不同电子受体反硝化除磷的研究进展

程 鹏，卞晓峥，宋博宇，华洁平，黄健平，2*

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2.河南省水体污染与土壤损害修复工程技术研究中心，河南 郑州 450043）

反硝化除磷（Denitrifying Phosphorus Removal，DPR）是以反硝化聚磷菌（Denitrifying Phosphate Accumulating Organisms，DPAOs）为主要功能菌群，在厌氧/缺氧环境下，以硝态氮或亚硝态氮为电子受体，以微生物胞内的聚β-羟基丁酸酯（Poly-β-hydroxybutyrate，PHB）为电子供体，同步完成脱氮和除磷。相比于传统的脱氮除磷，以硝态氮为电子受体的DPR 技术可节约50%的碳源需求、30%的曝气能耗以及减少50%的污泥产量[1]。以亚硝态氮为电子受体的DPR 可以进一步降低碳源消耗[2]，有研究表明，以亚硝态氮为电子受体的亚硝化反硝化除磷可以将DPR 对碳源的需求降低40%[3]。

本文综合分析两种电子受体DPR 系统在培养驯化、除磷效率以及微生物群落结构等方面的特点，总结亚硝态氮抑制DPR 的相关研究，并对DPR 工艺的发展前景提出展望。为DPR 工艺的后续研究提供一定的理论依据。

1 两种电子受体DPR 技术特点

1.1 DPAOs 的培养方式及除磷效率

DPAOs 的培养方式主要有3 类，分别是：一阶段法、二阶段法和三阶段法。一阶段法，即直接采用厌氧/缺氧（A/A）或厌氧/缺氧/好氧（A/A/O）交替运行的方式进行培养，同时在缺氧段投加硝态氮或亚硝态氮；二阶段法，首先采用厌氧/好氧（A/O）交替运行的方式富集传统聚磷菌（Phosphate Accumulating Organisms，PAOs），再通过A/A的方式富集DPAOs，在缺氧段投加硝态氮或亚硝态氮，该培养方法的第二阶段与一阶段培养法相似；三阶段法，在两阶段培养法之间增加一个缓冲阶段，该缓冲阶段根据具体实验要求有多种形式，常见的有A/A/O 和厌氧/沉淀排水/缺氧两种形式。

1.1.1 以硝态氮作为电子受体的DPAOs 培养研究

电子受体的不同是PAOs 和DPAOs 的主要区别，目前有关DPAOs 培养驯化的大部分研究都使用硝态氮作为电子受体。刘建广等[4]采用A/A/O 的一阶段法和A/O 加A/A/O 的二阶段法分别经过55 天和70 天完成了对DPAOs 的培养，实验结果表明，两种培养方式下DPAOs对磷酸根和氮的去除率均达到了97%和95%以上。占茹等[5]采用A/A 一阶段式驯化方法经过40 天完成了DPAOs的培养，出水磷酸根和硝态氮均低于1 mg/L。张红等[6]采用A/O 加A/A/O 的二阶段法，经过76 个周期完成了DPAOs 的培养驯化，DPAOs 占PAOs 的比例由29.8%升至85.2%，COD、总氮和总磷的平均去除率分别达到90%、82%和97%。史静等[7]以污水处理厂氧化沟污泥为种泥，采用A/O 加A/A/O 的二阶段法经过100 天成功驯化培养出DPR 污泥，对COD、氨氮和磷的去除率分别为93.5%、76.7%和94.1%。李勇智等[8]采用A/O 和A/A 交替运行的二阶段培养法经过50 天完成了DPAOs 的培养驯化，培养完成后DPAOs 占PAOs 的比例由13.3%升至69.4%，除磷效率大于89%。王燃燃等[9]对比了二阶段培养法和三阶段培养法的驯化时间和对磷的去除效果，其中二阶段培养法为A/O 加A/A，三阶段培养法在两个阶段之间增加了厌氧/排水/进水/缺氧。结果表明，两种培养方式对氮和磷的去除效率均能达到90%左右和80%以上，且三阶段培养法更快、利用硝酸盐吸磷的能力更强。李勇智等[10]采用A/O、厌氧/沉淀排水/缺氧、A/A/O 的三阶段培养法对DPAOs 进行培养驯化，历时100 个周期。最终DPAOs 占PAOs 的比例由15%升至73%，出水磷浓度低于1 mg/L。黄靓等[11]采用A/O、A/A/O、A/A 的三阶段培养法，经过288 个周期的培养DPAOs 占PAOs 的比例升至84.5%。

综上，以硝态氮为电子受体时，3 种培养方法均可以成功培养DPAOs。其中，二阶段培养法是研究者使用最多的DPAOs 培养方法，驯化方法相对成熟；在第二个培养阶段厌氧末进行换水的三阶段法培养得更快，厌氧结束后的换水可以避免厌氧段的COD 进入缺氧段，防止缺氧段发生传统反硝化，更利于DPAOs 的生长；一阶段培养法运行维护更加方便，培养速度最快，不过目前相关研究较少仍需要进一步研究。

1.1.2 以亚硝态氮作为电子受体的DPAOs 培养研究

以亚硝态氮为电子受体的DPAOs 的培养方式与硝态氮无较大差别。由于亚硝态氮对生物除磷有抑制作用，因此有研究者首先培养以硝态氮为电子受体的DPAOs，然后逐渐降低进水硝态氮浓度并同时增加亚硝态氮浓度，最终得到以亚硝态氮为电子受体的DPAOs。

唐家桓等[12]采用A/O 加A/A 的二阶段培养法，经过120 天完成系统的快速启动，总氮和总磷平均去除率分别为82.5%和80%。赵璐等[13]采用A/A 的一阶段培养方式，经过30 天完成培养，磷的去除率在61%～79%之间。李亚峰等[14]首先通过A/O、A/A 的运行方式富集完成以硝态氮为电子受体的DPAOs，后通过减少硝态氮投加量，增加亚硝态氮投加量的方式完成电子受体的转换。经过131 天完成系统的启动，稳定后磷的去除率达到89%左右。

大量研究表明，亚硝态氮作为电子受体的DPR 系统可以实现稳定除磷。不过由于亚硝态氮对生物除磷系统存在一定的毒性，相比于硝态氮，亚硝态氮作为电子受体DPR 系统对磷的去除率可能较低，并且DPAOs 需要更长的时间来完成富集。

1.2 DPAOs 的菌群结构分析

微生物是DPR 系统脱氮除磷的关键，有关DPAOs菌群结构的研究从未停止。目前研究发现，具备DPR 功能的菌属有脱氯单胞菌属（Dechloromonas）、假单胞菌属（Pseudomonas）、气单胞菌属（Aeromonas）、不动杆菌属（Acinetobacter）等[15-18]，同时DPR 系统中也存在丰度较高的陶厄氏菌属（Thauera）和动胶菌属（Zoogloea）[19-21]。在门水平上，DPAOs 在变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）中丰度最高，主要集中在Proteobacteria，少量存在于Bacteroidetes[22-24]。

吕小梅[25]的研究表明，硝态氮和亚硝态氮作为电子受体的DPR 污泥具有较多的OTUs（Operational Taxonomic Units）比例分布，两者具有相似的菌群结构，分析两种电子受体的DPR 微生物为同一种微生物。刘洞阳[26]比较了氧气、硝态氮、亚硝态氮作为电子受体时除磷污泥的菌群结构差异，实验表明，硝态氮和亚硝态氮为电子受体的除磷系统微生物更为接近。何金妹[27]以硝态氮为电子受体并实现稳定除磷的DPR 污泥为种泥，通过增加亚硝态氮的投加量并减少硝态氮的投加量完成了DPR 污泥的培养驯化。结果显示，以亚硝态氮为电子受体DPR系统的微生物菌群结构与种泥同源性较差，但主要优势菌群相同。

部分文献中出现的不同电子受体DPR 系统中DPAOs 菌属见表1。从表1 中可以看出两种电子受体DPR 系统中均多次出现的优势菌属有Dechloromonas 和Pseudomonas，由于试验条件和运行方式等影响因素的不同，学者们研究得到的反硝化除磷优势菌属存在一定差异。整体来看，以亚硝态氮为电子受体的DPR 的磷去除率低于硝态氮为电子受体的DPR，这可能与亚硝态氮的毒性有关。

表1 文献中反硝化除磷菌类型及除磷效率总结

总的来说，硝态氮为电子受体的DPR 系统和亚硝态氮为电子受体的DPR 系统除磷功能菌群组成相似，不过由于不同研究人员采取的试验条件和运行方式等影响因素的不同，研究得到的DPR 系统中的优势菌群仍存在一定差异。目前，人们对DPR 微生物群落结构的了解仍不够深入，有关DPR 微生物功能菌群的分析仍是目前DPR研究的重点。

1.3 影响除磷效果的亚硝酸盐抑制浓度

理论上，相比于硝态氮，以亚硝态氮作为电子受体可以节约更多的碳源，拥有更高的吸磷速率[32]。然而，许多研究发现生物除磷系统中亚硝态氮的富集会抑制微生物吸磷。魏明岩等[32]人的研究表明，随着电子受体浓度的增加，硝态氮与亚硝态氮为电子受体的DPR 污泥之间吸磷速率的差距会越来越大，前者甚至可以达到后者的31 倍；Lv 等[33]人在不同电子受体DPR 的研究中也发现硝态氮比亚硝态氮作为电子受体有更好的除磷效果；Xiang HU 等[34]人的研究表明，在不同外加碳源的条件下，硝态氮为电子受体的污泥有更好的氮磷去除效率。基于此，大量研究者展开了亚硝态氮抑制吸磷作用的相关研究。

Kuba 等[35]认为亚硝态氮浓度在5～10 mg/L 时严重阻碍了SBR 系统中的吸磷活性。朱文韬等[36]研究发现，低浓度的亚硝态氮不会抑制缺氧吸磷，甚至混合电子受体比只有硝态氮为电子受体的污泥系统有更快的吸磷速率。荆肇乾等[37]发现在亚硝态氮初始浓度高到30 mg/L的条件下，除磷率仍然可以达到93%以上；AHN 等[38]研究发现在亚硝态氮浓度升高到40 mg/L 时对缺氧吸磷仍然没有产生抑制；在张晓洁[39]的研究中，亚硝态氮浓度为80 mg/L 时仍没有出现对吸磷的抑制。

近年来，有研究者指出亚硝态氮并非真正的抑制剂，真正抑制微生物增殖的是亚硝酸盐的质子化产物游离亚硝酸（free nitrous acid，FNA）[40]。研究发现的FNA 影响反硝化吸磷的因素主要有3 种[41]：（1）FNA 可以穿过细胞膜，使胞内的pH 降低，影响ATP 的合成，从而影响吸磷过程。（2）FNA 的积累会抑制反硝化酶的活性以及缺氧段酶对PHA 的氧化作用，从而影响吸磷过程。（3）FNA 对细胞的合成代谢和分解代谢过程存在不同程度的影响，从而影响吸磷过程。

ZHOU 等[42]研究发现当FNA 质量浓度高于0.002 mg/L 时这种抑制便会发生。李微等[43]分析了不同质量浓度FNA 对缺氧反硝化吸磷的影响，试验结果表明，当FNA质量浓度超过2.19×10-3mg/L 时，吸磷过程几乎不再发生。ZHOU 等[44]对DPR 系统的研究表明FNA 质量浓度达到0.037 mg/L 时会完全抑制缺氧吸磷。也有研究表明，当FNA 质量浓度达到0.005 mg/L 时缺氧吸磷完全被抑制[45]。

目前，学者们对于亚硝态氮可以作为电子受体实现DPR 已经达成共识，主要存在争议的地方是亚硝态氮抑制缺氧吸磷的阈值。由于实验条件和运行培养方式的不同，不同学者试验得出的亚硝态氮及FNA 的抑制阈值仍存在较大差异。由于亚硝态氮作为电子受体比硝态氮作为电子受体更加节约碳源，因此亚硝态氮抑制缺氧吸磷的问题将是今后提高反硝化除磷效率研究的重点。

2 结束语

目前，国内外学者已经对DPR 技术进行了大量的研究，并取得了一定的成果。DPR 技术已经逐步发展完善，在DPR 系统稳定运行的同时实现了氮和磷的高效去除。近年来，大量研究表明亚硝态氮可以作为电子受体实现DPR 并取得良好的氮磷去除效果，两种电子受体DPR 系统具有相似的优势菌属。研究表明，亚硝态氮的浓度过高会抑制吸磷，亚硝态氮浓度抑制缺氧吸磷的阈值目前仍存在争议。

DPR 工艺与其他工艺的众多结合工艺逐渐进入人们的视野，如与短程反硝化、厌氧氨氧化等工艺的结合。因此，进一步了解DPR 系统的微生物组成对DPR 工艺的发展有重要意义。同时，短程反硝化和厌氧氨氧化等工艺主要涉及的电子受体为亚硝态氮，因此以亚硝态氮作为电子受体的DPR 有更好的发展前景和应用价值。