pH对以亚硝酸盐为电子受体反硝化除磷的影响

胡筱敏¹，李微^{1, 2}，刘金亮¹，赵研¹，孙铁珩¹，孙健³

(1. 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳，110819；

2. 沈阳建筑大学 管理学院，辽宁 沈阳，110168；

3. 贵阳市建筑设计院有限公司，贵阳 贵州，550003)

摘要：利用驯化成功的反硝化聚磷污泥以SBR进行试验，研究pH对反硝化除磷的影响，比较不同pH下厌氧释磷过程中主要储能物质的变化，探讨产生不同除磷效果的原因，考察典型周期内系统的运行效果。研究结果表明：除磷效果与pH(pH=6～8)成正相关，当pH为8时，颗粒污泥最大比厌氧释磷速率和最大比缺氧吸磷速率分别为20.95 mg/(g·h) 和23.29 mg/(g·h)；厌氧段聚羟基丁酸(PHB)质量分数升高到62.87 mg/g，出水TP质量浓度为1.47 mg/L；随着pH升高，厌氧反应吸收的乙酸、合成的PHB质量分数都随之升高，乙酸的吸收率和聚磷分解率变化趋势较相近；当pH超过8后，易形成磷沉淀，除磷率下降。

关键词：反硝化除磷；pH；PHB；厌氧释磷；缺氧吸磷

中图分类号：X52          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)05-2144-06

Influence of pH on denitrifying phosphorus removal using nitrite as electron acceptor

HU Xiaomin¹, LI Wei^{1, 2}, LIU Jinliang¹, ZHAO Yan¹, SUN Tieheng¹, SUN Jian³

(1. School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;

2. College of Management, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China;

3. Guiyang Architectural Design Institute Co.Ltd, Guiyang 550003, China)

Abstract: A series of experiments using denitrifying phosphorus accumulating sludge cultivated in A/A process were carried out in SBR. The effect of pH on denitrifying phosphorus removal was studied. Variations of the main intracellular polymer during a cycle were compared to discuss the probable reasons for different performances of phosphorus removal and operation effect in typical cycle was investigated. The results show that pH (pH=6-8) is proportional to phosphorus removal rate. When pH is 8, the maximum specific phosphorus release rate and the maximum specific phosphorus uptake rate are 20.95 mg/(g·h) and 23.29 mg/(g·h), respectively. The mass fraction of PHB increases to 62.87 mg/g under anaerobic condition, and the effluent mass concentration of TP is 1.47 mg/L. With the increase of pH, the mass fractions of acetic acid and PHB increase, and the changes of absorptivity of acetic acid and disintegration rate of poly phosphorus have the similar trend. When pH is over 8, the precipitated phosphate is generated easily, and the phosphorus removal rate decreases.

Key words: denitrifying phosphorus removal; pH; PHB; anaerobic phosphorus release; anoxic phosphorus uptake

以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷技术是指反硝化聚磷菌能在缺氧的条件下利用NO₂^-作为吸磷的电子受体，此时，聚磷菌体内的聚羟基丁酸PHB并非像传统好氧吸磷时被O₂氧化去除，而是作为NO₂^-反硝化除磷的碳源，达到脱氮除磷的目的^[1-4]。采用反硝化除磷技术不但减少了PHB的无谓消耗，降低了能耗，而且反硝化和除磷2个过程高度统一，从根本上解决了传统工艺中脱氮和除磷2个过程在碳源争夺问题上的矛盾。利用反硝化聚磷菌能够减少33%的碳耗，减少剩余污泥量50%，减少需氧量30%，从而降低了运行费用，既能满足污水深度处理的要求，又符合节能减排、低碳、环保的理念^[5-7]。杨莹莹等^[8-10]采用适当的驯化方法，验证了亚硝酸盐可以作为聚磷菌电子受体进行反硝化除磷，pH是以亚硝酸盐为电子受体反硝化除磷的重要控制参数。王爱杰等^[11]采用序批式活性污泥法(SBR)反应器探讨了厌氧/缺氧条件下反硝除磷工艺的可行性，当控制-N质量浓度为(35±5) mg/L，厌氧段进水pH为8.0±0.1，缺氧段进水pH为7.2±0.1，COD质量浓度为400 mg/L时，反硝化除磷效果最佳。丁艳等^[12]采用SBR，研究了不同pH对单级好氧生物除磷的影响，发现当pH为 8.0±0.2时，系统具有较高的除磷性能，平均去除率为94.9%。Nittami等^[13]发现pH是乙酸吸收和厌氧释磷的重要影响因素，当pH为6.5~8.0时，乙酸吸收量保持在一个恒定的范围内，但是，释磷量不断增大。姜体胜等^[14]经试验证实，pH对硝化、反硝化、吸磷和释磷速率均有显著影响，当pH为7~8时，释磷吸磷速率最快。尽管反硝化除磷技术从理论上能够解决脱氮和除磷二者之间的矛盾，但在实际应用中也存在一定难度，要求严格控制系统的影响因子，保证反硝化除磷工艺稳定高效运行。基于此，本文作者利用已驯化好的以亚硝酸盐为电子受体的反硝化聚磷菌，研究pH对反硝化聚磷菌去除效果的影响。

1  试验

1.1  试验装置

试验采用SBR反应器见图1。有效容积为35 L，进水瞬时加入。通过搅拌器使泥水混合均匀，缺氧段使用蠕动泵连续加入亚硝酸盐溶液，活性污泥取自沈阳北部污水处理厂沉降池，MLSS质量浓度为3~4 g/L。系统的进水、搅拌、曝气、加药、排水等工序均由时控器和电子阀控制。系统采用厌氧/缺氧运行模式，每天运行3个周期，每个周期为5.5 h，闲置7.5 h，日处理污水量90 L，污泥停滞时间(SRT)为20 d。每个周期运行步骤如下：瞬时进水，厌氧2.0 h，缺氧2.5 h，沉淀0.5 h，排水0.5 h。条件试验所需的静态反应瓶见图2。

图1  SBR反应器

Fig.1  Dynamic SBR installation

图2  静态反应瓶

Fig.2  Static anaerobic/anoxic installation

1.2  试验水质

采用人工模拟生活污水、无水乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾、氯化钙、硫酸镁、微量元素等，用碳酸氢钠调节pH。水质成分见表1。微量元素配比(质量浓度)为：FeCl₃ 1.5 g/L，H₃BO₃ 0.15 g/L，CoCl₂·7H₂O 0.15 g/L，CuSO₄·5H₂O 0.03 g/L，MnCl₂·4H₂O 0.06 g/L，Na₂MoO₄·2H₂O 0.06 g/L，ZnSO₄·7H₂O 0.12 g/L，KI 0.18 g/L，EDTA 10 g/L。

表1  水质指标

Table 1  Water quality index

1.3  分析方法

COD质量浓度采用Sepectro Flex 6600型COD快速测定仪测定；亚硝态氮质量浓度采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定；TP和聚磷(poly-P)质量浓度采用钼锑抗分光光度法测定；混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)采用重量法测定；pH采用pH计测定；聚β羟基丁酸 (PHB)采用气相色谱法^[15]测定。

1.4  试验过程

在启动成功的活性污泥系统中，取一定量的污泥，清洗后置于4个静态反应瓶中，污泥聚磷poly-P质量浓度为132.5 mg/L 。进水各指标为质量浓度如下：COD为160.23 mg/L，TP为10 mg/L，-N为13 mg/L，-N投加质量浓度为20 mg/L，调剂初始pH分别为6.5，7.5，8.0和8.5。MLVSS质量浓度为1.50 g/L；每隔30 min测定反应瓶1个周期内磷的质量浓度变化，比较总磷去除效果；测定不同pH时聚磷菌最大比厌氧释磷速率及最大比缺氧吸磷速率；测定厌氧过程中微生物体内乙酸吸收量、聚β羟基丁酸PHB合成量、聚磷poly-P分解量及乙酸吸收速率和聚磷分解速率。当pH为8时，测定典型周期内系统TP，COD，PHB，-N和poly-P质量浓度变化情况。在实验过程中，每30 min测定pH，并适时用碳酸氢钠溶液及稀盐酸调节反应瓶中pH使其与初始pH相一致。

2  结果与讨论

2.1  pH对生物除磷影响理论依据

pH可以影响微生物细胞膜的通透性及其表面带电性，微生物的生长繁殖与环境中的pH密切相关，因此，不同的微生物有各自的最佳pH范围。在污水生物处理工程中，保持功能菌群的最适宜pH十分重要。通过对污水生物处理反应机理的研究及实践表明：反应器内生物化学反应的进行导致系统内pH上升或下降。以乙酸为底物的厌氧释磷反应方程式如下^[16]：

(CH₃COOH)_1/2+0.5(C₆H₁₀O₅)_1/6+0.36HPO_3(poly-P)+

       乙醇          糖原          聚磷

0.023H₂O→1.33(C₄H₆O₂)_1/4+0.17CO₂+0.36H₃PO₄

                   PHB

HPO_3(poly-P)+H₂O→ATP+H₃PO₄       (1)

由方程式(1)可见：在厌氧反应过程中伴随着质子的转移会引起pH变化，厌氧过程是一个pH降低的反应过程。以O₂为电子受体的好氧吸磷反应方程式如下：

H₃PO_4(in)+ATP→HPO_3(poly-P)+H₂O      (2)

胞内磷            聚磷

ε₀H₃PO_4(out)+NADH₂+1/2O₂→ε₀H₃PO_4(in)+H₂O  (3)

胞外磷     还原型辅酶      胞内磷

式中：ε₀为氧化1个NADH₂所吸收磷的量。在好氧吸磷过程中也伴随着质子的转化，总体是pH升高的反应。在缺氧吸磷时，只是电子受体不同，反应的过程类似。这表明整个生物除磷过程也可以由pH的变化来间接反映。因此，pH可以作为参数来指示生物除磷和除碳反应过程。

2.2  pH对除磷系统的影响

pH是反硝化除磷工艺的重要控制参数，聚磷菌在厌氧条件下的释磷量一般随着pH的升高而增加，因为pH变化与细胞膜电荷变化相关，从而影响聚磷菌代谢过程中酶的活性^[13]。聚磷菌与聚糖菌之间也存在竞争，不当的pH导致聚糖菌在菌群中占优势，从而导致生物除磷失效。

不同pH下TP质量浓度的变化如图3所示。从图3可见：当pH从6.5上升到8.0时，厌氧120 min内的释磷量由27.52 mg/L提高到42.69 mg/L，pH越高，释磷能力越强。这可以通过除磷生化代谢模型来解释：乙酸通过主动运输以分子的形式扩散进入细胞膜，在细胞内被转变为离子和质子形式。该过程需要消耗细菌质子移动力(PMF)，其主要作用是通过膜结合酶复合体合成ATP并运输基质到细胞内；在聚磷菌体内，为了重建或者修复PMF，细胞需要分解体内储存的聚磷颗粒，并利用质子传输ATP的能力将分解的离子或分子输送到细胞外，从而发生了磷的释放，其宏观表现为液相中磷质量浓度的提高。因为pH的升高将减小质子移动力，为了维持PMF恒定，聚磷菌需要分解更多的聚磷颗粒，故升高pH能使更多的磷释放^[17]。此外，Smolders等^[18]认为，pH升高会增加聚磷菌运送乙酸进入细胞并转化为PHB的能耗，而这部分能量是通过聚磷菌水解体内的聚磷实现的，因此，可推知升高pH会增加吸收单位乙酸的释磷量。然而，当pH升高到8.5后，释磷量下降到28.69 mg/L。经分析认为：磷酸盐沉淀引起的液相中检测值变小，而且一部分沉淀吸附到菌胶团表面，阻碍了聚磷菌对碳源的吸收以及磷酸盐进一步释放^[19]。

当pH在6.5~8.5之间变化时，缺氧吸磷能力也发生变化。当pH为6.5时，污泥的吸磷能力较低，在150 min缺氧吸磷反应过程中，反应器内吸磷量为34.63 mg/L，pH过低，聚磷菌释磷能力受到影响，合成的PHA很少，后续缺氧吸磷受到抑制；随着pH升高，缺氧吸磷量也随之增大；当溶液中pH为7.5和8.0时，反应器内缺氧吸磷量分别为46.61 mg/L和52.02 mg/L；当pH进一步提高到8.5时，缺氧吸磷量降低到31.41 mg/L。由于pH过高导致无效释磷，这部分释磷对吸收有机物没有贡献，因而，对PHB的合成产生不利影响，减少了PHB的合成，减少了后续缺氧吸磷电子供体的量，对整个吸磷过程可能产生不利影响。

图3  不同pH条件下TP质量浓度变化

Fig.3  Variation of mass concentration of TP under different pH

图4所示为不同pH下，最大比厌氧释磷速率和最大比缺氧吸磷速率变化情况。从图4可以看出：当pH为6.5~8.0时，最大比厌氧释磷速率、最大比缺氧吸磷速率与pH成正相关，随着pH提高而增大；最大比厌氧释磷速率由pH为6.5时的9.62 mg/(g·h)增大到pH为8时的20.95 mg/(g·h)；当pH大于8.0时易形成磷沉淀，释磷速率开始下降；当pH为8.5时，最大比厌氧释磷速率为10.59 mg/(g·h)；当pH为6.5，7.5，8.0和8.5时，最大比缺氧吸磷速率分别为18.92，20.55，23.29和13.73 mg/(g·h)。试验结果表明：吸磷速率对pH变化趋势不如释磷速率的变化趋势明显。

图4  pH对释磷和吸磷速率的影响

Fig.4　Effect of pH on phosphorus releasing and adsorption rates

图5所示为不同pH下，厌氧段乙酸吸收、PHB合成及poly-P分解情况。从图5可见：当pH为6.5~8.0时，随着pH升高，厌氧反应吸收的乙酸、合成的PHB和乙酸的吸收率都随之升高；当pH为6.5时，在整个厌氧反应器中，单位质量污泥吸收的乙酸和合成的PHB质量分数分别为67.13 mg/g和41.47 mg/g，乙酸的吸收率为40.28%；当pH为8时，单位质量污泥吸收的乙酸和合成的PHB质量分数分别为84.27 mg/g和62.87 mg/g，乙酸的吸收率为50.56%。这是因为pH增大，细胞膜两侧的pH梯度和电势差都随之升高，微生物吸收乙酸并转化成PHB的质量分数增大；当pH继续增大到8.5时，吸收的乙酸和合成的PHB质量分数分别下降到63.2 mg/g和40.33 mg/g，乙酸吸收率降为37.92%，这与Nittami等^[13]的研究结果一致。分析认为：pH过高易形成磷酸盐沉淀，聚磷菌分解聚磷而释放能量变小，因此，单位质量污泥吸收乙酸和合成PHB的质量分数变小；此外，随着pH进一步提高，细胞膜两侧电势差均大，分解聚磷酸盐释放的能量主要用于克服电势差将乙酸运输至胞内，用于合成PHB的能量减少^[19]。

随着pH增加，厌氧结束后污泥内含有聚磷酸盐量逐渐减少，聚磷酸盐分解率逐渐提高。在高pH下，系统需要分解更多的聚磷酸盐以提供乙酸吸收及PHB的合成所需要的能量；当pH为6.5时，厌氧反应结束后污泥中聚磷酸盐质量分数为66.32 mg/g，聚磷酸盐分解率为24.64%；当pH达到8.0时，厌氧反应结束后污泥中聚磷酸盐质量分数降到54.87 mg/g，聚磷酸盐分解率提高到37.65%；继续增大pH，形成磷酸盐沉淀，影响聚磷酸盐的分解。所以，当pH为8.5时，聚磷酸盐质量分数增加，分解率降低到26.28%。

图5  不同pH下厌氧段乙酸、PHB和poly-P转化

Fig.5  Variation of acetic acid, PHB and poly-P under different pH

典型周期内COD，TP，-N，PHB与poly-P质量浓度的变化如图6所示。从图6可知：厌氧段污泥中聚磷质量浓度呈下降趋势，厌氧段聚磷分解量为33.52 mg/g，PHB生成量为62.87 mg/g。这是由于厌氧时，聚磷菌分解体内的聚磷生成正磷酸盐，产生的能量用于吸收污水中挥发性脂肪酸，并以聚β羟基丁酸PHB的形式储存在体内。因此，在厌氧过程中，随着聚磷的分解，溶液中COD质量浓度逐渐降低，PHB和TP的质量浓度逐渐升高，厌氧末TP质量浓度达到48.98 mg/L。在缺氧阶段，聚磷逐渐积累，反应结束时聚磷浓度达到92.67 mg/g，PHB，-N和TP质量浓度均呈下降趋势，反应结束时，出水TP质量浓度为1.47 mg/L，达到城镇污水排放标准Ⅰ级B标准；出水-N质量浓度为1.8 mg/L，反应器中残余的亚硝酸盐质量浓度较低，不会影响下一周期厌氧释磷。经分析认为：聚磷菌在缺氧条件下，以亚硝酸盐作为电子受体，利用PHB作为碳源和能源，过量吸收水中的正磷酸盐转化为聚磷积累与细胞体内^[20]；此外，在整个反应过程中，COD质量浓度均呈下降趋势，但主要在厌氧段被去除，厌氧结束时COD去除率达到78.84%，厌氧段出水COD质量浓度为33.93 mg/L，这与周康群等^[21]提出的厌氧结束后，反应器内COD质量浓度尽量在50 mg/L之下相一致。要尽量避免剩余的乙酸进入缺氧段干扰聚磷菌吸磷。这是因为厌氧后乙酸量过多时，厌氧末端存在相当数量耗氧有机物，是传统反硝化菌在缺氧段得以发生反硝化反应，从而与反硝化聚磷菌形成对电子受体NO₂^--N的竞争，导致缺氧吸磷受到制约^[22]。

图6 典型周期内COD，TP和-N的质量浓度以及PHB与poly-P的质量分数变化

Fig.6  Variations of mass concentration of COD, TP and -N and mass fraction of PHB as well as poly-P during a typical cycle

3  结论

(1) pH变化与细胞膜电荷变化相关，从而影响聚磷菌代谢过程中酶的活性，是反硝化除磷工艺的重要的控制参数。当pH为6.5~8.0时，聚磷菌在厌氧条件下的释磷量一般随着pH的升高而增大，系统除磷效果最佳；当pH超过8.0时易形成聚磷酸盐沉淀，除磷率下降；当pH为8.0时，反应器内厌氧120 min释磷量为42.69 mg/L，缺氧150 min缺氧吸磷量为52.02 mg/L，最大比厌氧释磷速率为20.95 mg/(g·h)，最大比缺氧吸磷速率为23.29 mg/(g·h)。

(2) 当pH在6.5~8.0 之间变化时，随着pH的升高，厌氧反应吸收的乙酸、合成的PHB、乙酸的吸收率和聚磷分解率都随之升高；当 pH为8.0时，厌氧末单位质量污泥吸收的乙酸、合成的PHB和聚磷质量分数分别为84.27，62.87和54.87 mg/g，乙酸的吸收率为50.56%，聚磷分解率为37.65%；当pH为8.5时，吸收的乙酸和合成的PHB质量分数分别下降到63.2 mg/g和40.33 mg/g，乙酸吸收率降为37.92%。

(3) 在典型周期内，当pH为8时，厌氧段聚磷分解量为33.52 mg/g，厌氧段出水COD质量浓度为33.93 mg/L，COD去除率达到78.84%；缺氧段吸磷速率明显，缺氧出水TP质量浓度为1.47 mg/L。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-09-25；修回日期：2012-11-28

基金项目：国家科技重大专项(2013ZX07202-010)

通信作者：胡筱敏(1958-)，男，江西婺源人，教授，博士生导师，从事污水处理与控制；电话：13940307916；E-mail: hxmin_jj@163.com