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反硝化除磷工藝是通過(guò)反硝化除磷菌（DPBs）在缺氧條件下利用NOx--N為電子受體，將厭氧段合成的聚β-羥基鏈烷酸脂（PHA）氧化，產(chǎn)生的能量用于磷的過(guò)量吸收，實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷的工藝。反硝化除磷工藝實(shí)現(xiàn)了“一碳兩用”，消除了聚磷菌和硝化菌關(guān)于污泥齡（SRT）的矛盾以及聚磷菌和常規(guī)異養(yǎng)菌對(duì)碳源競(jìng)爭(zhēng)的矛盾，減少了30%的曝氣能耗、50%的碳源需求以及污泥產(chǎn)量，適合我國(guó)低C/N值生活污水處理的現(xiàn)狀。

反硝化除磷工藝的成功啟動(dòng)關(guān)鍵在于通過(guò)控制厭氧-缺氧交替的條件，馴化出一類在缺氧狀態(tài)下以NOx--N為電子受體的DPBs。而DPBs的培養(yǎng)可以通過(guò)在時(shí)間或空間上的分配，使其經(jīng)歷厭氧缺氧交替的環(huán)境。SBR是典型的單污泥工藝，可以調(diào)整反應(yīng)周期，易于控制反應(yīng)條件，并且其結(jié)構(gòu)高效簡(jiǎn)潔，有利于維持穩(wěn)定的反硝化除磷條件。目前關(guān)于反硝化除磷的研究大多以NO3--N作為電子受體，而以NO2--N作為電子受體時(shí)，由于質(zhì)子化的亞硝酸鹽即游離亞硝酸（FNA）的生物毒性較強(qiáng)，會(huì)抑制DPBs的活性。但研究表明，當(dāng)NO2--N濃度較低時(shí)，DPBs仍能夠以NO2--N為電子受體在缺氧段進(jìn)行吸磷，并且和NO3--N作為電子受體相比具有節(jié)省曝氣量、反應(yīng)速率快等優(yōu)點(diǎn)，因此以NO2--N為電子受體的研究日益受到關(guān)注。

筆者采用SBR反應(yīng)器，以模擬生活污水為處理對(duì)象，通過(guò)控制好氧及缺氧時(shí)間，探討DPBs的快速富集條件及處理效能，并考察亞硝酸鹽濃度對(duì)反硝化除磷的影響，以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1、材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)用SBR反應(yīng)器見(jiàn)圖1，內(nèi)徑為15cm、高為45cm，有效容積約為6.2L，進(jìn)水通過(guò)時(shí)間控制器瞬時(shí)加入，反應(yīng)器側(cè)面設(shè)置4個(gè)取樣口，用以取樣及排水，每個(gè)周期的排水量為3.1L，pH控制在7.5左右。缺氧環(huán)境通過(guò)一次性投加硝酸鈉溶液來(lái)維持，內(nèi)置攪拌器使反應(yīng)器內(nèi)混合均勻。好氧段曝氣通過(guò)氣體流量計(jì)控制DO濃度在2mg/L左右。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水和接種污泥

實(shí)驗(yàn)用水為人工模擬生活污水，COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、PO43--P濃度分別為157.21~212.66、8.42~13.94、0~0.11、0~0.15、10.23~14.71、9.41~11.54mg/L，pH為7.5~8.0。實(shí)驗(yàn)接種污泥為某污水處理廠二沉池活性污泥，其硝化及除磷能力良好，MLSS為4030mg/L，SVI為76mL/g，沉降性能良好。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)聚磷菌（PAOs）的分類研究認(rèn)為DPBs與PAOs是一種微生物，并且對(duì)主要PAOs菌屬即CandidatusAccumulibacter的研究揭示，其可利用氧氣、NOx--N作為電子受體進(jìn)行吸磷，因此利用NOx--N除磷的DPBs是PAOs的一部分。

系統(tǒng)采用三階段富集DPBs，分別記為階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。階段Ⅰ采用A/O運(yùn)行方式，主要完成常規(guī)PAOs的富集，運(yùn)行15d，每天運(yùn)行3個(gè)周期，共45個(gè)周期，每個(gè)周期包括：厭氧攪拌1.5h，好氧曝氣5.5h，進(jìn)水、沉淀和出水共計(jì)1h；階段Ⅱ采用A/A/O運(yùn)行方式，使DPBs逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌群，為DPBs的富集創(chuàng)造過(guò)渡條件，運(yùn)行15d，每天運(yùn)行4個(gè)周期，共60個(gè)周期，每個(gè)周期包括：厭氧攪拌1.5h，缺氧攪拌3h，好氧曝氣0.5h，進(jìn)水、沉淀和出水共計(jì)1h；階段Ⅲ采用A/A運(yùn)行方式，運(yùn)行15d，每天運(yùn)行4個(gè)周期，共60個(gè)周期，每個(gè)周期包括：厭氧攪拌1.5h，缺氧攪拌3.5h，進(jìn)水、沉淀及出水共計(jì)1h。通過(guò)排放反應(yīng)周期末混合液來(lái)控制DPBs的SRT，在DPBs的馴化過(guò)程中，根據(jù)厭氧末COD濃度及出水NO3--N濃度進(jìn)行調(diào)整，避免常規(guī)反硝化菌同時(shí)利用COD與NO3--N進(jìn)行反硝化脫氮。按照理想的除磷理論，若COD和NO3--N同時(shí)存在，異養(yǎng)菌則會(huì)與DPBs競(jìng)爭(zhēng)電子供體及電子受體，從而抑制DPBs的增殖。階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的SRT分別為10、15、25d，pH均在7.5~8.0范圍，溫度均控制在（25±2）℃。

1.4 分析項(xiàng)目與方法

NO2--N、NO3--N、COD、PO43--P、NH4+-N、TN等采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定，MLSS、MLVSS采用稱重法測(cè)定。根據(jù)文獻(xiàn)中的方法確定DPBs占PAOs的比例，記為fDPBs/PAOs。具體方法：控制反應(yīng)器初始COD和PO43--P濃度分別為200和10mg/L，pH為7.5±0.1，厭氧反應(yīng)90min后，將混合液平均分為2份，放入2個(gè)SBR反應(yīng)器中，其中一份為好氧環(huán)境，通過(guò)曝氣控制DO在2.0mg/L，另一份加入適量硝酸鈉溶液，反應(yīng)時(shí)間皆為210min。通過(guò)測(cè)定結(jié)果分別按照式（1）~（3）計(jì)算系統(tǒng)的好氧最大吸磷速率（Kaer）、缺氧最大吸磷速率（Kano）以及比反硝化速率（Dano），根據(jù)Kano與Kaer之比可粗略計(jì)算出fDPBs/PAOs。

式中：Pa，t1、Pa，t2分別為t1和t2時(shí)刻好氧環(huán)境下的PO43--P濃度，mg/L；Po，t1、Po，t2分別為t1和t2時(shí)刻缺氧環(huán)境下的PO43--P濃度，mg/L；Na，t1、Na，t2分別為t1和t2時(shí)刻的NO3--N濃度，mg/L。

2、結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)條件的探索及優(yōu)化

反硝化除磷的啟動(dòng)過(guò)程具有較多的控制條件，例如：碳源種類和濃度、電子受體濃度等。為了快速啟動(dòng)反硝化除磷工藝，進(jìn)行了一些準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，從而確定最佳的啟動(dòng)條件，保證反應(yīng)器順利運(yùn)行。

2.1.1 碳源種類及濃度的確定

碳源種類對(duì)厭氧釋磷及缺氧吸磷具有一定的影響，因?yàn)镈PBs只能利用揮發(fā)性脂肪酸（VFA）作為碳源。在接種污泥投入反應(yīng)器后，分別以乙酸鈉、丙酸鈉、葡萄糖為碳源進(jìn)行厭氧釋磷及缺氧吸磷，結(jié)果如圖2所示?？芍?，以乙酸鈉為碳源時(shí)厭氧釋磷量最高，丙酸鈉次之，葡萄糖最低，但是吸磷過(guò)程中以丙酸鈉為碳源時(shí)平均吸磷速率（以P/VSS計(jì)）為4.6mg/（g·h），反而略高于乙酸鈉為碳源時(shí)的4.23mg/（g·h），葡萄糖為碳源時(shí)的吸磷速率仍最低，僅為1.72mg/（g·h），這與李觀元的研究結(jié)果一致。Carvalho等的研究表明，在DPBs的馴化過(guò)程中，以乙酸鹽為碳源的SBR反應(yīng)器去除好氧段后以A/A方式運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象，而以丙酸鹽為碳源的SBR反應(yīng)器成功富集了DPBs。因此本研究確定碳源為丙酸鈉。

不同丙酸鈉碳源濃度（以COD計(jì)）下的釋磷情況如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)COD為100mg/L時(shí)，釋磷速率及釋磷量最低，凈釋磷量為18.29mg/L；而當(dāng)COD升至300mg/L時(shí)，釋磷速率較COD為200mg/L時(shí)并無(wú)顯著增加，凈釋磷量從35.80mg/L增至38.86mg/L，并未隨COD濃度的增加而線性增長(zhǎng)，并且有較多剩余COD。綜上，厭氧前丙酸鈉投加濃度以200mg/L為宜，碳源大部分在厭氧段被聚磷菌有效利用，有利于聚磷菌淘汰反硝化菌而成為優(yōu)勢(shì)菌群。

2.1.2 電子受體濃度的確定

在碳源合理的情況下，NO3--N濃度是決定除磷效能的重要因素。過(guò)高的NO3--N負(fù)荷會(huì)使得出水NO3--N剩余較多，進(jìn)而影響下一周期厭氧段的釋磷；而NO3--N負(fù)荷過(guò)低會(huì)使得電子受體不足，聚磷菌無(wú)法繼續(xù)攝磷，且可能會(huì)出現(xiàn)磷反釋的現(xiàn)象。因此，在進(jìn)入階段Ⅱ的A/A/O馴化之前，對(duì)NO3--N的投加濃度進(jìn)行試探性研究。根據(jù)相關(guān)研究，缺氧段平均利用1mgNO3--N可大約吸收0.98~2.44mg的PO43--P，即其N/P值在0.41~1.02之間。根據(jù)此比例，厭氧結(jié)束后分別投加20、30、40、50mg/L的NO3--N，反硝化吸磷效果如圖4所示。

如圖4所示，當(dāng)NO3--N濃度為20mg/L時(shí)，由于電子受體不足，吸磷受到影響，并且出現(xiàn)了磷反釋現(xiàn)象；而當(dāng)NO3--N濃度為40和50mg/L時(shí)，NO3--N出現(xiàn)了大量剩余，且PO43--P濃度并未持續(xù)降低，主要是因?yàn)榻臃N污泥中DPBs未占主導(dǎo)地位，反硝化除磷效率較低；而當(dāng)NO3--N濃度為30mg/L時(shí)，NO3--N大部分被DPBs利用，雖然PO43--P仍有剩余，但是經(jīng)過(guò)后續(xù)30min好氧曝氣可以順利去除。綜上，該階段在缺氧段投加30mg/L的NO3--N為宜。

2.2 DPBs的培養(yǎng)馴化

2.2.1 啟動(dòng)過(guò)程中磷的去除效果

啟動(dòng)過(guò)程中磷的去除特性如圖5所示。階段Ⅰ在厭氧/好氧條件下運(yùn)行，以好氧吸磷為主，控制SRT為10d。該階段下常規(guī)反硝化菌等異養(yǎng)菌與PAOs競(jìng)爭(zhēng)碳源，導(dǎo)致PAOs轉(zhuǎn)化PHA的量有限，吸磷效率較低，所以運(yùn)行初期凈釋磷量較低。從圖5可以看出，隨著A/O方式的運(yùn)行及短泥齡的淘洗，PAOs逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，凈釋磷量及凈吸磷量逐步增加，分別從8.54、15.33mg/L升至29.22、38.30mg/L，出水PO43--P濃度穩(wěn)定在1mg/L以下，據(jù)此PAOs的富集過(guò)程完成。

階段Ⅱ，PAOs在活性污泥體系中的比例已經(jīng)大大增加，厭氧釋磷量繼續(xù)上升，但是好氧段僅有30min，好氧吸磷作用受到抑制。缺氧段剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，PAOs無(wú)法迅速適應(yīng)低DO環(huán)境，活性降低，使得缺氧末期的PO43--P濃度甚至高于進(jìn)水PO43--P濃度，缺氧吸磷效果較差。但是缺氧吸磷作用的存在可以證明DPBs與PAOs為同一種微生物，可以利用氧氣、硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行吸磷。隨著缺氧段的逐步馴化，PAOs活性增加使得缺氧吸磷能力增加，缺氧吸磷量從29.49mg/L增至39.87mg/L，且好氧吸磷比例逐步降低，從38.2%降至13.2%，缺氧吸磷逐步成為主要的吸磷方式。同時(shí)將此階段的SRT延長(zhǎng)至15d，防止SRT過(guò)短使得DPBs逐漸被淘洗出去而降低了除磷效率。

階段Ⅲ完全去除好氧曝氣部分后，延長(zhǎng)SRT至25d。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，出水PO43--P濃度及去除率整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，表明無(wú)好氧曝氣的存在仍然能夠富集DPBs，這與Carvalho等的研究結(jié)果一致。在該階段，缺氧段平均每去除1mgPO43--P約需要0.79mg的NO3--N作為電子受體，高于Lv等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（每去除1mgPO43--P約需要1.02mg的NO3--N），這與實(shí)驗(yàn)條件不同有一定關(guān)系，但是也說(shuō)明了該反應(yīng)器內(nèi)DPBs的活性較好。富集完成后PO43--P去除率穩(wěn)定在80%以上，說(shuō)明通過(guò)該階段的馴化，反硝化除磷系統(tǒng)啟動(dòng)成功。

2.2.2 DPBs的富集

啟動(dòng)過(guò)程中DPBs的動(dòng)力學(xué)特性如圖6所示。根據(jù)本次除磷批次實(shí)驗(yàn)可知，在未經(jīng)歷缺氧段馴化的階段Ⅰ，好氧吸磷速率為10.86mg/（g·h），以NO3--N為電子受體的缺氧吸磷速率為3.09mg/（g·h），DPBs占PAOs的比例（fDPBs/PAOs）僅為28.5%。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行及SRT逐步延長(zhǎng)，DPBs和PAOs在系統(tǒng)內(nèi)的富集速率有所提高，而且DPBs的富集速率高于PAOs，強(qiáng)化了缺氧除磷效果，比反硝化速率Dano（以N/VSS計(jì)）由3.12mg/（g·h）提高至8.88mg/（g·h）。經(jīng)長(zhǎng)期厭氧/缺氧條件馴化后，DPBs得到了高度富集，fDPBs/PAOs升至75.8%，因此推測(cè)DPBs已成為優(yōu)勢(shì)菌群。

2.3 NO2--N濃度對(duì)反硝化除磷的影響

以NO2--N作為電子受體一直存在其抑制濃度閾值的分歧，NO2--N濃度對(duì)吸磷的抑制主要因污泥本身菌群結(jié)構(gòu)及環(huán)境而存在差異，而且反硝化除磷過(guò)程常出現(xiàn)NO3--N與NO2--N共存的情況，因此有必要研究NO2--N濃度對(duì)反硝化除磷的影響。圖7（a）和（b）分別為階段Ⅱ開(kāi)始運(yùn)行前及系統(tǒng)啟動(dòng)完成后的批次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該結(jié)果表明，當(dāng)NO2--N為4mg/L、NO3--N為36mg/L時(shí)，吸磷速率較快，隨著NO2--N濃度的提高，吸磷速率出現(xiàn)明顯抑制，說(shuō)明其對(duì)未經(jīng)NO2--N馴化的接種污泥產(chǎn)生了抑制，這可能是因?yàn)椋孩貼O2--N對(duì)磷吸收的影響是由于質(zhì)子化的亞硝酸鹽即FNA，它的毒性會(huì)對(duì)細(xì)胞膜和能量生成產(chǎn)生影響；②FNA抑制反硝化酶活性和磷的吸收，Zeng等研究表明，F(xiàn)NA完全抑制時(shí)，PHA的降解主要用于使亞硝酸鹽還原從而解除抑制，而不是用于磷的吸收。

在DPBs富集完成后，當(dāng)NO2--N為4和8mg/L時(shí)，吸磷速率較快；當(dāng)NO2--N升至12mg/L時(shí)，吸磷速率大幅下降，凈吸磷量?jī)H有8.58mg/L；當(dāng)NO2--N為16mg/L時(shí)則出現(xiàn)了完全抑制現(xiàn)象，這與趙偉華等的研究結(jié)果一致。在該條件下，觀測(cè)到NO2--N濃度有輕微的降低，這可能是因?yàn)樵谌毖醐h(huán)境下存在聚糖菌引起的內(nèi)源反硝化。

3、結(jié)論

①采用SBR反應(yīng)器，以A/O、A/A/O、A/A三階段運(yùn)行并逐漸延長(zhǎng)污泥齡，以丙酸鈉為理想碳源（其COD濃度為200mg/L），以NO3--N為單一電子受體（其濃度為30mg/L），運(yùn)行45d實(shí)現(xiàn)了DPBs的富集，成功啟動(dòng)反硝化除磷系統(tǒng)，PO43--P去除率穩(wěn)定在80%以上。

②反硝化除磷系統(tǒng)啟動(dòng)成功后，DPBs占PAOs的比例為75.8%，比反硝化速率Dano由3.12mg/（g·h）提高至8.88mg/（g·h），缺氧段平均每利用1mgNO3--N可吸收約1.26mgPO43--P。

③當(dāng)電子受體不足時(shí)，缺氧段出現(xiàn)磷反釋現(xiàn)象，而在電子受體充足的情況下，PO43--P濃度則無(wú)上升現(xiàn)象。在富集完P(guān)AOs后，可利用NO2--N作為電子受體的濃度僅為4mg/L，達(dá)到8mg/L時(shí)則會(huì)出現(xiàn)吸磷抑制現(xiàn)象；而DPBs富集完成后NO2--N抑制濃度閾值可提高至12mg/L。