應(yīng)用聚糖菌的一些水處理新工藝的研究進(jìn)展*

秦余春，何廣宏，鹿 野，成 亮

（1.中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司，北京 100011；2.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1977 年TAKII 發(fā)現(xiàn)在活性污泥中存在著一類聚糖微生物，此類微生物在強(qiáng)化生物除磷（EBPR）系統(tǒng)中同樣能夠累積聚羥基烷酸（PHAs-polyhydroxyalkanoate），為了與聚磷菌（PAOs）區(qū)別，人們將之稱為聚糖菌（GAOs, glycogen-accumulating organisms），GAOs 與 PAOs 之間的競(jìng)爭(zhēng)常常會(huì)導(dǎo)致 EBPR系統(tǒng)除磷效果的惡化[1,2]，為了抑制GAOs 的生長(zhǎng)和富集，以維持EBPR 系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，厘清GAOs 與PAOs 的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和影響因素成為研究熱點(diǎn)之一[3-5]，此方面的研究進(jìn)展報(bào)道較多[6,7]，然而針對(duì)基于GAOs對(duì)內(nèi)碳源的儲(chǔ)存和其反硝化功能構(gòu)建的一些新工藝的綜合報(bào)道仍然較少。

本文結(jié)合近些年相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)GAOs 的反硝化功能的研究、基于GAOs 構(gòu)建的新型生物膜體系，以及包含GAOs 的EBPR 相關(guān)耦合工藝系統(tǒng)的研究進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)和介紹，旨在為后續(xù)GAOs 的相關(guān)研究和應(yīng)用提供理論參考。

1 聚糖菌種群類型及其反硝化功能

反硝化作用是指具有反硝化功能的細(xì)菌在缺氧條件下，以硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮作為電子受體，通過反硝化還原酶的作用，將和最終轉(zhuǎn)變?yōu)镹2的生化反應(yīng)過程。反硝化過程是污水脫除總氮的重要途徑，研究各GAOs 的菌種分支并確定其反硝化功能，將有益于生化系統(tǒng)脫氮功能的提升。

早期人們通過非純培養(yǎng)的方式結(jié)合組織化學(xué)的方法，對(duì)GAOs 進(jìn)行了富集和鑒定，發(fā)現(xiàn)大多GAOs隸屬于變形菌綱，其中最主要的菌種是“Candidatus Competibacter phosphatis”和一種與“Defluviicoccus vanus”相近的細(xì)菌，分別來自γ-變形菌綱和α-變形菌綱[6]。

“Candidatus Competibacter phosphatis”簡(jiǎn)稱為Competibacter，包含 8 個(gè)分支：GB1-GB8，其中 GB8是KIM 在EBPR 系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的，但具體功能尚不明確[8,9]，GB1、GB4 和 GB5 能夠以為電子受體進(jìn)行反硝化，而GB6 能夠以為電子受體進(jìn)行反硝化[10,11]。與“Defluviicoccus vanus”相近的細(xì)菌簡(jiǎn)稱為Defluviicoccus，包含4 個(gè)分支：ClusterⅠ-Cluster Ⅳ，其中ClusterⅠ能夠以為電子受體進(jìn)行反硝化[12]，而ClusterⅡ不具備反硝化功能，ClusterⅢ和ClusterⅣ的具體功能尚不明確[13]，仍需繼續(xù)研究。

2 GAOs 的反硝化功能實(shí)驗(yàn)研究及代謝機(jī)理

劉小芳[14]等在SBR 反應(yīng)器中以乙酸鈉為碳源、為電子受體富集了反硝化聚糖菌（DGAOs，denitrifying glycogen accumulating organisms），并采用批次實(shí)驗(yàn)考察了不同電子受體對(duì)DGAOs 反硝化性能的影響。發(fā)現(xiàn)以為電子受體長(zhǎng)期培養(yǎng)的DGAOs 系統(tǒng)，對(duì)同樣具有良好的反硝化性能，這與上述GAOs 的幾個(gè)分支能夠以為電子受體進(jìn)行反硝化的結(jié)論相吻合。

研究表明，GAOs 能夠以內(nèi)碳源為碳源進(jìn)行反硝化，具體地在厭氧時(shí)吸收和存儲(chǔ)污水中揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）合成 PHAs，好氧時(shí)分解 PHAs 合成糖原，而在缺氧時(shí)GAOs 能夠以為電子受體，分解胞內(nèi)儲(chǔ)藏的PHA，通過內(nèi)源反硝化實(shí)現(xiàn)有限碳源情況下的生化脫氮[13,15,16]。而常爍等[11]研究GAOs 的反硝化功能和代謝機(jī)理時(shí)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)DGAOs 在進(jìn)行內(nèi)源反硝時(shí)首先利用為電子受體耗盡后再利用

圖1 聚糖菌反硝化過程代謝機(jī)理Fig.1 Denitrification metabolic mechanism of GAOs

賈淑媛等[17]進(jìn)一步研究了GAOs 內(nèi)源反硝化時(shí)利用內(nèi)碳源的次序及以為電子受體時(shí)的內(nèi)源反硝化的速率，發(fā)現(xiàn)：GAOs 在厭氧時(shí)利用糖原酵解提供的能量和還原力，吸收葡萄糖并合成（poly-β-hydroxyvalerate, PHV）和聚 β-羥基丁酸酯（poly-β-hydroxyvalerate, PHB）儲(chǔ)存在胞內(nèi)，在缺氧階段的內(nèi)源反硝化過程中會(huì)依次利用胞內(nèi)的PHV 和PHB 和gly 作為內(nèi)碳源進(jìn)行內(nèi)碳源反硝化；在22℃時(shí)常溫短程內(nèi)源反硝化速率約是全程內(nèi)源反硝化速率的3 倍。

GAOs 對(duì)有機(jī)物的存儲(chǔ)及內(nèi)源反硝化特性的發(fā)現(xiàn)和研究，為低碳氮比廢水的處理研究和反硝化效率的提升，提供了新的研究方向。

3 基于GAOs 的新型生物膜

基于GAOs 能夠存儲(chǔ)和利用污水中的有限碳源的功能，F(xiàn)LAVIGNY 等[18]以富集了GAOs 的活性污泥和微生物載體為基礎(chǔ)，構(gòu)建了微生物膜反應(yīng)器，以合成廢水為處理對(duì)象，研究同樣證明，GAOs 在厭氧時(shí)能夠?qū)⑷芙庑杂袡C(jī)物以PHAs 的形式進(jìn)行儲(chǔ)存，好氧時(shí)通過將微生物膜與空氣直接接觸可以氧化分解GAOs 儲(chǔ)存的PHAs，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的有效降解。

隨后，基于GAOs 的內(nèi)源反硝化功能，HOSSAIN、CHENG 和FLAVIGNY 等[19,20]在微生物載體上依次負(fù)載GAOs、沸石以及硝化細(xì)菌構(gòu)建了新型三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合微生物膜體系，見圖2。

圖2 包含GAOs 的微生物膜示意圖Fig.2 Schematic diagram of biofilm containing GAOs

該復(fù)合微生物膜由內(nèi)至外分別為GAOs 生物膜層、沸石層及硝化細(xì)菌層。該體系在處理合成廢水時(shí)可分為兩個(gè)階段，第一階段：GAOs 生物膜和沸石可以吸附幾乎100%的可生化有機(jī)物和85%的氨氮，第二階段通過將微生物膜與空氣直接接觸，利用生物膜外層的硝化作用將沸石吸附的氨氮氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，同時(shí)內(nèi)層的GAOs 細(xì)菌利用第一階段儲(chǔ)存的有機(jī)物作為碳源進(jìn)行反硝化，將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為N2排出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化（SND）。

基于GAOs 的新型生物膜體系的建立，為GAOs的利用、微生物膜工藝在降低運(yùn)行成本方面的改進(jìn)提供了新的研究方向。

4 含有GAOs 的EBPR 相關(guān)耦合工藝

與抑制EBPR 系統(tǒng)中GAOs 的生長(zhǎng)相反，趙驥、王曉霞等[21-24]利用GAOs 能夠存儲(chǔ)有限碳源和其反硝化功能，將同時(shí)含有PAOs、GAOs 的強(qiáng)化生物除磷（EBPR）系統(tǒng)與同步硝化反硝化（SND）、同步硝化內(nèi)源反硝化（SNED）及反硝化除磷（DPR）工藝進(jìn)行耦合，分別建立了同步硝化內(nèi)源反硝化除磷（SNEDPR）系統(tǒng)、同步短程硝化內(nèi)源反硝化除磷（SPNEDPR）系統(tǒng)和反硝化除磷耦合同步硝化內(nèi)源反硝化（DPR-SNED）系統(tǒng)，以低碳氮比生活污水為處理對(duì)象，對(duì)各系統(tǒng)的運(yùn)行條件和脫氮除磷特性等進(jìn)行了研究和考察。各系統(tǒng)基本信息見表1。

表1 包含GAOs 的EBPR 耦合工藝系統(tǒng)的基本信息Tab.1 Basic information of coupling processes of EBPR system containing GAOs

趙驥等[21]研究 SNEDPR 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)：（1）將好氧DO 濃度控制在1.0~1.5mg·L-1，有利于厭氧階段 PAOs 和 GAOs 對(duì)內(nèi)碳源（PHA）的儲(chǔ)存；（2）好氧段SND 作用明顯，耦合系統(tǒng)TN 和去除率分別高達(dá)85%和94%。王曉霞等[22]進(jìn)一步對(duì)SNEDPR系統(tǒng)的運(yùn)行條件進(jìn)行了優(yōu)化，將好氧段DO 濃度降低至 0.3mg·L-1，好氧時(shí)間從 150min 延長(zhǎng)至 240min，厭氧段控制在180min，發(fā)現(xiàn)：（1）低濃度DO 有利于GAOs 對(duì)COD 的更多儲(chǔ)存并用于反硝化脫氮，有利于SNED 過程的實(shí)現(xiàn)；（2）PAOs 的除磷性能幾乎未受GAOs 的影響，TN 去除率高達(dá)84%、出水濃度穩(wěn)定低于 1mg·L-1。

王淑瑩等[23]在研究SPNED-PR 系統(tǒng)時(shí)，考察了不同和及厭氧（150min）/低氧（180min，DO 濃度為 0.5~0.7mg·L-1） 條件下的系統(tǒng)運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)：（1）GAOs 和PAO 之間不存在DO的競(jìng)爭(zhēng)，系統(tǒng)出水濃度低于 0.5mg·L-1；（2）GAOs 具有高于PAOs 的內(nèi)源反硝化活性和亞硝酸鹽耐受力主要通過GAOs 去除，減輕了高濃度（26.2~39.9mg·L-1）對(duì) PAOs 反硝化吸磷的抑制；（3）GAOs 的內(nèi)源短程反硝化特性保證了系統(tǒng)的高效脫氮，NH4+-N 去除率高達(dá)95%，TN 去除率達(dá)80%以上。

杜世明等[24]在 SNEDPR 系統(tǒng)基礎(chǔ)上，控制DO濃度為 0.5~1.0mg·L-1，在厭氧（180min）/缺氧（180 min）/低氧（150min）條件下經(jīng)過 45d 的馴化成功啟動(dòng)了 DPR-SNED 系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)：（1）系統(tǒng) SNED 效率為62%左右；（2）系統(tǒng) P、COD 去除率均維持在 90%以上，N 去除率維持在88%左右；（3）證明了厭氧段PAOs與GAOs 可以共存并對(duì)城市污水有限碳源進(jìn)行充分利用和強(qiáng)化儲(chǔ)存，為后續(xù)缺氧段及好氧段的脫氮除磷提供充足的內(nèi)碳源。

上述研究結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)于含有GAOs 的EBPR 系統(tǒng)，通過控制厭氧段及好氧段DO濃度、反應(yīng)時(shí)間，可以使GAOs 與PAOs 很好地共存，不影響系統(tǒng)的除磷效果，GAOs 的存在反而更有利于系統(tǒng)的脫氮；利用GAOs 和PAOs 對(duì)有限碳源的強(qiáng)化儲(chǔ)存、GAOs 的反硝化功能，可以將EBPR 系統(tǒng)與SND、SNED 及反硝化除磷(DPR)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)低碳氮比生活污水的良好處理，為低碳比實(shí)際污水的生化同步脫氮除磷奠定了基礎(chǔ)，但對(duì)于工程應(yīng)用而言，還需要考察實(shí)際污水水溫變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效果的影響。

5 結(jié)論與展望

通過對(duì)GAOs 在污水處理一些新工藝方面的研究結(jié)果的總結(jié)和分析發(fā)現(xiàn)：研究人員利用GAOs 對(duì)有限碳源的儲(chǔ)存及內(nèi)源反硝化功能，一是建立了基于GAOs 的新型生物膜體系，為GAOs 的利用、微生物膜工藝的改進(jìn)提供了新的思路；二是基于GAOs結(jié)合EBPR 系統(tǒng)建立了一些新型耦合工藝系統(tǒng)，對(duì)低碳氮比實(shí)際生活污水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)處理研究，為低碳氮比生活污水的生化同步除磷脫氮的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然而，目前上述研究基本處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，為了更好地發(fā)揮GAOs 的在污水處理中的作用，建議在以下幾方面繼續(xù)開展研究工作：

（1）GAOs 菌群中的 Competibacter 菌屬中的GB2、GB8 兩個(gè)分支和 Defluviicoccus 菌屬中的ClusterⅢ和ClusterⅣ兩個(gè)分支仍需明確是否具有反硝化功能。

（2）以實(shí)際生活污水和市政污水為處理對(duì)象，研究基于GAOs 的新型生物膜法體系的啟動(dòng)、代謝機(jī)理和運(yùn)行條件，并開展實(shí)際污水處理廠工況下的中試試驗(yàn)研究。

（3）基于GAOs 的EBPR 相關(guān)耦合工藝方面，可以開展實(shí)際污水處理廠工況下的中試試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用研究。