反硝化除磷工藝是通過反硝化除磷菌（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量吸收，實現(xiàn)同步脫氮除磷的工藝。反硝化除磷工藝實現(xiàn)了“一碳兩用”，消除了聚磷菌和硝化菌關于污泥齡（SRT）的矛盾以及聚磷菌和常規(guī)異養(yǎng)菌對碳源競爭的矛盾，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關鍵在于通過控制厭氧-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)可以通過在時間或空間上的分配，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)整反應周期，易于控制反應條件，并且其結構高效簡潔，有利于維持穩(wěn)定的反硝化除磷條件。目前關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，由于質子化的亞硝酸鹽即游離亞硝酸（FNA）的生物毒性較強，會抑制DPBs的活性。但研究表明，當NO2--N濃度較低時，DPBs仍能夠以NO2--N為電子受體在缺氧段進行吸磷，并且和NO3--N作為電子受體相比具有節(jié)省曝氣量、反應速率快等優(yōu)點，因此以NO2--N為電子受體的研究日益受到關注。
筆者采用SBR反應器，以模擬生活污水為處理對象，通過控制好氧及缺氧時間，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反硝化除磷的影響，以期為實際工程應用提供參考。
1、材料與方法
1.1 實驗裝置
實驗用SBR反應器見圖1，內(nèi)徑為15cm、高為45cm，有效容積約為6.2L，進水通過時間控制器瞬時加入，反應器側面設置4個取樣口，用以取樣及排水，每個周期的排水量為3.1L，pH控制在7.5左右。缺氧環(huán)境通過一次性投加硝酸鈉溶液來維持，內(nèi)置攪拌器使反應器內(nèi)混合均勻。好氧段曝氣通過氣體流量計控制DO濃度在2mg/L左右。
1.2 實驗用水和接種污泥
實驗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。實驗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 實驗方法
根據(jù)聚磷菌（PAOs）的分類研究認為DPBs與PAOs是一種微生物，并且對主要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運行方式，主要完成常規(guī)PAOs的富集，運行15d，每天運行3個周期，共45個周期，每個周期包括：厭氧攪拌1.5h，好氧曝氣5.5h，進水、沉淀和出水共計1h；階段Ⅱ采用A/A/O運行方式，使DPBs逐漸成為優(yōu)勢菌群，為DPBs的富集創(chuàng)造過渡條件，運行15d，每天運行4個周期，共60個周期，每個周期包括：厭氧攪拌1.5h，缺氧攪拌3h，好氧曝氣0.5h，進水、沉淀和出水共計1h；階段Ⅲ采用A/A運行方式，運行15d，每天運行4個周期，共60個周期，每個周期包括：厭氧攪拌1.5h，缺氧攪拌3.5h，進水、沉淀及出水共計1h。通過排放反應周期末混合液來控制DPBs的SRT，在DPBs的馴化過程中，根據(jù)厭氧末COD濃度及出水NO3--N濃度進行調(diào)整，避免常規(guī)反硝化菌同時利用COD與NO3--N進行反硝化脫氮。按照理想的除磷理論，若COD和NO3--N同時存在，異養(yǎng)菌則會與DPBs競爭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 分析項目與方法
NO2--N、NO3--N、COD、PO43--P、NH4+-N、TN等采用國家標準方法測定，MLSS、MLVSS采用稱重法測定。根據(jù)文獻中的方法確定DPBs占PAOs的比例，記為fDPBs/PAOs。具體方法：控制反應器初始COD和PO43--P濃度分別為200和10mg/L，pH為7.5±0.1，厭氧反應90min后，將混合液平均分為2份，放入2個SBR反應器中，其中一份為好氧環(huán)境，通過曝氣控制DO在2.0mg/L，另一份加入適量硝酸鈉溶液，反應時間皆為210min。通過測定結果分別按照式（1）~（3）計算系統(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之比可粗略計算出fDPBs/PAOs。
式中：Pa，t1、Pa，t2分別為t1和t2時刻好氧環(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時刻的NO3--N濃度，mg/L。
2、結果與討論
2.1 啟動條件的探索及優(yōu)化
反硝化除磷的啟動過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。為了快速啟動反硝化除磷工藝，進行了一些準備實驗，從而確定最佳的啟動條件，保證反應器順利運行。
2.1.1 碳源種類及濃度的確定
碳源種類對厭氧釋磷及缺氧吸磷具有一定的影響，因為DPBs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器后，分別以乙酸鈉、丙酸鈉、葡萄糖為碳源進行厭氧釋磷及缺氧吸磷，結果如圖2所示。可知，以乙酸鈉為碳源時厭氧釋磷量最高，丙酸鈉次之，葡萄糖最低，但是吸磷過程中以丙酸鈉為碳源時平均吸磷速率（以P/VSS計）為4.6mg/（g·h），反而略高于乙酸鈉為碳源時的4.23mg/（g·h），葡萄糖為碳源時的吸磷速率仍最低，僅為1.72mg/（g·h），這與李觀元的研究結果一致。Carvalho等的研究表明，在DPBs的馴化過程中，以乙酸鹽為碳源的SBR反應器去除好氧段后以A/A方式運行時系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象，而以丙酸鹽為碳源的SBR反應器成功富集了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）下的釋磷情況如圖3所示。
由圖3可知，當COD為100mg/L時，釋磷速率及釋磷量最低，凈釋磷量為18.29mg/L；而當COD升至300mg/L時，釋磷速率較COD為200mg/L時并無顯著增加，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，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。過高的NO3--N負荷會使得出水NO3--N剩余較多，進而影響下一周期厭氧段的釋磷；而NO3--N負荷過低會使得電子受體不足，聚磷菌無法繼續(xù)攝磷，且可能會出現(xiàn)磷反釋的現(xiàn)象。因此，在進入階段Ⅱ的A/A/O馴化之前，對NO3--N的投加濃度進行試探性研究。根據(jù)相關研究，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NO3--N濃度為20mg/L時，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NO3--N濃度為40和50mg/L時，NO3--N出現(xiàn)了大量剩余，且PO43--P濃度并未持續(xù)降低，主要是因為接種污泥中DPBs未占主導地位，反硝化除磷效率較低；而當NO3--N濃度為30mg/L時，NO3--N大部分被DPBs利用，雖然PO43--P仍有剩余，但是經(jīng)過后續(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 啟動過程中磷的去除效果
啟動過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競爭碳源，導致PAOs轉化PHA的量有限，吸磷效率較低，所以運行初期凈釋磷量較低。從圖5可以看出，隨著A/O方式的運行及短泥齡的淘洗，PAOs逐漸占據(jù)主導地位，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。缺氧段剛開始運行時，PAOs無法迅速適應低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。同時將此階段的SRT延長至15d，防止SRT過短使得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SRT至25d。隨著運行時間的增加，出水PO43--P濃度及去除率整體呈先上升后下降的趨勢，表明無好氧曝氣的存在仍然能夠富集DPBs，這與Carvalho等的研究結果一致。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等的實驗結果（每去除1mgPO43--P約需要1.02mg的NO3--N），這與實驗條件不同有一定關系，但是也說明了該反應器內(nèi)DPBs的活性較好。富集完成后PO43--P去除率穩(wěn)定在80%以上，說明通過該階段的馴化，反硝化除磷系統(tǒng)啟動成功。
2.2.2 DPBs的富集
啟動過程中DPBs的動力學特性如圖6所示。根據(jù)本次除磷批次實驗可知，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)的運行及SRT逐步延長，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，強化了缺氧除磷效果，比反硝化速率Dano（以N/VSS計）由3.12mg/（g·h）提高至8.88mg/（g·h）。經(jīng)長期厭氧/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DPBs已成為優(yōu)勢菌群。
2.3 NO2--N濃度對反硝化除磷的影響
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濃度對吸磷的抑制主要因污泥本身菌群結構及環(huán)境而存在差異，而且反硝化除磷過程常出現(xiàn)NO3--N與NO2--N共存的情況，因此有必要研究NO2--N濃度對反硝化除磷的影響。圖7（a）和（b）分別為階段Ⅱ開始運行前及系統(tǒng)啟動完成后的批次實驗結果。該結果表明，當NO2--N為4mg/L、NO3--N為36mg/L時，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，說明其對未經(jīng)NO2--N馴化的接種污泥產(chǎn)生了抑制，這可能是因為：①NO2--N對磷吸收的影響是由于質子化的亞硝酸鹽即FNA，它的毒性會對細胞膜和能量生成產(chǎn)生影響；②FNA抑制反硝化酶活性和磷的吸收，Zeng等研究表明，FNA完全抑制時，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NO2--N為4和8mg/L時，吸磷速率較快；當NO2--N升至12mg/L時，吸磷速率大幅下降，凈吸磷量僅有8.58mg/L；當NO2--N為16mg/L時則出現(xiàn)了完全抑制現(xiàn)象，這與趙偉華等的研究結果一致。在該條件下，觀測到NO2--N濃度有輕微的降低，這可能是因為在缺氧環(huán)境下存在聚糖菌引起的內(nèi)源反硝化。
3、結論
①采用SBR反應器，以A/O、A/A/O、A/A三階段運行并逐漸延長污泥齡，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），運行45d實現(xiàn)了DPBs的富集，成功啟動反硝化除磷系統(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當電子受體不足時，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濃度則無上升現(xiàn)象。在富集完PAOs后，可利用NO2--N作為電子受體的濃度僅為4mg/L，達到8mg/L時則會出現(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。（來源：蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，維爾利環(huán)保科技集團股份有限公司，江蘇理工學院化學與環(huán)境工程學院）
