固定化反硝化聚磷菌同步除磷脱氮实验研究唐艳葵

第31卷固定化反硝化聚磷菌同步除磷脱氮实验研究唐艳葵1，童张法1，张寒冰1，王孝英1，梁达文2（1.广西大学化学化工学院，广西南宁530004；2.玉林师范学院，广西玉林537000）摘要：实验采用海藻酸钠和PVA添加膨润土包埋固定经富集驯化的以反硝化聚磷菌（DNPAOs）为主的活性污泥，利用体视显微镜和扫描电子显微镜考察了固定化小球的形态和表面结构，并对厌氧/好氧条件下，包埋小球除磷脱氮性能进行探讨，结果表明：固定化小球具有良好的强化生物除磷和较好的反硝化脱氮性能，体系的COD去除率平均达74.9%，平均除磷效率为95.3%，氨氮平均去除率达到95.2%左右。小球若长时间缺氧，在其内部会出现厌氧区，并产生厌氧放磷现象。关键词：固定化；海藻酸钠；反硝化聚磷菌；同步除磷脱氮中图分类号：X506文献标志码：A文章编号：1003-6504(2008)12-0056-03SimultaneousDenitrificationandPhosphateRemovalwithImmobilizedDenitrifyingPhosphorusAccumulatingOrganismsTANGYan-kui1，TONGZhang-fa1，ZHANGHan-bing1，WANGXiao-ying1，LIANGDa-wen2（1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering，GuangxiUniversity，Nanning530004，China；2.YulinTeacher’sCollegeofGuangxi，Yulin537000，China）Abstract：Enricheddenitrifyingpolyphosphateaccumulatingorganisms（DNPAOs）wasimmobilizedwithsodiumalginateandactivatedcarbontoformcompositebeads.Thephysicalpropertiesofbeadswereinvestigatedandabilitiesofsimultaneousdenitrificationanddephosphatewithimmobilizedorganismsweredeterminedunderanaerobic/aerobicconditions.ResultsshowedthataverageremovalofCODwas74.9%，phosphate95.3%andNH4+-N95.2%respectively.Keywords：immobilization；sodiumalginate；denitrifyingpolyphosphateaccumulatingorganisms（DNPAOs）；denitrificationandphosphateremoval在处理生活污水时，利用反硝化聚磷菌（denitrifyingpolyphosphateaccumulatingorganisms，DNPAOs）在缺氧条件下，以硝酸盐（NO3-）作为电子受体进行反硝化聚磷的特性，可同时完成脱氮和除磷[1-2]，与传统生物技术相比，除磷和脱氮过程的结合不仅节省了脱氮对碳源的需要，且除磷在缺氧状态下完成可节省曝气量。研究表明，可以在SBR（SequencingBatchReactor）中通过厌氧/低氧（anaerobic/oxic）和厌氧/低氧/缺氧（anae-robic/oxic/anoxic）过程成功地利用DNPAOs在同一个反应器中完成同步除磷脱氮[3]，但这些工艺也存在一些缺点，在厌氧/低氧工艺中，具有反硝化功能的有可能是聚糖菌或反硝化聚糖菌（GAOs/DNGAOs），它们是PAOs和DNPAOs的竞争者[4]；在厌氧/低氧/缺氧工艺中，在低氧段开始时有时候要添加大量外加碳源来阻止PAOs进行好氧吸磷。且工艺存在的最普遍存在的问题就是使得DNPAOs暴露在氧中，其电子受体是氧气而不是NO3-。利用固定化污泥实现反硝化除磷脱氮是近年来在污水生物除磷脱氮工艺研究中的一个新趋势，它将高效菌种做包埋处理后应用于废水的生物处理[5-7]，不仅提高了微生物抗冲击负荷能力，还可以避免微生物随出水流失以维持较高的微生物浓度。本实验拟将富集的以DNPAOs为优势菌群的活性污泥用海藻酸钠和PVA（聚乙烯醇）加上膨润土包埋固定形成小球，将其用于模拟废水处理，定期考察小球的稳定性，观察生物相并考察包埋小球同步除磷脱氮和对有机物的去除效果。1实验1.1实验主要药剂和仪器设备本实验所用试剂苯酚、硫酸、氨水、硝酸钾、过硫酸钾、酒石酸钾钠等均为分析纯；所用仪器有UV－2800A型紫外可见分光光度计、LS-C50L型立式压力蒸汽灭菌器、DF－101B集热式恒温加热磁力搅拌器、S212数显电子恒速搅拌器、砂心微孔曝气器、体视显微镜收稿日期：2007-09-04；修回2008－08－01基金项目：广西自然科学基金（桂科基0448085）；广西大学科研基金资助项目（X051008）作者简介：唐艳葵（1965-），女，高级工程师，博士研究生，从事水污染控制研究，（电子信箱）[e-mail]。EnvironmentalScience&Technology第31卷第12期2008年12月Vol.31No.12Dec.2008DOI:10.19672/j.cnki.1003-6504.2008.12.017第12期（GL-99TI20426）和扫描电子显微镜（JEOLJSM-T300）等。1.2分析方法NO3--N的测定采用酚二磺酸分光光度法，NO2--N采用N-1-奈基乙二胺比色法，NH4+-N的测定采用纳氏试剂分光光度法，总磷的测定采用氯化亚锡还原法。1.3DNPAOs的来源为便于比较，本实验采用两种污泥，一种是取自采用A2O工艺反应器、经强化除磷工艺（EBPR）驯化35d的污泥T（DNPAOs/PAOs=15%）；另一种采用本实验室富集的DNPAOs占主要菌群的活性污泥TT（DNPAOs/PAOs=45%）[8]。1.4固定化方法本实验采用海藻酸钠+PVA作为包埋体，添加少量的膨润土作为固定载体，使微生物的固定化同时具有包埋法和吸附法的双重特点[9]，并可以增强小球的抗冲击力以及延长使用寿命。将富集的DNPAOs悬浮污泥沉淀数分钟后，取10mL污泥，以去离子水离心洗涤后，添加0.15g经湿法提纯的过100m筛的膨润土，搅拌均匀后放置30min让菌液在膨润土孔隙中及层间内吸附，再加到60mL含量为2%（W/W）海藻酸钠和2%PVA混合包埋剂中，搅拌均匀后，用针头内径为1.5mm的注射器挤入2%CaCl2溶液中形成小球，放置冰箱中冷藏交联18h后取出备用。1.5实验装置与运行模式将小球按3g/L干污泥/污水的比例与100mL污水混合加入250mL磨口锥形瓶中，置于恒温摇床中，通过厌氧/好氧方式对固定化污泥反硝化除磷特性进行同步考察，每个运行周期时间分配为厌氧3h，好氧6h。通入氮气形成厌氧环境；采用小型砂心微孔曝气器于锥形瓶液体顶部曝气形成好氧环境，溶解氧浓度在2.5mg/L左右，pH值为7.2~8。进水为自行配制的模拟废水，主要成分为醋酸钠、磷酸氢二钠、氯化氨、碳酸钙、硫酸镁以及其他细菌生长必须的微量元素，平均水质为：COD220mg/L，NH4+-N30mg/L，TP20mg/L。2实验结果及讨论2.1固定化小球的形貌和特征从摇床运行第一天开始，利用体视显微镜对小球形态进行观察，小球T和TT在外形上无显著区别，内部的生物量均在不断增加。小球TT运行5d后，小球仍保持原来的形状；运行30d后，小球外表变得不规则，用电子扫描电镜观察，其表面结构见图1。从图1a可见，小球表面有一些由微生物组成的球状突起。图1b至图1d表明，小球表面的突起由大量球状、球杆状、杆状和丝状菌体交织而成，小球的硝化和反硝化效果很好，说明小球内外有硝化菌和反硝化菌（反硝化聚磷菌）存在，二者都可以由杆菌、球菌组成菌群，如硝化菌有硝化杆菌（梨状或多形态杆状）、硝化球菌属（球状）、硝化螺菌属（疏松螺旋状），反硝化细菌有杆状的假单胞和球状的产碱菌属等[10-11]。多样性的细菌构成，为固定化细菌降解废水中的有机物质、实现同步除磷脱氮提供了良好的生物环境。2.2COD、总磷和氨氮的去除由于悬浮污泥的泥龄为15d，本实验考察固定化小球运行15d的COD、总磷（TP）和氨氮去除效果。从运行第二天起，每天分析一次出水中的COD、总磷（TP）和氨氮浓度，结果见图2~图5。可看出，固定化T和TT小球对COD的平均去除率分别为71.2%和74.9%，最高值分别为78.6%和85.2%；TP的平均去除率分别为86.6%和95.3%，最高值分别为94.6%和97.8%；NH4+-N的平均去除率分别为64.9%和为95.2%，最高分别达79.1%和97.4%；结果表明，经富集DNPAOs的固定化污泥显示了很好的硝化和反硝化能力，而未经富集DNPAOs的污泥经固定化处理后，虽然仍维持较高的COD去除率，但对氨氮和总磷的去除率明显低于经驯化富集的污泥。在一个处理周期内，固定化TT体系中TP、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的浓度变化见图5。厌氧条件下，脂肪酸小分子（AC-）被聚磷菌（PAOs）转变成聚羟基链烷酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHAs），其中包括PHB（poly-3-hydroxybutyrate）和PHV（poly-3-hydroxyvalerate），同时细胞内ATP转化成ADP，由于ATP/ADP比值下降，细胞内聚磷酸唐艳葵，等固定化反硝化聚磷菌同步除磷脱氮实验研究57第31卷盐水解产生能量，使ADP再转变成ATP，此时胞内无机磷含量上升，部分透过细胞膜进入水体，使水体无机磷含量上升，形成厌氧释磷现象[12]，水中TP浓度由13.2mg/L上升到23.4mg/L；好氧开始后，TT污泥中经富集的TP浓度随即迅速下降，这是由于小球内部存在缺氧区，聚羟基链烷酸酯提供碳源，NO3-作为电子受体，聚羟基链烷酸酯氧化提供能量，使聚磷菌缺氧生长，促进胞内聚磷酸盐的聚合，使水体无机磷进入细胞参与反应，从而表现出同步除磷脱氮的效果[13]。在整个反应周期内，体系中没有NO3--N和NO2--N的累积。可见，高比例DNPAOs菌体的固定化小球显示了很好的硝化和反硝化能力，而低比例DNPAOs的污泥经固定化处理后，虽然仍维持较高的COD去除率，但对氨氮和总磷的去除率明显低于高比例DNPAOs菌体的固定化小球。固定化小球在好氧条件下，因氧传递阻力的原因，存在着缺氧区，由于NO3-传质速率是氧的3倍，故小球区域内NO3-的浓度不是反硝化反应的限制条件。2.3无外加碳源条件下的除磷脱氮效果根据现有生物除磷理论可知，经过厌氧段充分有效释磷后的聚磷菌的菌体内有丰富的碳能源存贮物（PHB/PHV）储备[17]。为考察无外加碳源条件下，固定化污泥小球的同步除磷脱氮效果，在运行第15天后，固定化TT小球体系采用厌氧/好氧模式，厌氧段进水水质不变，厌氧结束后排水，好氧（DO浓度控制在2mg/L左右）段改进不含COD（其余成分含量一致）的模拟废水。缺氧段进水（时间10min）结束时开始检测TP浓度的变化，结果与相同运行条件下的悬浮污泥进行对比，结果见图6。可见，无论是悬浮生长的还是固定化的TT，在进水结束后均表现出很快的降磷速率，而悬浮生长和固定化的T污泥降磷速率较TT慢，固定化的T降磷速率大于悬浮生长的T污泥。随着缺氧时间的延长，悬浮生长的污泥体系中TP仍有缓慢降低的趋势，但固定化污泥体系则出现TP浓度上升趋势，说明小球经过长时间的缺氧，内部出现厌氧释磷现象，使得水中TP浓度升高。3结论（1）采用海藻酸钠和PVA添加膨润土包埋固定经富集驯化的以反硝化聚磷菌（DNPAOs）为主的活性污泥，制作简单，易成形，可控制形状，且有一定的强度。（2）在好氧条件下，固定