以亚硝酸盐为电子受体的反硝化聚糖菌培养及特性分析

2021-06-24张胜男郭海燕杨雪瑞龙春水李金雨

大连交通大学学报 2021年3期

张胜男,郭海燕,杨雪瑞，龙春水,李金雨

(大连交通大学环境与化学工程学院，辽宁大连 116028)*

聚糖菌(Glycogen Accumulating Organisms，GAOs)最早在生物强化除磷(Enhanced Biological Phosphate Removal，EBPR)系统中被发现，这种微生物在厌氧条件下利用体内糖原降解提供的能量及还原力吸收有机物并不释磷，并以聚β-羟基烷酸酯(poly-β-hydroxy alkanoate，PHA)或者聚β-羟基丁酸酯(poly-β-hydroxy butyrate，PHB)的形式储存在胞内；好氧条件下，以分解PHA/PHB提供的能量重新合成糖原并不吸磷[1].研究发现，一些聚糖菌在硝酸盐或亚硝酸盐存在条件下能发生反硝化反应，这种具有反硝化能力的聚糖菌称为反硝化聚糖菌(DGAOs)[2-3].DGAOs与反硝化聚磷菌(DPAOs)类似，均能利用内碳源进行反硝化，但两者主要区别在于吸收有机物的能量来源不同及是否吸磷.虽然DGAOs对除磷没有贡献，但能把外碳源转化为内碳源驱动反硝化脱氮，在处理低碳氮比废水中利用该特性可以简化脱氮工艺流程，节省曝气量，解决污水处理过程中外部碳源缺乏的问题.短程反硝化具有节约碳源、反应速率快、剩余污泥量少等优点.但由于亚硝酸盐具有稳定性差、生物毒性强等特点，亚硝酸盐作为电子受体时反硝化除磷效果要差于硝酸盐为电子受体时的反硝化除磷效果[4]，亚硝酸盐浓度在一定范围内时，能取得稳定反硝化除磷效果.张斌等人[5-6]通过厌氧/好氧运行方式在SBR反应器中成功富集了具有典型聚糖特征的颗粒污泥，硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的反硝化去除率分别达到了65%和70%.贾淑媛等[7]以厌氧/好氧运行方式驯化GAOs，之后分别以 NO2--N 和 NO3--N为电子受体，经过 150 d 厌氧/缺氧运行方式培养后可稳定进行内源反硝化反应，驯化后的 GAOs在常温下短程内源反硝化速率约为全程内源反硝化速率的 3 倍.

目前，国内外关于 GAOs 的富集培养及反硝化代谢机理的研究尚不完善，对于短程内碳源反硝化的研究相对更少[7-9].本文研究了亚硝酸盐型反硝化聚糖菌的培养过程，考察了培养方式、驯化时间、亚硝酸盐浓度对反硝化聚糖菌的影响，分析了内碳源转化过程，以期为反硝化聚糖菌在污水处理中的应用提供理论依据.

1 实验部分

1.1 原水水质及接种污泥

实验采用人工配制模拟污水，以乙酸钠为有机碳源，KH2PO4为磷源，NH4Cl为氮源，投加MgSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O和KI等作为微量元素的来源[4].原水NH4+-N浓度为15 mg/L左右，COD浓度为300 mg/L左右，PO43--P浓度为2mg/L左右，pH范围在7.0～8.0之间，水温为25℃.实验所用污泥为某市污水处理厂二沉池的浓缩污泥，具有一定的脱氮除磷能力，接种后污泥浓度为3 000 mg/L左右.

1.2 实验装置及运行方式

如图1所示，采用序批式反应器(SBR)培养DGAOs，反应器有效容积5L，排水比约为2/5.实验过程中未进行单独排泥，根据排水阶段出水中的污泥悬浮物浓度，可以计算出反应器污泥龄(SRT)约为34d.SBR反应器每天连续运行4个周期，每个周期为6h.反应器进水、搅拌、加药、曝气、沉淀、排水等工序均通过时间控制器进行自动控制.

亚硝酸盐型DGAOs的培养分为五个阶段.第一阶段采用厌氧/好氧的运行方式以培养普通GAOs；第二阶段采用厌氧/缺氧/好氧的运行方式，目的是初步驯化DGAOs；第三阶段采用厌氧/缺氧运行方式，增强DGAOs的反硝化能力；由于第三阶段微生物反硝化活性有所下降，第四阶段重新恢复厌氧/缺氧/好氧运行方式；第五阶段采用厌氧/缺氧两周期、厌氧/好氧两周期的运行方式，其目的是在保持系统中GAOs存在的前提下，考察其在缺氧条件下的反硝化效果.

1.3 分析方法

水质指标分析方法参照《水和废水监测分析方法》[10]，采用纳氏试剂分光光度法测定NH4+-N浓度，钼锑抗分光光度法测定PO43--P浓度，酚二磺酸光度法测定NO3--N浓度，N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定NO2--N浓度；COD测定采用微波消解滴定法，胞内聚-β-羟基丁酸(PHB)采用次氯酸钠法测定，胞内糖原质采用苯酚-硫酸分光光度法测定[11].

2 结果与讨论

2.1 亚硝酸盐型DGAOs的培养过程

2.1.1 厌氧段有机物去除变化

厌氧/好氧(厌氧/缺氧)环境是聚糖菌(反硝化聚糖菌)在活性污泥微生物中成为优势菌群的重要前提，厌氧阶段有机物的去除能够反映聚糖菌在系统内增殖情况.亚硝酸盐型DGAOs培养过程进水、出水及厌氧段结束后COD浓度变化,如图2所示.

在厌氧/好氧、厌氧/缺氧/好氧的前两个阶段，厌氧后混合液内COD持续下降，反映了污泥中聚糖菌活性的恢复和数量增加；第三阶段运行方式改为厌氧/缺氧后，厌氧段有机物的去除量出现下降趋势，出水COD浓度增至70 mg/L左右.其原因可能是好氧条件的缺失使得普通聚糖菌失去聚糖的能力，而适应厌氧/缺氧环境的反硝化聚糖菌数量不足或活性较差；第四阶段重新恢复好氧段，厌氧后有机物的去除恢复至第二阶段水平，出水 COD浓度稳定在8 mg/L左右；第五阶段采用厌氧/缺氧两周期、厌氧/好氧两周期的运行方式，厌氧/好氧模式下保持普通聚糖菌的存活，厌氧/缺氧模式考察普通聚糖菌的反硝化性能.从图2可以看出，第五阶段系统稳定后，厌氧/缺氧模式下厌氧后COD浓度约在23 mg/L左右，标明系统内存在适应该环境的聚糖菌.

2.1.2 释磷和吸磷变化

DGAOs和DPAOs主要区别在于吸收有机物的能量来源及是否释磷吸磷.在厌氧段DGAOs吸收有机物合成PHB但不释磷，在缺氧段降解PHB以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体进行反硝化脱氮但不吸磷.在对亚硝酸盐型DGAOs的培养过程中，采用了低含磷污水以减少系统中聚磷菌或反硝化聚磷菌的数量，避免使其成为优势菌群.培养过程进水、厌氧段后及出水中磷酸盐浓度变化如图3所示.在第一阶段厌氧/好氧运行方式下，活性污泥表现出了明显的吸磷释磷现象，厌氧段结束后磷酸盐浓度达到10 mg/L，说明接种的污泥中存在大量的聚磷菌；第二阶段厌氧/缺氧/好氧运行方式下，随着运行周期的增加，系统中释磷量减少；第三阶段取消了好氧段后，系统中无明显的吸磷释磷现象，磷酸盐浓度下降至1.4mg/L，在第四、第五阶段，释磷量同样没有增加的现象，说明PAOs逐渐被淘汰出系统.

图3 培养阶段进、出水及厌氧后磷酸盐变化

2.1.3 缺氧段亚硝酸盐去除变化

培养阶段缺氧段亚硝酸盐去除变化，如图4所示.在第二、三阶段，投加亚硝酸盐使缺氧段初期亚硝酸盐浓度约为20 mg/L，可以看出，在系统稳定后缺氧后亚硝酸盐浓度基本降低为0；在第四阶段，缺氧段初期亚硝酸盐浓度进一步提高至30mg/L，出水亚硝酸盐浓度大幅度提高至15 mg/L.而后重新将亚硝酸盐浓度降至25 mg/L，出水亚硝酸盐的浓度降低至8.5 mg/L；第五阶段，在保持进水浓度基本不变的条件下，出水亚硝酸盐浓度降低至3 mg/L左右.结合前述有机物和磷酸盐变化分析可以推断，在第五阶段，厌氧段有机物被大量去除，缺氧段硝酸盐浓度下降且没有出现吸磷现象，说明反应器里已成功富集了亚硝酸盐型DGAOs.

图4 培养阶段缺氧段NO2--N变化

贾淑媛等人采用厌氧/好氧培养GAOs，采用厌氧/缺氧的培养方式成功驯化出以亚硝酸盐为电子受体的DGAOs，电子受体亚硝酸盐浓度为20mg/L[7].本系统中确定的亚硝酸盐氮最大耐受浓度约为25 mg/L，亚硝酸盐浓度提高至30 mg/L时出现微生物受抑制现象.但和文献报道不同[5,7]，本研究中培养模式由厌氧/缺氧/好氧模式变为完全厌氧/缺氧模式后，系统反硝化效果恶化.推测培养的DGAOs是一类具有反硝化能力的GAOs，长期保持厌氧/缺氧模式会使其失去聚糖能力，从而无法利用内碳源进行脱氮，厌氧/好氧交替环境的存在是GAOs在好氧环境变为缺氧环境时具备反硝化能力的前提.有研究表明，并不是 GAOs 的所有分支都具有反硝化功能，Competibacter 包含的 7 个进化分支(GB1～GB7)中，GB1、GB4、GB5 具有以硝酸盐氮作为电子受体的反硝化功能，而 GB6 的反硝化功能以硝酸盐氮和亚硝酸盐氮作为电子受体，GB3、GB7 则没有反硝化功能[12-13].

2.2 亚硝酸盐型反硝化聚糖菌的特性

2.2.1 典型周期各指标变化

在第五阶段，跟踪考察了厌氧/缺氧条件下亚硝酸盐型DGAOs系统单个周期中各指标变化，如图5所示.在厌氧段，亚硝酸盐型DGAOs吸收有机物合成内碳源，混合液中COD浓度由151.3mg/L迅速下降至8 mg/L；由于微量聚磷菌的存在，磷酸盐浓度略微上升；在缺氧阶段，COD浓度基本保持不变，磷酸盐浓度略有下降.缺氧阶段初期亚硝酸盐浓度25 mg/L，在反应30 min后迅速下降至6.5 mg/L，之后的180 min内缓慢降至1.7 mg/L，反硝化率达到93.3%，反应速率和反硝化去除率均高于文献报道[5,7].作者在对硝酸盐型反硝化聚糖菌的研究中发现，进水中有机物的浓度会影响内碳源的合成，进水C/N比为6.7时内碳源反硝化率最高，进水C/N比过大，厌氧阶段有机物不能被完全吸收，缺氧阶段就会出现常规外碳源反硝化的现象[14].另一方面，进水C/N比过小，则会导致厌氧阶段微生物合成PHB所需的内碳源不足[15].本实验中缺氧段C/N比约为6时未出现碳源过剩或不足情况，内碳源反硝化效果良好.

图5 亚硝酸盐型内碳源反硝化典型周期内各指标变化情况

2.2.2 典型周期内碳源转化情况

图6为典型周期内亚硝酸盐型DGAOs内碳源转化情况.在厌氧阶段，微生物胞内PHB含量由28.1 mg/(g·MLSS)升高至53.9 mg/(g·MLSS)；在缺氧阶段，糖原浓度由23.1 mg/L升高至43.2 mg/L.可以计算，亚硝酸盐型DGAOs每消耗1 mg/L的COD合成PHB量为0.2 mg/(g·MLSS)，每消耗1 mg/(g·MLSS)的PHB合成糖原量为0.7 mg/(g·MLSS).结合典型周期中磷酸盐、亚硝酸盐的去除可知，在外碳源缺乏的条件下，亚硝酸盐型DGAOs可利用储存的PHB作为能源物质驱动反硝化反应.在厌氧阶段亚硝酸盐型DGAOs降解糖原所产生的能量主要用于吸收COD并储存PHB，在缺氧阶段降解PHB所产生的能量，一部分用于DGAOs以亚硝酸盐为电子受体进行反硝化反应，一部分用于合成糖原.