A2/O厌氧段聚磷菌的反硝化聚磷特性
周康群，刘 晖，孙彦富，刘洁萍
(仲恺农业技术学院 环境科学与工程系，广东 广州，510225)
摘 要：利用反硝化聚磷菌进行动态与静态相结合的反硝化聚磷试验，研究A2/O厌氧段聚磷菌的反硝化聚磷特性。研究结果表明，在A2/O厌氧段中占聚磷菌总数52%的菌具有同步反硝化聚磷的生物学特性。当以NO-3-N作电子受体进行聚磷时，其硝酸盐浓度应限制在50 mg/L以下，初始硝酸盐浓度越高，反硝化速率和缺氧聚磷速率及去除率越快，系统由聚磷转变为释磷的时间将延后。由于释/聚磷过程都需要碳源，所以，应控制进水的化学耗氧量(COD)，以200 mg/L为最佳，使在释磷时有充足的碳源而在聚磷时碳源又较少。pH值对释/聚磷有不同程度的影响，在一定范围内，初始pH值越高，释磷效果越好，但当pH≥8.0时，会引起磷酸盐沉积而导致磷酸根浓度降低，从而无法正确判断释磷和生物聚磷效果，反硝化除磷系统的pH值应控制在7.0~7.5的范围内。
关键词：
中图分类号：X712 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2007)04-0645-07
Denitrifying phosphorus accumulation characteristic of
phosphorus accumulating bacteria at A2/O anaerobic stage
ZHOU Kang-qun, LIU Hui, SUN Yan-fu, LIU Jie-ping
(Department of Environment Science and Engineering, Zhongkai Agrotechnical College, Guangzhou 510225, China)
Abstract: With the denitrifying phosphorus accumulation bacteria (DPB) from sludge at the A2/O anaerobic stage, the static and dynamic denitrifying phosphorus accumulation experiments were carried out. The results show that the anaerobic sludge from A2/O technology has 52% phosphorus accumulating organisms bearing denitrifying and removing phosphorus. During the removing phosphorus process, the concentration of nitrate which is used as electronic acceptor should be lower than 50 mg/L. The higher the initial concentration of nitrate is, the higher the denitrifying and anoxic phosphorus accumulation rate and removal efficiency are. And the time for the system changing from the accumulating phosphorus state to releasing phosphorus state is delayed. The chemical oxygen demand (COD) must be controlled because of the competition between anaerobic and anoxic process, the best is 200 mg/L; pH value has different effects on the anaerobic and anoxic stage. When the initial pH value is higher in a certain range, the releasing phosphorus is accelerated, but phosphate is deposited when pH value is above 8.0 and then the biological phosphate removal is disturbed, which suggests that the pH value should be controlled in the rang of 7.0-7.5 for the denitrifying and removing phosphorus system.
Key words: A2/O technology; denitrifying phosphorus accumulation bacteria; nitrate; chemical oxygen demand
硝化除磷技术是近年来国内外污水除磷脱氮研究领域的重点和热点。目前，我国生物除磷脱氮多采用A2/O、倒置A2/O和SBR(间歇式生物反应器)等工艺，工艺中的好氧除磷及缺氧反硝化脱氮是2个完全独立的单元。Chuang[1]认为反硝化脱氮缺氧区对除磷没有贡献，硝酸盐对生物除磷过程的释磷带来不利影响。但广东江门污水厂的A2/O工艺运行情况表明，缺氧池中的硝酸盐在进行反硝化的同时磷酸盐浓度也降低。Kuba等[2]对UCT生物除磷脱氮工艺在缺氧区有明显的反硝化吸磷现象进行了阐述，Hu等[3]的研究结果表明，至少存在一部分聚磷菌既可以利用氧气，又可在缺氧条件下利用硝酸盐作为电子受体吸磷，这类微生物称为反硝化聚磷菌，记为POn。同时，国内外一些研究者也证实，反硝化聚磷菌具有与好氧聚磷菌极为相似的代谢特征[3-7]。Keren-Jenspeter等[8]从动力学性质上对这2类聚磷菌进行了比较，认为以硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌胞内，PHB(聚β-羟基丁酸)和糖原质的生物代谢作用与好氧聚磷菌有相似的强化生物除磷性能。因此，反硝化聚磷菌可在缺氧环境下吸磷，聚磷和反硝化脱氮这2个生物化学过程可以利用同种细菌在同种环境下同时完成。反硝化聚磷脱氮工艺与传统A2/O等工艺相比，不仅节省了对碳源的需要使产生的剩余污泥量大幅度减少，且聚磷在缺氧条件下完成可节省曝气所需要的能源，还可节省85%的回流液[9-12]。为此，本文作者利用传统A2/O厌氧段污泥为研究对象，通过试验确定厌氧池中聚磷菌具有同步反硝化聚磷的特性及其所占比例，并研究不同因素对反硝化聚磷菌特性利用过程的影响因素。
1 实 验
1.1 活性污泥
取运行良好的污水处理厂的A2/O厌氧段活性污泥(此时活性污泥体内己贮存PHB)，用清水洗2次，静置沉淀取浓污泥。
1.2 模拟废水成分
实验采用人工配水，通过加入不同量的乙酸钠和磷酸氢二钾控制进水的COD和POD3-4-P的浓度，人工配水的配方如表1所示[13]。厌氧反应后根据需要加入一定量硝酸钠作为电子受体进行缺氧反硝化聚磷。
表1 模拟废水成分
Table 1 Compositions of wastewater in the experiment
1.3 试验装置
1.3.1 自制的厌氧释/缺氧聚磷密封装置
自制的厌氧释/缺氧聚磷密封装置如图1所示，通入氮气进行搅拌防止泥、水分层，同时，保证厌氧/缺氧环境条件。好氧曝气装置如图2所示，以粘砂块作为微孔曝气头，采用鼓风曝气方式。
图1 自制厌氧释/缺氧聚磷装置
Fig.1 Releasing and adsorbing phosphorus installation
图2 自制好氧曝气装置
Fig.2 Self-made aerobic gas explosion installation
1.3.2 间歇SBR反应装置
间歇SBR装置如图3所示，其容积为74 L，并控制搅拌速度使泥、水不分层。
图3 间歇SBR反应装置
Fig.3 Intermittent SBR installation
1.4 试验方法
1.4.1 厌氧段污泥反硝化聚磷菌的特性
将供试活性污泥与模拟废水混合后(质量浓度控制在2.5 g/L左右)，置于图1所示的装置内，经30 min厌氧释磷后，此时氧化还原电位(ORP)处于-200~-100 mV，将悬浮液分为2份，其中1份瞬时投入硝酸钠作为电子受体(硝酸钠的质量浓度达到25 mg/L)，然后继续在原装置进行缺氧反硝化聚磷，另一份移入图2所示的装置，以氧作为电子受体进行好氧聚磷，过一定时间后取样，将样品置于转速为3 000 r/min的离心机中离心1 min，测定上层清液中的COD，PO3-4-P和NO-3-N的浓度，试验过程跟踪ORP和pH值(用稀HCl和NaOH调节pH值维持在7±0.2左右)。
1.4.2 利用反硝化聚磷菌特性的影响因素
用SBR装置，研究NO-3-N的浓度和COD以及pH值对反硝化聚磷菌特性的影响。
a. 硝酸盐浓度的影响。将供试污泥与模拟废水混合后(COD为300 mg/L，污泥质量浓度为4 g/L左右),分别置于4个SBR装置，厌氧释磷60 min(ORP处于-200~-100 mV)后，向4个反应器瞬时投入硝酸盐，硝酸盐的质量浓度分别达到20，35，50和80 mg/L，进行反硝化聚磷反应。试验中通过加入稀HCl和NaOH使pH值维持在7±0.2左右。一定时间间隔取样，置于3 000 r/min的离心机中离心1 min，测定上层清液中PO3-4-P和NO-3-N的浓度，在试验过程中跟踪pH值和ORP。
b. COD的影响。将供试污泥与模拟废水混合(污泥浓度控制在4 g/L左右)，设定初始COD为100，200和300 mg/L(除COD不同外其他成分同表1)，将混合液分别置于3个SBR反应装置，厌氧释磷60 min后，分别向反应装置中瞬时投入硝酸盐使其质量浓度为50 mg/L，其他试验步骤同步骤a.。
c. pH值的影响。起始pH值分别为6.0，7.0，7.5，8.0和8.5(在整个试验过程中，通过加入稀HCl和NaOH使pH值维持在起始值)，5个SBR反应器中进水的COD均为200 mg/L，在厌氧释磷60 min后，分别向反应器内瞬时投入硝酸盐使其质量浓度为50 mg/L，其他试验步骤同步骤a.。
1.4.3 分析方法
采用5B-1型快速测定仪测定COD；采用钼锑抗分光光度法测定磷酸盐质量浓度；采用麝香草酚分光光度法测定硝酸盐质量浓度；采用滤纸重量法测定污泥浓度(MLSS)；ORP用213型ORP仪测定；pH值用98127型手持式pH计测定。
2 结果与分析
2.1 A2/O厌氧段反硝化聚磷菌
如图4所示，厌氧30 min内磷酸盐质量浓度由2.10 mg/L上升为8.82 mg/L，释磷速率为5.4 g/(kg?MLSS?h)。且在前5 min释磷速率最快为22.5 g/(kg?MLSS?h)，释磷量为原来的4.2倍。同时，COD由300 mg/L下降为106 mg/L，COD去除率为64.6%。这是由于污水中的有机物在厌氧发酵产酸菌的作用下转化为乙酸苷，而污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下分解体内积聚的磷产生能量，能量一部分供聚磷菌生存，另一部分供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为PHB储藏于体内，而聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，至使磷酸盐浓度升高形成厌氧释磷。即磷的释放过程是有机物吸收转化和贮存这一耗能过程的耦联过程。
图4 A2/O厌氧段活性污泥在好氧/缺氧条件下的聚磷效果
Fig.4 Aaccumulated phosphorus of active sludge under aerobic-anoxic condition at A2/O stage
反应进入缺氧或好氧聚磷后，好氧60 min内，PO3-4--P质量浓度由8.82 mg/L下降为1.80 mg/L，磷酸盐去除率为80%，好氧聚磷速率为2.81 g/(kg·MLSS·h)。而经缺氧60 min的反应后，体系中PO3-4--P的质量浓度由8.82 mg/L降为5.17 mg/L，在30~32 min内硝酸盐浓度由24.68 mg/L降为4.97 mg/L，稳定一段时间后于45~90 min由5.04 mg/L下降为1.31 mg/L。经过60 min反硝化吸收后，磷的质量浓度仅为3.65 mg/L，反硝化聚磷速率为1.46 g/(kg·MLSS·h)，磷酸盐去除率为41.3%。硝酸盐在整个反应过程中去除率为94.6%，反硝化速率为9.3 g/(kg·MLSS·h)。在45~90 min期间，硝酸盐、磷酸盐表现出良好的同步硝化盐还原和磷吸收现象，这一方面说明，通过一段时间的适应后，传统A2/O厌氧段活性污泥中的聚磷菌部分具有反硝化聚磷功能，这是由于硝酸盐的存在，厌氧状态变成缺氧状态，与好氧一样聚磷菌可从硝酸盐反硝化脱氮中获取氧，分解有机物并产生大量的能量用于吸收磷酸盐合成聚磷，与李军等[14-15]的研究结果一致。另一方面，好氧聚磷比缺氧聚磷速率和磷酸盐去除率大，且反硝化速率远大于反硝化聚磷速率。这是由于反硝化聚磷菌和反硝化菌同存一个系统，在竞争基质时，反硝化菌占优势，而在好氧状态下反硝化又处于不利状态，同时，具有聚磷和脱氮能力的反硝化聚磷菌胞内PHB大部分被用于反硝化[14]。但在30~32 min期间，硝酸盐去除率速率高达236 g/(kg·MLSS·h)，此时磷酸盐没有发生明显变化，可能是污泥在短时间对NO-3-N发生吸附反应所致。
对比好氧聚磷和缺氧反硝化聚磷过程，在60 min内，好氧聚磷速率为2.81 g/(kg·MLSS·h)，而缺氧聚磷速率为1.46 g/(kg·MLSS·h)。根据Kuba等[16]在强化反硝化聚磷体系中缺氧聚磷速率和好氧聚磷速率的比值可反映反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的份额的结论，推算出反硝化聚磷菌约占全部聚磷的52%。该结果与Kuba等[2]的研究结果(50%)接近。但反硝化聚磷菌在聚磷菌中的数量有限，聚磷性能一般，说明反硝化聚磷菌尚未成为优势种群，有待于驯化增殖数量和强化功能。
2.2 硝酸盐的质量浓度对缺氧反硝化聚磷的影响
硝酸盐浓度限制在一定范围内，随着初始硝酸盐浓度的升高，系统由聚磷转变为释磷时间将延后。硝酸盐的加入量对缺氧反硝化聚磷的影响如图5和图6所示。由图5和图6可知，当硝酸盐质量浓度不同时，在5 min(反应60~65 min)内NO-3-N质量浓度都有明显的变化，但此时PO3-4-P质量浓度并无显著变化，这一现象同样说明污泥在短时间内对NO-3-N发生了吸附作用。在初始硝酸盐质量浓度为20，35，50和80 mg/L的4个体系中，缺氧反硝化聚磷30 min(反应60~90 min)内污泥聚磷速率分别为1.57，2.03，2.30和0.5 g/(kg·MLSS·h)(去除率分别为25.3%，32%，36.1%和8.1%)；反硝化速率分别为10.0，17.1，23.7和37.6 g/(kg·MLSS·h)(去除率分别为100%，98%，94%和93%)。通过对比可看出，一方面，当初始硝酸盐质量浓度控制在50 mg/L以内时，其加入量越大，反硝化速率和反硝化聚磷速率及去除率越快，这一现象与王亚宜等[17]的研究结果一致。另一方面，当硝酸盐浓度超过50 mg/L时，此时硝酸盐浓度较高且在厌氧反应后有一定量的残留碳源(低分子有机酸)，反硝化菌与反硝化聚磷菌会产生竞争，对反硝化聚磷菌的生长和功能的发挥不利[18]。初始硝酸盐质量浓度为20，35 mg/L的聚磷反应到90和120 min后，由于NO-3-N质量浓度低于0.4 mg/L，出现内源二次放磷现象[19]。而初始硝酸盐质量浓度为50 mg/L的系统(NO-3-N质量浓度为2.62~1.53 mg/L)，由于NO-3-N浓度一直高于0.4 mg/L，因此，系统保持良好的反硝化聚磷效果，且反硝化聚磷速率和去除率为最大。在初始硝酸盐质量浓度为80 mg/L的系统中反硝化效果好，但聚磷效果差。其原因是硝酸盐浓度过高，反硝化脱氮占优势致使聚磷效果不明显，这与系统污泥未经驯化有关。综上所述，底物中是否有硝酸盐将决定反硝化聚磷菌是聚磷还是释磷。
图5 不同初始硝酸盐浓度下的反硝化过程
Fig.5 Denitrifying process at different initial concentration of nitrate
图6 硝酸盐的质量浓度对反硝化聚磷的影响
Fig.6 Influence of initial concentration of nitrate ondenitrifying phosphorus accumulation process
2.3 进水的COD质量浓度对反硝化聚磷的影响
由图7可知，进水COD分别为100，200和300 mg/L时，厌氧释磷60 min后，其释磷量分别为原来浓度的1.44倍(磷酸盐质量浓度由4.51 mg/L上升为6.51 mg/L)、2.31倍(磷酸盐质量浓度由3.66 mg/L上升为8.46 mg/L)、2.00倍(磷酸盐质量浓度由3.75 mg/L上升为7.56 mg/L)。对比结果可得出，当进水的COD较低(100 mg/L)时释磷效果不好，而当COD较高(200 mg/L和300 mg/L)时释磷效果较好且接近，200 mg/L的释磷效果略好于300 mg/L的释磷效果，说明合成的PHB较充分。此现象支持了“厌氧释磷过程必须保证一定量的碳源用来供聚磷菌吸收并合成PHB在体内储存起来，聚磷分解形成的无机磷释放回水中”的PAO理论。
传统PAO理论认为，在以厌氧/好氧模式运行的生物除磷系统中，COD越高，磷的去除效果越好[16]。但对于厌氧/缺氧模式运行的反硝化生物除磷系统，结果并非如此。根据图7和图8所示的缺氧反硝化聚磷磷酸盐和硝酸盐浓度的变化，前5 min内硝酸盐质量浓度都有显著的变化，与前面的研究结果一致，同样将其归为污泥吸附作用。当进水的COD分别为100，200及300 mg/L时，在初期的30 min(60~90 min)内反硝化速率分别为20.7，21.6，22.0 g/(kg·MLSS·h)，反硝化聚磷速率分别为0.60，1.51，1.01 g/(kg·MLSS·h)。试验结果表明，反硝化速率随进水的COD增大而增大，但反硝化聚磷速率并非如此，而是以200 mg/L的体系为最好。一是当进水的COD较大时，厌氧释磷后未反应完全而残留的有机物被带进缺氧段，此时反硝化菌在有外碳源时，抢先利用硝酸盐进行反硝化作用，从而抑制反硝化聚磷作用，导致缺氧反硝化初期聚磷速率不高，出现反硝化速率随着进水的COD的增大逐步增大现象。二是当进水的COD浓度低时，由于聚磷菌在厌氧条件下体内合成的PHB能量有限，使反硝化聚磷效果不好。因此，缺氧反硝化初期的聚磷速率与进水的COD有密切关系。反硝化聚磷反应60~180 min的2 h内，进水COD分别为100，200及300 mg/L时的磷酸盐去除率分别为21.3%，42.0%，33.0%。为解决厌氧/缺氧反应对碳源需求的这一矛盾关系，须控制进水的COD使厌氧反应有适当的碳源而在缺氧时碳源量又较少。
图7 进水的COD对释/聚磷的影响
Fig.7 Influence of COD on releasing phosphorus/removing process
图8 进水的COD对硝酸盐浓度的影响
Fig.8 Influence of COD on concentration of nitrate
2.4 pH值对厌氧释磷/缺氧聚磷的影响
2.4.1 pH值对厌氧释磷的影响
pH值对厌氧释磷/缺氧聚磷的影响如表2所示。由表2可知，当体系pH值为6.0时，厌氧释磷效果良好，厌氧在60 min结束时，磷酸盐质量浓度由8.18 mg/L上升为15.37 mg/L，磷酸盐质量浓度增大了0.88倍。在pH值为7.0的条件下，厌氧反应结束时磷酸盐质量浓度由8.18 mg/L上升为17.25 mg/L，磷酸盐质量浓度增大了1.11倍。当pH为7.5时磷酸盐的质量浓度由8.18 mg/L上升到17.15 mg/L，增大了1.01倍，其原因是当pH值低于8.0时，从生物除磷代谢角度来看，随着pH值的升高，将消耗更多细菌质子移动力(PMF)，为维持恒定的PMF，细胞需分解体内贮存的聚磷物，从而增强聚磷污泥的释磷能力。但当pH值为8.0时，磷酸盐浓度的上升十分有限，在厌氧反应60 min后，磷酸盐质量浓度从8.18 mg/L上升为12.03 mg/L，仅增大0.47倍；当pH值为8.5时，磷酸盐的质量浓度由8.18 mg/L上升为10.98 mg/L，增大了0.34倍，其主要原因是pH值大于或等于8.0时会引起磷酸盐的沉积，导致释磷效果不好。Kuba等[10]在研究pH值对A2N处理效果的影响时指出，pH值对反硝化聚磷有一定影响，在pH值为8.0时，会出现磷酸盐的沉淀而影响厌氧释磷，这也与本实验结果吻合。总之，pH值对厌氧释磷的效果影响较大，在一定范围内，pH值越高，对厌氧释磷有促进效果，但当pH≥8.0时会出现磷酸盐沉积而影响厌氧释磷。所以，pH值应控制在7.0~7.5的范围内。
表2 pH值对厌氧释磷/缺氧聚磷的影响
Table 2 Effect of pH value on releasing and accumulating phosphorus
2.4.2 pH值对缺氧聚磷的影响
由表2可知，反硝化聚磷60~105 min时，pH值分别为6.0，7.0，7.5，8.0和8.5的体系的聚磷速率相应为1.59，1.71，1.72，3.80和3.48 g/(kg·MLSS·h)，反硝化速率相应为5.94，7.24，6.89 g/(kg·MLSS·h)。pH值为6.0，7.0和7.5的体系的反应聚磷速率和反硝化速率表现出良好的同步性，且pH值为7.0的体系，其聚磷速率大于pH为6.0的体系。由此可进一步推断，当pH值在6.0~8.0的范围时，随着其pH值的不断增加，其聚磷速率也在不断提高。但当pH=8.0时，一方面，聚磷速率高达3.8 g/(kg·MLSS·h)，同时，反硝化速率仅为6.89 g/(kg·MLSS·h)，小于pH值为7.0时的相应值，反应聚磷速率和反硝化速率无很好同步性。这是由于磷酸盐发生化学沉淀作用而大幅度减少，并不产生聚磷反应。由此可知，当pH大于8.0时，由于化学沉淀作用导致无法正确判断是生物作用还是化学作用对磷的去除。因此，在研究反硝化聚磷过程中，应将pH值控制在7.0~7.5的范围。
3 结 论
a. 传统A2/O工艺厌氧段聚磷菌中存在反硝化聚磷菌，其比例为52%，且有一定反硝化聚磷作用。
b. 缺氧反硝化聚磷效果与硝酸盐浓度有关。底物中是否有硝酸盐将决定反硝化聚磷菌是聚磷还是释磷,即硝酸盐质量浓度限制在50 mg/L以下，其初始硝酸盐浓度越高，反硝化速率和缺氧聚磷速率及去除率越大，系统由吸磷转变为放磷时间将延后。
c. 将进水的COD控制在200 mg/L时，使厌氧反应有充足的碳源而保证释磷效果，且在缺氧时碳源较少反硝化聚磷效果也较好。因COD过低会导致厌氧释磷效果差；COD过高，导致反硝化聚磷过程只对反硝化作用有利而聚磷效果差。
d. pH值对厌氧释磷/缺氧聚磷都有不同程度影响，在一定范围内，厌氧释磷初始pH值越高，释磷效果越好，但pH≥8时会引起磷酸盐沉积而导致磷酸根浓度降低，无法正确判断厌氧释磷和缺氧生物聚磷的效果，反硝化除磷系统的pH值应控制在7.0~7.5的范围。
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收稿日期：2007-03-28
基金项目：广东省自然科学基金资助项目(04009663)
作者简介：周康群(1963-)，女，江苏南京人，副教授，从事污水生物处理新技术新工艺研究
通讯作者：周康群，女，副教授；电话：020-89003191；E-mail:gzzkq@126.com
