應用聚糖菌的一些水處理新工藝的研究進展*

秦余春，何廣宏，鹿 野，成 亮

（1.中國煤礦機械裝備有限責任公司，北京 100011；2.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013）

1977 年TAKII 發現在活性污泥中存在著一類聚糖微生物，此類微生物在強化生物除磷（EBPR）系統中同樣能夠累積聚羥基烷酸（PHAs-polyhydroxyalkanoate），為了與聚磷菌（PAOs）區別，人們將之稱為聚糖菌（GAOs, glycogen-accumulating organisms），GAOs 與 PAOs 之間的競爭常常會導致 EBPR系統除磷效果的惡化[1,2]，為了抑制GAOs 的生長和富集，以維持EBPR 系統的穩定運行，厘清GAOs 與PAOs 的競爭機制和影響因素成為研究熱點之一[3-5]，此方面的研究進展報道較多[6,7]，然而針對基于GAOs對內碳源的儲存和其反硝化功能構建的一些新工藝的綜合報道仍然較少。

本文結合近些年相關文獻，對GAOs 的反硝化功能的研究、基于GAOs 構建的新型生物膜體系，以及包含GAOs 的EBPR 相關耦合工藝系統的研究進行了簡要總結和介紹，旨在為后續GAOs 的相關研究和應用提供理論參考。

1 聚糖菌種群類型及其反硝化功能

反硝化作用是指具有反硝化功能的細菌在缺氧條件下，以硝態氮、亞硝態氮作為電子受體，通過反硝化還原酶的作用，將和最終轉變為N2的生化反應過程。反硝化過程是污水脫除總氮的重要途徑，研究各GAOs 的菌種分支并確定其反硝化功能，將有益于生化系統脫氮功能的提升。

早期人們通過非純培養的方式結合組織化學的方法，對GAOs 進行了富集和鑒定，發現大多GAOs隸屬于變形菌綱，其中最主要的菌種是“Candidatus Competibacter phosphatis”和一種與“Defluviicoccus vanus”相近的細菌，分別來自γ-變形菌綱和α-變形菌綱[6]。

“Candidatus Competibacter phosphatis”簡稱為Competibacter，包含 8 個分支：GB1-GB8，其中 GB8是KIM 在EBPR 系統中發現的，但具體功能尚不明確[8,9]，GB1、GB4 和 GB5 能夠以為電子受體進行反硝化，而GB6 能夠以為電子受體進行反硝化[10,11]。與“Defluviicoccus vanus”相近的細菌簡稱為Defluviicoccus，包含4 個分支：ClusterⅠ-Cluster Ⅳ，其中ClusterⅠ能夠以為電子受體進行反硝化[12]，而ClusterⅡ不具備反硝化功能，ClusterⅢ和ClusterⅣ的具體功能尚不明確[13]，仍需繼續研究。

2 GAOs 的反硝化功能實驗研究及代謝機理

劉小芳[14]等在SBR 反應器中以乙酸鈉為碳源、為電子受體富集了反硝化聚糖菌（DGAOs，denitrifying glycogen accumulating organisms），并采用批次實驗考察了不同電子受體對DGAOs 反硝化性能的影響。發現以為電子受體長期培養的DGAOs 系統，對同樣具有良好的反硝化性能，這與上述GAOs 的幾個分支能夠以為電子受體進行反硝化的結論相吻合。

研究表明，GAOs 能夠以內碳源為碳源進行反硝化，具體地在厭氧時吸收和存儲污水中揮發性脂肪酸（VFAs）合成 PHAs，好氧時分解 PHAs 合成糖原，而在缺氧時GAOs 能夠以為電子受體，分解胞內儲藏的PHA，通過內源反硝化實現有限碳源情況下的生化脫氮[13,15,16]。而常爍等[11]研究GAOs 的反硝化功能和代謝機理時，進一步發現DGAOs 在進行內源反硝時首先利用為電子受體耗盡后再利用

圖1 聚糖菌反硝化過程代謝機理Fig.1 Denitrification metabolic mechanism of GAOs

賈淑媛等[17]進一步研究了GAOs 內源反硝化時利用內碳源的次序及以為電子受體時的內源反硝化的速率，發現：GAOs 在厭氧時利用糖原酵解提供的能量和還原力，吸收葡萄糖并合成（poly-β-hydroxyvalerate, PHV）和聚 β-羥基丁酸酯（poly-β-hydroxyvalerate, PHB）儲存在胞內，在缺氧階段的內源反硝化過程中會依次利用胞內的PHV 和PHB 和gly 作為內碳源進行內碳源反硝化；在22℃時常溫短程內源反硝化速率約是全程內源反硝化速率的3 倍。

GAOs 對有機物的存儲及內源反硝化特性的發現和研究，為低碳氮比廢水的處理研究和反硝化效率的提升，提供了新的研究方向。

3 基于GAOs 的新型生物膜

基于GAOs 能夠存儲和利用污水中的有限碳源的功能，FLAVIGNY 等[18]以富集了GAOs 的活性污泥和微生物載體為基礎，構建了微生物膜反應器，以合成廢水為處理對象，研究同樣證明，GAOs 在厭氧時能夠將溶解性有機物以PHAs 的形式進行儲存，好氧時通過將微生物膜與空氣直接接觸可以氧化分解GAOs 儲存的PHAs，實現有機物的有效降解。

隨后，基于GAOs 的內源反硝化功能，HOSSAIN、CHENG 和FLAVIGNY 等[19,20]在微生物載體上依次負載GAOs、沸石以及硝化細菌構建了新型三維結構的復合微生物膜體系，見圖2。

圖2 包含GAOs 的微生物膜示意圖Fig.2 Schematic diagram of biofilm containing GAOs

該復合微生物膜由內至外分別為GAOs 生物膜層、沸石層及硝化細菌層。該體系在處理合成廢水時可分為兩個階段，第一階段：GAOs 生物膜和沸石可以吸附幾乎100%的可生化有機物和85%的氨氮，第二階段通過將微生物膜與空氣直接接觸，利用生物膜外層的硝化作用將沸石吸附的氨氮氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，同時內層的GAOs 細菌利用第一階段儲存的有機物作為碳源進行反硝化，將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為N2排出系統，實現了同步硝化反硝化（SND）。

基于GAOs 的新型生物膜體系的建立，為GAOs的利用、微生物膜工藝在降低運行成本方面的改進提供了新的研究方向。

4 含有GAOs 的EBPR 相關耦合工藝

與抑制EBPR 系統中GAOs 的生長相反，趙驥、王曉霞等[21-24]利用GAOs 能夠存儲有限碳源和其反硝化功能，將同時含有PAOs、GAOs 的強化生物除磷（EBPR）系統與同步硝化反硝化（SND）、同步硝化內源反硝化（SNED）及反硝化除磷（DPR）工藝進行耦合，分別建立了同步硝化內源反硝化除磷（SNEDPR）系統、同步短程硝化內源反硝化除磷（SPNEDPR）系統和反硝化除磷耦合同步硝化內源反硝化（DPR-SNED）系統，以低碳氮比生活污水為處理對象，對各系統的運行條件和脫氮除磷特性等進行了研究和考察。各系統基本信息見表1。

表1 包含GAOs 的EBPR 耦合工藝系統的基本信息Tab.1 Basic information of coupling processes of EBPR system containing GAOs

趙驥等[21]研究 SNEDPR 系統運行時，發現：（1）將好氧DO 濃度控制在1.0~1.5mg·L-1，有利于厭氧階段 PAOs 和 GAOs 對內碳源（PHA）的儲存；（2）好氧段SND 作用明顯，耦合系統TN 和去除率分別高達85%和94%。王曉霞等[22]進一步對SNEDPR系統的運行條件進行了優化，將好氧段DO 濃度降低至 0.3mg·L-1，好氧時間從 150min 延長至 240min，厭氧段控制在180min，發現：（1）低濃度DO 有利于GAOs 對COD 的更多儲存并用于反硝化脫氮，有利于SNED 過程的實現；（2）PAOs 的除磷性能幾乎未受GAOs 的影響，TN 去除率高達84%、出水濃度穩定低于 1mg·L-1。

王淑瑩等[23]在研究SPNED-PR 系統時，考察了不同和及厭氧（150min）/低氧（180min，DO 濃度為 0.5~0.7mg·L-1） 條件下的系統運行情況，發現：（1）GAOs 和PAO 之間不存在DO的競爭，系統出水濃度低于 0.5mg·L-1；（2）GAOs 具有高于PAOs 的內源反硝化活性和亞硝酸鹽耐受力主要通過GAOs 去除，減輕了高濃度（26.2~39.9mg·L-1）對 PAOs 反硝化吸磷的抑制；（3）GAOs 的內源短程反硝化特性保證了系統的高效脫氮，NH4+-N 去除率高達95%，TN 去除率達80%以上。

杜世明等[24]在 SNEDPR 系統基礎上，控制DO濃度為 0.5~1.0mg·L-1，在厭氧（180min）/缺氧（180 min）/低氧（150min）條件下經過 45d 的馴化成功啟動了 DPR-SNED 系統，發現：（1）系統 SNED 效率為62%左右；（2）系統 P、COD 去除率均維持在 90%以上，N 去除率維持在88%左右；（3）證明了厭氧段PAOs與GAOs 可以共存并對城市污水有限碳源進行充分利用和強化儲存，為后續缺氧段及好氧段的脫氮除磷提供充足的內碳源。

上述研究結果表明，在實驗室條件下，對于含有GAOs 的EBPR 系統，通過控制厭氧段及好氧段DO濃度、反應時間，可以使GAOs 與PAOs 很好地共存，不影響系統的除磷效果，GAOs 的存在反而更有利于系統的脫氮；利用GAOs 和PAOs 對有限碳源的強化儲存、GAOs 的反硝化功能，可以將EBPR 系統與SND、SNED 及反硝化除磷(DPR)相結合，實現對低碳氮比生活污水的良好處理，為低碳比實際污水的生化同步脫氮除磷奠定了基礎，但對于工程應用而言，還需要考察實際污水水溫變化對系統運行效果的影響。

5 結論與展望

通過對GAOs 在污水處理一些新工藝方面的研究結果的總結和分析發現：研究人員利用GAOs 對有限碳源的儲存及內源反硝化功能，一是建立了基于GAOs 的新型生物膜體系，為GAOs 的利用、微生物膜工藝的改進提供了新的思路；二是基于GAOs結合EBPR 系統建立了一些新型耦合工藝系統，對低碳氮比實際生活污水進行了實驗處理研究，為低碳氮比生活污水的生化同步除磷脫氮的研究和應用奠定了基礎。然而，目前上述研究基本處于實驗室研究階段，為了更好地發揮GAOs 的在污水處理中的作用，建議在以下幾方面繼續開展研究工作：

（1）GAOs 菌群中的 Competibacter 菌屬中的GB2、GB8 兩個分支和 Defluviicoccus 菌屬中的ClusterⅢ和ClusterⅣ兩個分支仍需明確是否具有反硝化功能。

（2）以實際生活污水和市政污水為處理對象，研究基于GAOs 的新型生物膜法體系的啟動、代謝機理和運行條件，并開展實際污水處理廠工況下的中試試驗研究。

（3）基于GAOs 的EBPR 相關耦合工藝方面，可以開展實際污水處理廠工況下的中試試驗研究和工程應用研究。