反硝化聚磷菌脫氮除磷機理研究

劉丹丹 李 慧 陳文清

（四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都610065）

1 緒論

隨著經濟快速的發(fā)展，氮、磷逐漸增長為水體中的主要污染物［1］。近年來，具有高效、低耗的反硝化除磷工藝的開發(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進行脫氮除磷，反硝化聚磷菌在厭氧狀態(tài)下，聚磷菌通過糖酵解和水解釋放貯存的磷酸鹽獲得能量［2］，形成的能量儲存于細胞中。能量一部分用來維持聚磷菌的生存，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氣的同時進行超量吸磷作用，從而達到同時脫氮除磷的目的［3～5］。

國內外有不少學者對反硝化聚磷現象進行了研究。Kuba，Baker［6］等于1993年在試驗中也發(fā)現：在厭氧/缺氧交替運行的環(huán)境下更易富集反硝化聚磷菌。同年，Kerm－Jespersen等得出結論，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］等通過吸磷試驗、硝酸鹽還原產氣試驗及細菌染色等試驗，篩選出來四株反硝化聚磷菌。周康群［13］等利用SBR動態(tài)反應器，富集了反硝化聚磷菌。

2 實驗原理與方法

實驗設備包括SBR反應器、攪拌器、定時控制器、蠕動泵、微孔曝氣器、水溫控制器等。反應器由長方體聚乙烯塑料制成，有效容積為10L。本課題選用的污泥來源于成都市雙流航空港污水處理廠厭氧段污泥。

2.1 實驗材料

2.1.1 實驗人工合成廢水

本實驗采用人工合成廢水，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 反應器運行方式及其控制參數

根據聚磷菌的特性，將整個培養(yǎng)馴化分為3個階段。第1階段為厭氧/好氧條件，目的是使聚磷菌成為系統中的優(yōu)勢菌種。第2階段為厭氧/缺氧，在厭氧段結束后加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)勢菌種［11］。各階段運行模式見表2。

表2 SBR反應器運行模式

2.3 反硝化聚磷菌的分離、純化及篩選

用動態(tài)的SBR反應器對反硝化聚磷菌進行馴化富集［12］，是分離提純反硝化聚磷菌的開始，但要對反硝化聚磷菌進行深入的研究，須從活性污泥中分離篩選出反硝化聚磷菌，再通過對菌株的鑒定及生理生化特征研究，為更好的認識活性污泥生態(tài)系統、闡明反硝化聚磷機理提供理論和技術的支持。反硝化聚磷菌的分離、純化及篩選的過程圖如圖1［14～18］。

圖1 反硝化聚磷菌分離純化篩選過程

3 實驗結果

3.1 第一階段運行結果

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

圖2 第一階段總磷總氮去除率

由圖2可以看出，反應器處于第一階段的進水試運行階段和污泥馴化，系統中的微生物對環(huán)境有適應的過程，所以前期去除率下降，后期由于微生物適應了環(huán)境，所以去除率逐漸上升。反應器第一階段總氮的去除率由開始的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80%左右，反應器內污泥生長狀況良好。

3.2 第二階段運行結果與分析

由圖3中可以看出，第二階段總磷的去除率由開始的60%左右上升到75%左右，說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86%。這一階段COD的去除率由80%逐漸上升至90%，說明系統COD的去除率穩(wěn)定且高效。經過第二階段的培養(yǎng)，裝置內反硝化除磷的效果更加明顯，說明通過馴化反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例升高，逐漸成為整個體系中的優(yōu)勢菌種。

圖3 第二階段總磷總氮COD去除率

3.3 第三階段運行結果與分析

由圖4可以看出，總磷的去除率平均在80%左右。在后幾天運行時，由于污泥濃度有一些變化導致去除率有一些波動。這一階段總氮的去除率平均保持在90%左右，變化趨勢與總磷的變化趨勢相同。經這一階段的培養(yǎng)運行，此時系統穩(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。為了進一步研究系統的污染物去除情況以及反硝化聚磷菌的代謝原理，在運行第三階段運行一段時間后，每隔30min取一周期（即8h）內的水樣用以測定其污染物的濃度變化情況。測定結果如圖5。

圖5 一周期內總磷、總氮、COD濃度變化

如圖5所示，在一周期內的前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，反硝化聚磷菌此時進行反硝化作用，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，說明系統內富集了一定數量的反硝化聚磷菌。

反硝化聚磷菌篩選鑒定

經過如圖1的過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)基通過厭氧－缺氧培養(yǎng)中脫氮除磷效率均較高的菌種。通過在高濃度磷酸鹽及低濃度磷酸鹽條件下進行吸磷實驗、硝酸鹽還原產氣實驗及對細菌進行類脂肪顆粒染色、異染顆粒染色、革蘭氏染色等實驗，篩選出四株反硝化聚磷菌。并對這四種菌進行菌落特征分析，分析結果如表3。

表3 細菌菌落特征

4 結論

在SBR反應器內以乙酸鈉為碳源，經過厭氧/缺氧交替運行，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。富集后系統達到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MLSS適宜控制在3500～4500mg/L之間。對于篩選出來的菌種需要進一步做DNA鑒定，確定細菌種類。

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