楊國靖，李小明，曾光明，謝珊，楊麒
(湖南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，湖南 長沙 410082)

　　摘　要：結(jié)合近年來國內(nèi)外除磷脫氮的最新研究成果，對(duì)好氧顆粒污泥除磷脫氮的機(jī)理及工藝進(jìn)行了探討和研究。研究表面通過適當(dāng)?shù)腟BR定向培養(yǎng)，可以在顆粒污泥中培養(yǎng)出不同的微生物菌群（硝化菌、反硝化菌、聚磷菌、反硝化聚磷菌等），使其能夠?qū)崿F(xiàn)同步除磷脫痰，從而為污水生物除磷脫氮工藝研究提供了一個(gè)新思路。
　　關(guān)鍵詞：污水處理；好氧；顆粒污泥；除磷脫氮；硝化；反硝化
　　中圖分類號(hào)：X703　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　文章編號(hào)：1009—2455(2004)06—0010—04

A New Progress in Study of Simultaneous Dephosphorization and Denitrification by Aerobic Granular Sludge
YANG Guo-jing，LI Xiao-ming，ZENG Guang-ming，XIE Shan，YANG Qi
(Department of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082，China)

　　Abstract：Based on the latest results of the study of dephosphorization and denitrification in China and outside China，the mechanism of and process for dephosphorization and denitrification by aerobic granular sludge were approached and studied．The results of the study showed that different colonies of microorganisms (nitrifiers，denitrifiers，phosphorus-accumulating organisms，denitrifying phosphorus-accumulating organisms，etc．)can be cultivated in granular sludge through appropriate orientated cultivation in sequencing batch reactor (SBR) to enable it to realize simultaneous dephosphorization and denitrification，which provides a new thinking for the study of the biological dephosphorization and denitrification of waste water．
　　Key words：wastewater treatment；aerobic；granular sludge；dephosphorization and denitrification；nitrification；denitrification

　　氮、磷是引起水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)物質(zhì)，現(xiàn)行的生物除磷脫氮工藝主要是通過空間順序(污水的各種特殊化反應(yīng)被安排在不同的反應(yīng)器里進(jìn)行，典型代表有A²/O，改良的A²/0，UCT，VIP等)或時(shí)間順序(污水的各種生化反應(yīng)均在同一反應(yīng)器里，按時(shí)間順序進(jìn)行處理，典型代表是間歇活性污泥法SBR)來實(shí)現(xiàn)氮、磷的去除，往往造成系統(tǒng)復(fù)雜，能耗較大，且運(yùn)行管理不便。
　　利用具有同步硝化反硝化能力的好氧顆粒污泥實(shí)現(xiàn)反硝化除磷脫氮是筆者在污水生物除磷脫氮工藝研究中的一個(gè)新思路，本文將結(jié)合近年來國內(nèi)外最新研究成果，對(duì)好氧顆粒污泥實(shí)現(xiàn)同步除磷脫氮工藝及其機(jī)理加以探討和研究。

l 好氧顆粒污泥脫氮機(jī)理

　　好氧顆粒污泥系統(tǒng)中可能發(fā)生的與脫氮相關(guān)的生物反應(yīng)包括：硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、好氧反硝化和好氧反氨化^[1-3]；在好氧顆粒污泥的表面，亞硝化菌和硝化菌將NH₄⁺氧化成NO₂^-和NO₃^-；在顆粒污泥的中間層，好氧反硝化菌、異養(yǎng)硝化菌和好氧反氨化菌在低溶解氧條件下(1mg/L左右)進(jìn)行反硝化，將NH₄⁺轉(zhuǎn)變成N₂；在顆粒內(nèi)部，當(dāng)外碳源存在時(shí)，反硝化菌將NO₂^-和NO₃^-轉(zhuǎn)變?yōu)镹₂釋放；當(dāng)缺乏有機(jī)碳源時(shí)，厭氧氨氧化菌又能以NH₄⁺為電子供體將NO₃^-或NO₂^-還原形成N₂。表1列出了曝氣過程中顆粒污泥不同區(qū)域可能發(fā)生的與脫氮相關(guān)的反應(yīng)。

表1 好氧顆粒污泥的不同部位可能發(fā)生的與脫氮相關(guān)的過程

過程發(fā)生的部位 ρ（溶解氧）/（mg·L^-1） 過程 顆粒污泥表層 ＞2 自養(yǎng)硝化 顆粒污泥中間層 1 異養(yǎng)硝化 好養(yǎng)反硝化 好養(yǎng)反氨化 顆粒污泥內(nèi)部 ＜0.5 厭養(yǎng)反硝化（有碳源） 厭養(yǎng)氨氧化（無碳源）

　　對(duì)某一具體的好氧顆粒污泥而言，脫氮方式應(yīng)該是多種途徑并存，而具體以那種方式為主，則與好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過程和所處的外界環(huán)境密切相關(guān)。本課題組在對(duì)SBR系統(tǒng)的研究中已培養(yǎng)出了具有同步硝化反硝化(SND)能力的高活性的好氧顆粒污泥^[4-5]。
　　在同一處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化過程，硝化反應(yīng)的產(chǎn)物可直接作為反硝化反應(yīng)的底物，避免了硝化過程中NO3-的積累對(duì)硝化反應(yīng)的抑制，加速了硝化反應(yīng)的速度；而且反硝化反應(yīng)中所釋放出的堿度可部分補(bǔ)償硝化反應(yīng)所消耗的堿度，使系統(tǒng)中的pH值相對(duì)穩(wěn)定；實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化并達(dá)到兩過程的動(dòng)力學(xué)平衡，將大大簡化脫氮工藝并提高脫氮效率。

2 反硝化除磷機(jī)理

　　污水除磷技術(shù)的發(fā)展起源于生物超量吸磷現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，污水生物除磷就是利用聚磷菌吸收的磷量超過其正常生長所需要的磷量，以聚磷酸鹽(poly-P)的形式超量儲(chǔ)存磷來實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的生物除磷是由聚磷細(xì)菌(PAO，Poly-phosphate-accumu-lating organisms)利用厭氧/好氧交替環(huán)境，來實(shí)現(xiàn)放磷和過量吸磷的。圖2顯示了生物除磷的生化代謝模型^[6-8]。反硝化除磷的發(fā)現(xiàn)是生物除磷的最新研究成果，它是由反硝化聚磷菌(denitrifving phos-phorus removing bacteria，簡稱DPB)在厭氧/缺氧交替環(huán)境中，通過它們的代謝作用來同時(shí)完成過量吸磷和反硝化過程而達(dá)到除磷脫氮雙重目的。如圖2所示，在缺氧(無氧但存在硝酸氮)條件下，DPB能夠利用硝酸氮(而不是O₂)充當(dāng)電子受體，產(chǎn)生同樣的生物攝磷作用。在生物攝磷的同時(shí)，硝酸氮被還原為氮?dú)?，從而使生物除磷與反硝化脫氮有機(jī)地合二為一。實(shí)現(xiàn)反硝化除磷能分別節(jié)省50％和30％的COD與O₂消耗量，相應(yīng)減少50％的剩余污泥量，因此被譽(yù)為“可持續(xù)生物除磷脫氮工藝”。

3 好氧顆粒污泥實(shí)現(xiàn)同步除磷脫氮

　　兼性反硝化細(xì)菌(反硝化聚磷菌)生物攝/放磷作用被確認(rèn)不僅拓寬了磷的去除途徑，而且，更重要的是這種細(xì)菌的生物攝/放磷作用將反硝化脫氮與生物除磷有機(jī)地合二為一。利用反硝化聚磷菌體內(nèi)PHB的“一碳兩用”來實(shí)現(xiàn)除磷脫氮，不僅解決了反硝化細(xì)菌和聚磷菌對(duì)碳源需要的矛盾，而且為改良現(xiàn)有污水生物除磷脫氮工藝提供了一個(gè)新思路。近年來國內(nèi)外許多研究者^[9-13]，在對(duì)SBR系統(tǒng)的研究中均發(fā)現(xiàn)了具有反硝化能力的聚磷菌(DPB)，目前滿足DPB所需環(huán)境和基質(zhì)的工藝有單、雙污泥系統(tǒng)，典型代表有BCFS工藝，Dephanox，A₂SBR，A₂NSBR等。但利用好氧顆粒污泥實(shí)現(xiàn)反硝化除磷脫氮的研究還未見報(bào)道。
　　好氧顆粒污泥是近幾年發(fā)現(xiàn)的在好氧條件下自發(fā)形成的細(xì)胞自身固定化顆粒^[14]。由于好氧顆粒污泥自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及氧擴(kuò)散梯度的存在，污泥顆粒由外到內(nèi)，可以形成好氧區(qū)—缺氧區(qū)—厭氧區(qū)，這為除磷脫氮所需的各種微生物菌群提供了合適的生長環(huán)境，通過適當(dāng)?shù)亩ㄏ蚺囵B(yǎng)控制(溫度25℃，pH值7～8，厭氧2h，好氧4h，曝氣階段的溶解氧的質(zhì)量濃度控制在1～2 mg/L，泥齡20d)，可以在3個(gè)區(qū)域中培養(yǎng)出不同的微生物菌群(硝化菌、反硝化菌、聚磷菌、反硝化聚磷菌等)，最大限度地發(fā)揮其群體優(yōu)勢，使其實(shí)現(xiàn)同步除磷脫氮。圖3顯示了好氧顆粒污泥體內(nèi)不同的反應(yīng)區(qū)劃分。由于好氧顆粒污泥內(nèi)部具有缺氧區(qū)，其內(nèi)部的兼性反硝化菌在有磷存在的同時(shí)，利用好氧顆粒污泥在硝化過程中產(chǎn)生的硝酸根作電子受體，是可以實(shí)現(xiàn)反硝化除磷脫氮的，而且脫氮和除磷可以相互促進(jìn)。只是由于除磷過程需要在厭氧/好氧(缺氧)交替環(huán)境下進(jìn)行，在未加任何控制的情況下，好氧顆粒污泥雖有反硝化聚磷的能力，但除磷效果可能不強(qiáng)。李勇智^[15]等研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)馴化培養(yǎng)的好氧強(qiáng)化生物除磷體系中，反硝化聚磷菌約占全部聚磷菌的13.3％，經(jīng)過厭氧/缺氧交替運(yùn)行方式培養(yǎng)馴化后，反硝化聚磷菌所占比例上升到69.4％。因此如果選擇合理的SBR運(yùn)行方式并對(duì)處理過程的溶解氧等因素加以控制，可以把一類以硝酸根作為最終電子受體的兼性反硝化細(xì)菌(DPB)馴化培養(yǎng)成優(yōu)勢菌種，從而有利于反硝化除磷脫氮的發(fā)生。

　　本課題組以SBR系統(tǒng)培養(yǎng)的具有同步硝化反硝化能力的好氧顆粒污泥為接種污泥，通過厭氧/好氧的SBR運(yùn)行方式，初步驗(yàn)證了這一設(shè)想的可行性。在好氧過程中，好氧顆粒污泥不僅能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化和反硝化除磷，而且具有良好的除磷脫氮性能，NH₃-N，PO₄^3--P的去除率分別達(dá)到98.9％和90.0％。為了證明好氧顆粒污泥中確實(shí)存在一些能夠利用NO₃^--N作電子受體的兼性反硝化細(xì)菌(DPB)，筆者通過厭氧/缺氧的SBR運(yùn)行方式(顆粒污泥在SBR反應(yīng)器中經(jīng)過2h充分厭氧釋磷后，投加適量硝酸鹽作為電子受體在缺氧環(huán)境下運(yùn)行4h)對(duì)其進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)在缺氧環(huán)境下隨著NO₃^--N濃度的降低P的濃度相應(yīng)呈不斷不降的趨勢，這證明發(fā)生了反硝化聚磷作用，好氧顆粒污泥中確實(shí)存在一些能夠利用NO₃^--N作電子受體的兼性反硝化細(xì)菌(DPB)。不過，最佳的控制條件還有待作進(jìn)一步深入研究。
　　 好氧顆粒污泥擁有豐富的微生物相，了解和檢測其中的微生物種類和作用對(duì)研究好氧顆粒污泥同步除磷脫氮的微生物機(jī)理具有十分重要的意義，檢測微生物的常規(guī)方法是培養(yǎng)法，不同類群的微生物需要特殊的培養(yǎng)基，這種方法不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且絕大多數(shù)細(xì)菌不能或很難培養(yǎng)。而熒光原位雜交技術(shù)(fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH)廣泛用于分析復(fù)雜環(huán)境的微生物群落組成，其優(yōu)點(diǎn)是快速準(zhǔn)確地檢測和鑒定微生物種類，可以在自然環(huán)境中監(jiān)測和鑒定微生物，并能對(duì)未被培養(yǎng)的微生物進(jìn)行檢測，該技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于環(huán)境微生物的研究中，尤其在除磷細(xì)菌和脫氮細(xì)菌的檢測中已有成功的應(yīng)用^[16-17]，這將對(duì)了解和研究好氧顆粒污泥同步除磷脫氮的微生物機(jī)理發(fā)揮巨大作用。

4 結(jié)束語

　　好氧顆粒污泥是一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，由于好氧顆粒污泥自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及溶解氧質(zhì)量傳遞的限制，污泥顆粒由外到內(nèi)，可以形成好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，通過不同的定向培養(yǎng)，可以在三個(gè)區(qū)域中培養(yǎng)出不同的微生物菌群(硝化菌、反硝化菌、聚磷菌、反硝化聚磷菌等)，以用于不同特點(diǎn)廢水的處理。由于好氧顆粒污泥的這些特性，其在除磷脫氮方面的應(yīng)用有很好的前景，這無疑會(huì)對(duì)污水生物除磷脫氮工藝產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

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作者簡介：楊國靖(1980-)，男，山東濟(jì)寧人，湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系碩士研究生，主要從事廢水生物處理方面的研究。