应用聚糖菌的一些水处理新工艺的研究进展*

秦余春，何广宏，鹿 野，成 亮

（1.中国煤矿机械装备有限责任公司，北京 100011；2.江苏大学，江苏 镇江 212013）

1977 年TAKII 发现在活性污泥中存在着一类聚糖微生物，此类微生物在强化生物除磷（EBPR）系统中同样能够累积聚羟基烷酸（PHAs-polyhydroxyalkanoate），为了与聚磷菌（PAOs）区别，人们将之称为聚糖菌（GAOs, glycogen-accumulating organisms），GAOs 与 PAOs 之间的竞争常常会导致 EBPR系统除磷效果的恶化[1,2]，为了抑制GAOs 的生长和富集，以维持EBPR 系统的稳定运行，厘清GAOs 与PAOs 的竞争机制和影响因素成为研究热点之一[3-5]，此方面的研究进展报道较多[6,7]，然而针对基于GAOs对内碳源的储存和其反硝化功能构建的一些新工艺的综合报道仍然较少。

本文结合近些年相关文献，对GAOs 的反硝化功能的研究、基于GAOs 构建的新型生物膜体系，以及包含GAOs 的EBPR 相关耦合工艺系统的研究进行了简要总结和介绍，旨在为后续GAOs 的相关研究和应用提供理论参考。

1 聚糖菌种群类型及其反硝化功能

反硝化作用是指具有反硝化功能的细菌在缺氧条件下，以硝态氮、亚硝态氮作为电子受体，通过反硝化还原酶的作用，将和最终转变为N2的生化反应过程。反硝化过程是污水脱除总氮的重要途径，研究各GAOs 的菌种分支并确定其反硝化功能，将有益于生化系统脱氮功能的提升。

早期人们通过非纯培养的方式结合组织化学的方法，对GAOs 进行了富集和鉴定，发现大多GAOs隶属于变形菌纲，其中最主要的菌种是“Candidatus Competibacter phosphatis”和一种与“Defluviicoccus vanus”相近的细菌，分别来自γ-变形菌纲和α-变形菌纲[6]。

“Candidatus Competibacter phosphatis”简称为Competibacter，包含 8 个分支：GB1-GB8，其中 GB8是KIM 在EBPR 系统中发现的，但具体功能尚不明确[8,9]，GB1、GB4 和 GB5 能够以为电子受体进行反硝化，而GB6 能够以为电子受体进行反硝化[10,11]。与“Defluviicoccus vanus”相近的细菌简称为Defluviicoccus，包含4 个分支：ClusterⅠ-Cluster Ⅳ，其中ClusterⅠ能够以为电子受体进行反硝化[12]，而ClusterⅡ不具备反硝化功能，ClusterⅢ和ClusterⅣ的具体功能尚不明确[13]，仍需继续研究。

2 GAOs 的反硝化功能实验研究及代谢机理

刘小芳[14]等在SBR 反应器中以乙酸钠为碳源、为电子受体富集了反硝化聚糖菌（DGAOs，denitrifying glycogen accumulating organisms），并采用批次实验考察了不同电子受体对DGAOs 反硝化性能的影响。发现以为电子受体长期培养的DGAOs 系统，对同样具有良好的反硝化性能，这与上述GAOs 的几个分支能够以为电子受体进行反硝化的结论相吻合。

研究表明，GAOs 能够以内碳源为碳源进行反硝化，具体地在厌氧时吸收和存储污水中挥发性脂肪酸（VFAs）合成 PHAs，好氧时分解 PHAs 合成糖原，而在缺氧时GAOs 能够以为电子受体，分解胞内储藏的PHA，通过内源反硝化实现有限碳源情况下的生化脱氮[13,15,16]。而常烁等[11]研究GAOs 的反硝化功能和代谢机理时，进一步发现DGAOs 在进行内源反硝时首先利用为电子受体耗尽后再利用

图1 聚糖菌反硝化过程代谢机理Fig.1 Denitrification metabolic mechanism of GAOs

贾淑媛等[17]进一步研究了GAOs 内源反硝化时利用内碳源的次序及以为电子受体时的内源反硝化的速率，发现：GAOs 在厌氧时利用糖原酵解提供的能量和还原力，吸收葡萄糖并合成（poly-β-hydroxyvalerate, PHV）和聚 β-羟基丁酸酯（poly-β-hydroxyvalerate, PHB）储存在胞内，在缺氧阶段的内源反硝化过程中会依次利用胞内的PHV 和PHB 和gly 作为内碳源进行内碳源反硝化；在22℃时常温短程内源反硝化速率约是全程内源反硝化速率的3 倍。

GAOs 对有机物的存储及内源反硝化特性的发现和研究，为低碳氮比废水的处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 能够存储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载体为基础，构建了微生物膜反应器，以合成废水为处理对象，研究同样证明，GAOs 在厌氧时能够将溶解性有机物以PHAs 的形式进行储存，好氧时通过将微生物膜与空气直接接触可以氧化分解GAOs 储存的PHAs，实现有机物的有效降解。

随后，基于GAOs 的内源反硝化功能，HOSSAIN、CHENG 和FLAVIGNY 等[19,20]在微生物载体上依次负载GAOs、沸石以及硝化细菌构建了新型三维结构的复合微生物膜体系，见图2。

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

该复合微生物膜由内至外分别为GAOs 生物膜层、沸石层及硝化细菌层。该体系在处理合成废水时可分为两个阶段，第一阶段：GAOs 生物膜和沸石可以吸附几乎100%的可生化有机物和85%的氨氮，第二阶段通过将微生物膜与空气直接接触，利用生物膜外层的硝化作用将沸石吸附的氨氮氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，同时内层的GAOs 细菌利用第一阶段储存的有机物作为碳源进行反硝化，将硝酸盐和亚硝酸盐还原为N2排出系统，实现了同步硝化反硝化（SND）。

基于GAOs 的新型生物膜体系的建立，为GAOs的利用、微生物膜工艺在降低运行成本方面的改进提供了新的研究方向。

4 含有GAOs 的EBPR 相关耦合工艺

与抑制EBPR 系统中GAOs 的生长相反，赵骥、王晓霞等[21-24]利用GAOs 能够存储有限碳源和其反硝化功能，将同时含有PAOs、GAOs 的强化生物除磷（EBPR）系统与同步硝化反硝化（SND）、同步硝化内源反硝化（SNED）及反硝化除磷（DPR）工艺进行耦合，分别建立了同步硝化内源反硝化除磷（SNEDPR）系统、同步短程硝化内源反硝化除磷（SPNEDPR）系统和反硝化除磷耦合同步硝化内源反硝化（DPR-SNED）系统，以低碳氮比生活污水为处理对象，对各系统的运行条件和脱氮除磷特性等进行了研究和考察。各系统基本信息见表1。

表1 包含GAOs 的EBPR 耦合工艺系统的基本信息Tab.1 Basic information of coupling processes of EBPR system containing GAOs

赵骥等[21]研究 SNEDPR 系统运行时，发现：（1）将好氧DO 浓度控制在1.0~1.5mg·L-1，有利于厌氧阶段 PAOs 和 GAOs 对内碳源（PHA）的储存；（2）好氧段SND 作用明显，耦合系统TN 和去除率分别高达85%和94%。王晓霞等[22]进一步对SNEDPR系统的运行条件进行了优化，将好氧段DO 浓度降低至 0.3mg·L-1，好氧时间从 150min 延长至 240min，厌氧段控制在180min，发现：（1）低浓度DO 有利于GAOs 对COD 的更多储存并用于反硝化脱氮，有利于SNED 过程的实现；（2）PAOs 的除磷性能几乎未受GAOs 的影响，TN 去除率高达84%、出水浓度稳定低于 1mg·L-1。

王淑莹等[23]在研究SPNED-PR 系统时，考察了不同和及厌氧（150min）/低氧（180min，DO 浓度为 0.5~0.7mg·L-1） 条件下的系统运行情况，发现：（1）GAOs 和PAO 之间不存在DO的竞争，系统出水浓度低于 0.5mg·L-1；（2）GAOs 具有高于PAOs 的内源反硝化活性和亚硝酸盐耐受力主要通过GAOs 去除，减轻了高浓度（26.2~39.9mg·L-1）对 PAOs 反硝化吸磷的抑制；（3）GAOs 的内源短程反硝化特性保证了系统的高效脱氮，NH4+-N 去除率高达95%，TN 去除率达80%以上。

杜世明等[24]在 SNEDPR 系统基础上，控制DO浓度为 0.5~1.0mg·L-1，在厌氧（180min）/缺氧（180 min）/低氧（150min）条件下经过 45d 的驯化成功启动了 DPR-SNED 系统，发现：（1）系统 SNED 效率为62%左右；（2）系统 P、COD 去除率均维持在 90%以上，N 去除率维持在88%左右；（3）证明了厌氧段PAOs与GAOs 可以共存并对城市污水有限碳源进行充分利用和强化储存，为后续缺氧段及好氧段的脱氮除磷提供充足的内碳源。

上述研究结果表明，在实验室条件下，对于含有GAOs 的EBPR 系统，通过控制厌氧段及好氧段DO浓度、反应时间，可以使GAOs 与PAOs 很好地共存，不影响系统的除磷效果，GAOs 的存在反而更有利于系统的脱氮；利用GAOs 和PAOs 对有限碳源的强化储存、GAOs 的反硝化功能，可以将EBPR 系统与SND、SNED 及反硝化除磷(DPR)相结合，实现对低碳氮比生活污水的良好处理，为低碳比实际污水的生化同步脱氮除磷奠定了基础，但对于工程应用而言，还需要考察实际污水水温变化对系统运行效果的影响。

5 结论与展望

通过对GAOs 在污水处理一些新工艺方面的研究结果的总结和分析发现：研究人员利用GAOs 对有限碳源的储存及内源反硝化功能，一是建立了基于GAOs 的新型生物膜体系，为GAOs 的利用、微生物膜工艺的改进提供了新的思路；二是基于GAOs结合EBPR 系统建立了一些新型耦合工艺系统，对低碳氮比实际生活污水进行了实验处理研究，为低碳氮比生活污水的生化同步除磷脱氮的研究和应用奠定了基础。然而，目前上述研究基本处于实验室研究阶段，为了更好地发挥GAOs 的在污水处理中的作用，建议在以下几方面继续开展研究工作：

（1）GAOs 菌群中的 Competibacter 菌属中的GB2、GB8 两个分支和 Defluviicoccus 菌属中的ClusterⅢ和ClusterⅣ两个分支仍需明确是否具有反硝化功能。

（2）以实际生活污水和市政污水为处理对象，研究基于GAOs 的新型生物膜法体系的启动、代谢机理和运行条件，并开展实际污水处理厂工况下的中试试验研究。

（3）基于GAOs 的EBPR 相关耦合工艺方面，可以开展实际污水处理厂工况下的中试试验研究和工程应用研究。