化铵、氯化钙、硫酸镁、无水乙酸钠、微量元素等提供，用碳酸氢钠调节进水pH为7.5～7.8，水质成分见表1。

表1 模拟生活污水水质成分

微量元素配比为：三氯化铁1.50 g/L，硼酸0.15 g/L，氯化钴0.15 g/L，硫酸铜0.03 g/L，氯化锰0.06 g/L，钼酸钠0.06 g/L，硫酸锌0.12 g/L，乙二胺四乙酸(EDTA) 10.00 g/L。

1.3 分析项目与方法

常规分析项目及分析方法主要参考文献[12]，如表2所示。

表2 主要分析项目及测定方法

2 运行过程

目前关于DPAOs的驯化方式大体分为两阶段驯化法(厌氧/好氧、厌氧/缺氧)和三阶段驯化法(厌氧/好氧、厌氧/排水/二次进水/缺氧、厌氧/缺氧)。两阶段驯化法：在第Ⅰ阶段对污泥采用厌氧/好氧模式进行驯化，该阶段使传统好氧聚磷菌成为系统内的优势菌种；第Ⅱ阶段采用厌氧/缺氧的方式继续驯化，缺氧条件通过向系统中连续滴加亚硝酸盐溶液的方式实现，使亚硝酸盐氮成为DPAOs吸磷的电子受体。当污水中磷酸盐去除率较高并且持续稳定时，认为DPAOs驯化成功。三阶段驯化法：在厌氧/好氧和厌氧/缺氧运行模式之间增加了一个环节——厌氧/排水/二次进水/缺氧，这一环节需要在厌氧反应结束时进行沉淀、排水，然后重新向系统内加入不含有外碳源的生活污水，这一步骤可以避免厌氧结束时，污水中未被消耗的外碳源对缺氧反硝化吸磷反应的影响，限制常规反硝化菌的生长繁殖。

本试验分别采用两阶段和三阶段驯化法，对以亚硝酸盐氮为电子受体的DPAOs进行培养驯化。试验所用污泥取自辽宁省抚顺市三宝屯污水处理厂的曝气池，取回闷曝48 h后等量投入A、B两个反应器中，A、B两个反应器分别采用两阶段驯化法和三阶段驯化法。运行期间，两个反应器进水水质相同，系统泥水体积比为1∶4， MLSS控制在3 500 mg/L左右，pH控制为7.5～7.8，污泥沉降比(SV)为30%，SRT为24 d，每天运行3个周期，每个周期运行5～6 h。具体运行模式见表3。

3 结果与分析

3.1 传统聚磷菌的驯化富集

该阶段TP平均进水质量浓度为10.000 mg/L，系统运行14 d。A、B两个反应器在第Ⅰ阶段的TP变化情况分别见图2和图3，COD变化情况见图4，两反应器运行方式及条件相同，所以趋势变化亦类似。聚磷菌利用污水中的营养物质，水解细胞内的聚磷产生能量，将污水中的外碳源转化成自身内碳源聚β-羟丁酸(PHB)储存，这一过程除去污水中的大部分有机物，表现为厌氧释磷；在好氧阶段利用内碳源物质超量吸磷，达到除磷目的。从图2、图3看出，系统初期磷去除效果不佳；图4表明，外碳源主要在厌氧阶段被消耗利用。1 d时，A、B两个反应器好氧出水TP质量浓度分别为5.613、6.502 mg/L。随着系统运行，TP去除效果逐渐增强。图2中，A反应器在8 d后厌氧释磷量下降，这是由于系统排水电磁阀故障，导致反应器内厌氧阶段进水从电磁阀流出，营养物质不足，影响厌氧释磷。9～14 d时，系统平稳运行，释磷量和磷去除效果都稳定上升。14 d时，两个系统在厌氧结束时TP质量浓度约为30.000 mg/L，释磷量约20.000 mg/L，好氧出水TP质量浓度小于0.500 mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。这说明传统聚磷菌成为两个系统中的优势菌种，即均实现了以O2为电子受体的传统聚磷菌的驯化，为下一步DPAOs的驯化富集提供了十分有利的条件。

表3 两种驯化方法运行模式

图2 A反应器第Ⅰ阶段TP变化情况Fig.2 Concentration variation of TP of A reactor in the first stage

3.2 DPAOs的驯化富集

经过第Ⅰ阶段的驯化，两个系统中已经富集大量传统聚磷菌，改变系统运行条件，停止好氧曝气，并投加亚硝酸盐作为缺氧吸磷电子受体，进行DPAOs的驯化。高浓度亚硝酸盐溶液对微生物生长有一定的毒性[13-14]，导致生物除磷系统恶化；若亚硝酸盐浓度过低，则反硝化除磷作用的电子受体不足，将无法达到除磷的最佳状态。所以本研究采取连续滴加的方式，控制缺氧阶段亚硝酸盐氮的投加由初始质量浓度10.000 mg/L逐渐增加至25.000 mg/L，给微生物一个缓冲适应过程。以下按照两阶段和三阶段驯化法对结果进行讨论。

图3 B反应器第Ⅰ阶段TP变化情况Fig.3 Concentration variation of TP of B reactor in the first stage

图4 A、B反应器第Ⅰ阶段COD变化情况Fig.4 Concentration variation of COD of A and B reactors in the first stage

3.2.1 两阶段驯化法

A反应器完成第Ⅰ阶段运行后，直接进入厌氧/缺氧阶段，该阶段历时30 d。厌氧阶段聚磷菌利用释磷所产生的能量吸收外碳源，并以PHB形式储存于体内，未被转化的外碳源进入到缺氧反应阶段；缺氧时DPAOs利用内碳源PHB超量吸磷而不需要外碳源，所以缺氧阶段过多存在外碳源会使系统内的反硝化菌首先利用碳源进行反硝化反应[15-16]，抑制DPAOs的生长繁殖等生命活动，不利于其成为系统优势菌种。COD在该阶段的浓度及去除率变化情况如图5所示。从图5可以看出，1 d时进水COD质量浓度为215.370 mg/L，厌氧结束后，系统内COD质量浓度为60.831 mg/L，缺氧运行结束后下降为25.633 mg/L。厌氧进水中外碳源供给量远大于吸收量，大量外碳源没有被利用，导致厌氧结束后COD出水浓度较高，缺氧阶段反硝化菌利用剩余外碳源对加入的亚硝酸盐氮进行反硝化，才使COD浓度进一步降低。2 d开始厌氧进水中COD的投加质量浓度降低至170.000 mg/L，此后厌氧结束后的COD质量浓度基本在32.000 mg/L左右，缺氧结束后COD质量浓度在20.000 mg/L左右，分析认为一部分外碳源作为营养物质满足微生物自身生长代谢需要，另一部分被系统中微量存在的常规异养反硝化菌所利用。

图5 A反应器第Ⅱ阶段COD质量浓度及去除率变化情况Fig.5 Concentration and removal rates variation of COD of A reactor in the second stage

图6为A反应器在第Ⅱ阶段系统内TP浓度、去除率以及亚硝酸盐氮去除率的变化情况。第Ⅱ阶段亚硝酸盐氮初始质量浓度约为10.000 mg/L。由图6可知，1 d时亚硝酸盐氮去除率高达89.61%，而在2 d时去除率骤降为32.33%，4 d以后，去除率逐渐升高。主要原因为：1 d时，厌氧结束后有剩余外碳源，大部分亚硝酸盐氮通过反硝化反应被去除；2 d时开始减少碳源投加量，使反应进入缺氧阶段时COD仅剩余32.170 mg/L，此时亚硝酸盐氮只能被少量存在的DPAOs去除，因此去除率骤降。随着反应的进行，DPAOs逐渐成为系统内的优势菌种，亚硝酸盐氮作为除磷电子受体，其去除率也逐渐升高。亚硝酸盐氮质量浓度增加到25.000 mg/L，出水中亚硝酸盐氮的质量浓度为1.709 mg/L，去除率最终在92.00%以上。厌氧释磷量在1～4 d有所下降，之后大致呈上升趋势。这是因为此时DPAOs是系统内的非优势菌种，所占数量比较少，而传统聚磷菌由于缺少O2电子受体，也不能发挥良好的除磷作用，随着驯化的进行，系统中DPAOs数量逐渐增加，成为系统的优势种群，TP去除率上升，从28 d开始稳定在92.00%左右。经30 d的驯化培养，COD、亚硝酸盐氮和TP的缺氧出水质量浓度分别为22.160、1.991、0.789 mg/L，达到 GB 18918—2002一级B标准，去除率分别达到87.04%、92.04%、92.11%。

图6 A反应器第Ⅱ阶段TP质量浓度、去除率及亚硝酸盐氮去除率变化情况Fig.6 Concentration，removal rate of TP and removal rate of nitrite nitrogen variation of A reactor in the second stage

3.2.2 三阶段驯化法

三阶段驯化法第Ⅱ阶段历时18 d，第Ⅲ阶段历时10 d，共28 d。图7为第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段B反应器系统内COD浓度变化情况。1 d时，进水COD质量浓度为215.370 mg/L，厌氧结束后，系统内COD质量浓度仍为60.835 mg/L，剩余外碳源过多，于是从2 d开始调节进水COD质量浓度约为170.000 mg/L；第Ⅱ阶段二次进水中不添加外碳源，经检测此时系统内COD质量浓度低于12.000 mg/L。

图8为第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段B反应器系统内TP浓度、去除率以及亚硝酸盐氮去除率变化情况。最初TP、亚硝酸盐氮去除率分别为50.34%、34.70%。原因为系统内能够以亚硝酸盐氮作为除磷电子受体的DPAOs数量还很少，除磷效果较差；外碳源不足使亚硝酸盐氮不能进行常规反硝化反应，只能被少量DPAOs去除，因此TP和亚硝酸盐氮去除率不高；由TP去除率也可获知，经第Ⅰ阶段厌氧/好氧驯化，系统中存在以亚硝酸盐氮为电子受体的DPAOs，所以可作为短程反硝化除磷工艺的种泥继续驯化。随着反应的进行，TP和亚硝酸盐氮的去除率逐渐上升。从图8看出，亚硝酸盐氮去除率和TP去除率变化有一定的趋同性，说明系统内已经存在相当数量的DPAOs。至18 d时，亚硝酸盐氮和TP的去除率都达到94.00%以上，说明经厌氧过程有效释磷后，DPAOs体内累积的大量PHB作为缺氧吸磷的电子供体，DPAOs同时利用亚硝酸盐氮作为电子受体，成功达到去除系统内的磷酸盐和亚硝酸盐的目的。

图7 B反应器第Ⅱ、Ⅲ阶段COD变化情况Fig.7 Concentration variation of COD of B reactor in the second and third stages

图8 B反应器第Ⅱ、Ⅲ阶段TP质量浓度、去除率以及亚硝酸盐氮去除率变化情况Fig.8 Concentration,removal rate of TP and removal rate of nitrite nitrogen variation of B reactor in the second and third stages

通过第Ⅱ阶段的驯化，系统内DPAOs已经成为优势种群。第Ⅲ阶段取消缺氧二次进水环节，并控制厌氧进水中COD/TP(质量比)为17，系统稳定运行10 d，使TP、亚硝酸盐氮和COD去除率分别达到95.47%、94.73%和89.96%，其质量浓度分别为0.453、1.311、17.072 mg/L，达到GB 18918—2002一级A标准，并且系统稳定运行，说明DPAOs驯化成功。

3.3 对比分析

两种驯化方式的结果表明，通过厌氧/缺氧方式可以成功驯化DPAOs，三阶段驯化法时间更短，效率更高，能达到更好的污水处理效果。主要原因在于：三阶段驯化法的第Ⅱ阶段将厌氧释磷后剩余的外碳源排出，并加入不含外碳源的二次进水，使得接下来的缺氧吸磷过程不受外碳源的干扰，可以认为缺氧阶段外碳源浓度对反硝化聚磷作用的影响很大。因为厌氧后期系统内还存在耗氧有机物，若厌氧结束外碳源剩余量过多，更利于传统反硝化菌在缺氧阶段发生反硝化反应，从而与DPAOs形成对电子受体的竞争，导致缺氧吸磷受到抑制，不利于DPAOs的生长繁殖。在低COD的条件下，细菌将利用内碳源进行反硝化同时除磷，因此，可以认为低COD环境将有利于诱导产生更多的DPAOs。

3.4 三阶段驯化法典型周期分析

图9所示为经三阶段驯化法成功启动后，B反应器典型周期运行情况。典型周期运行出水TP、COD和亚硝酸盐氮的质量浓度为0.473、22.391、1.579 mg/L，去除率分别为95.53%、87.01%、93.68%。从图9可以看出，厌氧过程(0～120 min)B反应器系统内TP浓度逐渐升高，COD浓度逐渐降低；120 min时，TP、COD质量浓度分别为32.838、25.930 mg/L，这是因为在厌氧污泥中，随着聚磷的分解生成磷酸盐，同时产生能量，使DPAOs吸收污水中的外碳源并以PHB的形式储存在体内。缺氧阶段(120～240 min)向系统投加质量浓度为25.000 mg/L的亚硝酸盐氮，从图9可以看出，缺氧过程中亚硝酸盐氮浓度逐渐降低，去除率增长，同时，TP浓度也呈下降趋势，出水TP质量浓度达到0.473 mg/L，COD浓度降低幅度较小。这说明亚硝酸盐氮绝大部分成为吸磷的电子受体而不是发生反硝化反应，DPAOs缺氧吸磷反应不需要外碳源，所以COD浓度变化极小，主要在厌氧阶段被去除，去除率达到84.75%。

图9 B反应器典型周期运行情况Fig.9 Running status of B reactor during a typical cycle

4 结 论

(1) 以周期培养的方式进行污泥的驯化，先培养传统聚磷菌使其成为系统内的优势菌种，再以连续滴加亚硝酸盐氮的方式富集DPAOs，短程反硝化除磷系统可以成功启动。

(2) 由A、B两个反应器运行得到的结果可知，无论是从驯化时间还是效率比较，三阶段驯化法更适合于DPAOs的驯化。两种方法的区别在于三阶段驯化法中第Ⅱ阶段缺氧进水水质，此阶段为三阶段驯化法驯化污泥的关键阶段，缺氧阶段开始时系统内COD浓度是影响DPAOs生长富集的主要因素。

(3) 反应器成功启动后，典型周期运行出水TP、COD和亚硝酸盐氮的出水质量浓度为0.473、22.391、1.579 mg/L，去除率分别为95.53%、87.01%、93.68%。短程反硝化除磷系统能够以亚硝酸盐氮作为电子受体并且稳定运行。

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Comparativestudyontheacclimationofshort-cutdenitrifyingphosphorus-accumulatingbacteria

LIUJing，LIWei，FUJinxiang，SUNHuizhi，MENGHaiting.

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,ShenyangLiaoning110168)

The acclimation means of short-cut denitrifying polyphosphate-accumulating organisms (DPAOs) mainly included two-phase acclimation and three-phase acclimation. Comparative study on rapid domestication of DPAOs by sequencing batch activated sludge reactor (SBR) with simulated domestic wastewater was conducted in this study. The results showed that the effluent concentration of TP was 0.789 mg/L in two-phase acclimation. The removal rates of nitrite nitrogen,TP and COD were 94.73%,95.47% and 89.96% in three-phase acclimation，with their effluent concentrations 1.311,0.453 and 17.072 mg/L,respectively,reaching Grade A of the first level standard of“Discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant”(GB 18918-2002). The three-stage acclimation method was more favorable for the acclimation of DPAOs. The external carbon source concentration at the beginning of the anoxic phase was a major factor for the difference between the results of the two acclimation methods.

short-cut denitrifying phosphorus removal； SBR； three-phase acclimation； removal rates

刘 静，女，1992年生，硕士研究生，研究方向为水污染控制理论与技术。#

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*国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2014ZX07202-011)；辽宁省科技厅科研基金项目(No.201501069)；辽宁省教育厅基金项目(No.LJZ2016014)；沈阳建筑大学学科涵育项目(No.XKHY2-83)；沈阳建筑大学博士后基金项目(No.SJZUBSH201626)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.004

2017-03-05)