聚磷菌和聚糖菌反硝化除磷的研究分析

王建辉，张咪娜，林 爽，赵 鑫，辛思雨，孙 凤

(1.吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118；2.吉林省中盛设计咨询股份有限公司市政分院，长春 130000)

0 引言

反硝化除磷系统是处理磷对水体的污染的生物处理技术。聚磷菌和聚糖菌是污水生物除磷中两个重要的微生物。同时，反硝化聚磷菌能在厌氧下释磷，缺氧状态下吸磷，并能还原硝酸盐和亚硝酸盐。但研究者发现，当系统的除磷能力恶化时，聚磷菌的反硝化能力依然很强。而聚糖菌中亦存在反硝化聚糖菌，虽不吸磷但可进行反硝化，且聚糖菌会积累少量的亚硝酸盐，国内外对关于聚磷菌和聚糖菌反硝化除磷的研究仍然匮乏，阻碍了优化和控制工艺的稳定性和可靠性。明确反硝化除磷的机理，分析影响反硝化除磷的因素，如碳源种类、电子受体类型、进水C/N、污泥龄和pH值等，对于提高反硝化除磷工艺的稳定性具有重大意义。合理地控制这些影响因素，能使反硝化除磷系统高效稳定地运行，同时能减少能耗和降低成本等。

1 聚磷菌和聚糖菌的代谢机理

1.1 聚磷菌的代谢机理

厌氧条件下无机磷的释放。聚磷菌首先分解体内的ATP和聚磷酸盐，形成ADP和能量，释放Pi于污水中。聚磷菌摄取外界环境中的有机物，利用NADH2和能量合成聚β羟基丁酸(PHB)储存于细胞体内。好氧条件下无机磷过剩摄取。聚磷菌有氧呼吸，不断氧化分解体内储存的聚β羟基丁酸，并释放能量，除一小部分能量是聚磷菌分解其体内的聚磷酸盐取得之外，大部分都是聚磷菌利用能量通过主动输送的方式将外部环境中的Pi摄入体内，一部分合成ATP，另一部分合成聚磷酸盐，储存在细胞体内。聚磷菌代谢过程如图1所示。

图1 聚磷菌代谢过程[1]

1.2 聚糖菌的代谢机理

聚磷菌和聚糖菌的代谢机理不同的地方在于吸收基质时有着不同来源的能量。厌氧条件下聚糖菌分解体内的糖元来提供能量，用于吸收有机基质在细胞体内合成聚羟基脂肪酸酯(PHA)，但不释磷。好氧条件下分解细胞体内储存的PHA，用于糖元的合成、微生物生长和细胞生命活动的维持，但不聚集磷，其细胞内的糖元即可提供能源又可维持体内氧化还原代谢的平衡(提供还原力)[2]。

图2为聚糖菌代谢机理，图2(a)是厌氧下条件聚糖菌通过糖酵解分解糖元形成ATP、丙酮酸和NADH+H+。丙酮酸盐转化成乙酰辅酶A和丙酰辅酶A，然后通过聚合作用生成PHA。图2(b)是好氧条件下聚糖菌氧化细胞内的PHA并产生ATP。首先PHA转化为乙酰辅酶A和丙酰辅酶A，然后在聚糖菌作用下进行糖元合成和TCA循环，产生NADH+H+，并通过电子传递链的方式产生ATP，最后进行合成代谢。

(a)厌氧代谢过程

(b)好氧代谢过程图2 聚糖菌代谢过程[3]

2 反硝化除磷的影响因素

在强化生物除磷系统中，厌氧区中的挥发性脂肪酸数量有限，如果聚糖菌利用大量挥发性脂肪酸，则聚磷菌可利用的挥发性脂肪酸将减少，从而除磷效率下降。很多研究者已对反硝化除磷因素作了研究，关于影响聚磷菌与聚糖菌相互竞争的因素主要集中在碳源种类[4]、C/N[5]、电子类型受体[6-7]、SRT、pH值上。

2.1 碳源种类

表1 不同碳源厌氧释磷、COD降解计量表[11]

2.2 电子受体类型

表2 不同碳源的吸磷计量表[11]

(a)

(b)

(c)图3 不同电子受体吸磷变化[13]

2.3 进水C/N

2.4 污泥龄

较短的污泥龄会影响聚磷菌的生存，污泥龄过长使除磷效果降低。因此，反硝化除磷中合理控制污泥龄很重要。吕绛等[18]在A/A/O工艺中研究污泥龄对反硝化除磷的影响中，其实验结果见表4，由表4可看出污泥龄为10 d时反硝化除磷作用最好。但陈银广等[19]以A/A/O工艺为研究对象，进行污泥龄为8、10、12、15 d时反硝化除磷的影响研究。图4中，污泥龄8 d时缺氧吸磷贡献率为8.4%，此时，反硝化除磷作用很弱。污泥龄达到12 d时为41.6%，缺氧吸磷的作用明显。污泥龄增加至15 d时缺氧吸磷贡献率没有增加，但其缺氧吸磷贡献率降低。因此，在A/A/O工艺中，10～12 d是污泥龄的理想时间，此时反硝化除磷效果好。

表3 不同C/N下去磷效果及PHA分析

2.5 pH

pH过高或过低都会对反硝化除磷系统产生较大影响，控制pH在合适范围内对于反硝化除磷至关重要。表5是周俊[20]研究的pH对系统反硝化除磷效能的影响，pH=7.5时TP的去除率为94.15%，pH=8.5时去除率还有90.5%，两者平均出水TP质量浓度相差不大，随着pH下降到6.5时，去除率就只有78.72%，且平均出水TP质量浓度大幅上升。图4是反硝化除磷系统厌氧—缺氧驯化时期对pH的变化规律[21]。在0～100 min时处于厌氧阶段，可看出pH上升幅度不大，100～200 min时处于缺氧阶段，pH上升至9左右并保持稳定。由此，pH的理想范围是7～8为宜。

表4 不同污泥龄下反硝化除磷效果

表5 不同pH对系统TP的去除效果

图4 反硝化除磷系统pH变化规律[23]

3 结语

反硝化除磷工艺从基础性的研究阶段进入到了工程应用阶段，但其流程较复杂，需要我们更深入地研究和优化工艺。因活性污泥微生物之间存在竞争和共生的关系，会影响反硝化除磷工艺，需要更多的实验来研究反硝化除磷系统。硝酸盐作为理想的电子受体，能够减少碳源，尤其是氧的消耗，同时节省费用。为使反硝化除磷系统在未来发展有更广阔的空间，可开发新型的在线监测技术来增加反硝化除磷系统的可控性；结合现有的污水处理工艺，将脱氮和除磷有机结合在一起。