一體化工藝中反硝化聚磷菌比例測定研究

荊肇乾 1， 呂錫武 2

（1.南京林業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 210037； 2.東南大學環(huán)境科學與工程系，江蘇 南京 210096）

摘 要：反硝化聚磷菌可以在缺氧條件下利用硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮作為電子受體完成吸磷過程，確定反硝化聚磷菌比例對于強化反硝化除磷作用具有重要意義。從一體化活性污泥工藝中取污泥混合液，加入蔗糖合 200mg/L COD 后進行厭氧攪拌，2h 后將厭氧污泥分成三等份，其中兩份分別加入 10mg/L NO --N、10mg/L NO --N 后缺氧攪拌 2h，另一份用充氧儀曝氣 2h。根據(jù)厭氧、缺氧/好氧交替過程中不同電子受體下的除磷量，可以簡便的確定反硝化聚磷菌在全部聚磷菌中的比例，結果表明該一體化工藝中反硝化聚磷菌在全部聚磷菌中的比例達到 98.92%。

關鍵詞：反硝化聚磷菌； 電子受體； 除磷量； 一體化活性污泥工藝

中圖分類號：X703.1          文獻標志碼：A           文章編號：1003-6504(2009)09-0001-04

Determination of Denitrifying Phosphorus Accumulating Organisms Proportion in Integrated Process

JING Zhao-qian1， LV Xi-wu2

（1.College of Civil Engineering，Nanjing Forest University，Nanjing 210037，China； 2.Department of Environment Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Abstract：Denitrifying phosphorus accumulating organisms （DPAOs） can accomplish phosphorus uptake with nitrate and nitrite as electron acceptors under anoxic conditions. It is vital for enhanced denitrifying phosphorus removal to quantify the proportion of DPAOs. Mixed liquor was derived from an integrated activated sludge process and mixed with 200mg/L COD

（sucrose） under anaerobic conditions. After two hours，anaerobic sludge was divided into three parts，and two of them were exposed to anoxic condition with 10mg/L nitrate and 10mg/L nitrite respectively for 2h，while the other was exposed to aerobic condition with an aerator for 2h. According to phosphorus removal capacity in anaerobic/anoxic and aerobic alternation with different electron acceptors，proportion of DPAOs in total phosphorus accumulating organisms （PAOs） could be determined simply and explicitly. Results indicated that proportion of DPAOs was up to 98.92% of all PAOs in integrated process.

Key words：denitrifying phosphorus accumulating organisms （DPAOs）；electron acceptor；phosphorus removal capacity；

integrated activated sludge process.

常規(guī)生物除磷脫氮工藝由于聚磷菌和反硝化菌對有機物存在競爭，對有機物需求量較高。近年來的一些研究表明在缺氧條件下出現(xiàn)了磷的吸收現(xiàn)象，證明一部分聚磷菌可以在缺氧條件下利用硝酸鹽作為電子受體完成吸磷過程，參與這一過程的聚磷菌稱為反硝化聚磷菌。反硝化聚磷菌可以在缺氧環(huán)境吸收磷，吸磷和反硝化脫氮這兩個生物過程同時完成，有機物同時用于除磷和脫氮過程，不僅節(jié)省了脫氮對碳源的需要[1-2]，而且吸磷在缺氧段完成可節(jié)省曝氣所需要的能源，剩余污泥量也大大降低。強化反硝化除磷作用對于協(xié)調解決除磷和脫氮的矛盾具有重要意義， 目前已經(jīng)成為污水除磷脫氮處理的研究熱點。

如何確定反硝化聚磷菌構成對于強化反硝化除磷作用、提高除磷脫氮效果尤為重要。隨著分子生物學技術的發(fā)展，關于聚磷菌組成的研究進一步深入， 有研究者發(fā)現(xiàn) α-變形細菌、β-變形細菌等參與了聚磷過程[3-4]，但不同研究者關于聚磷菌組成的研究結果存在較大差異。而既能參與反硝化又能參與除磷過程的反硝化聚磷菌的鑒別和定量更為困難。Hu[5]等提出通過厭氧、好氧/缺氧交替的試驗方法，分別以硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和氧氣作為電子受體，根據(jù)厭氧、好氧/ 缺氧交替過程中的除磷量近似反映不同聚磷菌的比例。根據(jù)此方法可以確定以硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮為電子受體的聚磷菌即反硝化聚磷菌在全部聚磷菌中的比例。通過優(yōu)化除磷脫氮工藝中厭氧、缺氧/好氧的時間和空間交替，加強DO 等參數(shù)控制，可以促進反硝化聚磷菌增殖從而提高除磷脫氮效果。

1       反硝化聚磷菌比例確定的試驗方法

相關反硝化除磷試驗表明 NO --N 和 NO --N 均能參與反硝化除磷過程[6]，因而聚磷菌可以分為三類：

PO：僅能利用氧氣作為電子受體的聚磷菌；

PON：既能利用氧氣又能利用硝酸鹽氮作為電子受體的聚磷菌；

PONn：能以氧氣、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮作為電子受體的聚磷菌。

事實上由于參與除磷的聚磷菌種類繁多，各種聚磷菌在不同條件下的除磷性能也存在差異，難以對這種差異進行定量分析。為研究方便，設定能以硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮為電子受體的聚磷菌可以在缺氧和好氧狀態(tài)下以同樣的速度吸收磷，僅能利用氧氣作為電子受體的聚磷菌在缺氧狀態(tài)下不起作用[7-8]，因而可以通過三種電子受體的除磷試驗測定不同聚磷菌的比例。將經(jīng)過厭氧釋磷的污泥混合液分成三等份，其中兩份分別加 NO --N 和 NO --N 缺氧攪拌，另一份曝氣，比較三種條件下磷的吸收量 MONn、MON、MO，可以確定三種類型的聚磷菌比例：

PO / P（%）=（MO-MON）/MO×100%                        （1）

PON / P（%）=（MON-MONn）/MO×100%                     （2）

PONn / P（%）=MONn / MO×100%                            （3）

PONn / P（%）=1-（PO / P+PON / P）               （4）據(jù)式（1~4）可算出利用不同電子受體的聚磷菌比

例。僅利用氧氣作為電子受體的聚磷菌比例是好氧除磷量和硝酸鹽氮反硝化除磷量之差與好氧除磷量的比值；僅利用氧氣和硝酸鹽氮而不利用亞硝酸鹽氮的聚磷菌比例為硝酸鹽氮反硝化除磷量和亞硝酸鹽氮反硝化除磷量之差與好氧除磷量的比值；亞硝酸鹽氮反硝化除磷量與好氧除磷量的比值為能利用氧氣、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮三種電子受體的聚磷菌比例。

以圖 1 所示的一體化活性污泥工藝進行試驗分析，該工藝主體是一個分隔成五個矩形單元的活性污泥反應池，通過各個池子交替進出水和運行狀態(tài)的交替組合，創(chuàng)造良好的厭氧、缺氧和好氧條件以除磷脫氮，通過進出水位置轉換實現(xiàn)污泥和混合液的循環(huán)流動和自動回流，不需要外加污泥和混合液回流措施。該工藝在時間和空間上存在厭氧、缺氧和好氧的交替，在單泥系統(tǒng)中促進了硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的共同生長，也為反硝化聚磷菌的增殖提供了條件。

         該工藝周期交替運行，下半周期中 1＃ 池作為出水池，DO 和 NO --N 濃度較低，其污泥混合液比較容易實現(xiàn)厭氧釋磷狀態(tài)。取階段七 1＃ 出水池混合液，污泥濃度為 3480mg/L，加蔗糖合 200mg/L COD、2mg/L PO 3--P，水溫為 22.6℃，先厭氧攪拌，2h 后將其分成三份，其中兩份分別加入 10mg/L NO --N、10mg/L NO --N缺氧攪拌 2h，另一份曝氣 2h（曝氣量為 0.02m3 空氣/h）。在整個過程中，每 30min 取樣檢測上清液中 TP 濃度在厭氧、缺氧及好氧交替過程中變化，并跟蹤檢測NO --N 和 NO --N 隨 TP 濃度變化，以確定在三種電子受體下的除磷效果，進而利用公式（1~4）確定不同類型聚磷菌比例。監(jiān)測分析方法：COD：重鉻酸鉀法（GB11914-89）； TP：鉬酸銨分光光度法（GB11893-89）；NO3--N：酚二磺酸分光光度法（GB7480-87）；NO --N：N-（1-萘基）-乙二胺光度法（GB7493-87）；污泥濃度：重量法。

            2       試驗結果分析

如圖 2 所示，加入蔗糖進行厭氧攪拌，經(jīng)過 2h 厭氧結束時 TP 濃度達到 10.52mg/L，厭氧結束后分三等份，兩份分別加入 NO --N、NO --N 缺氧攪拌，一份曝氣，三者均出現(xiàn) TP 濃度迅速下降現(xiàn)象。在開始階段加 NO3--N 缺氧攪拌 TP 濃度下降較快，在 120min~ 130min 之間濃度從 10.52mg/L 降為 1.89mg/L，加NO --N 缺氧攪拌 TP 濃度下降稍慢，曝氣過程中 TP 下降速度較慢，說明在曝氣開始階段由于 DO 較低， 沒有轉變?yōu)橥耆醚鯛顟B(tài)，磷吸收速率較慢。但隨著好氧狀態(tài)的實現(xiàn)，曝氣過程的磷吸收速率在 130min 后迅速提高， 經(jīng)過 2h 的曝氣殘余 TP 濃度僅為0.29mg/L，與兩種缺氧反硝化除磷方式相比，除磷更完全。

曝氣過程磷吸收量 MO  為 10.23mg/L，加 NO3--N和 NO2--N 缺氧攪拌反硝化除磷量 MON、MONn 分別為10.12mg/L、10.00mg/L。按照公式（1 ~4）計算得 PO/P（%）、PON /P （%）、PONn /P 分別為 1.08%、1.17%、97.75%， 即能利用三種電子受體的聚磷菌占優(yōu)勢，說明該一體化活性污泥工藝污泥中聚磷菌既能好氧吸磷，又能缺氧利用硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮高效除磷，能利用硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的反硝化聚磷菌比例高達98.92%。如圖 3、4 所示，在反硝化過程中隨著 NO --N 和NO --N 濃度逐漸下降，TP 濃度降低。以 NO --N 為電子受體的反硝化除磷過程中，磷的吸收量為 10.12mg/L，NO3--N 濃度消耗 8.7mg/L；在以 NO2--N 為電子受體的反硝化除磷中，磷的吸收量為 10mg/L，NO2--N 濃度消耗 9.76mg/L。

三種電子受體下的除磷情況總結于表 1 中。以O2 為電子受體時除磷較完全，磷吸收率達到 97.24%。以 NO3--N 為電子受體時較大吸磷速度較大，達到14.9mgP/gMLSS·h；以 NO --N 為電子受體次之，達到13.5mgP/gMLSS·h；以 O2 為電子受體時較大吸磷速度較低，僅為 6.10mgP/gMLSS·h。由于 NO3--N 中 N 為正五價，NO --N 中 N 為正三價，反硝化過程中充當電子受體時對 NO --N 需求量大于對 NO --N 需求量，NO --N 的較大反硝化速度也較 NO --N 大。

3   結論

（1）                對于具有除磷脫氮功能的活性污泥工藝，取其污泥混合液進行厭氧釋磷、好氧吸磷及缺氧吸磷交替試驗，通過檢測交替運行過程中 TP 濃度變化，可以確定利用不同電子受體的除磷量和聚磷菌比例，進而鹽氮為電子受體的反硝化除磷作用，可以大大降低除磷脫氮作用對碳源的競爭，節(jié)省氧氣供應量，減少剩余污泥量，在有效除磷脫氮的同時，取得明顯節(jié)能降耗效果。

   （2）                 本研究以一個在時間和空間上存在厭氧、缺氧和好氧交替的一體化活性污泥工藝中污泥進行試驗，結果表明 PO/ P（%）、PON / P（%）、PONn / P 分別為 1.08%、

1.17%、97.75%，能利用硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的反硝化聚磷菌比例高達 98.92%。通過優(yōu)化除磷脫氮工藝反應器組合和狀態(tài)控制，有利于促進反硝化聚磷菌增殖。

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