电子受体对反硝化除磷效果影响的研究现状

2013年3月电子受体对反硝化除磷效果影响的研究现状

电子受体对反硝化除磷效果影响的研究现状

李爱民

殷茵

（1．江西省政府投资项目评审中心，江西南昌330046；2．江西省环保厅环境工程评估中心，江西南昌330029）

摘

要：反硝化除磷技术能够实现以相同的基质同时除磷和脱氮，是国内外污水脱氮

除磷研究领域的新热点。本文先介绍了反硝化除磷机理，对反硝化除磷技术与传统除磷

－

技术进行了比较，探讨了缺氧池内NO 3－－N 和NO 2－N 对反硝化除磷效果的影响。

关键词：反硝化除磷电子受体硝态氮亚硝态氮浓度

氮（N ）、磷（P ）是动植物生长所必需的营养元素，但在水中含量过多会引起水体富营养化

［1，2］

同。目前，国内外对于缺氧区反硝化吸磷的影响因素

－－

对NO 3－N 和NO 2－N 两个影响因素方面报道较少，

。根据。控制

2011年中国环境状况公告：2011年，全国地表水总体为轻度污染，湖泊（水库）富营养化问题仍突出

［3］

的研究结果差异较大。本文先介绍了反硝化除磷机理及特点，再对反硝化除磷技术与传统除磷技术进行了比较，探讨了不同电子受体对反硝化除磷效果的影响。

反硝化除磷机理

T．Kuba 等［10］发现：在厌氧/缺氧交替运行条件下，易富集一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌

－

该微生物能利用O 2或NO 3－N 作为电子受氧微生物，

排放污水中的氮、磷含量是我国政府和公众一直最为研究具有高效脱氮除磷功能的关注的环境问题之一，工艺显得尤为重要

［4］

。

20世纪90年代初，Kuba 等［5］陆续报道了缺氧吸

－

微生物以NO 3－N 作为最终的电子受体进行磷现象，

反硝化吸磷反应，而不是将其作为限制除磷的因素。由此发展出反硝化除磷技术，利用厌氧、缺氧交替的环好氧环境，驯化培养出一种以硝境来代替传统的厌氧、

酸根作为最终电子受体的反硝化聚磷菌（DPB ）作为优势菌群，通过DPB 的代谢作用，以“一碳两用”方式同完成过量吸磷和反硝化过程，从而达到时脱氮和除磷，脱氮除磷的目的

［4，6］

体，且其基于胞内PHB 、糖原质和磷酸盐等物质的生物代谢过程与传统厌氧/好氧法中的PAO 相似。之后更人们称有大量学者对其研究并证实：存在这类微生物，为反硝化聚磷菌（DPB ），其在缺氧的环境条件下具有过量摄取废水中的磷的作用

［11－14］

。DPB 的发现为解

决碳源不足的问题提供了新的思路。常规的污水处理中，厌氧区用于释磷，缺氧区用于反硝化，好氧区用于同时用于吸磷。作为硝化的产物和反硝化的电硝化，

一直以来被认为是抑制生物除磷的一子受体硝酸盐，

个要素。但是从微生物学的角度来看，用硝酸盐代替电子受体却并没有限制。事实上，许多的研究已经表明：用硝酸盐代替氧气做电子受体也是可行的。不论在实验室中还是在实际的污水厂中都发现了DPB 的存在。这种微生物在吸磷的同时将硝酸盐转化为氮气，即在反硝化的同时将磷摄入细胞中，从而达到脱氮和除磷的双重效果。生物除磷生化代谢机理模型见图1。

。基于该理论发展起来的反硝化

缓解了反硝化和除磷技术与传统生物脱氮除磷相比，

生物放磷对COD 需求的矛盾以及硝化菌和聚磷菌（PAO ）所需的最佳SRT 相抵触等矛盾，节约碳源需求量和曝气量，减少污泥产量

［7，8］

，因此被视为一种可持

续污水处理工艺。然而，反硝化除磷中厌氧段的控制条件与传统A /0法除磷工艺中的控制条件相同，都是保持厌氧环境，聚磷菌进行厌氧释磷，同时吸收水中溶解性有机物合成体内聚β－羟基丁酸酯（PHB ）。因此，缺氧段的运行效果制约着整个反硝化除磷工艺的处理效率

［9］

，而在缺氧段，两者的差别在于电子受体的不

江西化工2013年第1期

厌氧阶段缺氧阶段

1—HAc 为乙酸COD ；2—PHB 为聚β－羟基丁酸酯；3—ATP 为三磷酸腺苷；

4—NADH 2为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶）；5—P 1为磷酸盐；6—gly 为葡萄糖；7—PP 为磷

图1

生物反硝化除磷生化过程图

统和ENBNRAS 系统试验研究结果的分析都证实了这一点。

厌氧段如果有硝酸盐存在，反硝化菌将会优先利用碳源进行反硝化作用，抑制聚磷菌的释放和PHB 的因而导致释磷的失败。在体内碳源充足的情况合成，

NO 3－－N 浓度是决定吸磷彻底程度的限制性因素，下，

缺氧段的吸磷量和硝酸盐投加量有关等

［24］

［23］

HAC 等低分子脂肪酸被DPB 快速吸厌氧阶段，

同时细胞内的多聚磷酸盐被水解并以无机磷酸盐收，

－

（PO 34）的形式释放出来。利用上述过程产生的能量

ATP 和糖原酵解还原产物NADH 2，DPB 合成大量PHB 储存在体内，其释磷过程主要取决于胞外有机物的性质和水平

［15］

。

DPB 以NO 3－－N 为电子受体氧化PHB ，缺氧阶段，

DPB 过量摄取环境中的利用降解PHB 所产生的能量，

无机磷酸盐并以多聚磷酸盐的形式储存，细菌同时得到增殖。

缺氧池中不同电子受体的影响

由于工艺体系中存在着普通聚磷菌（PAOs ）、普通反硝化细菌与DPB 三类细菌对PHB 的竞争。在相同条件下，反硝化聚磷菌的竞争能力较其它两类细菌弱，这导致在现有反硝化聚磷工艺中，反硝化聚磷菌的数量很难得到有效地富集。因此，在对现有反硝化聚磷工艺处理效果进行分析时，反硝化聚磷菌对系统总体除磷脱氮的贡献率问题需要考虑以上两种细菌的影响

［16，17］

。傅金祥

在研究硝态氮质量浓度对反硝化除磷过程的影响

－

时发现，当缺氧段初始NO 3－N 浓度低于15mg /L时，－TP 去除率＜23%，当NO 3－N 浓度在25mg /L 45mg /－

TP 去除率大于60%，L 时，最高可达70．4%；当NO 3－

N 浓度超过55mg /L时，TP 去除率反而＜34%。这是因

－－［25］

而为过高的NO 3－N 浓度会导致NO 2－N 的积累，

NO 2－－N 超过一定的质量浓度时，会严重抑制DPB 的缺氧吸磷，从而降低除磷速率和效果。

曹长青等

［26］

对影响反硝化除磷速率的研究得到，

－

过低的NO 3－N 浓度会导致因电子受体不足而影响缺

，而不同的电子受体又会影响这些细菌的存在

－

降低除磷效果。由于DPB 利用胞内贮氧段磷的吸收，

存物PHB 的反硝化速率比利用缓慢降解COD 的普通

－

只有NO 3－N 负荷反硝化菌的反硝化速率要低很多，

从而导致对磷去除效果的不同。多数研究者和富集，

认为反硝化除磷是通过还原NO 的

［10］

－

－N 过程中实现

－［18］

，而NO 2－N 则被认为是有害的物质。理论

超过普通反硝化菌的需要量时DPB 才能被刺激生长，反之则被抑制。

－

由上述可知，缺氧池NO 3－N 浓度与反硝化除磷－

为了得到NO 3－N 浓度对之间有着双重关系。因此，

NO －N 可以作为反硝化聚磷菌的电子受体。事上，

－

目前NO 2－N 可以作为电子受体而进行反硝化实上，

除磷已得到证实

2．1

－

［19，20］

。

反硝化除磷的影响，还需要进一步的研究，建立数学模型确定他们之间的关系，但目前对反硝化除磷的研究

－

还很难做到这一点。然而NO 3－N 的投加方式也会影

NO －N 的影响

［21］

从Ekama 等对传统脱氮除磷系统的研究可以

－

看出，发生缺氧吸磷的程度可能与进入缺氧池的NO 3

响反硝化除磷效率，采用连续流投加的方式可以获得比一次性投加更高的反硝化吸磷速率也会避免亚硝酸盐的积累。

2．2

NO 2－－N 的影响

［20］

［27］

－N 负荷相关：当进入主缺氧池的NO －N 负荷低时

，且持续投加

－

吸磷主要限制在好氧池；当主缺氧池的NO 3－N 负荷－

超过其反硝化能力从而出水中存在NO 3－N 时可以观

察到显著的缺氧吸磷。胡志荣等

［22］

对传统脱氮除磷系张立成等在研究亚硝酸盐对反硝化除磷性能试

2013年3月电子受体对反硝化除磷效果影响的研究现状

参考文献

验中得到，硝酸氮为电子受体时，总磷的平均去除率为69%，硝酸氮的平均去除率为89%；以亚硝酸氮为电子受体时，总磷的平均去除率为75%，亚硝酸氮的平均去亚硝酸氮不但不会成为除磷除率为91%。由此可见，

反而可以代替硝酸氮作为反硝化除磷的抑制性因素，的电子受体。

研究结果表明

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，DPB 缺氧吸磷在低浓度NO 2－

－－N 时并不受抑制，并可作为其电子受体，但NO 2－N

达到一定浓度后会受到严重抑制甚至完全停止。T．Kuba 等［28］认为NO 2－－N 的富集将降低聚磷菌的吸磷

－活性，当NO 2－N 质量浓度为5 10mg /L时（pH =7．

0），它将会对聚磷菌产生严重的抑制作用。J．Ahn 等

［29］

NO 2－－N 质量浓度对不同电子受体的研究表明，

为20 40mg /L的范围内可以充当电子受体，但若系统

－－

DPB 会优先利用中同时存在NO 3－N 和NO 2－N ，

NO 3－－N 。黄荣新等［30］进行缺氧亚硝酸氮抑制的烧杯

－

试验得到：NO 2－N 浓度大于30mg /L的时候，对反硝

化脱氮菌不会产生影响，但是对于DPB 确实产生了严重的抑制作用，导致了缺氧阶段的吸磷量很少以及吸

－

磷的速率几乎停止；NO 2－N 浓度小于25mg /L的时

它不仅可以作为良好的电子受体，而且随着浓度的候，

升高，它在缺氧段的最大磷的吸收速率也逐步升高。

－存在这些不一样的结论，是因为关于NO 2－N 对反硝

化除磷的影响，大多是在不同环境条件下测得的除磷

－

因此得到的NO 2－N 浓度对反硝化除磷的抑制效果，

影响各不一致。

－最近，关于NO 2－N 作为电子受体对反硝化除磷

的抑制有新的突破研究。Y．Zhou 等N 。侯红勋等

［33］

［32］

研究发现反硝

－

而不是NO 2－化除磷的抑制剂是游离亚硝酸（FNA ），

研究了NO

－

－2

－2－N 和pH 对反硝化吸磷

的影响，发现NO －N 和pH 会综合影响反硝化吸磷。这两个研究，将NO 新的研究方向。

结论

－

－N 作为电子受体的反硝化除磷

研究向前推进了一步，为该领域的进一步研究提供了

DPB 利用NO 目前，

－

－N 作为电子受体同时完成

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过量吸磷和反硝化这一现象已被大家所接受，而另一电子受体NO －N 在一定的浓度范围内对除磷亦无抑制作用。NO －N 和NO －N 浓度小于它们的抑制浓度时，对磷的吸收起积极作用，且与浓度成正相关。

反硝化除磷作为一种新型的高效低能耗的生物脱为解决传统的生物脱氮除磷工艺存在的氮除磷技术，

问题提供了新的研究思路和发展方向，发展前景广阔，其节约能源与碳源、可实现污泥减量的特点更成为近年来国内外污水脱氮除磷研究领域的一个新热点。

－

－2

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Research Status on the Effects of

Denitrifying Phosphorus Removal by Electron Acceptors

LI Ai －min

YIN Yin

（1．Jiangxi Government Project Approval Center ，Jiangxi Nanchang 330046；2．Environmental Protection Department ofJiangxi Province ，Jiangxi Nanchang 330029）

Abstract ：Denitrifying phosphorus removal technology enables phosphorus removal and simultaneous nitrogen at the same time in the same matrix．It is the new hot spot of the nitrogen and phosphorus removal of wastewater research areas at home and abroad．The denitrifying phosphorus removal mechanism was first introduced by this paper．Then through the denitrif-ying phosphorus removal technology with the traditional dephosphorization method carries on the comparison．Discusses the NO 3－－N and NO 2－－N of denitrifying phosphorus removal effect．Key Words ：denitrifying phosphorus removal

electron acceptors

nitrate nitrogen

nitrite nitrogen

concentration

电子受体对反硝化除磷效果影响的研究现状

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