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城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统 微生物多样性研究 中文摘要 采用纯培养方法和p c r d g g e ( 变形梯度凝胶电泳) 技术对典型生物脱氮除 磷系统( 常规a 2 o 和倒置a 2 c i 工艺) 活性污泥中微生物多样性进行了研究。并采 用p c r - d g g e 技术对生物脱氮除磷工艺不同反应区段活性污泥系统微生物多样 性进行了研究。 6 种不同提取总d n a 方法对活性污泥微生物多样性p c r - d g g e 检测的影响 研究结果显示：基于s d s 裂解法是用于活性污泥微生物多样性p c r - d g g e 研究 的一种简便、可靠的总d n a 提取方法。 采用培养方法从活性污泥样品中分离得到3 4 株菌，经过b i o l o g 和1 6 s r d n a 鉴定他们属于5 大类群：a 一变形菌纲( a l p h 印r o t e o b a c 自e r i a ) ：p 变形菌纲 ( b e t a p r o t e o b a e t e r i a ) ；3 - 变形菌纲( g a m m a p r o t e o b a e t e r i a ) ：芽孢杆菌纲 ( b a c i l l i b a c t e r i a ) 和放线菌纲( a c l i n o b a e t e r i a ) 。其中优势菌为p - 变形菌纲、t 一变形菌 纲和放线菌纲。而两工艺中微生物细菌组成差别主要是：1 r 变形菌纲中的希瓦氏 菌属( s h e w a n e l l aa l g a es p ) 、克雷伯氏菌属( k l e b s i e l l as p ) 和类球红细菌 ( r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s ) 只在倒置工艺中分离得到，而在常规工艺中未分离到； 而放线菌纲( a c t i n o b a c t e r i a ) 中的滕黄微球菌( m i c r o c o c c u sl u t e u s ) 只在常规工艺中 分离到，在倒置工艺中未分离到。同时对两工艺曝气池末端活性污泥样品进行扫 描电镜观察，结果显示常规a 2 o 工艺活性污泥中含有大量的丝状细菌、杆状菌 和球状菌，同时还有部分念珠状细菌。而倒置工艺活性污泥中主要含有大量的球 状菌和杆状菌，丝状细菌相对常规工艺来说较少，没有发现念珠状细菌。而且常 规工艺活性污泥菌胶团比较致密，而倒置工艺活性污泥菌胶团比较疏松。 2 - i - 艺活性污泥系统样品p c r - d g g e 检测结果表明：从2 - i - 艺活性污泥样品中 获得的1 6 sr d n a 序列分别归属于四大细菌类群：变形细菌( p r o t e o b a c t c d a ) 、拟杆 菌群( b a c t c r o i d e s ) 、厚壁菌群( f i r m i c u t e s ) 和c a n d i d a t ed i v i s i o nt m 7 类群。其中拟杆 菌群和变形细菌为优势菌群2 i 艺微生物细菌组成结构的的主要差异是：有6 种菌在常规工艺中含量较少，而在倒置工艺中含量较高。在这6 种菌中有4 种属予 无法培养的拟杆菌，其余2 种为亚硝化螺旋菌属( u n c u l t u r e dn i t r o s o s p i r as p ) 和红 环菌属( r h o d o c y c l u ss p ) 。与纯培养研究相比可共同得出p 、y - p r o t e o b a c t e d a 菌为 两工艺中主要的优势菌。 同时采用p c r ，d g g e 技术对两工艺不同反应区段活性污泥微生物多样性进 行研究，结果显示：( 1 ) 小试和生产性试验工艺活性污泥中细菌主要分为4 大类： 拟杆菌群( b a e t e r o i d e s ，5 4 5 5 ) 、变形细菌( p r o t e o b a c t e r i a ，2 7 2 7 ) 、c a n d i d a t e d i v i s i o nt m 7 类群( 9 0 9 哟和厚壁菌群( f i r m i c u t e s ，9 0 9 ) ；( 2 ) 小试和生产性试验 系统活性污泥中细菌组成结构主要差异为：盐单胞菌属( h a l o m o n a ss p ) 在小试试 验系统中含量很少，而在生产性试验系统中含量较高；而红环菌属( r h o d o c y c l u s s p ) 、y 即o t e o b a c t e r i a 、b a c t e r o i d e t e s 类群等5 类细菌在小试试验系统中含量较高， 而在生产性试验系统中含量较低。( 3 ) 在小试工艺中：普氏菌属( p r e v o t e l l as p ) 、 鞘氨醇杆菌属( s p h i n g o b a c t e r i u ms p ) 、优杆菌属( e u b a c t e r i u ms p ) 、亚硝化螺旋菌 属( n i t r o s o s p i r as p j 4 类细菌在常规a 2 o 中含量较少，而在倒置a 2 o d i 口含量较高。 ( 4 ) 在生产性试验系统中：普氏菌属( p r e v o t e l l as p ) 、黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u ms p ) 在生产性试验系统的常规a 2 ，o 工艺系统中都存在，而在倒：置a 2 o t 艺系统厌氧 区、好氧区没有监测到。( 5 ) 在小试和生产性工艺中，各工艺的厌氧区、缺氧区 和好氧区之间变化最大的细菌主要集中在黄杆菌科( f l a v o b a c t e r i a c e a e ) 和不动杆 菌属口c i n e t o b a c t e rs p ) 的细菌。 关键词：活性污泥，生物脱氮除磷，微生物多样性，p c r d g g e ，常规 v o 和倒 置r 内 i i i n v e s t i g a t i o no nm i c r o b i o l o g yd i v e r s i t yi na c t i v a t e ds l u d g eo f b i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e d u r e a b s t r a c t t h eb a c t e r i a lc o m m u n i t yc o m p o s i t i o no ft w oa c t i v a t e ds l u d g es a m p l e sr e t r i e v e d f r o m 疼| qa n dr e v e r s e da 2 op r o c e d u r e 喇e 位i n v e s t i g a t e db yc u l t i v a t i o nm e t h o da n d p c r - d g g e ( d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s ) t e c h n i q u e a n dt h em i c r o b i a l e c o l o g i c a lc o m m u n i t i e si nd i f f e r e n tr e a c t i o nr e g i o n so fb i o l o g i c a lp h o s p h o r u s r e m o v a ls y s t e m sw e r ei n v e s t i g a t e db yp c r - d g g e t e c h n i q u e t h ei n f l u e n c eo fd n ae x 仃a e t i o nm e t h o d sf r o ma c t i v a t e ds l u d g ef o rd e n a t u r i n g g r a d i e n tg e le l e e t r o p h o r e s i so nm i c r o b i a ld i v e r s i t ya n a l y s i sw a si n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e t h o do fs d s - b a s e dd n ae x t r a c t i o nf r o ma c t i v a t e ds l u d g e ( z h o um e t h o d ) c a l l b eu s e da sa r a p i d a n dd e p e n d a b l ep r o t o c o li nm o l e c u l a rm i c r o b i a l e c o l o g ys t u d y 3 4b a c t e r i a ls t r a i n sw e r ei s o l a t e df r o mt w oa c t i v a t e ds l u d g es a m p l e s b a s e do n b i o l o gt e c h n i q u ea n d1 6 sr r n ag e n ea n a l y s i s ，t h e s eb a c t e r i a ls t r a i n sw e r e i d e n t i f i e da sf i v el i n e a g e so ft h ed o m a i nb a c t e r i a ：a - p r o t e o b a e t e r i a ；1 3 - p r o t e o b a e t e r i a ； y - p r o t e o b a c t c r i a ；b a c i l l ia n da c 石n o b a 涮a t h es u b c l a s so ft h ep r o t e o b a c t e r i a , e s p e c i a l l yb 、7 - p r o t e o b a c t e r i aa n da c t i n o b a c t c r i ap r e d o m i n a t e di nt h i ss t u d y i nt w o a c t i v a t e ds l u d g es a m p l e s ，t h ec o m p o s i t i o na n dd i s t r i b u t i o no f b a c t e r i a ls t r a i n si s o l a t e d f r o mt w oa e t i v a t o ds l u d g es a m p l e sw e f ed i f f e r e n t t h es h e w a n e l l aa l g a e ；k l e b s i e l l a a n dr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e so ft - p r o t e o b a g m r i a 忙o n l yi nr e 、c c r s e da z o p r o c e d u r e a n dt h em i c r o c o c c u s l u t e u so f a c t i n o b a e t e r i aw a so n l yi na z op r o c e d u r e t h ea c t i v a t e ds l u d g es a m p l e so f a r e o b i cr e g i o ni na 2 oa n dr e v e r s e da 2 op r o c e d u r e w f f f ea n a l y z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew e l - e l o t so fr o u n d - s h a p e da n dr o d - s h a p e db a e t c r i ai nt w op r o c e d u r e s t h e r ew g r em o r e f i l a m e n t o u sb a c t e r i ai n op r o c e d u r et h a ni nr e v e r s e da 2 op r o c e d u r e m o n i l i f o r m b a c t e r i aw a so b s e r v e do n l yi na 2 op r o c e d u r e t h ez o o g l o e ao f a 2 op r o c e d u r ew a s c o m p a c t , w h i l et h a to f r e v e f s e d a 2 op r o c e d u r ew a s l o o s e u s i n gp c r - d g g et e c h n i q u e , t h es e q u e n c e so ft h ev 3r e g i o no f16 sr r n ag e n e t i t r e t r i e v e df r o mt w oa c t i v a t e ds l u d g e sw e r es e p a r a t e d e x a m i n a t i o no f1 6 sr d n a s e q u e n c e so b t a i n e df r o md g g eb a n d ss h o w e dt h a tb a c t e r i a lp h y l o g e n e t i c e o m p o s “i o no f a c t i v a t e ds l u d g ei nt h ea 2 oa n dr e v e r s e da 2 op r o c e d u r ew a sd i v e r s e 1 6 sr d n as e q u e n c e sc o r r e s p o n d i n gt o2 0e x c i s e db a n d sf r o mt w oa c t i v a t e ds l u d g e s a m p l e sw e r ea n a l y z e da n dc l a s s i f i e di n t of o u rl i n e a g e so ft h ed o m a i nb a c t e r i a ： p r o t e o b a e t e r i a ；b a c t e r o i d e s ；f i r m i c u t e s ；c a n d i d a t ed i v i s i o nt m 7 t h en u m b e ro f n i t r o s o s p i r aa n dr h o d o c y c l u sw a sm o r ei nr e v e r s e da 2 op r o c e d u r et h a ni na 2 o p r o c e d u r e u s i n gp c r - d g g et e c h n i q u e ，t w e l v ea c t i v a t e ds l u d g es a m p l e sf r o ml a b - s c a l ea n d f u l l s c a l ep r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew e r ef o u rl i n e a g e s o ft h ed o m a i nb a c t e r i ai nl a b - s c a l ea n df u l l s c a l e p r o c e s s ，i n c l u d i n g b a c t e r o i d e s ( 5 4 5 5 哟；p r o t e o b a c t e r i a ( 2 7 2 7 煳；c a n d i d a t ed i v i s i o nt m ；( 9 0 9 呦； f i r m i c u t e s ( 9 0 9 、t h ed i f f e r e n c e o fm i c r o b i a le c o l o g i c a lc o m m u n i t i e sb e t w e e n l a b - s c a l ea n df u l l s c a l ep r o c e s sw a st h a tt h e r ew e r em o r eh a l o m o n a sb a c t e r i ai n f u l l - s c a l ep r o c e s st h a ni nl a b - s c a l ep r o c e s s ，w h i l em o r er h o d o c y c l u s , 3 , - p r o t e o b a c t e r i a , b a c t e r o i d e t e sb a c t e r i ai nl a b - s c a l ep r o c e s st h a ni nf u l l - s c a l ep r o c e s s i nl a b s c a l e p r o c e s s ，t h e r ew e r el e s sp r e v o t e l l a , s p h i n g o b a c t e r i u m , e u b a c t e r i u m , n i t r o s o s t i r ai n a 2 op r o c e d u r et h a ni nr e v e r s e da 2 op r o c e d u r e i nf h l l s c a l ep r o c e s s b o t h p r e v o t e l l aa n df l a v o b a c t e r i u me x i s t e di na 2 op r o c e d u r e ，b u to n l ye x i s t e di nt h e a n o x i cr e g i o n t h em o s td i f f e r e n c e so f m i c r o b i a lc o m m u n i t i e si ne a c hr e a c t i o nr e g i o n o fl a b s c a l ea n df u l l s c a l ep r o c e s sw e r ef l a v o b a e t e r i a e e a ea n da c i n e t o b a c t e r k e yw o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e ，b i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，m i c r o b i a l d i v e r s i t y , p c r - d g g e ，a 2 oa n dr e v e r s e da 2 op r o c e d u r e 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 洼； 壅旦篷直墓焦霞差缱型童塑的：奎拦互窒1 或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 竺竺兰：茎塑一竺嗍哆石7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适 用本授权书1 学位论文作者签名： 毒躯 导师签字： 签字日期：b 刁年易月) 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 月各日 调 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 0 前言 目前，我国河流、湖泊、海湾以及近海海域的水环境污染状况比较严重，水 体富营养化对城市水环境正常功能的发挥构成了严重威胁，赤潮发生频率增加， 其所造成的危害也越来越大。中国环境状况公报显示，2 0 0 5 年全国七大水系的4 1 1 个地表水监测断面中v 类及劣v 类水质的监测断面占5 9 ；内陆湖泊氮、磷污 染较重，导致富营养化问题突出；全国l o 座大型水库5 0 以上为类、v 类及劣 v 类水质；全海域共发现赤潮8 2 次，累计面积超过2 7 0 7 0 k m 2 ，有毒藻类引发的赤 潮次数和面积大幅增加，造成直接经济损失愈6 9 0 0 万元，并对海洋生态环境产生 巨大影响。水体富营养化现象发生的机理虽然复杂，但其根本原因是水体中氮、 磷等营养性物质含量过高造成的，因此，控制氮、磷等营养性物质进入水体是解 决富营养化问题的根本途径。 2 0 0 5 年我国城镇生活污水排放量为2 8 1 4 亿o ，生活污水c o d 排放量为8 5 9 4 万t ，氨氮排放量为9 7 3 万t ，大量的城镇污水未经处理直接排入水体，成为我国 城市周围水体的主要污染源。截至2 0 0 4 年底，全国6 6 1 个设市城市建有污水处理 厂7 0 8 座，处理能力为4 9 1 2 万m 3 d ，城市污水的处理率仅为4 2 左右，而且已建 成的城市污水处理厂绝大多数脱氮除磷效果不理想，因此，现实与需求之间存在 巨大差距。 目前开发并已得到实际应用的污水生物脱氮除磷工艺有常规a 2 o 工艺、u c t 工艺、v i p 工艺等，但是在这些工艺系统内同时存在泥龄问题、碳源问题、硝酸盐 问题等各种矛盾关系。为了解决这些问题，青岛理工大学氮磷脱除技术研究课题 组经过多年潜心研究【l - 6 1 ，特别对生物脱氮除磷系统短时厌氧生化特性【刀及其对生 物除磷的影响与厌氧缺氧环境倒置效应【8 1 的研究，首次提出了倒置a 2 o 工艺，并 先后在上海、青岛和烟台等地的现场小试、中试和生产性试验中得到验证。与常 规a 2 o 工艺比较，倒置a 2 o 工艺在脱氮与除磷效率方面可分别提高2 0 和2 5 ， 在基建投资与日常运行能耗方面可分别节省1 0 - - 2 0 和1 0 0 ”1 5 。但是到目前为 止，有关可以直接反映倒置9 2 ot 艺生物脱氮除磷机理的微生物群落结构及其代 谢功能的研究尚未广泛开展，尤其对其生物除磷反应机制的认识还存在很多不足， 其生物除磷的潜力还有待于进一步研究。 本研究以接近于实际生产现场的小试试验系统( 常规a 2 o 工艺与倒置a 2 o 工 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 艺1 为研究对象，通过对混合培养的污水生物脱氮除磷系统中活性污泥微生物多样 性的研究，分析生物脱氮除磷系统活性污泥微生物组成结构，揭示系统中主要的 微生物种群，进一步筛选主要的功能群，为下一步探讨倒置a 2 o 工艺生物除磷的 生化反应机制，挖掘生物除磷的潜力，提高系统除磷效率，优化工艺运行条件， 完善倒置a 2 o 工艺生物脱氮除磷的理论等方面奠定基础。 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 1 城市污水生物脱氮除磷原理与技术进展 1 1 生物脱氮除磷原理及主要除磷工艺 1 1 1 生物脱氮的基本原理 在污水生物处理过程中包含了一系列不同的净化机制，最重要的是含碳化合 物的降解、硝化反应、反硝化反应、生物除磷反应及悬浮物的分离。污水进入生 化处理系统后，氨的转化过程如图1 1 所示： 重稿化 确化 图1 l 氦的转化过程 f i g1 - l t h ep i 口c e 辎o f n i t r o g e nt r a n s f o r m 由图1 1 可见，污水生物处理过程中氮的转化包括氨化作用、同化作用、硝化 作用和反硝化作用。废水中的有机氮通过氨化作用转化为氨氮，与废水中原有的 氨氮一起，在供氧充足及其它合适条件下，通过硝化作用被氧化成亚硝酸盐和硝 酸盐，同时一部分氨氮被同化作用合成新细胞，而且由于生物物质的自溶或自身 氧化，使其中一部分用于同化的氨氮返回液相，剩余的用于净生长并以剩余污泥 形式排放。由于硝化作用产生的硝态氮在无氧条件下可通过反硝化作用转化为对 人体无害的分子态氮气。因此，污水生物脱氮主要有两条途径：一部分转化为n 2 、 n x o v 、n h 3 - n 等氮的气体形态逸入大气；另一部分通过同化作用合成细菌或被微 生物吸附，随剩余污泥排放；但通过同化作用去除氮的量受微生物净生长量所制 约，而净生长量又依赖于废水中有机物含量和处理系统的运行条件，由于微生物 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 细胞中氮含量约占1 2 5 ( 干重) ，即使考虑吸附等因素，由剩余污泥排除实现的脱 氮量约占进水总氮的3 0 左右，因此通过该途径难以达到显著的脱氮效果，而把 各种形态的氮转化为气体形态并排入大气是目前生物脱氮的主要途径。 1 1 2 生物除磷的基本原理 在生物除磷工艺系统中，进入生化反应系统的总磷只有两条出路：或者被微 生物吸附及结合入细胞随剩余污泥排除，或者随出水排出，生物除磷的方法在于 提高剩余污泥含磷量和排放量，减少出水中的t p 的浓度。生物除磷系统中磷的转 化途径如图1 - 2 所示： 图l - 2 磷的转化过程 f i g1 - 2f i g1 - 1 t h ep r o c e s so f n i t r o g e n 心a n s f o r m 在传统活性污泥系统中，由于磷元素是构成微生物细胞的主要成分之一，一 方面微生物生长繁殖要利用一部分磷，另一方面污泥絮凝体能吸附一部分非溶解 性磷，通过以上两种作用，污水处理厂中活性污泥的含磷量通常为污泥干重的 1 0 2 o ，因此，通过剩余污泥的排放仅能获得1 0 3 0 的除磷效果，其除磷量是 非常有限的。 但人们在以下几个方面达成了共识： 1 ) 生物除磷主要由一类统称为聚磷菌的微生物完成的，该类微生物均属异养 型细菌，现已报道的包括：不动杆菌属、气单胞菌属、假单胞菌属和棒杆菌属等。 2 ) 在厌氧条件下，聚磷菌把细胞中的聚磷水解为正磷酸盐( p 0 4 一p ) 释放胞外， 并从中获取能量，利用污水中易降解的c o d 如挥发性脂肪酸( v f a ) 合成贮能物质 聚b 羟基丁酸( p h b ) 等贮于胞内。 3 ) 在好氧条件下，聚磷菌以游离氧为电子受体氧化胞内贮存的p h b ，利用该 反应产生的能量，过量地从污水中摄取磷酸盐合成高能物质a t p ，其中一部分又 转化为聚磷，作为能量贮于胞内。其好氧吸磷量大于厌氧释磷量，故通过剩余污 泥排除可实现高效地除磷目的。 4 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 4 ) 好氧条件下，细胞内p h b 含量随时间呈指数关系减少；厌氧条件下则里线 性关系增加，且p h b 的增加与胞内聚磷的减少之间呈线性关系。在一定条件下， 聚磷菌厌氧有效释磷越彻底，其在好氧条件下的吸磷量就越大。 5 1 一部分聚磷菌具有脱氮功能，在无游离氧条件下可利用硝酸盐中的氧进行 呼吸，将硝酸盐还原为n 2 或n 2 0 ，同时进行吸磷。当厌氧段混入硝酸盐时，一部 分易降解碳源被反硝化利用，对聚磷菌释磷产生不利影响。 回聚磷菌厌氧释磷的程度与基质类型关系很大，当基质为乙酸、甲酸、丙酸 等挥发性脂肪酸时，释磷迅速而彻底；当基质为丁酸、乳酸、琥珀酸等时，释磷 则十分缓慢，且总释磷量也很小，当基质为乙醇、柠檬酸、甲醇和葡萄糖等物质 时，聚磷菌的释磷情况介于上述两者之间。有观点认为，聚磷菌一般可直接利用 的第一类基质挥发性脂肪酸，其它基质则需转化为第一类基质后才能被利用。 对于聚磷菌而言，只要第一类基质存在，即使硝酸盐甚至是游离氧存在仍会进行 释磷反应，因此，在厌氧释磷阶段努力增加挥发性脂肪酸的数量是很重要的。 生物除磷机理如图l 一3 所示： 有# l 譬质厌氧，土境i 蠡 暖 _ 一 q 聚磷精聚磷藏 图l - 3 生物除磷机理 f 螗1 - 3t h em e c h a n i s mo f b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l 1 1 3 生物脱氮除磷工艺 活性污泥法于1 9 1 4 年由a r d e m 和l o c k e t t 在英国曼彻斯特创建成实验厂，是 利用河流自净原理的人工强化高效污水处理工艺。已有将近9 0 年的历史。 活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。活性污泥反应系统可 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 能出现的微生物，几乎包括所有微生物的各种类群，属于原核生物的有细菌、放 线菌和蓝细菌：属于真核生物的有酵母菌、丝状真菌以及原生动物、多细胞微型 动物等。此外，还有单细胞藻类、病毒和立克次氏体等。在活性污泥系统内发挥 降解有机污染物作用的主要是异养型的原核细菌。 1 1 3 1 常规a 2 ot 艺 常规a 2 o 工艺，是a n a e r o b i c - a n o x i c o x i c 的简称，该工艺亦称为厌氧，缺靴 好氧法。它是在2 0 世纪7 0 年代，由美国的一些专家在厌氧，好氧法除磷工艺的基 础上开发的污水处理工艺。它是在厌氡好氧除磷工艺的基础上加入缺氧池，并将 好氧池流出的一部分混合液回流至缺氧池，同时达到反硝化脱氮的目的。旨在能 同步去除污水中的氮和磷，尤其是对愈加严重的富营养化污染的水体，现已成为 具有脱氮除磷要求的城市污水处理厂所广泛采用的工艺。其流程见图i - 4 。但是， 常规a 2 o 工艺也存在一些问题：( 1 ) 由于存在内循环，常规工艺系统所排放的剩余 污泥中实际上只有少部分经历了完整的释磷、吸磷过程，其余则基本上未经厌氧 状态而直接由缺氧区进入好氧区，这对于除磷是不利的；( 2 ) 由于缺氧区位于系统 中部，反硝化在碳源分配上居于不利地位，因而影响了系统的脱氮效果；( 3 ) 由于 厌氧区居前，回流污泥中的硝酸盐对厌氧区产生不利影响。 图l - 4 常规a 2 ，o 工艺 f i g1 4t h ep r o c e s so f a 2 o 1 1 f 3 2 倒置a 2 o 工艺 随着我国对排入水体的氮、磷营养物质的量要求越来越严格，近三十年来， 我国引进并开发出多种具有脱氮除磷功能的二级处理工艺，倒置a 2 o 工艺( 图l 5 ) 就是其中之一，已经过大量的试验研究取得了成功的经验，它是在常规a 2 o 工艺 基础上停止内回流，加大污泥回流比而发展起来的。与目前国际上最为先进的 a 2 o 、u c t ( 带双循环回路的除氮磷工艺) 、v i p 等工艺相比，倒置a 2 ，0 工艺创造 性地将传统生物脱氮除磷理论与工艺流程中的厌氧、缺氧环境倒置，形成了缺氧 6 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 厌氧，好氧的流程形式，从根本上解决了生物脱氮除磷系统存在的一系列矛盾问题， 使生物脱氮与除磷能力得到充分发挥。就其工艺过程而言具有如下特点： ( 1 ) 缺氧区位于系统首端，反硝化菌优先获得易降解有机物作为碳源，反硝化 的碳源要求优先获得满足，反硝化容量充分，强化了系统的脱氮能力，反硝化速 率提高，并避免回流污泥携带的溶解氧与硝酸盐对厌氧有效释磷的影响。 ( 2 ) 由于采用于一个回流系统，使所有参与回流的污泥全部经历完整的厌氧释 磷和好氧吸磷过程，显著提高了微生物的群体效应，参与释磷和吸磷过程的回流 污泥量增加，而且聚磷菌微生物经厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境， 其在厌氧条件下形成的吸磷动力可以得到充分的利用，故提高了系统的除磷能力。 ( 3 ) 通过缩短初沉停留时间或超越初沉池，为脱氮除磷提供更多的碳源，缓解 碳源矛盾的同时，提高了生物处理系统的活性污泥浓度，强化了好氧区同步反硝 化作用，不仅提高了处理系统的脱氮功能，而且为生物除磷创造了良好的条件， 促进处理系统的生物除磷能力的提高。 ( 4 ) 倒置a 2 o 工艺将传统生物脱氮除磷工艺系统所必需的污泥回流外循环系 统与混合液回流内循环系统( 好氧混合液回流、缺氧混合液回流) 合二为一构成了唯 一的污泥回流系统，使工艺流程简单化，系统运行变得更为稳定，不仅可以节省 建设或改造投资，而且可以降低运行费用。 实际应用结果也表明，倒置e o 工艺在脱氮除磷效率与运行能耗方面均优子 目前国际上最为先进的v i p t 艺、u c t 工艺及改良a 2 ，o 工艺，是适合我国城镇污 水实际情况，具有筒捷、高效、经济特点的新工艺。 图i - 5 倒置a 2 ，o 工艺流程 f i g1 5t h ep r o c e s so f r e v e m e a a 2 o 7 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 1 2 生物脱氮除磷活。眭污泥系统微生物多样性研究进展 1 2 1 采用培养方法研究活性污泥系统微生物多样性进展 f u h s f f l c h e n ( 1 9 7 5 ) 1 9 最早用传统的培养方法从能高效除磷的活性污泥中分离 出细菌，鉴定这些细菌属于丫- 亚纲变形菌中的不动杆菌似c i n e t o b a c t e r ) 。在好氧条 件下，纯培养0 0 l 和活性污泥中【均不动杆菌都能累积磷，其它的研究组用不同的 选择性培养基也从各自的实验室或污水处理厂分离出不动杆菌1 1 2 , 1 3 1 。因此，那时 的人们普遍认为。e b p r 系统中的p a o ( p h o s p h a t e - a e c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 主要就是 不动杆菌。但有些研究者发现，培养从e b p r 系统中分离的这些被认为是真正p a o 的细菌时，大多数没能成功传代，而一些存活下来的细菌经鉴定却并不是不动杆 菌1 1 4 1 5 1 。大多数从e b p r 系统中分离的不动杆菌为琼氏不动杆菌似c i n e t o b a c t e r j u n i o 、鲁氏不动杆菌似1 w o y ；_ ) 和约氏不动杆菌似j o h n s o n i o 1 6 - 1 5 1 。此外，活性污泥 中的假单胞菌( p s e u d o m o n a s ) 、莫拉氏菌( m o r a x e l l a ) 、气单胞菌e r o m o n a s ) 等同样 能除磷【1 9 1 。s u r e s h 等r o 】也认为，假单胞菌和克雷伯氏菌( k l e b s i e l l a ) 都是具有除磷 能力的细菌，并发现一种假单胞菌( p s e u d o m o n a sc e s i c u l a r i s ) 甚至比不动杆菌能累积 更多的磷。因此，许多研究者对不动杆菌在e b p r 系统中的重要性产生了怀疑。从 e b p r 系统获得的纯培养可以在好氧状态下利用乙酸盐高效地合成p o l y p 和p h a ，但 不是所有的纯培养菌都能合成此两种物质，此能力也不仅限于某几种细菌。很多 细菌都能合成胞内p o l y p 颗粒【2 u ，如死肌括p 砌8 m 属的放线杆菌似c 咖6 叩阳，叫【础】， 在e b p r 系统中常见的可引起污泥膨胀或泡沫的丝状菌，如m i c r o t h r i xp a r v i c e l l a 和 n o s t o c o i d al i m i c o l a ，在原位或纯培养条件下其胞内的p o l y p 颗粒都可被染色【2 4 2 5 l ， 又如球状的积磷小月菌( m i c r o l u n a t u s p h o s p h o v o r u s ) 也可以在厌氧状态下释放磷，在 好氧状态下累积磷。研究表明，其代谢途径和p a o 是不一样的，在厌氧状态下同化 的葡萄糖并不用于生长，而是被发酵成乙酸盐储存起来，也不被转化成p h a ，而 是用于有氧呼吸释放能量1 2 6 1 。进一步的研究表明，积磷小月菌并非e b p r 系统中的 优势类群 2 7 1 。此外，s t a n t e 等 2 8 1 从e b p r 系统分离出的一种俊片菌( l a m p r o p e d i a s p 1 ，能在厌氧状态下同化乙酸盐生成p h a 并释放磷，但有关这种菌生理生化方面 的特征还研究不多。既然能合成胞内p o l y p 颗粒的细菌不仅限于不动杆菌，因此人 们自然想到，那些从e b p r 系统中分离出的革兰氏阳性菌或革兰氏阴性菌可能是潜 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 在的p a o 。 1 2 2 采用非培养方法研究活性污泥系统微生物多样性进展 1 2 2 1 采用呼吸酶方法 l i u 等( 2 0 0 0 ) 的研究表明，e b p r 系统和非e b p r 系统呼吸酶的差别并不大， 这说明在细菌群落中只有小部分参与了e b p r 过程。l i n 等 3 0 , 3 1 均研究表明，在e b p r 的生物样品中，辅酶q 2 8 和辅酶q 2 1 0 比辅酶q 2 9 含量多，发现随着s b r 系统除磷能 力的提高，辅酶q 2 9 的含量随之增加：除磷能力的提高是由于具有除磷细菌种群数 量的增加，而非除磷细菌除磷能力的增加；认为不动杆菌和假单胞菌都是代表性 的聚磷菌。h i r a i s h i 掣豫】用呼吸酶的研究表明，无论在实验室还是在污水处理厂的 e b p r 系统或非e b p r 系统的检测中，标志变形菌纲b 亚纲的辅酶q 2 8 都是最多的， 而并非标志变形菌纲7 亚纲( 不动杆菌属于此亚纲) 的辅酶q 2 9 ，辅酶q 2 1 0 为标志的 放线杆菌和变形菌纲a 一亚纲的细菌数量也很多，还有革兰氏染色阳性的低 m 0 1 ( g + c ) 的细菌，浮霉状菌属( p l a n c t o m y c e t e ss p ) f f ：i c f b 菌群的细菌数量较少， 而积磷小月菌只占放线杆菌总数的约3 。 1 2 2 2 分子生物学方法 近年来，采用分子生物学方法对包括不动杆菌在内的聚磷菌进行的大量研究 结果表明，生物除磷系统中的微生物是多样化的，l i u 等【3 3 1 ，g i e s e k e 等1 3 4 1 研究发 现在以乙酸盐为碳源的s b r 反应器中具有较高除磷能力的活性污泥中至少包含三 种主要微生物。w a n g e r 等嘲，g a m p r f e r 等【3 6 1 采用基因探测技术对e b p r 系统活性 污泥微生物的研究结果表明，系统中存在种系发育特征不同的多种微生物群体， 其中包含大量g 吒含量较高的革兰氏阳性菌。b o n d 等( 1 9 9 5 ) 3 r l 研究指a , - p , e b p r 系 统与非e b p r 系统在微生物组成上的不同，e b p r 系统中存在蛋白菌( p r o t e o b a c t e r i a ) 的b 亚纲微生物，其可能在e b p r 系统中起特殊作用。m a m o r u 等口珂、m a s z e n a n 等 3 9 1 采用低聚核苷酸探针与聚磷酸盐染料d a p i 的双重染色技术等不同分析技术对 试验规模的e b p r 系统污泥分析表明，蛋白菌的p 亚纲微生物含量为6 4 ，具有高 g + c 含量的革兰氏阳性菌占1 0 ，蛋白菌的亚纲微生物占7 ，噬纤维菌与曲绕 细菌占4 ，其中具有高g + c 含量的革兰氏阳性菌和蛋白菌的洳亚纲微生物在胞 内聚集了大量的磷。 l o v 等1 研究表明，e b p r 活性污泥系统微生物群落与q e b p r 系统微生物群落 9 城市污水生物脱氮除磷活性污泥系统微生物多样性研究 一样具有很高的多样性。此外，所有的1 6 sr r n a 基因文库的数据都表明，多数从 e b p r 克隆的序列与纯培养获得的序列有很大不同。基因文库的数据也经常与f i s h 分析获得的数据不同，比如，几个研究都表明用基因文库研究得到的噬纤维菌屈 扰杆菌一拟杆菌f - j ( c y t o p h a g a - f l e x i b a c t e r - b a c t e r o i d e s ，c f b ) 菌群的比例比用f i s h 分 析所得的结果高的多h 1 ，4 2 1 。这可能是因为现在研究c f b 菌群所用的探针并不