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摘要：以污水处理厂二沉池活性污泥为种泥，采用直接加药和厌氧/缺氧交替运行的驯化方式驯化46 d，使得缺氧脱氮率、除磷率分别稳定在95%、93%以上。试验结果表明，磷的吸收量和亚硝酸盐的消耗量基本呈线性关系，可以认为系统完成了污泥的驯化，经测试表明，短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。
关键词：短程反硝化聚磷菌；厌氧/缺氧；驯化；污泥
中图分类号： Q939.97；X703文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0332-03
作为一种新型的高效低能耗的生物脱氮除磷技术，反硝化除磷技术在近年来已成为水处理研究领域的一个热点[1-2]。反硝化除磷是指聚磷菌（phosphorus accumulation organisms，PAO）能在缺氧的条件下利用NO-3作为吸磷的电子受体，此时聚磷菌体内的聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）并不在传统的好氧吸磷过程中被O2氧化去除，而是作为NO-3反硝化的碳源，从而实现了脱氮除磷过程的耦合[3-4]。与传统的好氧聚磷菌相比，利用反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorus accumulation organisms，DPAO）除磷可以减少50%的化学需氧量（COD）需求和30%的O2消耗，从而实现“一碳两用”，同时可以减少50%的剩余污泥[5-6]。相关研究表明，反硝化过程一般都要产生中间产物亚硝酸盐，甚至在某些试验的反硝化过程中会出现一定浓度亚硝酸盐的积累，并且亚硝酸盐可以作为反硝化聚磷菌的电子受体[7-8]。本研究采用在密闭系统中直接厌氧/缺氧驯化的方法，经过1.5个月的培养，成功驯化出了短程反硝化聚磷菌。
1材料与方法
1.1设备与试剂
试验采用SBR（sequencing batch reactor activated sludge process）反应器，高60 cm，直径30 cm，总有效容积10 L，为有机玻璃材质。设备装配有电磁搅拌器，可使污泥在厌氧/缺氧阶段处于悬浮状态。为了保证试验污泥的绝对厌氧环境，本试验创新性地采用直接投加药品到污泥中的方法，避免了在配制溶液过程中与氧的接触，并通过控制投加药品量保证污泥混合液中各种成分的浓度，混合液微量元素溶液添加量为 0.3 mL/L。微量元素溶液配方与模拟废水成分分别见表1、表2。试验所用试剂均为国产分析纯。
2结果与分析
2.1厌氧/缺氧阶段COD的去除性能
在厌氧阶段开始时加入碳源、氨氮和磷酸盐，首先满足微生物自身生长的需要，其次促使聚磷菌在消耗碳源的同时释磷，为缺氧阶段反硝化聚磷做好准备。COD的变化情况及去除率见图1。
由图1可以看出，1 d厌氧结束以后，COD的剩余量仍然有60.8 mg/L，缺氧结束后COD降为23.63 mg/L。分析原因，可能是聚磷菌在厌氧阶段释磷完成后仍有碳源，即碳源添加过多。由图1还可以看出，在缺氧阶段加入亚硝态氮（NO-2-N）以后，反硝化菌利用剩余的碳源作为电子受体，发生反硝化反应，使COD进一步降低；在试验2 d后及以后的驯化期间将COD投加量改为150 mg/L时，厌氧结束、缺氧结束后的COD基本稳定在20 mg/L，去除率在85%以上，说明此时碳源充足，且能避免缺氧阶段亚硝态氮与碳源的接触，从而阻止反硝化菌利用碳源作为电子受体。
2.2亚硝态氮浓度的变化与去除率
由图2可以看出，反应1 d后，NO-2-N的去除率高达8162%；反应2、3 d后，去除率急剧下降，尤其是在反应2 d后的去除率只有29.83%；反应8 d以后，去除率逐步提高并趋于稳定。这主要是因为反应1 d时在厌氧结束后有剩余的碳源，大部分亚硝态氮通过反硝化反应被去除了；2 d时进入缺氧阶段，COD浓度仅为20 mg/L，NO-2-N只能被很少的反硝化聚磷菌去除，因此去除率下降；在后续阶段逐步聚集了小部分反硝化聚磷菌，利用亚硝态氮作为电子受体，发生反硝化聚磷，使得NO-2-N去除率逐步升高；稳定运行后，即使 NO-2-N 浓度由20 mg/L增加到40 mg/L，系统依然有很高的去除率，且保持在95%以上。
2.3厌氧/缺氧阶段总磷的变化情况与去除率
聚磷菌在经过厌氧释磷以后进入缺氧阶段，利用缺氧环境中的亚硝态氮作为电子受体可以达到反硝化聚磷的目的。图3反映了各阶段总磷浓度的变化，可以看出，厌氧进水总磷浓度稳定在10 mg/L左右，厌氧结束后总磷浓度在40 mg/L以上，仅在反应2、3 d后有所下降，造成这种情况的原因主要是反应1 d后，缺氧结束后亚硝态氮仍有大量剩余，从而抑制了聚磷菌的厌氧释磷；在反应10 d后，释磷量恢复到稳定状态，结合图1还可以发现，虽然进水COD的浓度有所降低，但是稳定后的释磷量不变，进一步说明厌氧释磷是充分的。此外，从缺氧出水中的总磷浓度能够看出，虽然前3 d亚硝态氮有部分被去除了（图2），但是总磷的去除率很低，分别为47.58%、5331%、69.43%，其主要原因是在缺氧环境中，反硝化菌优先利用剩余的碳源作为电子受体而发生反硝化反应，但只有很少量的聚磷。不难看出，随着驯化的进行，缺氧除磷率不断上升并稳定在93%以上，充分表明污泥已具有良好的除磷特性，活性污泥的沉降性能得到明显改善；此外，在显微镜下可明显观察到轮虫等原生和后生动物，表示水质良好，驯化已基本完成。
2.4NO-2-N去除量与总磷去除量的关系
为了证明短程反硝化聚磷菌已经驯化成功，研究了缺氧条件下总磷的去除量与亚硝酸盐消耗之间的关系，详见图4。
2.5活性污泥中短程反硝化聚磷菌数量的估计
对经过厌氧/缺氧交替运行方式驯化的短程反硝化聚磷菌与厌氧/好氧聚磷菌活性污泥体系进行对比。首先将厌氧/缺氧活性污泥在SBR反应器中经过3 h充分厌氧释磷，然后将污泥平均分为2份，分别置于2个相同容积的SBR反应器中，其中1个以氧为电子受体，在好氧环境下运行，另一个投加亚硝酸盐作为电子受体，在缺氧环境下运行，吸磷（PO3-4-P）情况详见图5。 由图5可以看出，经过3 h的厌氧释磷后，PO-4-P的浓度达到40.68 mg/L，菌体在好氧条件下表现出良好的聚磷特性，在好氧开始3.5 h后就基本检测不到PO-4-P的存在，好氧吸磷速率为1.91 mg/h（以混合液悬浮固体浓度计）。但是，依然可以看出，经过驯化，短程反硝化聚磷菌已发生很大程度聚集，聚磷能力大幅提高。从图5可以看到，3 h厌氧释磷后，经过4 h的缺氧反应，PO-4-P浓度已经从开始的4068 mg/L降至2.13 mg/L，反硝化聚磷速率是1.61 mg/h（以混合液悬浮固体浓度计）。该污泥中短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。
3结论
研究结果表明，以亚硝态氮为电子受体的短程反硝化聚磷菌是存在的，以厌氧/缺氧交替运行的方式，并且直接投加药剂是可以选择并富集该菌种的。
稳定运行期间，短程反硝化聚磷菌在厌氧阶段释磷充分，在缺氧阶段有很高的脱氮除磷效率。缺氧结束时，NO-2-N和PO-4-P的浓度都在1 mg/L以下，去除率分别在95%、93%以上。
亚硝酸盐的消耗量与磷的吸收量基本呈线性关系，其关系式为：总磷的吸收量=1.269 1×NO-2-N的消耗量（r2=0.993 4）。
缺氧反硝化吸磷的效率低于好氧吸磷，经过厌氧/缺氧条件的驯化，短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。
参考文献：
[1]马娟，彭永臻，王丽，等. 反硝化除磷技术及其影响因素分析[J]. 工业水处理，2009，29（4）：4-8.
[2]贾学斌，王强，杜丛，等. 反硝化聚磷菌富集、筛选及其特性[J]. 哈尔滨工业大学学报，2011，43（2）：35-39.
[3]Jiang Y F，Wang L，Wang B Z，et al. Biological nitrogen removal with enhanced phosphate uptake in （AO）2 SBR using single sludge system[J]. Journal of Environmental Sciences，2004，16（6）：1037-1040.
[4]Jrgensen K S，Pauli A S L. Polyphosphate accumulation among denitrifying bacteria in activated sludge[J]. Anaerobe，1995，1（3）：161-168.
[5]Kuba T，Wachtmeister A，van Loosdrecht M C M，et al. Effect of nitrate on phosphorus release in biological phosphorus removal systems[J]. Water Science and Technology，1994，30（6）：263-269.
[6]Kuba T，Murnleitner E，van Loosdrecht M C，et al. A metabolic model for biological phosphorus removal by denitrifying organisms[J]. Biotechnology and Bioengineering，1996，52（6）：685-695.
[7]王亚宜，彭永臻，王淑莹，等. 碳源和硝态氮浓度对反硝化聚磷的影响及ORP的变化规律[J]. 环境科学，2004，25（4）：54-58.
[8]曹长青，雷中方，胡志荣，等. 反硝化除磷过程中的影响因素探讨[J]. 中国给水排水，2005，21（7）：22-25.陈莹，钟理，赵丽丽，等. 截叶铁扫帚种子萌发期对岩溶生境高钙干旱的生理生化反应[J]. 江苏农业科学，2014，42（9）：335-339.
关键词：短程反硝化聚磷菌；厌氧/缺氧；驯化；污泥
中图分类号： Q939.97；X703文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0332-03
作为一种新型的高效低能耗的生物脱氮除磷技术，反硝化除磷技术在近年来已成为水处理研究领域的一个热点[1-2]。反硝化除磷是指聚磷菌（phosphorus accumulation organisms，PAO）能在缺氧的条件下利用NO-3作为吸磷的电子受体，此时聚磷菌体内的聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）并不在传统的好氧吸磷过程中被O2氧化去除，而是作为NO-3反硝化的碳源，从而实现了脱氮除磷过程的耦合[3-4]。与传统的好氧聚磷菌相比，利用反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorus accumulation organisms，DPAO）除磷可以减少50%的化学需氧量（COD）需求和30%的O2消耗，从而实现“一碳两用”，同时可以减少50%的剩余污泥[5-6]。相关研究表明，反硝化过程一般都要产生中间产物亚硝酸盐，甚至在某些试验的反硝化过程中会出现一定浓度亚硝酸盐的积累，并且亚硝酸盐可以作为反硝化聚磷菌的电子受体[7-8]。本研究采用在密闭系统中直接厌氧/缺氧驯化的方法，经过1.5个月的培养，成功驯化出了短程反硝化聚磷菌。
1材料与方法
1.1设备与试剂
试验采用SBR（sequencing batch reactor activated sludge process）反应器，高60 cm，直径30 cm，总有效容积10 L，为有机玻璃材质。设备装配有电磁搅拌器，可使污泥在厌氧/缺氧阶段处于悬浮状态。为了保证试验污泥的绝对厌氧环境，本试验创新性地采用直接投加药品到污泥中的方法，避免了在配制溶液过程中与氧的接触，并通过控制投加药品量保证污泥混合液中各种成分的浓度，混合液微量元素溶液添加量为 0.3 mL/L。微量元素溶液配方与模拟废水成分分别见表1、表2。试验所用试剂均为国产分析纯。
2结果与分析
2.1厌氧/缺氧阶段COD的去除性能
在厌氧阶段开始时加入碳源、氨氮和磷酸盐，首先满足微生物自身生长的需要，其次促使聚磷菌在消耗碳源的同时释磷，为缺氧阶段反硝化聚磷做好准备。COD的变化情况及去除率见图1。
由图1可以看出，1 d厌氧结束以后，COD的剩余量仍然有60.8 mg/L，缺氧结束后COD降为23.63 mg/L。分析原因，可能是聚磷菌在厌氧阶段释磷完成后仍有碳源，即碳源添加过多。由图1还可以看出，在缺氧阶段加入亚硝态氮（NO-2-N）以后，反硝化菌利用剩余的碳源作为电子受体，发生反硝化反应，使COD进一步降低；在试验2 d后及以后的驯化期间将COD投加量改为150 mg/L时，厌氧结束、缺氧结束后的COD基本稳定在20 mg/L，去除率在85%以上，说明此时碳源充足，且能避免缺氧阶段亚硝态氮与碳源的接触，从而阻止反硝化菌利用碳源作为电子受体。
2.2亚硝态氮浓度的变化与去除率
由图2可以看出，反应1 d后，NO-2-N的去除率高达8162%；反应2、3 d后，去除率急剧下降，尤其是在反应2 d后的去除率只有29.83%；反应8 d以后，去除率逐步提高并趋于稳定。这主要是因为反应1 d时在厌氧结束后有剩余的碳源，大部分亚硝态氮通过反硝化反应被去除了；2 d时进入缺氧阶段，COD浓度仅为20 mg/L，NO-2-N只能被很少的反硝化聚磷菌去除，因此去除率下降；在后续阶段逐步聚集了小部分反硝化聚磷菌，利用亚硝态氮作为电子受体，发生反硝化聚磷，使得NO-2-N去除率逐步升高；稳定运行后，即使 NO-2-N 浓度由20 mg/L增加到40 mg/L，系统依然有很高的去除率，且保持在95%以上。
2.3厌氧/缺氧阶段总磷的变化情况与去除率
聚磷菌在经过厌氧释磷以后进入缺氧阶段，利用缺氧环境中的亚硝态氮作为电子受体可以达到反硝化聚磷的目的。图3反映了各阶段总磷浓度的变化，可以看出，厌氧进水总磷浓度稳定在10 mg/L左右，厌氧结束后总磷浓度在40 mg/L以上，仅在反应2、3 d后有所下降，造成这种情况的原因主要是反应1 d后，缺氧结束后亚硝态氮仍有大量剩余，从而抑制了聚磷菌的厌氧释磷；在反应10 d后，释磷量恢复到稳定状态，结合图1还可以发现，虽然进水COD的浓度有所降低，但是稳定后的释磷量不变，进一步说明厌氧释磷是充分的。此外，从缺氧出水中的总磷浓度能够看出，虽然前3 d亚硝态氮有部分被去除了（图2），但是总磷的去除率很低，分别为47.58%、5331%、69.43%，其主要原因是在缺氧环境中，反硝化菌优先利用剩余的碳源作为电子受体而发生反硝化反应，但只有很少量的聚磷。不难看出，随着驯化的进行，缺氧除磷率不断上升并稳定在93%以上，充分表明污泥已具有良好的除磷特性，活性污泥的沉降性能得到明显改善；此外，在显微镜下可明显观察到轮虫等原生和后生动物，表示水质良好，驯化已基本完成。
2.4NO-2-N去除量与总磷去除量的关系
为了证明短程反硝化聚磷菌已经驯化成功，研究了缺氧条件下总磷的去除量与亚硝酸盐消耗之间的关系，详见图4。
2.5活性污泥中短程反硝化聚磷菌数量的估计
对经过厌氧/缺氧交替运行方式驯化的短程反硝化聚磷菌与厌氧/好氧聚磷菌活性污泥体系进行对比。首先将厌氧/缺氧活性污泥在SBR反应器中经过3 h充分厌氧释磷，然后将污泥平均分为2份，分别置于2个相同容积的SBR反应器中，其中1个以氧为电子受体，在好氧环境下运行，另一个投加亚硝酸盐作为电子受体，在缺氧环境下运行，吸磷（PO3-4-P）情况详见图5。 由图5可以看出，经过3 h的厌氧释磷后，PO-4-P的浓度达到40.68 mg/L，菌体在好氧条件下表现出良好的聚磷特性，在好氧开始3.5 h后就基本检测不到PO-4-P的存在，好氧吸磷速率为1.91 mg/h（以混合液悬浮固体浓度计）。但是，依然可以看出，经过驯化，短程反硝化聚磷菌已发生很大程度聚集，聚磷能力大幅提高。从图5可以看到，3 h厌氧释磷后，经过4 h的缺氧反应，PO-4-P浓度已经从开始的4068 mg/L降至2.13 mg/L，反硝化聚磷速率是1.61 mg/h（以混合液悬浮固体浓度计）。该污泥中短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。
3结论
研究结果表明，以亚硝态氮为电子受体的短程反硝化聚磷菌是存在的，以厌氧/缺氧交替运行的方式，并且直接投加药剂是可以选择并富集该菌种的。
稳定运行期间，短程反硝化聚磷菌在厌氧阶段释磷充分，在缺氧阶段有很高的脱氮除磷效率。缺氧结束时，NO-2-N和PO-4-P的浓度都在1 mg/L以下，去除率分别在95%、93%以上。
亚硝酸盐的消耗量与磷的吸收量基本呈线性关系，其关系式为：总磷的吸收量=1.269 1×NO-2-N的消耗量（r2=0.993 4）。
缺氧反硝化吸磷的效率低于好氧吸磷，经过厌氧/缺氧条件的驯化，短程反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的75%。
参考文献：
[1]马娟，彭永臻，王丽，等. 反硝化除磷技术及其影响因素分析[J]. 工业水处理，2009，29（4）：4-8.
[2]贾学斌，王强，杜丛，等. 反硝化聚磷菌富集、筛选及其特性[J]. 哈尔滨工业大学学报，2011，43（2）：35-39.
[3]Jiang Y F，Wang L，Wang B Z，et al. Biological nitrogen removal with enhanced phosphate uptake in （AO）2 SBR using single sludge system[J]. Journal of Environmental Sciences，2004，16（6）：1037-1040.
[4]Jrgensen K S，Pauli A S L. Polyphosphate accumulation among denitrifying bacteria in activated sludge[J]. Anaerobe，1995，1（3）：161-168.
[5]Kuba T，Wachtmeister A，van Loosdrecht M C M，et al. Effect of nitrate on phosphorus release in biological phosphorus removal systems[J]. Water Science and Technology，1994，30（6）：263-269.
[6]Kuba T，Murnleitner E，van Loosdrecht M C，et al. A metabolic model for biological phosphorus removal by denitrifying organisms[J]. Biotechnology and Bioengineering，1996，52（6）：685-695.
[7]王亚宜，彭永臻，王淑莹，等. 碳源和硝态氮浓度对反硝化聚磷的影响及ORP的变化规律[J]. 环境科学，2004，25（4）：54-58.
[8]曹长青，雷中方，胡志荣，等. 反硝化除磷过程中的影响因素探讨[J]. 中国给水排水，2005，21（7）：22-25.陈莹，钟理，赵丽丽，等. 截叶铁扫帚种子萌发期对岩溶生境高钙干旱的生理生化反应[J]. 江苏农业科学，2014，42（9）：335-339.