聚磷菌和聚糖菌反硝化除磷的研究分析

王建輝，張咪娜，林 爽，趙 鑫，辛思雨，孫 鳳

(1.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130118；2.吉林省中盛設(shè)計(jì)咨詢股份有限公司市政分院，長春 130000)

0 引言

反硝化除磷系統(tǒng)是處理磷對水體的污染的生物處理技術(shù)。聚磷菌和聚糖菌是污水生物除磷中兩個重要的微生物。同時，反硝化聚磷菌能在厭氧下釋磷，缺氧狀態(tài)下吸磷，并能還原硝酸鹽和亞硝酸鹽。但研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的除磷能力惡化時，聚磷菌的反硝化能力依然很強(qiáng)。而聚糖菌中亦存在反硝化聚糖菌，雖不吸磷但可進(jìn)行反硝化，且聚糖菌會積累少量的亞硝酸鹽，國內(nèi)外對關(guān)于聚磷菌和聚糖菌反硝化除磷的研究仍然匱乏，阻礙了優(yōu)化和控制工藝的穩(wěn)定性和可靠性。明確反硝化除磷的機(jī)理，分析影響反硝化除磷的因素，如碳源種類、電子受體類型、進(jìn)水C/N、污泥齡和pH值等，對于提高反硝化除磷工藝的穩(wěn)定性具有重大意義。合理地控制這些影響因素，能使反硝化除磷系統(tǒng)高效穩(wěn)定地運(yùn)行，同時能減少能耗和降低成本等。

1 聚磷菌和聚糖菌的代謝機(jī)理

1.1 聚磷菌的代謝機(jī)理

厭氧條件下無機(jī)磷的釋放。聚磷菌首先分解體內(nèi)的ATP和聚磷酸鹽，形成ADP和能量，釋放Pi于污水中。聚磷菌攝取外界環(huán)境中的有機(jī)物，利用NADH2和能量合成聚β羥基丁酸(PHB)儲存于細(xì)胞體內(nèi)。好氧條件下無機(jī)磷過剩攝取。聚磷菌有氧呼吸，不斷氧化分解體內(nèi)儲存的聚β羥基丁酸，并釋放能量，除一小部分能量是聚磷菌分解其體內(nèi)的聚磷酸鹽取得之外，大部分都是聚磷菌利用能量通過主動輸送的方式將外部環(huán)境中的Pi攝入體內(nèi)，一部分合成ATP，另一部分合成聚磷酸鹽，儲存在細(xì)胞體內(nèi)。聚磷菌代謝過程如圖1所示。

圖1 聚磷菌代謝過程[1]

1.2 聚糖菌的代謝機(jī)理

聚磷菌和聚糖菌的代謝機(jī)理不同的地方在于吸收基質(zhì)時有著不同來源的能量。厭氧條件下聚糖菌分解體內(nèi)的糖元來提供能量，用于吸收有機(jī)基質(zhì)在細(xì)胞體內(nèi)合成聚羥基脂肪酸酯(PHA)，但不釋磷。好氧條件下分解細(xì)胞體內(nèi)儲存的PHA，用于糖元的合成、微生物生長和細(xì)胞生命活動的維持，但不聚集磷，其細(xì)胞內(nèi)的糖元即可提供能源又可維持體內(nèi)氧化還原代謝的平衡(提供還原力)[2]。

圖2為聚糖菌代謝機(jī)理，圖2(a)是厭氧下條件聚糖菌通過糖酵解分解糖元形成ATP、丙酮酸和NADH+H+。丙酮酸鹽轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A和丙酰輔酶A，然后通過聚合作用生成PHA。圖2(b)是好氧條件下聚糖菌氧化細(xì)胞內(nèi)的PHA并產(chǎn)生ATP。首先PHA轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A和丙酰輔酶A，然后在聚糖菌作用下進(jìn)行糖元合成和TCA循環(huán)，產(chǎn)生NADH+H+，并通過電子傳遞鏈的方式產(chǎn)生ATP，最后進(jìn)行合成代謝。

(a)厭氧代謝過程

(b)好氧代謝過程圖2 聚糖菌代謝過程[3]

2 反硝化除磷的影響因素

在強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)中，厭氧區(qū)中的揮發(fā)性脂肪酸數(shù)量有限，如果聚糖菌利用大量揮發(fā)性脂肪酸，則聚磷菌可利用的揮發(fā)性脂肪酸將減少，從而除磷效率下降。很多研究者已對反硝化除磷因素作了研究，關(guān)于影響聚磷菌與聚糖菌相互競爭的因素主要集中在碳源種類[4]、C/N[5]、電子類型受體[6-7]、SRT、pH值上。

2.1 碳源種類

表1 不同碳源厭氧釋磷、COD降解計(jì)量表[11]

2.2 電子受體類型

表2 不同碳源的吸磷計(jì)量表[11]

(a)

(b)

(c)圖3 不同電子受體吸磷變化[13]

2.3 進(jìn)水C/N

2.4 污泥齡

較短的污泥齡會影響聚磷菌的生存，污泥齡過長使除磷效果降低。因此，反硝化除磷中合理控制污泥齡很重要。呂絳等[18]在A/A/O工藝中研究污泥齡對反硝化除磷的影響中，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，由表4可看出污泥齡為10 d時反硝化除磷作用最好。但陳銀廣等[19]以A/A/O工藝為研究對象，進(jìn)行污泥齡為8、10、12、15 d時反硝化除磷的影響研究。圖4中，污泥齡8 d時缺氧吸磷貢獻(xiàn)率為8.4%，此時，反硝化除磷作用很弱。污泥齡達(dá)到12 d時為41.6%，缺氧吸磷的作用明顯。污泥齡增加至15 d時缺氧吸磷貢獻(xiàn)率沒有增加，但其缺氧吸磷貢獻(xiàn)率降低。因此，在A/A/O工藝中，10～12 d是污泥齡的理想時間，此時反硝化除磷效果好。

表3 不同C/N下去磷效果及PHA分析

2.5 pH

pH過高或過低都會對反硝化除磷系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，控制pH在合適范圍內(nèi)對于反硝化除磷至關(guān)重要。表5是周俊[20]研究的pH對系統(tǒng)反硝化除磷效能的影響，pH=7.5時TP的去除率為94.15%，pH=8.5時去除率還有90.5%，兩者平均出水TP質(zhì)量濃度相差不大，隨著pH下降到6.5時，去除率就只有78.72%，且平均出水TP質(zhì)量濃度大幅上升。圖4是反硝化除磷系統(tǒng)厭氧—缺氧馴化時期對pH的變化規(guī)律[21]。在0～100 min時處于厭氧階段，可看出pH上升幅度不大，100～200 min時處于缺氧階段，pH上升至9左右并保持穩(wěn)定。由此，pH的理想范圍是7～8為宜。

表4 不同污泥齡下反硝化除磷效果

表5 不同pH對系統(tǒng)TP的去除效果

圖4 反硝化除磷系統(tǒng)pH變化規(guī)律[23]

3 結(jié)語

反硝化除磷工藝從基礎(chǔ)性的研究階段進(jìn)入到了工程應(yīng)用階段，但其流程較復(fù)雜，需要我們更深入地研究和優(yōu)化工藝。因活性污泥微生物之間存在競爭和共生的關(guān)系，會影響反硝化除磷工藝，需要更多的實(shí)驗(yàn)來研究反硝化除磷系統(tǒng)。硝酸鹽作為理想的電子受體，能夠減少碳源，尤其是氧的消耗，同時節(jié)省費(fèi)用。為使反硝化除磷系統(tǒng)在未來發(fā)展有更廣闊的空間，可開發(fā)新型的在線監(jiān)測技術(shù)來增加反硝化除磷系統(tǒng)的可控性；結(jié)合現(xiàn)有的污水處理工藝，將脫氮和除磷有機(jī)結(jié)合在一起。