基于污水同步脱氮除磷的反硝化聚磷菌的研究与展望

王小楠 , 卞晓峥,2 , 黄健平,2* , 胡越洋

(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 450046)

0 前言

反硝化聚磷菌(DPAOs)是反硝化除磷(DPR)过程中的主要功能微生物。传统好氧聚磷菌(PAOs)只能利用氧气作为电子受体除磷,而DPAOs可以利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体,实现污水同步脱氮除磷。因此,DPR具备节省碳源,减小曝气量和降低污泥产量的优点,尤其适用于低C/N污水[1]。

本文论述了近十年来反硝化聚磷菌的培养,分离筛选研究现状;基于电子受体利用能力的不同对DPAOs功能菌群进行分类分析和总结,为DPAOs后续研究提供一定的理论依据。

由于DPR技术的发展及广泛应用,国内外学者相继对DPR进行了深入到DPAOs方面的研究。以往对DPAOs的研究多采用显微镜观察,实验室纯培养方式较难得到充分的研究和获取相应的菌属,操作繁琐,很难反应真实的菌群特性。随着荧光原位杂交(FISH)、16S rRNA克隆文库等技术的应用,陆续将DPAOs分离鉴定出来,极大地促进了DPR的发展,将宏观工艺与微观细菌之间联系,从而提高脱氮除磷性能[2-3]。DPAOs的脱氮除磷途径如图1所示。在厌氧条件下DPAOs吸收挥发性脂肪酸(VFA)合成聚-β-羟丁酸(PHB),同时释放胞内磷;在缺氧的条件下添加硝酸盐或亚硝酸盐,DPAOs以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体,以PHB为内碳源吸收胞外磷,实现同步反硝化脱氮除磷[4]。

图1 反硝化聚磷菌作用路径图

1 反硝化聚磷菌的培养

DPAOs是DPR工艺中的关键微生物,对DPR工艺脱氮除磷效率起关键作用。现有研究中,DPAOs的培养和富集的方法大多采取序批式活性污泥法(SBR)反应器进行连续流或批次培养。连续流直接培养方式,即连续进水和出水的方式,如双污泥系统(DEPHANOX-CFR)工艺、厌氧缺氧好氧-生物接触氧化(AAO-BCO)工艺、双污泥耦合振动缺氧MBR工艺(A2N-VMBR)等[5-6]。另一类为批次培养的方法,其中批次培养法包括一阶段培养法、二阶段培养法和三阶段培养法[7-9]。

1.1 直接培养法

1.2 一阶段培养法

1.3 二阶段培养法

1.4 三阶段培养法

三阶段培养方式与两阶段的不同之处在于,在第一阶段的厌氧/好氧驯化完成后开始第二阶段的厌氧/缺氧模式前,中间增加了一个环节,即在厌氧段结束后沉淀排水,然后重新加入不含COD的模拟配水。增加这一阶段的目的是降低缺氧段开始时的COD,消除在厌氧阶段未被聚磷菌吸收转化的COD对缺氧段的影响,限制常规反硝化菌的生长。李勇智等[9]采用三阶段培养法,第一阶段在厌氧/好氧运行,第二阶段厌氧/沉淀排水/缺氧运行,第三阶段厌氧/缺氧运行。在第三阶段共运行20个周期后系统进入稳定状态,除磷和脱氮效率分别达到了94%和95%。

2 反硝化聚磷菌的分离筛选

2.1 反硝化聚磷菌的分离筛选国外研究现状

BARKER等[10]从系统的好氧区抽取混合液样品中分离出不动杆菌(Acinetobacter),并被认为是强化生物除磷污泥中唯一的聚磷微生物。研究者分析了来自6大洲23个国家269个污水处理厂的样本的16S rRNA基因序列,推测出全球范围内活性污泥系统中约有109种不同的细菌,其中只有104种被培养和详细研究[11]。

2.2 反硝化聚磷菌的分离筛选国内研究现状

SUN等[17]从实验室同步脱氮除磷的SBR反应器中分离到一株Thauera,命名为N11。LB培养基是最佳的营养去除培养基,其最适pH值为8,最适温度为35 ℃。在最佳培养条件下培养32 h,细菌始终保持活性,OD600维持在1.8左右,菌落数为1.826×1013～3.218×1013cfu/mL,反硝化率和除磷率分别为89.96%和80.38%。

LIN等[19]等从城市生物污泥中分离出一株Acinetobacter命名为ND7。菌株亚硝酸盐(51.8mg/L)和硝酸盐(52.1 mg/L)去除率分别为96.2%和97.18%。利用PCR技术成功扩增了功能基因hao、napA和nirS,进一步证明了ND7的异养硝化和好氧反硝化能力。最佳脱氮条件为温度35 ℃,碳氮比为8。

YANG等[20]采集了多种不同样品的活性污泥和沉积物。最终分离出4株Bacillus,分别命名为JD-005、JD-014、JD-016和JD-017。所有筛选的菌株都表现出很强的还原硝酸盐、亚硝酸盐的能力。

刘燕等[21]从活性污泥中分离出1株Paracoccus。结果表明,在碳源为葡萄糖,碳氮比为20,温度30 ℃,pH值为7.5,接种量为1.5%,微量元素投加体积分数0.02%的最优降解条件下,该菌(初始质量浓度为100.0 mg/L的硝酸盐在30 h内)的降解率在好氧条件下为95.3%,厌氧条件下为96.3%。

综上所述,DPAOs主要存在于细菌中,在放线菌中也有少量报道,近年来筛选发现的DPAOs,包括假单胞菌属(Pseudomonas)、不动杆菌属(Acinetobacter)、副球菌属(Paracoccus)、芽孢杆菌属(Bacillus)、陶厄氏菌属(Thauera)、脱氯单胞菌(Dechloromonas)、气单胞菌属(Aerodomonas)、无色杆菌属(Achromobacter.sp)、短波单胞菌属(Brevundimonas)等[22-24]。

3 反硝化聚磷菌电子受体利用

反硝化除磷过程中电子受体决定了污水处理脱氮和除磷的效能。目前DPAOs可分为以下三类:PO,能够仅利用氧作为电子受体的除磷细菌;PON,能够利用氧和硝酸盐(但不包括亚硝酸盐)作为电子受体的除磷细菌;PONn,能够利用氧、硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体的除磷细菌。

4 结语

随着DPR技术的快速发展及广泛应用,国内外学者开始以微生物为突破口,发掘微生物的生长特性、世代繁殖周期,使其更好地控制工艺运行模式、调控工艺运行参数,充分发挥新型菌种的效能,最大程度地提高污水处理厂的去除效果。Pseudomonas、Acinetobacter、Bacillus、Dechloromonas、Thauera等都是DPR过程中常见的微生物。反硝化聚磷菌电子受体利用呈多样性,通过多种方法鉴定和筛选能够利用不同电子受体的反硝化聚磷菌,并对其进行脱氮和除磷功能及代谢的深入分析,是实现反硝化聚磷菌应用于污水强化脱氮除磷工艺研究的重点。