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

　　摘　要：結合近年來國內外除磷脫氮的最新研究成果，對好氧顆粒污泥除磷脫氮的機理及工藝進行了探討和研究。研究表面通過適當的SBR定向培養，可以在顆粒污泥中培養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），使其能夠實現同步除磷脫痰，從而為污水生物除磷脫氮工藝研究提供了一個新思路。
　　關鍵詞：污水處理；好氧；顆粒污泥；除磷脫氮；硝化；反硝化
　　中圖分類號：X703　　文獻標識碼：A　　文章編號：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化的主要營養物質，現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被安排在不同的反應器里進行，典型代表有A²/O，改良的A²/0，UCT，VIP等)或時間順序(污水的各種生化反應均在同一反應器里，按時間順序進行處理，典型代表是間歇活性污泥法SBR)來實現氮、磷的去除，往往造成系統復雜，能耗較大，且運行管理不便。
　　利用具有同步硝化反硝化能力的好氧顆粒污泥實現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新思路，本文將結合近年來國內外最新研究成果，對好氧顆粒污泥實現同步除磷脫氮工藝及其機理加以探討和研究。

l 好氧顆粒污泥脫氮機理

　　好氧顆粒污泥系統中可能發生的與脫氮相關的生物反應包括：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、異養硝化菌和好氧反氨化菌在低溶解氧條件下(1mg/L左右)進行反硝化，將NH₄⁺轉變成N₂；在顆粒內部，當外碳源存在時，反硝化菌將NO₂^-和NO₃^-轉變為N₂釋放；當缺乏有機碳源時，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域可能發生的與脫氮相關的反應。

表1 好氧顆粒污泥的不同部位可能發生的與脫氮相關的過程

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

　　對某一具體的好氧顆粒污泥而言，脫氮方式應該是多種途徑并存，而具體以那種方式為主，則與好氧顆粒污泥的培養過程和所處的外界環境密切相關。本課題組在對SBR系統的研究中已培養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]。
　　在同一處理系統中實現同步硝化反硝化過程，硝化反應的產物可直接作為反硝化反應的底物，避免了硝化過程中NO3-的積累對硝化反應的抑制，加速了硝化反應的速度；而且反硝化反應中所釋放出的堿度可部分補償硝化反應所消耗的堿度，使系統中的pH值相對穩定；實現同步硝化反硝化并達到兩過程的動力學平衡，將大大簡化脫氮工藝并提高脫氮效率。

2 反硝化除磷機理

　　污水除磷技術的發展起源于生物超量吸磷現象的發現，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)的形式超量儲存磷來實現的。傳統的生物除磷是由聚磷細菌(PAO，Poly-phosphate-accumu-lating organisms)利用厭氧/好氧交替環境，來實現放磷和過量吸磷的。圖2顯示了生物除磷的生化代謝模型^[6-8]。反硝化除磷的發現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/缺氧交替環境中，通過它們的代謝作用來同時完成過量吸磷和反硝化過程而達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)充當電子受體，產生同樣的生物攝磷作用。在生物攝磷的同時，硝酸氮被還原為氮氣，從而使生物除磷與反硝化脫氮有機地合二為一。實現反硝化除磷能分別節省50％和30％的COD與O₂消耗量，相應減少50％的剩余污泥量，因此被譽為“可持續生物除磷脫氮工藝”。

3 好氧顆粒污泥實現同步除磷脫氮

　　兼性反硝化細菌(反硝化聚磷菌)生物攝/放磷作用被確認不僅拓寬了磷的去除途徑，而且，更重要的是這種細菌的生物攝/放磷作用將反硝化脫氮與生物除磷有機地合二為一。利用反硝化聚磷菌體內PHB的“一碳兩用”來實現除磷脫氮，不僅解決了反硝化細菌和聚磷菌對碳源需要的矛盾，而且為改良現有污水生物除磷脫氮工藝提供了一個新思路。近年來國內外許多研究者^[9-13]，在對SBR系統的研究中均發現了具有反硝化能力的聚磷菌(DPB)，目前滿足DPB所需環境和基質的工藝有單、雙污泥系統，典型代表有BCFS工藝，Dephanox，A₂SBR，A₂NSBR等。但利用好氧顆粒污泥實現反硝化除磷脫氮的研究還未見報道。
　　好氧顆粒污泥是近幾年發現的在好氧條件下自發形成的細胞自身固定化顆粒^[14]。由于好氧顆粒污泥自身的結構特點以及氧擴散梯度的存在，污泥顆粒由外到內，可以形成好氧區—缺氧區—厭氧區，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境，通過適當的定向培養控制(溫度25℃，pH值7～8，厭氧2h，好氧4h，曝氣階段的溶解氧的質量濃度控制在1～2 mg/L，泥齡20d)，可以在3個區域中培養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)，最大限度地發揮其群體優勢，使其實現同步除磷脫氮。圖3顯示了好氧顆粒污泥體內不同的反應區劃分。由于好氧顆粒污泥內部具有缺氧區，其內部的兼性反硝化菌在有磷存在的同時，利用好氧顆粒污泥在硝化過程中產生的硝酸根作電子受體，是可以實現反硝化除磷脫氮的，而且脫氮和除磷可以相互促進。只是由于除磷過程需要在厭氧/好氧(缺氧)交替環境下進行，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。李勇智^[15]等研究發現，未經馴化培養的好氧強化生物除磷體系中，反硝化聚磷菌約占全部聚磷菌的13.3％，經過厭氧/缺氧交替運行方式培養馴化后，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運行方式并對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菌(DPB)馴化培養成優勢菌種，從而有利于反硝化除磷脫氮的發生。

　　本課題組以SBR系統培養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運行方式，初步驗證了這一設想的可行性。在好氧過程中，好氧顆粒污泥不僅能夠同時實現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的去除率分別達到98.9％和90.0％。為了證明好氧顆粒污泥中確實存在一些能夠利用NO₃^--N作電子受體的兼性反硝化細菌(DPB)，筆者通過厭氧/缺氧的SBR運行方式(顆粒污泥在SBR反應器中經過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境下運行4h)對其進行了研究，研究發現在缺氧環境下隨著NO₃^--N濃度的降低P的濃度相應呈不斷不降的趨勢，這證明發生了反硝化聚磷作用，好氧顆粒污泥中確實存在一些能夠利用NO₃^--N作電子受體的兼性反硝化細菌(DPB)。不過，最佳的控制條件還有待作進一步深入研究。
　　 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研究好氧顆粒污泥同步除磷脫氮的微生物機理具有十分重要的意義，檢測微生物的常規方法是培養法，不同類群的微生物需要特殊的培養基，這種方法不但費時費力，而且絕大多數細菌不能或很難培養。而熒光原位雜交技術(fluorescent in situ hybridization，FISH)廣泛用于分析復雜環境的微生物群落組成，其優點是快速準確地檢測和鑒定微生物種類，可以在自然環境中監測和鑒定微生物，并能對未被培養的微生物進行檢測，該技術已廣泛地應用于環境微生物的研究中，尤其在除磷細菌和脫氮細菌的檢測中已有成功的應用^[16-17]，這將對了解和研究好氧顆粒污泥同步除磷脫氮的微生物機理發揮巨大作用。

4 結束語

　　好氧顆粒污泥是一個復雜的微生態系統，由于好氧顆粒污泥自身的結構特點以及溶解氧質量傳遞的限制，污泥顆粒由外到內，可以形成好氧區、缺氧區和厭氧區，通過不同的定向培養，可以在三個區域中培養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用有很好的前景，這無疑會對污水生物除磷脫氮工藝產生深遠影響。

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