试述反硝化聚磷菌在低碳源城市污水脱氮除磷处理中的应用

试述反硝化聚磷菌在低碳源城市污水脱
氮除磷处理中的应用
摘要：在低碳水源的城镇生活废水治理中，应用反硝化聚磷菌可以很好地解决常规废水中的氮、磷去除问题，对我国的污水治理具有重大意义。

在城市生活废水的脱氮除磷过程中，在环境温度和设备等因素的影响下，反硝化聚磷菌在对氮、磷进行处理时很难取得较为可观的效果，这在一定程度上会对低碳源城市生活污水的治理工作带来困扰。

为此，需深入研究国内外关于反硝化聚磷菌型废水中氮磷的利用状况，探讨其在城市生活废水中的脱氮除磷效果。

关键词：反硝化聚磷菌；低碳源城市污水处理；脱氮除磷
生物法、物理法和化学法是低碳源城市生活废水治理的常用手段。

采用反硝化聚磷菌对废水进行脱氮除磷的处理这一方式与常规的聚磷菌相比，反硝化聚磷菌可在低氧条件下以多聚磷酸盐（Poly-P）的形态聚积并将其从水体中剥离。

由于利用反硝化聚磷菌处理废水的效率高，而且对碳源的要求比较低，因此适合应用于连续废水的治理中。

1.反硝化聚磷菌污水脱氮除磷应用现状
对于我国的城市生活废水治理工作而言，由于废水中含有大量的反硝化聚磷菌，当采用多段多级AO工艺对低碳源废水进行脱氮除磷时，一方面曝气的持续时间过长会对废水的处理产生一定的影响；另一方面会增加系统的功率消耗和运营费用。

因此采用多段多级AO工艺进行曝气，不仅会使废水的脱氮率降低，而且废水的各项性能也不符合要求。

除此之外，多段多级AO工艺的脱氮率普遍较高，但在耗氧与低氧的交错分配下，其脱氮除磷的作用并不明显。

使用反硝化聚磷菌处理的废水，气温的变化对其脱氮除磷的去除率有较大的影响。

有关研究结果显示，在低温环境下，聚磷菌群的竞争优势得以凸显，从而有助于改善除磷的效率；在高温约200℃时，该菌群的除磷作用将达到最高值。

因为反硝化聚磷菌的除磷作用是不相同的，所以低碳源城市废水的脱氮处理也存在一定的差异性。

在碳源级上，单个碳来源对细菌的筛选很容易产生某些反应，这会对细菌的生长产生一定的干扰，进而对整个体系的稳定性造成不利的影响。

由于碳源的不同会对不同的细菌培养造成影响，因此可以使特定的细菌转变为主要的细菌。

尽管多段多级AO工艺在低浓度废水的脱氮除磷方面有着明显的优越性，但由于其适用的碳源相对较少，因此对其运行的性能和运行的影响很大，会使其脱氮效率下降。

加之其对部分脱氮法的适应性也有一定的限制，反硝化聚磷菌的生长周期比较漫长，需要熟练的技术人才，所以脱氮技术在使用过程中存在诸多局限性，因此其在实际推广过程中具有较大的难度，而这势必会给低碳能源的城市生活废水的脱氮除磷带来一定的障碍。

2.反硝化聚磷菌污水脱氮除磷的基本原理
反硝化聚磷菌的新陈代谢特性与好氧多磷细菌非常类似[6-8]。

Kuba等将两种不同的聚磷菌在动态特性上进行了对比，结果表明，用硝酸盐作电子受体的反硝化聚磷菌具有与好氧多磷菌一样的强除磷能力[9-10]。

由于反硝化聚磷菌是一种兼性型的厌氧菌，其作用是通过在机体中形成的聚合物多磷酸酯，在不同的厌氧/低氧条件下实现生物脱氮除磷的目的。

(1)多磷酸酯Poly-P在厌氧状态下以溶解型磷酸酯的方式进入到该溶液中；与此同时，反硝化聚磷菌分解生成的低分子脂肪酸（例如醋酸、丙酸等）被用来合成下一个阶段的有机储存物质聚一羟丁酸酯（PHB）粒子，这时显示出磷的释放[6,11-12]，也就是磷酸从微生物体中被传送到周围。

(2)微生物在进入低氧条件下会恢复其生命力，并且在完全使用底物（例如聚β一羟基丁酸酯和内源碳）的情况下，大量地吸收融化的正磷酸酯，并在细胞中形成高能量多聚磷酸酯[9,13-14]，其蓄积能力大大高于细菌的正常需要，约占细胞干重6%，有的报告称8%，这个时期主要是对磷的吸收。

此外，也有把硝酸作为一个电子的受器，进行还原生产气体，以脱氮为主要特征。

3.反硝化脱氮除磷工艺的影响因素
3.1 NO2-的影响
虽然在理论上NO2-是NO3-，但在硝酸盐（NO2-）的氧化反应中，NO2-是一种
中间体。

在脱氮除磷时，它可以起到一个电子的受体作用，而反硝化聚磷菌是否
能够最大程度的利用NO2-去吸收磷素以及能否对反硝化除磷起到抑制作用，目前
还没有一个一致的结论。

很多论文都认为这是错误的。

NO2-对吸磷的影响主要取
决于NO2-的含量，以及能否成为氧诱导的重要因素。

通过批型试验结果表明：
NO2-含量在8 mg/L以上时，能彻底地阻止氧对P的吸收；在4-5 mg/L以下时，
不但不能阻止氧对P的吸收，反而可以被反硝化聚磷菌所吸收。

王亚宜等利用
AN-连续流动的中沉塘淤渣进行了低氧和吸附的试验，得到了NO2-的存在。

在低
浓度（5.5-9.5 mg/L）时，NO2-可以起到反氮的作用。

只有当其浓度为15mg/L时
才会抑制磷的吸收。

3.2碳源的影响
脱氮除磷工艺要求厌氧部分含有大量可生物分解的COD（例如 HAc)，以便反
硝化聚磷菌可以大量地将聚氢基丁酸转化为生物活性物质。

结果显示：反硝化聚
磷菌中物质聚一羟丁酸酯的浓度与低氧阶段的脱氮速率和吸收磷速率呈直线相关，而厌氧区COD含量是否充分，则与低氧阶段脱氮和吸收磷的能力密切相关。

但是，反硝化聚磷菌在低氧阶段以NO2-为主要电子接收器，因此，根据理想的磷去除原理，必须保证碳源不能与其结合，从而降低废水中氮、磷的浓度，从而达到改善
污水处理的目的。

3.3污泥龄的影响
在多段多级AO工艺中，单、双污泥系统因其硝化区的布置形式而有差异。

在单一的污泥体系中，最短的污泥龄数应以硝化细菌为主，而在双池体系中，两
种生物相辅相成，不存在相互冲突的情况下， N和 P都能够得到比较好的脱除。

此外，反硝化聚磷菌的成长速度相对较慢，污泥龄时间要求也略高于常规的P、N
处理方法。

3.4聚糖原菌的影响
在厌氧时，聚糖原菌不释放磷素，而是通过细胞储存物糖原降解所生成的能量将有机物质吸附并储存成PHB；在好氧环境中，PHB的细胞增殖和糖原的再生均未见明显的聚磷现象。

所以，在厌氧过程中，聚糖原菌和反硝化聚磷菌之间的竞争会导致物质聚一羟丁酸酯在反硝化聚磷菌中的生成，从而导致P的释放受到抑制，同时聚糖原菌的脱硝性也会对低氧时期的磷吸收产生一定的抑制作用。

Adrian Oehmen等以醋酸、丙酸为碳源，对DPAOs与聚糖原菌之间的竞争进行了分析，发现以丙酸作碳源对DPAOs的除磷量较高，出水磷的浓度也会随之较低。

4.反硝化聚磷菌低碳源城市污水脱氮除磷应用研究
4.1 多段多级AO工艺
通过研究反硝化聚磷菌废水的脱氮除磷现状，发现多段多级AO工艺的脱氮除磷效率随环境的不同而有很大的波动。

在低于120℃的废水处理条件下，系统脱氮的效果较差，而在低温条件下，系统的吸收效率也会受到温度的影响。

随着废水处理温度的升高，多段多级AO工艺的低氧吸附能力逐步增强，而对磷的吸收也随之增加。

在27℃时，多段多级AO工艺的吸收速度明显加快，对体系中的P的脱除率可达85%以上。

在多段多级AO工艺的改善下，系统的低氧、厌氧和好氧条件下的吸磷释磷速度也会发生相应的改变，进而对系统的废水治理有一定的影响。

在低温度下，磷细菌中的含氮多聚磷细菌的数量较少。

在27摄氏度的环境中，氮化物的吸收和反应都比较迅速，在各种环境中，多段多级AO工艺的低氧区域动态会发生相应的改变，进而对其脱氮的去除有一定的作用。

因此，在利用多段多级AO工艺对废水进行处理时，有关的操作者应该增强对周围环境温度的认识，并根据温度的改变对整个系统的运行进行调节，这样就可以将系统所具有的污水处理效果充分的发挥出来。

4.2循序批型反应器运行分析
从循序批型反应器到低碳水源的废水，要经历三个过程。

第一个步骤是培养污泥的硝化性能和生物化学性能，其次是提高污泥的脱硝性能以提高废水的脱氮效果，三是保证反应器的稳定性。

不同的驱磷剂在不同的驯养条件下，其循序批操作模式有所不同。

第一个步骤是增加一个厌氧部分，使反硝化多磷菌群富集，
以提高循序批型反应器的脱磷效率，这个过程通常为1-15个循环。

第二个步骤是为了改善除磷剂的脱除率和连续批的除磷能力，其操作时间为16-29个循环周期。

第三个步骤是对循序批型反应器的操作模式进行优化，使得除磷效率得到提高，运行时间为30-48个循环周期。

通过对二次充气2小时的试验，发现在循序批型反应器中增加二次曝气时间对改善脱磷的作用是有益的。

在循序批型反应器的脱氮除磷工艺中，废水的氨氮和出水总氮的稳定程度都比较好，其中总氮的脱除率在75%以上，NH3-N的平均含量为15 mg/L和0.5 mg/L。

结果表明，在循序型反应器的除磷率操作过程中，该脱氮微生物群落的稳定性较为理想，且体系操作模式的调节不会使微生物群体的稳定性受到很大的干扰，且具有较强的环境稳定性。

在实际的循序批反应装置操作期间，由于运行时间的延长，系统的反硝化聚磷菌对磷的去除效率会增加，因此必须进行相应的碳源补给。

4.3多点进水反硝化聚磷菌脱氮除磷应用分析
采用多段多级AO工艺对低碳源城镇生活废水进行脱氮除磷处理，可以利用好氧和厌氧的循环作用，达到硝化和反硝化的目的，对控制曝气的时机有重要意义。

在各种供水方式下，反硝化聚磷菌对氮磷的去除效率有一定的差别。

例如，在单一的入水方式下，由于细菌中的细胞中存在大量的聚合体，反硝化聚磷菌可以加速脱氮的进程。

细胞中的高分子储存量愈大，反硝化聚磷菌对磷的吸收作用愈强，在多段多级AO工艺中的吸收效能也愈大。

在多点入水方式下，反硝化聚磷菌的脱氮率较快，这是因为菌体中的细胞聚集体存在的数量很少。

多点入水方式下的聚磷菌具有更高的富集能力和更强的吸收能力。

与常规废水治理相比，多点入水方式具有很大的局限性，而且在运行过程中所需的能源也较低。

当进入水中的生物化学需氧含量很小时，必须对多个入口的入口时间和入口的布置进行优化，以改善多段多级AO工艺的脱氮除磷的处理效率。

采用多段多级AO工艺，在不同的污泥龄期下，其工作状况均较为平稳，此外，在多点入水方式下，采用多段多级AO工艺可以对NO2-的氧化进行有效的控制。

结束语：
综上所述，反硝化聚磷菌作为城市生活污水治理中的一个关键环节，它对于低碳能源的城市生活污水的治理具有很大的意义。

通过对反硝化聚磷菌利用氮、
磷的状况进行研究，发现反硝化聚磷菌对废水的治理性能有很大的影响，对废水
的稳定性有很大的不利作用。

所以，在对反硝化聚磷菌的研究过程中，应该重视
污水处理方面的应用探索，以加速其功能的优化速率，从而使污水处理系统在运
行时具备较高的稳定性。

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