用于诊断污水除磷系统中聚磷菌构成的检测方法

　　申请日2008.11.20

　　公开(公告)日2009.04.29

　　IPC分类号C12Q1/06

　　摘要

　　本发明提供了一种用于诊断污水处理系统中除磷菌(Poly-PAccumulating Organisms，PAO)构成的检测方法。该方法包括NO2-抑制性检验试验与吸磷量测定试验两个操作阶段：在第一个阶段，通过考察不同NO2-初始浓度对试验污泥反硝化吸磷的影响，确定污泥所能承受的最高NO2-浓度;在第二阶段，使污泥分别在O2、NO3-和NO2-三种不同电子受体条件下进行好氧或缺氧吸磷反应，获得吸磷量MO、MON和MONn。在此基础上，根据计算公式及其适用范围，掌握污泥中好氧除磷菌(a-PAO)、反硝化除磷菌(d-PAO)、兼性除磷菌(f-PAO)、专性好氧除磷菌(oa-PAO)、专性缺氧除磷菌(od-PAO)等各类PAO的数量比例，以利于及时诊断并改善除磷系统的运行效能。

　　翻译权利要求书

　　1.一种用于诊断污水除磷系统中聚磷菌构成的检测方法，所述方法包括：

　　(1)取除磷系统厌氧释磷段的活性污泥进行NO2 -抑制性检验试验，通过考察不同NO2 -初始浓度对活性污泥反硝化吸磷的影响，确定污泥所能承受的最高NO2 -浓度Xmax;

　　(2)分别检测除磷系统吸磷段的活性污泥在DO≥2mg/L的O2电子受体条件、60mgN/L的NO3 -电子受体条件和NO2 -浓度为Xmax的 NO2 -电子受体条件下的吸磷量MO、MON和MONn;

　　(3)根据不同电子受体条件下的吸磷量计算活性污泥中不同PAO分类及数量：

　　对于厌氧/好氧(A/O)除磷系统，活性污泥中只以O2为电子受体的聚磷菌数量PO、以O2和NO3 -为电子受体的聚磷菌数量PON及以O2、 NO3 -和NO2 -为电子受体的聚磷菌数量PONn，各自占PAO总数P的比例分别为：

　　 $\frac{P_{O}}{P} % = \frac{M_{O} - a M_{ON}}{M_{O}} \times 100 %$

　　 $\frac{P_{ON}}{P} (%) = \frac{a (M_{ON} - M_{ONn})}{M_{O}} \times 100 %$

　　 $\frac{P_{ONn}}{P} (%) = \frac{a M_{ONn}}{M_{O}} \times 100 %$

　　其中a为PAO有氧呼吸产能与无氧呼吸时的比值;

　　对于A/A反硝化除磷系统，活性污泥中兼性聚磷菌f-PAO和专性缺氧聚磷菌od-PAO各自占PAO总数P的数量比例分别为：

　　 $\frac{P_{ON} + P_{ONn}}{P} (%) = \frac{M_{O}}{a M_{ON}} \times 100 %$

　　 $\frac{P_{N} + P_{n} / P_{Nn}}{P} (%) = \frac{a M_{ON} - M_{O}}{a M_{ON}} \times 100 %$

　　其中PN为只以NO3 -为电子受体的聚磷菌数量、Pn为只以NO2 -为电子受体的聚磷菌数量、PNn为以NO3 -和NO2 -为电子受体的聚磷菌数量;a 为PAO有氧呼吸产能与无氧呼吸时的比值;

　　其中具有反硝化NO2 -能力或反硝化NO3 -和O2 -能力的聚磷菌各占PAO 总数P的数量比例为：

　　 $\frac{P_{ONn} + P_{n} / P_{Nn}}{P} (%) = \frac{M_{ONn}}{M_{ON}} \times 100 %$

　　 $\frac{P_{ON} + P_{N}}{P} (%) = \frac{M_{ON} - M_{ONn}}{M_{ON}} \times 100 % .$

　　2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(1)为：取除磷系统厌氧释磷段的混合液，补充足量NaAc碳源后转至具盖容器内完成充分的厌氧释磷反应，离心得到活性污泥，用不含NaAc组分的去氧微生物营养液稀释使污泥浓度VSS为1000mg/L，投加NaNO3使液相NO3 -浓度为60mgN/L;混合液等分为若干份，通过投放不同数量NaNO2控制其NO2 -浓度处于不同水平，于pH7.0±0.2下进行缺氧吸磷反应，跟踪 PO4 3-浓度的变化，确定NO2 -对反硝化吸磷产生抑制作用的最低浓度。

　　3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(2)为：于除磷系统好氧或缺氧吸磷段取混合液，离心活性污泥排除液相的NOX -和液相 COD后，以去氧微生物营养液稀释使VSS为1000mg/L，于厌氧环境下进行厌氧释磷反应，离心活性污泥排除液相剩余的COD，以不含 NaAc组分的去氧微生物营养液稀释得到混合液，混合液均分为三份，分别置于DO≥2mg/L的电子受体条件、60mgN/L的NO3 -电子受体条件和NO2 -浓度为Xmax的NO2 -电子受体条件下，于pH7.0±0.2下进行好氧或缺氧吸磷反应，获得各自吸磷量MO、MON和MONn。

　　4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述去氧微生物营养液组成为： COD-NaAc 200mg/L、N-NH4Cl 10mg/L、P-KH2PO4 80mg/L、 Mg-MgSO4·7H2O 6mg/L、Ca-CaCl2·2H2O 3mg/L、K-KCl 10mg/L、EDTA 2mg/L、Cu-CuSO4·5H2O 0.001mg/L、H3BO3 0.025mg/L、I-KI 0.025 mg/L、Mn-MnCl2·4H2O 0.003mg/L、Zn-ZnSO4·7H2O 0.006mg/L、 Co-CoCl2·6H2O 0.008mg/L和Fe-FeCl3·6H2O 0.065mg/L，溶剂为蒸馏水。

　　说明书

　　一种用于诊断污水除磷系统中聚磷菌构成的检测方法

　　(一)技术领域

　　本发明涉及一种用于诊断污水处理系统中聚磷菌(Poly-P Accumulating Organisms，PAO)构成的检测方法，属于环境工程水污染控制技术领域。

　　(二)背景技术

　　作为污水的绿色处理与回用技术，生物除磷脱氮工艺因其经济高效和碳、氮、磷同时去除的优点而在世界范围内得到广泛应用。除磷系统通过 A/O或A/A环境的交替，可实现PAO在污泥中的诱导富集及其对PO4 3- 的超量吸收去除目的。但实际上，聚糖菌的竞争干扰、NOx -对PAO厌氧释磷的抑制及过度曝气等原因均会导致污水厂的运行溃败。

　　由此，加强对除磷系统中PAO功能菌种类和数量的监测意义重大。虽然，应用传统微生物分离培养方法和新兴分子微生物学技术对PAO进行研究有助于除磷理论及工艺的革新，但聚磷和反硝化概念源于环境工程学角度，且现有细菌分类系统中缺少相应微生物的定义与鉴别方法，造成目前基于培养基细菌鉴定的研究方法与结果互不相符，且存在耗时和误差大等弊端。另外，PAO种群呈现生物多样性的特点，除磷系统中优势菌群结构与进水水质和工艺形式密切相关，PCR(Polymerase Chain Reaction)、DGGE(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)、FISH (Fluorescence In Situ Hybridization)等核酸监测技术虽然方法先进，但其研究结果之间往往缺乏可比性及可供工程借鉴和应用的实效性。

　　事实上，除磷系统中PAO种群可根据O2、NO3 -、NO2 -等不同电子受体的供给情况实时作出动态响应，进而形成各类PAO的此消彼长及其与聚糖菌的生态竞争关系。随着d-PAO、f-PAO的发现及BCFS、Dephanox 和A2N-SBR等新型反硝化除磷工艺的推广，从工程学的角度掌握PAO对 O2、NO3 -和NO2 -不同电子受体的利用特性，以及基于此的各种类PAO的定量方法，有利于快速、有效的监控污泥中PAO结构及除磷系统运行状况。虽然，先前已有一些报道给出了类似的方法，但其对PAO构成及计算方法存在较大局限：(1)仅将PAO粗略的分为a-PAO和d-PAO两类或 PO、PON和PONn三类，而忽略了PN和Pn/PNn等od-PAO，对a-PAO、d-PAO、 f-PAO、oa-PAO、od-PAO等不同种类PAO区分不够全面和确切;(2)先前用于PO、PON和PONn定量的计算公式实际上只适用于A/O除磷系统，对于A/A反硝化除磷系统由于污泥中PAO种类构成不同而并不适用。

　　(三)发明内容

　　本发明目的在于提供一种用于诊断污水除磷系统中聚磷菌构成的检测方法，利用PAO对O2、NO3 -和NO2 -不同电子受体利用能力的差异，掌握除磷系统中a-PAO、d-PAO、f-PAO、oa-PAO和od-PAO等不同功能菌的构成状况，以指导污水厂的运行。

　　本发明采用的技术方案是：

　　一种用于诊断污水除磷系统中聚磷菌构成的检测方法，所述方法包括：

　　(1)取除磷系统厌氧释磷段取的活性污泥进行NO2 -抑制性检验试验，通过考察不同NO2 -初始浓度对活性污泥反硝化吸磷的影响，确定污泥所能承受的最高NO2 -浓度Xmax;

　　(2)分别检测除磷系统吸磷段的活性污泥在DO≥2mg/L的O2电子受体条件、60mgN/L的NO3 -电子受体条件和NO2 -浓度为Xmax 的NO2 -电子受体条件下的吸磷量MO、MON和MONn;

　　(3)根据不同电子受体条件下的吸磷量计算活性污泥中不同PAO分类及数量：

　　对于A/O除磷系统，活性污泥中只以O2为电子受体的聚磷菌数量PO、以O2和NO3 -为电子受体的聚磷菌数量PON及以O2、NO3 -和NO2 -为电子受体的聚磷菌数量PONn，各自占PAO总数P的比例分别为：

　　 $\frac{P_{O}}{P} (%) = \frac{M_{O} - a M_{ON}}{M_{O}} \times 100 %$

　　 $\frac{P_{ON}}{P} (%) = \frac{a (M_{ON} - M_{ONn})}{M_{O}} \times 100 %$

　　 $\frac{P_{ONn}}{P} (%) = \frac{a M_{ONn}}{M_{O}} \times 100 %$

　　其中a为PAO有氧呼吸产能与无氧呼吸时的比值，通常为2;

　　对于A/A反硝化除磷系统，活性污泥中兼性聚磷菌f-PAO和专性缺氧聚磷菌od-PAO各自占PAO总数P的数量比例分别为：

　　 $\frac{P_{ON} + P_{ONn}}{P} (%) = \frac{M_{O}}{a M_{ON}} \times 100 %$

　　 $\frac{P_{N} + P_{n} / P_{Nn}}{P} (%) = \frac{a M_{ON} - M_{O}}{a M_{ON}} \times 100 %$

　　其中PN为只以NO3 -为电子受体的聚磷菌数量、Pn为只以NO2 -为电子受体的聚磷菌数量、PNn为以NO3 -和NO2 -为电子受体的聚磷菌数量;a 为PAO有氧呼吸产能与无氧呼吸时的比值，通常为2;

　　其中具有反硝化NO2 -能力或反硝化NO3 -和O2 -能力的聚磷菌各占PAO 总数P的数量比例为：

　　 $\frac{P_{ONn} + P_{n} / P_{Nn}}{P} (%) = \frac{M_{ONn}}{M_{ON}} \times 100 %$

　　 $\frac{P_{ON} + P_{N}}{P} (%) = \frac{M_{ON} - M_{ONn}}{M_{ON}} \times 100 %$

　　所述的PAO计算公式是基于污泥在O2、NO3 -和NO2 -不同电子受体条件下的吸磷量(MO、MON和MONn)及产能特点(PAO有氧呼吸的产能和吸磷量为无氧呼吸时的a倍，一般a=2)而建立的，具体表达形式与除磷系统采用的工艺有关;对于A/O常规除磷系统，污泥中不存在od-PAO (PN和Pn/PNn)，而只有a-PAO(oa-PAO和f-PAO)，其中PO、PON和PONn 各自占总PAO(P)的数量比例分别为 $\frac{P_{O}}{P} (%) = \frac{M_{O} - {aM}_{ON}}{M_{O}} \times 100 %$ $\frac{P_{ON}}{P} (%) = \frac{a (M_{ON} - M_{ONn})}{M_{O}} \times 100 %$ 和 $\frac{P_{ONn}}{P} (%) = \frac{a M_{ONn}}{M_{O}} \times 100 %;$ 对于A/A反硝化除磷系统，污泥中不存在oa-PAO(PO)，而只有d-PAO(f-PAO和od-PAO，即PON、PONn、PN和Pn/PNn)，且f-PAO和od-PAO的数量比例分别为 $\frac{P_{ON} + P_{ONn}}{P} (%) = \frac{M_{O}}{{aM}_{ON}} \times 100 %$ 和 $\frac{P_{N} + P_{n} / P_{Nn}}{P} (%) = \frac{a M_{ON} - M_{O}}{a M_{ON}} \times 100 %,$ 其中 $\frac{P_{ONn} + P_{n} {/ P}_{Nn}}{P} (%) = \frac{M_{ONn}}{M_{ON}} \times 100 %$ 的d-PAO具有反硝化NO2 -的能力，而剩余 $\frac{P_{ON} + P_{N}}{P} (%) = \frac{M_{ON} - M_{ONn}}{M_{ON}} \times 100 %$ 的d-PAO则以NO3 -和O2 -为电子受体。

　　本发明鉴于PAO多样性及其在生物除磷系统中的重要作用，利用静态试验监测活性污泥在O2、NO3 -和NO2 -不同电子受体条件下的吸磷数量 (MO、MON和MONn)，结合好氧和缺氧呼吸的产能特点判断系统中不同种类PAO的构成特点。该方法包括NO2 -抑制性检验试验与吸磷量测定试验两个操作阶段：在第一个阶段，通过考察不同NO2 -初始浓度对试验污泥反硝化吸磷的影响，确定污泥所能承受的最高NO2 -浓度;在第二阶段，使污泥分别在O2、NO3 -和NO2 -三种不同电子受体条件下进行好氧或缺氧吸磷反应，获得MO、MON和MONn。在此基础上，根据计算公式及其适用范围，掌握污泥中好氧聚磷菌(aerobic PAO，a-PAO)、反硝化聚磷菌 (denitrifying PAO，d-PAO)、兼性聚磷菌(facultative PAOs，f-PAO)、专性好氧聚磷菌(obligatea-PAO，oa-PAO)、专性缺氧聚磷菌(obligate d-PAO， od-PAO)等各类PAO的数量比例，以利于污水厂及时诊断并改善除磷系统的运行效能。

　　本发明依据其对O2、NO3 -和NO2 -电子受体的利用能力，PAO可分为六类，(1)PO—只以O2为电子受体，(2)PON—以O2和NO3 -为电子受体， (3)PONn—以O2、NO3 -和NO2 -为电子受体，(4)PN—只以NO3 -为电子受体，(5)Pn—只以NO2 -为电子受体，(6)PNn—以NO3 -和NO2 -为电子受体(实际上PNn与Pn重合);其中PO为oa-PAO(属于a-PAO大类)，PN 和Pn/PNn为od-PAO(属于d-PAO大类)，PON和PONn为f-PAO(同时属于 a-PAO和d-PAO大类);即PAO=a-PAO∪d-PAO，a-PAO=PO∪PON∪PONn， d-PAO=PON∪PONn∪PN∪Pn/PNn，f-PAO=a-PAO∩d-PAO=PON∪PONn， oa-PAO=a-PAO-f-PAO=PO，od-PAO=d-PAO-f-PAO=PN∪Pn/PNn;由此，污泥在O2、NO3 -和NO2 -电子受体条件下的吸磷量MO、MON和MONn分别由a-PAO、d-PAO和PONn+Pn/PNn贡献。

　　具体的，所述步骤(1)为：取除磷系统厌氧释磷段的混合液，补充足量NaAc碳源后转至具盖容器内完成充分的厌氧释磷反应，离心得到活性污泥，用不含NaAc组分的去氧微生物营养液稀释使污泥浓度VSS在 1000mg/L左右，投加微量NaNO3使液相NO3 -浓度为60mgN/L;等分混合液若干份，通过投放不同数量NaNO2控制其NO2 -浓度处于不同水平，于pH7.0±0.2下进行缺氧吸磷反应，跟踪PO4 3-浓度的变化，确定NO2 - 对反硝化吸磷产生抑制作用的最低浓度。

　　具体的，所述步骤(2)为：于除磷系统好氧或缺氧吸磷段取混合液，离心活性污泥排除液相的NOX -和液相COD后，以去氧微生物营养液稀释使VSS在1000mg/L左右，于厌氧环境下进行厌氧释磷反应，离心活性污泥排除液相剩余的COD，以不含NaAc组分的去氧微生物营养液稀释得到混合液，混合液均分为三份，分别置于DO≥2mg/L的电子受体条件、 60mgN/L的NO3 -电子受体条件和NO2 -浓度为Xmax的NO2 -电子受体条件下，于pH7.0±0.2下进行好氧或缺氧吸磷反应，获得各自吸磷量MO、 MON和MONn。

　　所述去氧微生物营养液组成为：COD-NaAc 200mg/L(表示以COD 值计为200mg/L)、N-NH4Cl 10mg/L(表示所添加的NH4Cl以N质量计含量为10mg/L，下述以此类推)、P-KH2PO4 80mg/L、Mg-MgSO4·7H2O6 mg/L、Ca-CaCl2·2H2O 3mg/L、K-KCl 10mg/L、EDTA 2mg/L、 Cu-CuSO4·5H2O-0.001mg/L、H3BO3 0.025mg/L、I-KI 0.025mg/L、 Mn-MnCl2·4H2O 0.003mg/L、Zn-ZnSO4·7H2O 0.006mg/L、Co-CoCl2·6H2O 0.008mg/L和Fe-FeCl3·6H2O 0.065mg/L，溶剂为水。所述不含NaAc组分的去氧微生物营养液即上述营养液中去除NaAc组分后的成分。

　　本发明从工程控制角度提出了基于O2、NO3 -和NO2 -不同电子受体利用的PAO的监测方法，克服了利用传统微生物分离培养方法和新兴分子微生物学技术进行分析时操作复杂、耗时及对仪器、试剂要求苛刻和费用高等弊端。可迅速掌握A/O常规除磷系统中PO、PON和PONn，以及A/A 反硝化除磷系统中PON、PONn、PN和Pn/PNn等不同PAO的数量比例，并由此调整不同除磷工艺形式中各单元(厌氧区、缺氧区、好氧区、沉淀区) 间的污泥混合液和上清液的回流策略，改善PON、PONn等f-PAO在污泥中的优势地位及系统除磷效率。

　　本发明的有益效果主要体现在：本发明依据其对O2、NO3 -和NO2 -电子受体的利用能力，将PAO分为六类：PO、PON、PONn、PN、Pn和PNn，并据此建立了PAO的检测方法;本发明PAO检测方法具有简单、快速和准确等优点，对于污水厂除磷系统的实时监控和优化运行具有现实意义。