不同電子受體反硝化除磷的研究進(jìn)展

程 鵬，卞曉崢，宋博宇，華潔平，黃健平，2*

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；2.河南省水體污染與土壤損害修復(fù)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450043）

反硝化除磷（Denitrifying Phosphorus Removal，DPR）是以反硝化聚磷菌（Denitrifying Phosphate Accumulating Organisms，DPAOs）為主要功能菌群，在厭氧/缺氧環(huán)境下，以硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮為電子受體，以微生物胞內(nèi)的聚β-羥基丁酸酯（Poly-β-hydroxybutyrate，PHB）為電子供體，同步完成脫氮和除磷。相比于傳統(tǒng)的脫氮除磷，以硝態(tài)氮為電子受體的DPR 技術(shù)可節(jié)約50%的碳源需求、30%的曝氣能耗以及減少50%的污泥產(chǎn)量[1]。以亞硝態(tài)氮為電子受體的DPR 可以進(jìn)一步降低碳源消耗[2]，有研究表明，以亞硝態(tài)氮為電子受體的亞硝化反硝化除磷可以將DPR 對(duì)碳源的需求降低40%[3]。

本文綜合分析兩種電子受體DPR 系統(tǒng)在培養(yǎng)馴化、除磷效率以及微生物群落結(jié)構(gòu)等方面的特點(diǎn)，總結(jié)亞硝態(tài)氮抑制DPR 的相關(guān)研究，并對(duì)DPR 工藝的發(fā)展前景提出展望。為DPR 工藝的后續(xù)研究提供一定的理論依據(jù)。

1 兩種電子受體DPR 技術(shù)特點(diǎn)

1.1 DPAOs 的培養(yǎng)方式及除磷效率

DPAOs 的培養(yǎng)方式主要有3 類，分別是：一階段法、二階段法和三階段法。一階段法，即直接采用厭氧/缺氧（A/A）或厭氧/缺氧/好氧（A/A/O）交替運(yùn)行的方式進(jìn)行培養(yǎng)，同時(shí)在缺氧段投加硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮；二階段法，首先采用厭氧/好氧（A/O）交替運(yùn)行的方式富集傳統(tǒng)聚磷菌（Phosphate Accumulating Organisms，PAOs），再通過A/A的方式富集DPAOs，在缺氧段投加硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮，該培養(yǎng)方法的第二階段與一階段培養(yǎng)法相似；三階段法，在兩階段培養(yǎng)法之間增加一個(gè)緩沖階段，該緩沖階段根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求有多種形式，常見的有A/A/O 和厭氧/沉淀排水/缺氧兩種形式。

1.1.1 以硝態(tài)氮作為電子受體的DPAOs 培養(yǎng)研究

電子受體的不同是PAOs 和DPAOs 的主要區(qū)別，目前有關(guān)DPAOs 培養(yǎng)馴化的大部分研究都使用硝態(tài)氮作為電子受體。劉建廣等[4]采用A/A/O 的一階段法和A/O 加A/A/O 的二階段法分別經(jīng)過55 天和70 天完成了對(duì)DPAOs 的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種培養(yǎng)方式下DPAOs對(duì)磷酸根和氮的去除率均達(dá)到了97%和95%以上。占茹等[5]采用A/A 一階段式馴化方法經(jīng)過40 天完成了DPAOs的培養(yǎng)，出水磷酸根和硝態(tài)氮均低于1 mg/L。張紅等[6]采用A/O 加A/A/O 的二階段法，經(jīng)過76 個(gè)周期完成了DPAOs 的培養(yǎng)馴化，DPAOs 占PAOs 的比例由29.8%升至85.2%，COD、總氮和總磷的平均去除率分別達(dá)到90%、82%和97%。史靜等[7]以污水處理廠氧化溝污泥為種泥，采用A/O 加A/A/O 的二階段法經(jīng)過100 天成功馴化培養(yǎng)出DPR 污泥，對(duì)COD、氨氮和磷的去除率分別為93.5%、76.7%和94.1%。李勇智等[8]采用A/O 和A/A 交替運(yùn)行的二階段培養(yǎng)法經(jīng)過50 天完成了DPAOs 的培養(yǎng)馴化，培養(yǎng)完成后DPAOs 占PAOs 的比例由13.3%升至69.4%，除磷效率大于89%。王燃燃等[9]對(duì)比了二階段培養(yǎng)法和三階段培養(yǎng)法的馴化時(shí)間和對(duì)磷的去除效果，其中二階段培養(yǎng)法為A/O 加A/A，三階段培養(yǎng)法在兩個(gè)階段之間增加了厭氧/排水/進(jìn)水/缺氧。結(jié)果表明，兩種培養(yǎng)方式對(duì)氮和磷的去除效率均能達(dá)到90%左右和80%以上，且三階段培養(yǎng)法更快、利用硝酸鹽吸磷的能力更強(qiáng)。李勇智等[10]采用A/O、厭氧/沉淀排水/缺氧、A/A/O 的三階段培養(yǎng)法對(duì)DPAOs 進(jìn)行培養(yǎng)馴化，歷時(shí)100 個(gè)周期。最終DPAOs 占PAOs 的比例由15%升至73%，出水磷濃度低于1 mg/L。黃靚等[11]采用A/O、A/A/O、A/A 的三階段培養(yǎng)法，經(jīng)過288 個(gè)周期的培養(yǎng)DPAOs 占PAOs 的比例升至84.5%。

綜上，以硝態(tài)氮為電子受體時(shí)，3 種培養(yǎng)方法均可以成功培養(yǎng)DPAOs。其中，二階段培養(yǎng)法是研究者使用最多的DPAOs 培養(yǎng)方法，馴化方法相對(duì)成熟；在第二個(gè)培養(yǎng)階段厭氧末進(jìn)行換水的三階段法培養(yǎng)得更快，厭氧結(jié)束后的換水可以避免厭氧段的COD 進(jìn)入缺氧段，防止缺氧段發(fā)生傳統(tǒng)反硝化，更利于DPAOs 的生長(zhǎng)；一階段培養(yǎng)法運(yùn)行維護(hù)更加方便，培養(yǎng)速度最快，不過目前相關(guān)研究較少仍需要進(jìn)一步研究。

1.1.2 以亞硝態(tài)氮作為電子受體的DPAOs 培養(yǎng)研究

以亞硝態(tài)氮為電子受體的DPAOs 的培養(yǎng)方式與硝態(tài)氮無較大差別。由于亞硝態(tài)氮對(duì)生物除磷有抑制作用，因此有研究者首先培養(yǎng)以硝態(tài)氮為電子受體的DPAOs，然后逐漸降低進(jìn)水硝態(tài)氮濃度并同時(shí)增加亞硝態(tài)氮濃度，最終得到以亞硝態(tài)氮為電子受體的DPAOs。

唐家桓等[12]采用A/O 加A/A 的二階段培養(yǎng)法，經(jīng)過120 天完成系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，總氮和總磷平均去除率分別為82.5%和80%。趙璐等[13]采用A/A 的一階段培養(yǎng)方式，經(jīng)過30 天完成培養(yǎng)，磷的去除率在61%～79%之間。李亞峰等[14]首先通過A/O、A/A 的運(yùn)行方式富集完成以硝態(tài)氮為電子受體的DPAOs，后通過減少硝態(tài)氮投加量，增加亞硝態(tài)氮投加量的方式完成電子受體的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過131 天完成系統(tǒng)的啟動(dòng)，穩(wěn)定后磷的去除率達(dá)到89%左右。

大量研究表明，亞硝態(tài)氮作為電子受體的DPR 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定除磷。不過由于亞硝態(tài)氮對(duì)生物除磷系統(tǒng)存在一定的毒性，相比于硝態(tài)氮，亞硝態(tài)氮作為電子受體DPR 系統(tǒng)對(duì)磷的去除率可能較低，并且DPAOs 需要更長(zhǎng)的時(shí)間來完成富集。

1.2 DPAOs 的菌群結(jié)構(gòu)分析

微生物是DPR 系統(tǒng)脫氮除磷的關(guān)鍵，有關(guān)DPAOs菌群結(jié)構(gòu)的研究從未停止。目前研究發(fā)現(xiàn)，具備DPR 功能的菌屬有脫氯單胞菌屬（Dechloromonas）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、氣單胞菌屬（Aeromonas）、不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）等[15-18]，同時(shí)DPR 系統(tǒng)中也存在豐度較高的陶厄氏菌屬（Thauera）和動(dòng)膠菌屬（Zoogloea）[19-21]。在門水平上，DPAOs 在變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）中豐度最高，主要集中在Proteobacteria，少量存在于Bacteroidetes[22-24]。

呂小梅[25]的研究表明，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮作為電子受體的DPR 污泥具有較多的OTUs（Operational Taxonomic Units）比例分布，兩者具有相似的菌群結(jié)構(gòu)，分析兩種電子受體的DPR 微生物為同一種微生物。劉洞陽[26]比較了氧氣、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮作為電子受體時(shí)除磷污泥的菌群結(jié)構(gòu)差異，實(shí)驗(yàn)表明，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮為電子受體的除磷系統(tǒng)微生物更為接近。何金妹[27]以硝態(tài)氮為電子受體并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定除磷的DPR 污泥為種泥，通過增加亞硝態(tài)氮的投加量并減少硝態(tài)氮的投加量完成了DPR 污泥的培養(yǎng)馴化。結(jié)果顯示，以亞硝態(tài)氮為電子受體DPR系統(tǒng)的微生物菌群結(jié)構(gòu)與種泥同源性較差，但主要優(yōu)勢(shì)菌群相同。

部分文獻(xiàn)中出現(xiàn)的不同電子受體DPR 系統(tǒng)中DPAOs 菌屬見表1。從表1 中可以看出兩種電子受體DPR 系統(tǒng)中均多次出現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)菌屬有Dechloromonas 和Pseudomonas，由于試驗(yàn)條件和運(yùn)行方式等影響因素的不同，學(xué)者們研究得到的反硝化除磷優(yōu)勢(shì)菌屬存在一定差異。整體來看，以亞硝態(tài)氮為電子受體的DPR 的磷去除率低于硝態(tài)氮為電子受體的DPR，這可能與亞硝態(tài)氮的毒性有關(guān)。

表1 文獻(xiàn)中反硝化除磷菌類型及除磷效率總結(jié)

總的來說，硝態(tài)氮為電子受體的DPR 系統(tǒng)和亞硝態(tài)氮為電子受體的DPR 系統(tǒng)除磷功能菌群組成相似，不過由于不同研究人員采取的試驗(yàn)條件和運(yùn)行方式等影響因素的不同，研究得到的DPR 系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌群仍存在一定差異。目前，人們對(duì)DPR 微生物群落結(jié)構(gòu)的了解仍不夠深入，有關(guān)DPR 微生物功能菌群的分析仍是目前DPR研究的重點(diǎn)。

1.3 影響除磷效果的亞硝酸鹽抑制濃度

理論上，相比于硝態(tài)氮，以亞硝態(tài)氮作為電子受體可以節(jié)約更多的碳源，擁有更高的吸磷速率[32]。然而，許多研究發(fā)現(xiàn)生物除磷系統(tǒng)中亞硝態(tài)氮的富集會(huì)抑制微生物吸磷。魏明巖等[32]人的研究表明，隨著電子受體濃度的增加，硝態(tài)氮與亞硝態(tài)氮為電子受體的DPR 污泥之間吸磷速率的差距會(huì)越來越大，前者甚至可以達(dá)到后者的31 倍；Lv 等[33]人在不同電子受體DPR 的研究中也發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮比亞硝態(tài)氮作為電子受體有更好的除磷效果；Xiang HU 等[34]人的研究表明，在不同外加碳源的條件下，硝態(tài)氮為電子受體的污泥有更好的氮磷去除效率?；诖?，大量研究者展開了亞硝態(tài)氮抑制吸磷作用的相關(guān)研究。

Kuba 等[35]認(rèn)為亞硝態(tài)氮濃度在5～10 mg/L 時(shí)嚴(yán)重阻礙了SBR 系統(tǒng)中的吸磷活性。朱文韜等[36]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的亞硝態(tài)氮不會(huì)抑制缺氧吸磷，甚至混合電子受體比只有硝態(tài)氮為電子受體的污泥系統(tǒng)有更快的吸磷速率。荊肇乾等[37]發(fā)現(xiàn)在亞硝態(tài)氮初始濃度高到30 mg/L的條件下，除磷率仍然可以達(dá)到93%以上；AHN 等[38]研究發(fā)現(xiàn)在亞硝態(tài)氮濃度升高到40 mg/L 時(shí)對(duì)缺氧吸磷仍然沒有產(chǎn)生抑制；在張曉潔[39]的研究中，亞硝態(tài)氮濃度為80 mg/L 時(shí)仍沒有出現(xiàn)對(duì)吸磷的抑制。

近年來，有研究者指出亞硝態(tài)氮并非真正的抑制劑，真正抑制微生物增殖的是亞硝酸鹽的質(zhì)子化產(chǎn)物游離亞硝酸（free nitrous acid，F(xiàn)NA）[40]。研究發(fā)現(xiàn)的FNA 影響反硝化吸磷的因素主要有3 種[41]：（1）FNA 可以穿過細(xì)胞膜，使胞內(nèi)的pH 降低，影響ATP 的合成，從而影響吸磷過程。（2）FNA 的積累會(huì)抑制反硝化酶的活性以及缺氧段酶對(duì)PHA 的氧化作用，從而影響吸磷過程。（3）FNA 對(duì)細(xì)胞的合成代謝和分解代謝過程存在不同程度的影響，從而影響吸磷過程。

ZHOU 等[42]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)FNA 質(zhì)量濃度高于0.002 mg/L 時(shí)這種抑制便會(huì)發(fā)生。李微等[43]分析了不同質(zhì)量濃度FNA 對(duì)缺氧反硝化吸磷的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)FNA質(zhì)量濃度超過2.19×10-3mg/L 時(shí)，吸磷過程幾乎不再發(fā)生。ZHOU 等[44]對(duì)DPR 系統(tǒng)的研究表明FNA 質(zhì)量濃度達(dá)到0.037 mg/L 時(shí)會(huì)完全抑制缺氧吸磷。也有研究表明，當(dāng)FNA 質(zhì)量濃度達(dá)到0.005 mg/L 時(shí)缺氧吸磷完全被抑制[45]。

目前，學(xué)者們對(duì)于亞硝態(tài)氮可以作為電子受體實(shí)現(xiàn)DPR 已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，主要存在爭(zhēng)議的地方是亞硝態(tài)氮抑制缺氧吸磷的閾值。由于實(shí)驗(yàn)條件和運(yùn)行培養(yǎng)方式的不同，不同學(xué)者試驗(yàn)得出的亞硝態(tài)氮及FNA 的抑制閾值仍存在較大差異。由于亞硝態(tài)氮作為電子受體比硝態(tài)氮作為電子受體更加節(jié)約碳源，因此亞硝態(tài)氮抑制缺氧吸磷的問題將是今后提高反硝化除磷效率研究的重點(diǎn)。

2 結(jié)束語

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)DPR 技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的成果。DPR 技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展完善，在DPR 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氮和磷的高效去除。近年來，大量研究表明亞硝態(tài)氮可以作為電子受體實(shí)現(xiàn)DPR 并取得良好的氮磷去除效果，兩種電子受體DPR 系統(tǒng)具有相似的優(yōu)勢(shì)菌屬。研究表明，亞硝態(tài)氮的濃度過高會(huì)抑制吸磷，亞硝態(tài)氮濃度抑制缺氧吸磷的閾值目前仍存在爭(zhēng)議。

DPR 工藝與其他工藝的眾多結(jié)合工藝逐漸進(jìn)入人們的視野，如與短程反硝化、厭氧氨氧化等工藝的結(jié)合。因此，進(jìn)一步了解DPR 系統(tǒng)的微生物組成對(duì)DPR 工藝的發(fā)展有重要意義。同時(shí)，短程反硝化和厭氧氨氧化等工藝主要涉及的電子受體為亞硝態(tài)氮，因此以亞硝態(tài)氮作為電子受體的DPR 有更好的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。