好氧颗粒污泥同步除磷脱氮研究的新进展

杨国靖，李小明，曾光明，谢珊，杨麒
(湖南大学 环境科学与工程系，湖南 长沙 410082)

　　摘　要：结合近年来国内外除磷脱氮的最新研究成果，对好氧颗粒污泥除磷脱氮的机理及工艺进行了探讨和研究。研究表面通过适当的SBR定向培养，可以在颗粒污泥中培养出不同的微生物菌群（硝化菌、反硝化菌、聚磷菌、反硝化聚磷菌等），使其能够实现同步除磷脱痰，从而为污水生物除磷脱氮工艺研究提供了一个新思路。
　　关键词：污水处理；好氧；颗粒污泥；除磷脱氮；硝化；反硝化
　　中图分类号：X703　　文献标识码：A　　文章编号：1009—2455(2004)06—0010—04

A New Progress in Study of Simultaneous Dephosphorization and Denitrification by Aerobic Granular Sludge
YANG Guo-jing，LI Xiao-ming，ZENG Guang-ming，XIE Shan，YANG Qi
(Department of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082，China)

　　Abstract：Based on the latest results of the study of dephosphorization and denitrification in China and outside China，the mechanism of and process for dephosphorization and denitrification by aerobic granular sludge were approached and studied．The results of the study showed that different colonies of microorganisms (nitrifiers，denitrifiers，phosphorus-accumulating organisms，denitrifying phosphorus-accumulating organisms，etc．)can be cultivated in granular sludge through appropriate orientated cultivation in sequencing batch reactor (SBR) to enable it to realize simultaneous dephosphorization and denitrification，which provides a new thinking for the study of the biological dephosphorization and denitrification of waste water．
　　Key words：wastewater treatment；aerobic；granular sludge；dephosphorization and denitrification；nitrification；denitrification

　　氮、磷是引起水体富营养化的主要营养物质，现行的生物除磷脱氮工艺主要是通过空间顺序(污水的各种特殊化反应被安排在不同的反应器里进行，典型代表有A²/O，改良的A²/0，UCT，VIP等)或时间顺序(污水的各种生化反应均在同一反应器里，按时间顺序进行处理，典型代表是间歇活性污泥法SBR)来实现氮、磷的去除，往往造成系统复杂，能耗较大，且运行管理不便。
　　利用具有同步硝化反硝化能力的好氧颗粒污泥实现反硝化除磷脱氮是笔者在污水生物除磷脱氮工艺研究中的一个新思路，本文将结合近年来国内外最新研究成果，对好氧颗粒污泥实现同步除磷脱氮工艺及其机理加以探讨和研究。

l 好氧颗粒污泥脱氮机理

　　好氧颗粒污泥系统中可能发生的与脱氮相关的生物反应包括：硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、好氧反硝化和好氧反氨化^[1-3]；在好氧颗粒污泥的表面，亚硝化菌和硝化菌将NH₄⁺氧化成NO₂^-和NO₃^-；在颗粒污泥的中间层，好氧反硝化菌、异养硝化菌和好氧反氨化菌在低溶解氧条件下(1mg/L左右)进行反硝化，将NH₄⁺转变成N₂；在颗粒内部，当外碳源存在时，反硝化菌将NO₂^-和NO₃^-转变为N₂释放；当缺乏有机碳源时，厌氧氨氧化菌又能以NH₄⁺为电子供体将NO₃^-或NO₂^-还原形成N₂。表1列出了曝气过程中颗粒污泥不同区域可能发生的与脱氮相关的反应。

表1 好氧颗粒污泥的不同部位可能发生的与脱氮相关的过程

过程发生的部位 ρ（溶解氧）/（mg·L^-1） 过程 颗粒污泥表层 ＞2 自养硝化 颗粒污泥中间层 1 异养硝化 好养反硝化 好养反氨化 颗粒污泥内部 ＜0.5 厌养反硝化（有碳源） 厌养氨氧化（无碳源）

　　对某一具体的好氧颗粒污泥而言，脱氮方式应该是多种途径并存，而具体以那种方式为主，则与好氧颗粒污泥的培养过程和所处的外界环境密切相关。本课题组在对SBR系统的研究中已培养出了具有同步硝化反硝化(SND)能力的高活性的好氧颗粒污泥^[4-5]。
　　在同一处理系统中实现同步硝化反硝化过程，硝化反应的产物可直接作为反硝化反应的底物，避免了硝化过程中NO3-的积累对硝化反应的抑制，加速了硝化反应的速度；而且反硝化反应中所释放出的碱度可部分补偿硝化反应所消耗的碱度，使系统中的pH值相对稳定；实现同步硝化反硝化并达到两过程的动力学平衡，将大大简化脱氮工艺并提高脱氮效率。

2 反硝化除磷机理

　　污水除磷技术的发展起源于生物超量吸磷现象的发现，污水生物除磷就是利用聚磷菌吸收的磷量超过其正常生长所需要的磷量，以聚磷酸盐(poly-P)的形式超量储存磷来实现的。传统的生物除磷是由聚磷细菌(PAO，Poly-phosphate-accumu-lating organisms)利用厌氧/好氧交替环境，来实现放磷和过量吸磷的。图2显示了生物除磷的生化代谢模型^[6-8]。反硝化除磷的发现是生物除磷的最新研究成果，它是由反硝化聚磷菌(denitrifving phos-phorus removing bacteria，简称DPB)在厌氧/缺氧交替环境中，通过它们的代谢作用来同时完成过量吸磷和反硝化过程而达到除磷脱氮双重目的。如图2所示，在缺氧(无氧但存在硝酸氮)条件下，DPB能够利用硝酸氮(而不是O₂)充当电子受体，产生同样的生物摄磷作用。在生物摄磷的同时，硝酸氮被还原为氮气，从而使生物除磷与反硝化脱氮有机地合二为一。实现反硝化除磷能分别节省50％和30％的COD与O₂消耗量，相应减少50％的剩余污泥量，因此被誉为“可持续生物除磷脱氮工艺”。

3 好氧颗粒污泥实现同步除磷脱氮

　　兼性反硝化细菌(反硝化聚磷菌)生物摄/放磷作用被确认不仅拓宽了磷的去除途径，而且，更重要的是这种细菌的生物摄/放磷作用将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一。利用反硝化聚磷菌体内PHB的“一碳两用”来实现除磷脱氮，不仅解决了反硝化细菌和聚磷菌对碳源需要的矛盾，而且为改良现有污水生物除磷脱氮工艺提供了一个新思路。近年来国内外许多研究者^[9-13]，在对SBR系统的研究中均发现了具有反硝化能力的聚磷菌(DPB)，目前满足DPB所需环境和基质的工艺有单、双污泥系统，典型代表有BCFS工艺，Dephanox，A₂SBR，A₂NSBR等。但利用好氧颗粒污泥实现反硝化除磷脱氮的研究还未见报道。
　　好氧颗粒污泥是近几年发现的在好氧条件下自发形成的细胞自身固定化颗粒^[14]。由于好氧颗粒污泥自身的结构特点以及氧扩散梯度的存在，污泥颗粒由外到内，可以形成好氧区—缺氧区—厌氧区，这为除磷脱氮所需的各种微生物菌群提供了合适的生长环境，通过适当的定向培养控制(温度25℃，pH值7～8，厌氧2h，好氧4h，曝气阶段的溶解氧的质量浓度控制在1～2 mg/L，泥龄20d)，可以在3个区域中培养出不同的微生物菌群(硝化菌、反硝化菌、聚磷菌、反硝化聚磷菌等)，最大限度地发挥其群体优势，使其实现同步除磷脱氮。图3显示了好氧颗粒污泥体内不同的反应区划分。由于好氧颗粒污泥内部具有缺氧区，其内部的兼性反硝化菌在有磷存在的同时，利用好氧颗粒污泥在硝化过程中产生的硝酸根作电子受体，是可以实现反硝化除磷脱氮的，而且脱氮和除磷可以相互促进。只是由于除磷过程需要在厌氧/好氧(缺氧)交替环境下进行，在未加任何控制的情况下，好氧颗粒污泥虽有反硝化聚磷的能力，但除磷效果可能不强。李勇智^[15]等研究发现，未经驯化培养的好氧强化生物除磷体系中，反硝化聚磷菌约占全部聚磷菌的13.3％，经过厌氧/缺氧交替运行方式培养驯化后，反硝化聚磷菌所占比例上升到69.4％。因此如果选择合理的SBR运行方式并对处理过程的溶解氧等因素加以控制，可以把一类以硝酸根作为最终电子受体的兼性反硝化细菌(DPB)驯化培养成优势菌种，从而有利于反硝化除磷脱氮的发生。

　　本课题组以SBR系统培养的具有同步硝化反硝化能力的好氧颗粒污泥为接种污泥，通过厌氧/好氧的SBR运行方式，初步验证了这一设想的可行性。在好氧过程中，好氧颗粒污泥不仅能够同时实现同步硝化反硝化和反硝化除磷，而且具有良好的除磷脱氮性能，NH₃-N，PO₄^3--P的去除率分别达到98.9％和90.0％。为了证明好氧颗粒污泥中确实存在一些能够利用NO₃^--N作电子受体的兼性反硝化细菌(DPB)，笔者通过厌氧/缺氧的SBR运行方式(颗粒污泥在SBR反应器中经过2h充分厌氧释磷后，投加适量硝酸盐作为电子受体在缺氧环境下运行4h)对其进行了研究，研究发现在缺氧环境下随着NO₃^--N浓度的降低P的浓度相应呈不断不降的趋势，这证明发生了反硝化聚磷作用，好氧颗粒污泥中确实存在一些能够利用NO₃^--N作电子受体的兼性反硝化细菌(DPB)。不过，最佳的控制条件还有待作进一步深入研究。
　　 好氧颗粒污泥拥有丰富的微生物相，了解和检测其中的微生物种类和作用对研究好氧颗粒污泥同步除磷脱氮的微生物机理具有十分重要的意义，检测微生物的常规方法是培养法，不同类群的微生物需要特殊的培养基，这种方法不但费时费力，而且绝大多数细菌不能或很难培养。而荧光原位杂交技术(fluorescent in situ hybridization，FISH)广泛用于分析复杂环境的微生物群落组成，其优点是快速准确地检测和鉴定微生物种类，可以在自然环境中监测和鉴定微生物，并能对未被培养的微生物进行检测，该技术已广泛地应用于环境微生物的研究中，尤其在除磷细菌和脱氮细菌的检测中已有成功的应用^[16-17]，这将对了解和研究好氧颗粒污泥同步除磷脱氮的微生物机理发挥巨大作用。

4 结束语

　　好氧颗粒污泥是一个复杂的微生态系统，由于好氧颗粒污泥自身的结构特点以及溶解氧质量传递的限制，污泥颗粒由外到内，可以形成好氧区、缺氧区和厌氧区，通过不同的定向培养，可以在三个区域中培养出不同的微生物菌群(硝化菌、反硝化菌、聚磷菌、反硝化聚磷菌等)，以用于不同特点废水的处理。由于好氧颗粒污泥的这些特性，其在除磷脱氮方面的应用有很好的前景，这无疑会对污水生物除磷脱氮工艺产生深远影响。

参考文献：
［1］谢珊，李小明，曾光明，等．好氧颗粒污泥的性质及其在脱氮除磷中的应用[J]．环境污染治理技术与设备，2003，4(7)：70—73．
［2］Seyfride C F，Hippen A，Helmer C，et al．One-stage deammonification：nitrogen elimination at low costs[J]．Wat Sci Technol，2001，1(1)：71—80．
［3］杨麒，李小明，曾光明，等．同步硝化反硝化机理的研究进展[J]．微生物学通报，2003，30(4)：88—91．
［4］杨麒，李小明，曾光明，等．SBR系统小同步硝化反硝化好氧颗粒污泥的培养[J]．环境科学，2003，24(4)：94—98．
［5］杨麒，李小明，曾光明，等．好氧颗粒污泥实现同步硝化反硝化[J]，缄市环境与城市生态，2003，16(1)：40-42．
［6］谢珊，李小明，曾光明，等．SBR系统中好氧颗粒污泥脱氮特性研究[J]．中国环境科学，2004，24(3)；355—359。
［7］郝晓地，汪慧贞，钱易，等，欧洲城市污水处理技术新概念——可持续生物除磷脱氮工艺(上)[J]，给水排水，2002，28(6)：6-11．
［8］Mino T，van Loosdrecht M C M，Heijnen J J．Microbiology and biochemistry of the enhanced bilolgical phosphate removal process[J]. Wat Res，1998，32(11)：3193-3207.
［9］Wanner J，Cech J S，Kos M，New process design for biological nutrient removal [J]. Wat Sci Technol，1992，25(4-5)：445-448.
［10］Kerrn，Jespersen J P，Henze M．Biological phosphorus uptate under anoxic and aerobic conditions[J]. War Res，1993，27(4)：617-624.
［11］Kuba T，Smolders G J F，van Loosdrecht M C M，et al．Biological phosphorus removal from wastewater by anaerobic/anoxic sequencing batch reactor[J]. Wat Sci Technol，1993，27(5-6)：241-252．
［12］Ng W J，Ong S L，Hu J Y．Denitrifying phosphorus removal by anaerobic/anoxic sequencing batch reactor[J]．War Sci Technol，2001，43(3)：139-146．
［13］Hu Zhi-rong，Wentzel M C，Ekama G A．Anoxic growth of phos-phate-accumulating organisms(PAOs) in biological nutrient removal activated sludge systems[J]．War Res，2002，36(19)：4927-4937．
［14］陈坚，王强，堵国成．好氧颗粒污泥的形成及其性质[J]．无锡轻工大学学报，2002，21(3)：317-321．
［15］李勇智，彭永臻，王淑滢，等．强化生物除磷体系中的反硝化除磷[J]，中国环境科学，2003，23(5)：543-546．
［16］Christina M Falkentoft，Elisabeth Muller，Patrik Arnz，et al．Population changes in a biofilm reactor for phosphorus removal as
evidenced by the use of FISH[J]．Wat Res，2002，36(2)：491-500．
［17］Robert J.Seviour，Takashi Mino，Motoharu Onuki．The microbiology of biological phosphorus removal in activated studge systems[J]．FEMS Microbiology Reviews，2003，27(1)：99-127．

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作者简介：杨国靖(1980-)，男，山东济宁人，湖南大学环境科学与工程系硕士研究生，主要从事废水生物处理方面的研究。