反硝化除磷工艺是通过反硝化除磷菌（DPBs）在缺氧条件下利用NOx--N为电子受体，将厌氧段合成的聚β-羟基链烷酸脂（PHA）氧化，产生的能量用于磷的过量吸收，实现同步脱氮除磷的工艺。反硝化除磷工艺实现了“一碳两用”，消除了聚磷菌和硝化菌关于污泥龄（SRT）的矛盾以及聚磷菌和常规异养菌对碳源竞争的矛盾，减少了30%的曝气能耗、50%的碳源需求以及污泥产量，适合我国低C/N值生活污水处理的现状。

反硝化除磷工艺的成功启动关键在于通过控制厌氧-缺氧交替的条件，驯化出一类在缺氧状态下以NOx--N为电子受体的DPBs。而DPBs的培养可以通过在时间或空间上的分配，使其经历厌氧缺氧交替的环境。SBR是典型的单污泥工艺，可以调整反应周期，易于控制反应条件，并且其结构高效简洁，有利于维持稳定的反硝化除磷条件。目前关于反硝化除磷的研究大多以NO3--N作为电子受体，而以NO2--N作为电子受体时，由于质子化的亚硝酸盐即游离亚硝酸（FNA）的生物毒性较强，会抑制DPBs的活性。但研究表明，当NO2--N浓度较低时，DPBs仍能够以NO2--N为电子受体在缺氧段进行吸磷，并且和NO3--N作为电子受体相比具有节省曝气量、反应速率快等优点，因此以NO2--N为电子受体的研究日益受到关注。

笔者采用SBR反应器，以模拟生活污水为处理对象，通过控制好氧及缺氧时间，探讨DPBs的快速富集条件及处理效能，并考察亚硝酸盐浓度对反硝化除磷的影响，以期为实际工程应用提供参考。

1、材料与方法

1.1 实验装置

实验用SBR反应器见图1，内径为15cm、高为45cm，有效容积约为6.2L，进水通过时间控制器瞬时加入，反应器侧面设置4个取样口，用以取样及排水，每个周期的排水量为3.1L，pH控制在7.5左右。缺氧环境通过一次性投加硝酸钠溶液来维持，内置搅拌器使反应器内混合均匀。好氧段曝气通过气体流量计控制DO浓度在2mg/L左右。

1.2 实验用水和接种污泥

实验用水为人工模拟生活污水，COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、PO43--P浓度分别为157.21~212.66、8.42~13.94、0~0.11、0~0.15、10.23~14.71、9.41~11.54mg/L，pH为7.5~8.0。实验接种污泥为某污水处理厂二沉池活性污泥，其硝化及除磷能力良好，MLSS为4030mg/L，SVI为76mL/g，沉降性能良好。

1.3 实验方法

根据聚磷菌（PAOs）的分类研究认为DPBs与PAOs是一种微生物，并且对主要PAOs菌属即CandidatusAccumulibacter的研究揭示，其可利用氧气、NOx--N作为电子受体进行吸磷，因此利用NOx--N除磷的DPBs是PAOs的一部分。

系统采用三阶段富集DPBs，分别记为阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。阶段Ⅰ采用A/O运行方式，主要完成常规PAOs的富集，运行15d，每天运行3个周期，共45个周期，每个周期包括：厌氧搅拌1.5h，好氧曝气5.5h，进水、沉淀和出水共计1h；阶段Ⅱ采用A/A/O运行方式，使DPBs逐渐成为优势菌群，为DPBs的富集创造过渡条件，运行15d，每天运行4个周期，共60个周期，每个周期包括：厌氧搅拌1.5h，缺氧搅拌3h，好氧曝气0.5h，进水、沉淀和出水共计1h；阶段Ⅲ采用A/A运行方式，运行15d，每天运行4个周期，共60个周期，每个周期包括：厌氧搅拌1.5h，缺氧搅拌3.5h，进水、沉淀及出水共计1h。通过排放反应周期末混合液来控制DPBs的SRT，在DPBs的驯化过程中，根据厌氧末COD浓度及出水NO3--N浓度进行调整，避免常规反硝化菌同时利用COD与NO3--N进行反硝化脱氮。按照理想的除磷理论，若COD和NO3--N同时存在，异养菌则会与DPBs竞争电子供体及电子受体，从而抑制DPBs的增殖。阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的SRT分别为10、15、25d，pH均在7.5~8.0范围，温度均控制在（25±2）℃。

1.4 分析项目与方法

NO2--N、NO3--N、COD、PO43--P、NH4+-N、TN等采用国家标准方法测定，MLSS、MLVSS采用称重法测定。根据文献中的方法确定DPBs占PAOs的比例，记为fDPBs/PAOs。具体方法：控制反应器初始COD和PO43--P浓度分别为200和10mg/L，pH为7.5±0.1，厌氧反应90min后，将混合液平均分为2份，放入2个SBR反应器中，其中一份为好氧环境，通过曝气控制DO在2.0mg/L，另一份加入适量硝酸钠溶液，反应时间皆为210min。通过测定结果分别按照式（1）~（3）计算系统的好氧最大吸磷速率（Kaer）、缺氧最大吸磷速率（Kano）以及比反硝化速率（Dano），根据Kano与Kaer之比可粗略计算出fDPBs/PAOs。

式中：Pa，t1、Pa，t2分别为t1和t2时刻好氧环境下的PO43--P浓度，mg/L；Po，t1、Po，t2分别为t1和t2时刻缺氧环境下的PO43--P浓度，mg/L；Na，t1、Na，t2分别为t1和t2时刻的NO3--N浓度，mg/L。

2、结果与讨论

2.1 启动条件的探索及优化

反硝化除磷的启动过程具有较多的控制条件，例如：碳源种类和浓度、电子受体浓度等。为了快速启动反硝化除磷工艺，进行了一些准备实验，从而确定最佳的启动条件，保证反应器顺利运行。

2.1.1 碳源种类及浓度的确定

碳源种类对厌氧释磷及缺氧吸磷具有一定的影响，因为DPBs只能利用挥发性脂肪酸（VFA）作为碳源。在接种污泥投入反应器后，分别以乙酸钠、丙酸钠、葡萄糖为碳源进行厌氧释磷及缺氧吸磷，结果如图2所示。可知，以乙酸钠为碳源时厌氧释磷量最高，丙酸钠次之，葡萄糖最低，但是吸磷过程中以丙酸钠为碳源时平均吸磷速率（以P/VSS计）为4.6mg/（g·h），反而略高于乙酸钠为碳源时的4.23mg/（g·h），葡萄糖为碳源时的吸磷速率仍最低，仅为1.72mg/（g·h），这与李观元的研究结果一致。Carvalho等的研究表明，在DPBs的驯化过程中，以乙酸盐为碳源的SBR反应器去除好氧段后以A/A方式运行时系统出现崩溃现象，而以丙酸盐为碳源的SBR反应器成功富集了DPBs。因此本研究确定碳源为丙酸钠。

不同丙酸钠碳源浓度（以COD计）下的释磷情况如图3所示。

由图3可知，当COD为100mg/L时，释磷速率及释磷量最低，净释磷量为18.29mg/L；而当COD升至300mg/L时，释磷速率较COD为200mg/L时并无显著增加，净释磷量从35.80mg/L增至38.86mg/L，并未随COD浓度的增加而线性增长，并且有较多剩余COD。综上，厌氧前丙酸钠投加浓度以200mg/L为宜，碳源大部分在厌氧段被聚磷菌有效利用，有利于聚磷菌淘汰反硝化菌而成为优势菌群。

2.1.2 电子受体浓度的确定

在碳源合理的情况下，NO3--N浓度是决定除磷效能的重要因素。过高的NO3--N负荷会使得出水NO3--N剩余较多，进而影响下一周期厌氧段的释磷；而NO3--N负荷过低会使得电子受体不足，聚磷菌无法继续摄磷，且可能会出现磷反释的现象。因此，在进入阶段Ⅱ的A/A/O驯化之前，对NO3--N的投加浓度进行试探性研究。根据相关研究，缺氧段平均利用1mgNO3--N可大约吸收0.98~2.44mg的PO43--P，即其N/P值在0.41~1.02之间。根据此比例，厌氧结束后分别投加20、30、40、50mg/L的NO3--N，反硝化吸磷效果如图4所示。

如图4所示，当NO3--N浓度为20mg/L时，由于电子受体不足，吸磷受到影响，并且出现了磷反释现象；而当NO3--N浓度为40和50mg/L时，NO3--N出现了大量剩余，且PO43--P浓度并未持续降低，主要是因为接种污泥中DPBs未占主导地位，反硝化除磷效率较低；而当NO3--N浓度为30mg/L时，NO3--N大部分被DPBs利用，虽然PO43--P仍有剩余，但是经过后续30min好氧曝气可以顺利去除。综上，该阶段在缺氧段投加30mg/L的NO3--N为宜。

2.2 DPBs的培养驯化

2.2.1 启动过程中磷的去除效果

启动过程中磷的去除特性如图5所示。阶段Ⅰ在厌氧/好氧条件下运行，以好氧吸磷为主，控制SRT为10d。该阶段下常规反硝化菌等异养菌与PAOs竞争碳源，导致PAOs转化PHA的量有限，吸磷效率较低，所以运行初期净释磷量较低。从图5可以看出，随着A/O方式的运行及短泥龄的淘洗，PAOs逐渐占据主导地位，净释磷量及净吸磷量逐步增加，分别从8.54、15.33mg/L升至29.22、38.30mg/L，出水PO43--P浓度稳定在1mg/L以下，据此PAOs的富集过程完成。

阶段Ⅱ，PAOs在活性污泥体系中的比例已经大大增加，厌氧释磷量继续上升，但是好氧段仅有30min，好氧吸磷作用受到抑制。缺氧段刚开始运行时，PAOs无法迅速适应低DO环境，活性降低，使得缺氧末期的PO43--P浓度甚至高于进水PO43--P浓度，缺氧吸磷效果较差。但是缺氧吸磷作用的存在可以证明DPBs与PAOs为同一种微生物，可以利用氧气、硝酸盐作为电子受体进行吸磷。随着缺氧段的逐步驯化，PAOs活性增加使得缺氧吸磷能力增加，缺氧吸磷量从29.49mg/L增至39.87mg/L，且好氧吸磷比例逐步降低，从38.2%降至13.2%，缺氧吸磷逐步成为主要的吸磷方式。同时将此阶段的SRT延长至15d，防止SRT过短使得DPBs逐渐被淘洗出去而降低了除磷效率。

阶段Ⅲ完全去除好氧曝气部分后，延长SRT至25d。随着运行时间的增加，出水PO43--P浓度及去除率整体呈先上升后下降的趋势，表明无好氧曝气的存在仍然能够富集DPBs，这与Carvalho等的研究结果一致。在该阶段，缺氧段平均每去除1mgPO43--P约需要0.79mg的NO3--N作为电子受体，高于Lv等的实验结果（每去除1mgPO43--P约需要1.02mg的NO3--N），这与实验条件不同有一定关系，但是也说明了该反应器内DPBs的活性较好。富集完成后PO43--P去除率稳定在80%以上，说明通过该阶段的驯化，反硝化除磷系统启动成功。

2.2.2 DPBs的富集

启动过程中DPBs的动力学特性如图6所示。根据本次除磷批次实验可知，在未经历缺氧段驯化的阶段Ⅰ，好氧吸磷速率为10.86mg/（g·h），以NO3--N为电子受体的缺氧吸磷速率为3.09mg/（g·h），DPBs占PAOs的比例（fDPBs/PAOs）仅为28.5%。随着系统的运行及SRT逐步延长，DPBs和PAOs在系统内的富集速率有所提高，而且DPBs的富集速率高于PAOs，强化了缺氧除磷效果，比反硝化速率Dano（以N/VSS计）由3.12mg/（g·h）提高至8.88mg/（g·h）。经长期厌氧/缺氧条件驯化后，DPBs得到了高度富集，fDPBs/PAOs升至75.8%，因此推测DPBs已成为优势菌群。

2.3 NO2--N浓度对反硝化除磷的影响

以NO2--N作为电子受体一直存在其抑制浓度阈值的分歧，NO2--N浓度对吸磷的抑制主要因污泥本身菌群结构及环境而存在差异，而且反硝化除磷过程常出现NO3--N与NO2--N共存的情况，因此有必要研究NO2--N浓度对反硝化除磷的影响。图7（a）和（b）分别为阶段Ⅱ开始运行前及系统启动完成后的批次实验结果。该结果表明，当NO2--N为4mg/L、NO3--N为36mg/L时，吸磷速率较快，随着NO2--N浓度的提高，吸磷速率出现明显抑制，说明其对未经NO2--N驯化的接种污泥产生了抑制，这可能是因为：①NO2--N对磷吸收的影响是由于质子化的亚硝酸盐即FNA，它的毒性会对细胞膜和能量生成产生影响；②FNA抑制反硝化酶活性和磷的吸收，Zeng等研究表明，FNA完全抑制时，PHA的降解主要用于使亚硝酸盐还原从而解除抑制，而不是用于磷的吸收。

在DPBs富集完成后，当NO2--N为4和8mg/L时，吸磷速率较快；当NO2--N升至12mg/L时，吸磷速率大幅下降，净吸磷量仅有8.58mg/L；当NO2--N为16mg/L时则出现了完全抑制现象，这与赵伟华等的研究结果一致。在该条件下，观测到NO2--N浓度有轻微的降低，这可能是因为在缺氧环境下存在聚糖菌引起的内源反硝化。

3、结论

①采用SBR反应器，以A/O、A/A/O、A/A三阶段运行并逐渐延长污泥龄，以丙酸钠为理想碳源（其COD浓度为200mg/L），以NO3--N为单一电子受体（其浓度为30mg/L），运行45d实现了DPBs的富集，成功启动反硝化除磷系统，PO43--P去除率稳定在80%以上。

②反硝化除磷系统启动成功后，DPBs占PAOs的比例为75.8%，比反硝化速率Dano由3.12mg/（g·h）提高至8.88mg/（g·h），缺氧段平均每利用1mgNO3--N可吸收约1.26mgPO43--P。

③当电子受体不足时，缺氧段出现磷反释现象，而在电子受体充足的情况下，PO43--P浓度则无上升现象。在富集完PAOs后，可利用NO2--N作为电子受体的浓度仅为4mg/L，达到8mg/L时则会出现吸磷抑制现象；而DPBs富集完成后NO2--N抑制浓度阈值可提高至12mg/L。