下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
生物脱氮过程包括硝化和反硝化过程，如图1.18所示。
图1.18 N循环过程及相关基因 [109，110]
硝化反应属于化能自养过程，由微生物在好氧环境下将
转化为
，即SOB将
转化为
，随后NOB将
转化为
。以亚硝化单胞菌（
Nitrosomonas
）和硝化杆菌属（
Nitrobacter
）为代表的硝化反应如反应式（1.1）~式（1.3）所示
[109，111]
。
反硝化过程是反硝化菌体将硝化产物
和
还原为N
2
的过程。反硝化菌体属于化能兼性缺氧型微生物，反硝化菌在缺氧环境下以有机碳作为电子供体，将
-N和
还原为N
2
[反应式（1.4）~式（1.7）]
[112]
。反硝化菌广泛分布在自然界中，没有固定菌属。目前检测到的常见SOB、NOB和反硝化菌属见表1.1。结合反应式（1.1）~式（1.7）可以看出，硝化和反硝化过程分别会引起反应器内混合液的pH值下降和上升。
总反应式为
表1.1 已验证的AOB、NOB和反硝化菌属 [109]
生物除磷系统不需要投加化学沉淀剂，仅利用微生物便可实现对磷的有效脱除，这类微生物被称为PSOs。在适宜的环境下，PSOs能够超过自身生理需要从外部环境中过量摄取磷，将其以聚合磷酸盐的形式存于胞内，形成高磷污泥，通过排泥即可实现对磷的高效去除。
1.5.2.1 PAOs代谢机理
PSOs代谢需要交替运行的厌氧-好氧或缺氧环境。在厌氧环境中，PSOs分解胞内聚合磷酸盐，以磷酸盐
的形式释放到胞外，即厌氧释磷。随后PSOs利用释磷产生的能量摄取污水中有机碳源（如挥发性脂肪酸VFSs），以聚-β-羟基烷酸酯（poly-β-hydroxyalKanoates，PHS）的形式储存于胞内
[113]
。PHS是聚-β-羟基丁酸酯、聚-β-羟基戊酸酯和聚-β-羟基-2甲基戊酸酯的总称
[1]
。在好氧环境中，PSOs分解PHS获得能量，完成自身繁殖、糖原合成、吸磷和聚合磷的存储过程
[114]
。
虽然厌氧释磷过程中会释放等量酸度和碱度（表1.2），但是合成PHS过程中产生的CO 2 进入污泥混合液会导致pH值下降。好氧吸磷过程中污泥混合液中酸碱度变化（表1.3） [115] 显示，吸磷过程中每消耗1 mol碱度的同时会消耗2 mol的酸度，因此好氧吸磷过程会导致溶液中pH值上升。
已经验证的PSOs主要包括不动杆菌属（ Acinetobacter ）、β-变形菌属（ β - proteobacteria ）、放线菌（ Actinobacteria ） [1] 和红环菌属（ Rhodocyclus ） [116] 。高效生物除磷（enhanced biological phosphorus removal，EBPR）系统中不动杆菌属的繁殖速率慢，其在好氧环境下对基质的竞争能力低，但是经厌氧吸收碳源存储PHS后，不动杆菌属可以在交替的厌氧和好氧环境下生存并繁殖 [1] 。红环菌属属于β-变形菌属亚纲，后续被Hesselmann等 [117] 命名为 Candidatus Accumulibacter phosphatis ，简称 Accumulibacter 。
表1.2 厌氧释磷过程中胞外泥水混合液碱度、酸度和电荷变化
表1.3 好氧吸磷过程中胞外污泥混合液中碱度、酸度和电荷变化
1.5.2.2 反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorus accumulating organisms，DNPAOs）
DNPSOs属于PSOs，其代谢模式与PSOs类似，不同的是在缺氧环境下DNPSOs能以
或
代替O
2
作为电子受体
[118]
，利用同一碳源实现同时反硝化除磷
[119]
，而且以
或
代替O
2
会降低曝气产生的能耗
[113，120]
，另外，低产能的DNPSOs可降低污泥产率
[119]
，由此可见富集并强化反硝化除磷系统中DNPSOs具有较强的经济适用性，而且可以显著降低运行成本
[1]
。
1.5.2.3
对生物除磷的影响
在不同系统中，关于
对PSOs和DNPSOs的影响存在一定争议。Saito等
[121]
考察厌氧-缺氧-好氧（anaerobic-anoxic-aerobic，S/S/O）SBR中
对PSOs的影响，指出
对PSOs产生的是毒性作用而非抑制作用，因此好氧和缺氧吸磷过程会受到
的影响，而且相对于缺氧吸磷而言，好氧吸磷对
更敏感。另外，在缺氧环境下
的累积会提高
Competibacter
（GSOs中的一类菌体）对PSOs的竞争力。Meinhold等
[122]
发现
浓度在5~8 mg/L范围内会完全抑制缺氧吸磷过程，在8~9 mg/L范围内会完全抑制好氧吸磷过程。Yoshida等
[123]
指出，在EBPR系统中，缺氧活性越强的PSOs对
的敏感性越低，即耐受性越强。Hu等
[118]
研究
对厌氧缺氧（anaerobic-anoxic，S/S）SBR、S/S/O系统和当地污水处理厂的活性污泥中PSOs的影响，结果指出当
浓度低于阈值（115 mg/L）时，它不仅不会抑制PSOs除磷过程，反而可以代替O
2
或者
作为PSOs的电子受体。
Zhou等
[124]
利用S/O SBR培养并富集PSOs（电子受体仅为O
2
），随后分别考察不同浓度的
或
对缺氧吸磷速率的影响，结果显示两者均可代替O
2
作为吸磷过程的电子受体，但是投加O
2
时吸磷速率最高，且投加
的缺氧吸磷速率低于投加
的缺氧吸磷速率。另外，
和
的投加量都存在最优值（
：30 mg/L，
：20 mg/L），当两者浓度高于最优值时，DNPSOs依然吸磷，但是吸磷速率会降低。当运行模式由S/O变成S/S时，其他具有反硝化功能的菌体会限制DNPSOs在厌氧环境下释磷，导致DNPSOs的释磷和吸磷能力迅速恶化。进一步研究指出，对PSOs和DNPSOs起到抑制作用的物质实际上是游离亚硝酸（free nitrous acid，FNS），FNS是质子化的
[125，126]
，FNS的浓度由溶液中pH值、温度和
浓度决定
[127]
，即
式中：
S
FNS
代表FNS浓度；
代表
的浓度；
T
代表温度。
Zhou等
[125]
研究FNS对污泥中缺氧吸磷的影响，选取厌氧-好氧-长时间沉降（65 min）-短期厌氧闲置（5 min）SBR、S/S SBR、S/O SBR和厌氧-好氧-缺氧（S/O/S）SBR四类反应器中的污泥。四类污泥中PSOs含量分别占86%、8%、10%和13%。结果显示FNS的浓度仅为1×10
-3
mg/L（等价于
的浓度为35.9~52.5 mg/L，pH值为8）时便会抑制缺氧吸磷过程，当FNS浓度增加至20×10
-3
mg/L（等价于NO
2
N的浓度为86.1~95.0 mg/L，pH值为7）时，缺氧吸磷过程会完全被抑制。Pijuan等
[128]
研究高度富集PSOs的培养基，发现FNS浓度低至0.5×10
-3
mg/L（等价于
的浓度为2 mg/L，pH值为7）时就会抑制PSOs 50%的合成代谢过程（微生物生长、吸磷和糖原合成）。FNS浓度增加至6×10
-3
mg/L会完全抑制PSOs的活性。由此可见，考察可利用
为电子受体PSOs活性时，需要斟酌
的投加量问题。
1.5.2.4 运行模式对生物除磷的影响
Tsuneda等
[129]
指出，在S/O/S SBR中，好氧曝气起始时，额外投加40mg/L的碳源有利于DNPSOs的富集培养。Coats等
[130]
在S/O EBPR系统中增设后续缺氧段，形成了S/O/S运行模式，此方式会强化反硝化过程，实现氮和磷的有效去除，而且添加后续缺氧段产生的反硝化能力显著超过预期拟合值，此时发生的反硝化过程主要由胞内聚合物糖原驱动，且糖原的消耗不会影响系统的EBPR能力。另外，整个系统的成功运行依赖于进水存在足够的碳源，因为充足的碳源可以确保上一周期中缺氧段剩余的
在下一运行周期的厌氧段被完全去除，同时不影响对PSOs的供给。PHS和糖原具有推动反硝化（作为电子受体）的潜能。随后，对比了缺氧段分别设置在厌氧段之前和好氧段之后对反硝化除磷的影响，结果显示在厌氧段之前加入缺氧段，DNPSOs主要利用PHS进行反硝化，厌氧储存的PHS会被用于还原
，并在缺氧条件下合成糖原。而在好氧段之后添加缺氧段，反硝化过程是由PHS和糖原分别或共同驱使，此种结构的反应器无须额外投加碳源且可提高总氮（total nitrogen，TN）的去除率，由此可见，S/O/S运行模式可以最大化地将进水中的碳源用于氮磷的去除。
1.5.2.5 生物除磷系统中的共存菌种---GAOs
交替运行的厌氧_好氧或缺氧模式同样适于GSOs的生长和繁殖。GSOs在厌氧环境下分解胞内糖原获得能量，从污水中吸收VFSs并以PHS的形式储存，GSOs在好氧环境下分解PHS合成糖原
[131]
。由于GSOs的代谢过程中不涉及释磷和吸磷反应，但是却会与PSOs竞争碳源，所以往往被视为EBPR系统的破坏者
[132-134]
。然而，后续研究发现存在反硝化聚糖菌（denitrifying glycogen accumulating organisms，DNGSOs），它们可以将
和/或
还原，对污水脱氮具有积极的贡献。Zeng等
[135]
研究S/O SBR系统时发现，在好氧环境下
被氧化后没有检测到明显的
和
累积现象，断定发生了同步硝化、反硝化反应。进一步的实验结果显示反硝化过程参与者是DNGSOs，而不是DNPSOs。Bassin等
[136]
在研究反硝化除磷好氧颗粒污泥系统时发现，反硝化阶段的主要电子受体是
，而系统中只存在可利用
的DNPSOs（DNIPSOs），此时DNGSOs便起到关键性桥梁作用，即由DNGSOs将
还原为
，而后供DNIPSOs利用，实现反硝化除磷。
1.5.3.1 好氧颗粒污泥的脱氮研究
目前，研究者们提出不同的调控方案以强化好氧颗粒污泥的脱氮功能。
Tsuneda等 [41] 通过逐渐降低水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）提高好氧颗粒污泥的脱氮能力，且获得的硝化颗粒污泥对氮脱除量高达1.5 Kg/（m 3 ·d）。Wang等 [137] 指出，在S/O SBR中各个运行周期的初期和中期分别投加部分基质不利于污泥的颗粒化过程，但是可以提高整体脱氮效果。
Jang等 [138] 利用O/S SBR成功培养出具有硝化和反硝化功能的好氧颗粒污泥，利用微电极技术和荧光原位杂交技术（fluorescent in situ hybridization，FISH）证实SOB主要位于颗粒的表面及中层部分，且大部分硝化过程集中发生在距离颗粒表面300μm的区域内。
Zhong等 [139] 研究发现机械搅拌条件会显著影响好氧颗粒污泥的反硝化能力。此研究考察了四种混合方式（机械搅拌、曝N 2 、低曝气速率和从反应器上部向下部循环上清液以达到混合状态）对O/S SBR中好氧颗粒污泥稳定性和反硝化性能的影响，实验结果指出间歇曝气不利于反硝化过程，主要是因为此条件下DO含量高且搅拌不均匀。利用曝N 2 实现污泥混合的运行模式中，反硝化强度最大，但是曝N 2 费用高，不适于实际应用。通过循环上清液保证缺氧混匀的条件下，反硝化产气会带动小粒径颗粒上浮流出反应器，不利于好氧颗粒污泥的稳定性。相比之下，以机械搅拌维持缺氧环境并保证传质的运行模式下，好氧颗粒污泥的反硝化性能最高，且结构稳定，由此指出缺氧环境提供机械搅拌是维持好氧颗粒物稳定性和强化其缺氧反硝化功能的最佳策略。
1.5.3.2 好氧颗粒污泥的除磷研究
Lin等 [55] 研究发现在P/COD为1/100~10/100的范围内，均可以在好氧颗粒污泥中培养出PSOs，好氧颗粒污泥中磷含量在1.9%~9.3%之间波动，具体含量取决于进水中P/COD值。当P/COD值为2.5%时，颗粒中磷含量约为6%。在S/O SBR中，Cassidy等 [140] 采用P/COD值为2.8%的比例培养好氧颗粒污泥，得到相近的磷含量值。利用其处理屠宰污水时对COD和磷的去除率均高达98%，对氮的去除率可以达到97%。
Wu等 [141] 在S/O SBR中利用合成污水培养出具有除磷功能的好氧颗粒污泥，随后分别从宏观和微观的角度观察PSOs的形态、颗粒的形成机理和空间分布。结果发现在厌氧释磷过程中会形成带正电荷的微粒，它们可以作为颗粒的内核促进好氧颗粒污泥的形成过程。从颗粒表面向内部核心延伸，磷的分布量逐渐减少。在颗粒形成过程中需要较小的曝气强度。另外，相对于大粒径颗粒而言，粒径小的颗粒具有比较大的表面积和气孔宽度，传质和生物反应更容易进行。
1.5.3.3 好氧颗粒污泥同步脱氮除磷研究
传质阻力使得好氧颗粒污泥由外向内依次存在好氧层、缺氧层和厌氧层，这种独特的分层结构为好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌（如SOB、NOB、PSOs、DNPSOs和GSOs等）同时提供适宜的生存空间，可见好氧颗粒污泥具有潜在的反硝化除磷功能。
Lemaire等 [142] 利用FISH和微电极技术证实曝气时O 2 在颗粒中的传质深度约250μm，内部是缺氧区域。在粒径大于500μm的好氧颗粒污泥中， Accumulibacter spp.（PSOs中的一类菌体）主要分布在颗粒表层200μm的区域内，而 Competibacter spp.（GSOs中的一类菌体）则占据中心区域。Kishida等 [111] 利用微传感器测定O 2 在粒径为1 mm的好氧颗粒污泥中传质深度约为100μm，且PSOs的生存深度大于O 2 的传质深度。Yang等 [143] 指出好氧颗粒污泥的同步硝化反硝化功能主要源于颗粒中共存的异养菌、硝化菌和反硝化菌的代谢过程。同样也有其他研究者检测到好氧颗粒污泥的硝化和反硝化特性 [10，138] 。但是，除磷过程需要在S/O或S/S环境下进行，未加任何控制条件下，好氧颗粒污泥虽然具有同步脱氮除磷的功能，但是并不能得到有效强化。
目前，通过调控操作条件或运行参数，研究者们在强化好氧颗粒污泥的反硝化除磷性能方面取得一定的成果。
Lemaire等 [142] 在实验室规模下的O/S SBR内成功培养出具有同时硝化、反硝化和除磷功能的好氧颗粒污泥，并指出反硝化过程主要由GSOs贡献。但是，好氧颗粒污泥形成过程耗时较长（130天），需要进一步的优化。
Carvalho等
[144]
利用S/O SBR培养好氧颗粒污泥，随后逐渐以缺氧段代替好氧段，在缺氧初期投加
，并逐渐提高
投加量，强化好氧颗粒污泥的反硝化除磷功能。批次实验显示反应器内存在不同类型的PSOs，它们对
的亲和力不同。通过微生物分析，发现分别以乙酸或丙酸为碳源的两个反应器中都含有大量形态不同的PSOs，以乙酸盐培养的反应器内PSOs主要是球状菌，而以丙酸盐为基质的反应器内PSOs主要是杆状菌。杆状PSOs可利用
作为电子受体，球状PSOs会利用
进行反硝化，但是不能利用
作为电子受体。另外，以乙酸盐培养的好氧颗粒污泥不能维持稳定的脱氮除磷性能，可能是因为碳源不同，富集的菌种不同，其新陈代谢过程存在一定差异。
WinKler等 [145] 以厌氧持续进水（60 min）-好氧曝气（112 min）-静置沉降（3 min）-排水（5 min）的周期运行模式在SBR中培养反硝化除磷好氧颗粒污泥。FISH显示GSOs和PSOs分别是反应器上层和下层污泥的优势种群。在30℃下，通过选择性上层排泥的方式可以提高好氧颗粒污泥中PSOs与GSOs对基质和繁殖空间的竞争优势。Bassin等 [136] 在20℃下利用同样运行模式培养出反硝化除磷好氧颗粒污泥，随后将其平分至两个反应器内，温度分别设置为20℃和30℃，发现相对较高的温度（30℃）不利于维持好氧颗粒污泥的反硝化除磷能力。鉴于GSOs和PSOs分别为反应器上下层污泥的优势种群，采取变换排泥的方式（80%的污泥从上部排放，20%的污泥从下部排出反应器）实现对PSOs的富集。经过80天的筛选，获得以PSOs为优势种群的白色成熟好氧颗粒污泥，其粒径较大、结构紧实，且磷去除率达到90%。为了进一步提高30℃反应器内部污泥的脱氮能力，将DO降低到1.3 mg/L，经过一段时间的驯化，好氧颗粒污泥的反硝化能力显著提高，除磷效率未受到不利影响。
Kishida等 [111] 在S/O/S SBR中培养富集DNPSOs的好氧颗粒污泥，指出以S/O/S运行模式培养反硝化除磷好氧颗粒污泥的优势在于其为PSOs和DNPSOs提供了适宜的环境。其中，厌氧条件下有利于PSOs吸收碳源，且可以抑制丝状菌繁殖 [85] 。在好氧阶段，硝化作用和吸磷过程同时进行，硝化过程合成的NO 3 N和NO 2 N可以作为颗粒内部缺氧层中DNPSOs的电子受体，不需要额外投加氮氧化物，降低了操作的复杂性。缺氧段可以进一步反硝化，同时消耗DO，避免下一周期开始时氮氧化物和DO对PSOs的厌氧释磷过程产生不利影响。由此证实S/O/S SBR有利于培养出具有反硝化除磷功能的好氧颗粒污泥，但是此实验运行时间较短（70天），缺乏对此类反硝化除磷好氧颗粒污泥的长期运行稳定性的考察。