生物除磷及其生化机理研究

田淑媛，杨睿，王景峰，李铮
(天津大学环境工程系，天津300072)

　　摘要：利用氧化还原电位控制整个反应过程，研究了厌氧、好氧状态下磷酸盐和PHB、COD之间 的关系，并根据厌氧和好氧状态下有关的生化模型，较深入地探讨了生物除磷过程的生化机理。
　　关键词：生物除磷；生化机理；PHB；COD；聚磷菌
　　中图分类号：X501
　　文献标识码：C
　　文章编号： 1000-4602(2001)01-0071-03

　　1 试验装置和方法

　　试验装置见图1。

图1 试验装置示意图

　　首先培养可高效除磷的活性污泥：从模拟的改进UCT流程的好氧区取出4 L污水(沉淀后其上 清液与沉淀污泥的体积比约为2∶1)，注入到柱型有机玻璃反应器中，加盖搅拌至氧化还原 电位在-100～-200 mV之间，表明污水已处于严格的厌氧状态，无游离氧受氢体和硝酸根受 氢体存在。然后在反应器内添加乙酸使其浓度为50、75、100、200 mg/L，测定在不同乙酸 浓度下磷酸盐释放量和PHB合成量、乙酸基质(COD)消耗量的关系。
　　分别在第20、40、60、120 min时取样，每次取样7.5 mL并马上分析：首先离心，将上清液 置于冰箱中在4 ℃保存(供测定PO3-4浓度用)，再用2 mL浓度为6%的漂白粉溶液处 理沉淀污泥并将其冷冻保存(供测定PHB用)。
　　测定方法及所用仪器如下：
　　①氧化还原电位：采用Fisher Accumlt pH仪测定。将电极用标准缓冲液标定(电极在 pH=7的缓冲液中读数为86 mV，在pH=4的缓冲液中读数为263 mV)，用此指标可严格监控反应 的厌氧、缺氧、好氧状态。
　　②PHB：首先将经过预处理的活性污泥离心20 min(10 000 r/min)，倒掉上清液，将沉淀 污泥在真空和干燥环境下冷冻10 h，然后用分析天平称重并用氯仿萃取，再应用Comlau(198 8)和Mab(1990)改进的方法，将2 μL氯仿萃取液注入到气液相色谱仪上，即可得到一个典型 的污泥样品色谱层析图。
　　③PO3-4：用Lachat auikchlm自动流注射离子分析仪测定。
　　④COD：重铬酸钾法。
　　⑤PHB和聚磷颗粒染色切片观察：光学显微镜。

　　2 试验结果

　　2.1厌氧试验 试验结果见表1。
　　由表1可见，在厌氧条件下，PHB含量和磷酸盐释放量均随时间的延长而增加，随乙酸基质浓 度的增加而增长，但磷酸盐释放量在前40 min增长较快，之后则增长缓慢。

表1 PHB含量及磷酸盐释放量随时间及乙酸浓度的变化

乙酸基质浓度(mg/L) 时间(min) PHB含量(μg/mg) 磷酸盐释放量(mg/L) 50 0 2.2 32 20 3.1 44 40 3.7 50 60 4.7 54 120 6.8 57 75 0 2.0 34 20 3.4 50 40 4.2 62 60 5.8 69 120 8.8 73 100 0 2.1 31 20 4.0 55 40 5.2 69 61 7.0 73 200 11.5 84 200 0 2.3 31 20 6.5 71 40 8 96 60 11.5 98 120 19.7 102

　 根据试验数据计算，磷酸盐的释放量与乙酸基质的消耗量呈正比关系，其斜率约为0.5，相 应的分子比率是0.97∶1.0(摩尔磷∶摩尔乙酸)。
　　2.2 厌氧—好氧连续试验
　　采用葡萄糖基质作为唯一碳源，控制磷酸盐浓度为10～20 mg/L，COD浓度为300～550 m g/L，且(COD/PO3-4)＞30。
试验结果见图2。

图2 厌氧、好氧状况下磷酸盐与COD变化曲线

　　从图2可以看出，COD在厌氧段的初期(前30 min)和好氧段的初期(前60 min)降解较 快，随后降解速度降低，曲线趋于平缓。COD的总去除率在80%以上，可见强化生物除磷 系统对有机物的去除效果非常理想。磷酸盐的释放规律性并不明显，总释磷量也不大，但磷的释放一般会在COD降解一段时间后才能达到稳定，这表明COD首先被产酸细菌发酵降解为乙酸、乳酸等，被聚磷菌(PAOS)快速吸收之后聚磷菌大量繁殖，合成了大量PHB ，同时释放出大量磷酸盐，并消耗掉COD。
　　对活性污泥样品中PHB颗粒和聚磷酸盐颗粒进行特殊染色，并在光学显微镜(10倍×40倍)下观察，结果显示：在厌氧区(氧化还原电位＜-100 mV)污泥细胞内PHB颗 粒迅速、大 量地增加，聚磷酸盐颗粒迅速减少；而在好氧区污泥细胞内PHB颗粒迅速减少，聚磷酸盐颗粒迅速增加。

　　3 生物除磷机理

　　在营养丰富的活性污泥中，PAOS在即将进入对数生长期时能从外界吸收大量的可溶性磷酸盐，在体内合成多聚磷酸盐(Poly-Pn)并积累起来(供对数生长期中合成核酸)。细菌经过对 数生长期进入静止期时，大部分细胞已减慢繁殖，核酸的合成速度降低，对磷的需要量很低 ，但若环境中仍有磷源而细胞又有一定的能量时，PAOS能继续从外界吸收磷素，以Poly-P n的形式积累于细胞内作为储存物质。当细菌细胞处于极不利的生活条件即所谓细菌“压抑 ”状态(bacterial“stress”)时，积累于体内的Poly-Pn就会分解，并释放到环境中，同时释放出能量，为合成PHB提供能量来源。此时菌体内Poly-Pn逐渐消失，以可溶性单磷酸盐的 形式排放到环境中。如果再次进入营养丰富的好氧环境时，将重复上述过程。基于这些现象 ，可以相信在细菌处于缺少能量状态时，Poly-Pn可使某些成分磷酰化(例如从ADP到ATP)。
　　研究表明，在厌氧条件下，细菌的细胞内磷大量消失，PHB大量增多；好氧条件下，PHB迅速减少，Poly-Pn迅速增多。厌氧条件下合成的PHB越多，好氧条件下Poly-Pn合成量越大。由于PAOS可以主动运输的方式逆浓度梯度将污水中的磷运输到细胞质内，因此可通过过量吸 收磷达到高效除磷效果。
　　厌氧条件下由于污水中的酸性发酵，大部分溶解性有机物以乙酸和脂肪酸的形式存在，而兼 性厌氧菌的发酵反应也会增加脂肪酸的数量。乙酸以被动扩散方式进入细胞，并立即被活化 ，通过偶联ATP的水解转化为乙酰辅酶A，并产生ADP。ATP同时被用于补偿因运输乙酸离解出 的H+而损失的质子推动力。ATP/ADP值控制着Poly-Pn的分解与生成，厌氧条件下当ATP/AD P值降低时，PAOS刺激从Poly-Pn到ATP的合成反应。一部分乙酰辅酶A通过糖酵解提供的还 原性物质(NADH+H+)进行PHB合成(如果没有Poly-Pn为ATP合成提供能量，乙酸将在细胞内 累积而不被吸收，因而不会合成PHB)，Poly-Pn水解产生的无机磷酸盐同阳离子一起被释放进入溶液。
　　当污水及污泥刚进入好氧段时，PAOS 中贮存有大量的PHB而Poly-Pn含量较低，污水中无 机磷酸盐含量则很丰富，PAOS在好氧段中以O2作为电子受体，利用胞内PHB作为碳源及能源进行正常的好氧代谢，通过氧化磷酸化生成ATP。此外，当ATP/ADP比值增加时，刺激Po ly-Pn的合成反应。由于胞内存贮的PHB好氧代谢提供了大量能量，PAOS可吸收所有厌氧段释磷及污水中的磷酸盐。
在好氧条件下有可能发生乙醛酸循环，使异柠檬酸转化为琥珀酸和乙醛酸，乙醛酸和乙酰辅酶A再经苹果酸脱氢酶的作用形成苹果酸，补充和促进了三羧酸循环。试验中单纯用乙酸作 基质，其对磷酸盐和COD去除效果都很好，这说明有乙醛酸循环存在。

　　4 结论

　　①生物除磷过程中，活性污泥聚磷菌细胞中贮存能量的PHB脂质颗粒发挥着重要作用，短 链脂肪酸能促进磷酸盐释放，且PHB的合成与COD的快速降解去除呈正比。
　　②乙酸盐的消耗量与磷酸盐释放量呈线性关系，本研究中消耗1 mol乙酸 释放0.97 mol分子磷酸盐。
　　③高效除磷的重要因素是在厌氧条件下PHB的大量合成、好氧条件下活性污泥聚磷菌细胞对磷酸盐的大量吸收以及有大量聚磷酸盐贮存在细胞内。厌氧条件下PHB大量合成的关键， 第一是短链脂肪酸的加入(由于污泥发酵液中含有短链脂肪酸，这样使用投加污泥发酵液的方法比投加化学试剂如乙酸等，既降低了成本又便于推广，从而提高了对 磷的去除率)；第二是避免电子受体如硝酸根进入厌氧段。
　　④聚磷菌在厌氧段能比其他细菌更优先地吸收短链脂肪酸，大量地增长繁殖，获得竞争优势。因此在高效除磷工艺中应首先设置厌氧段，保证活性污泥菌胶团中聚磷菌占优势。
　　⑤通过光学显微镜观察活性污泥PHB及聚磷颗粒染色切片，对高效除磷有很好的监测作用 ，其方法简便快速，易于推广、应用。
　　⑥应用氧化还原电位监测整个反应过程，可以准确快速地掌握各阶段的溶解氧状况，易于 在污水厂推广应用。

　　参考文献：
　　［1］郑兴灿.污水除磷脱氮技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.
　　［2］Satoh H,Mino T，Matsuo T.Uptake of organic substrates and accumula tion of polyhydroxyalkanonates linked with glycolysis of intracellular carbohydr ates under anaerobic conditions in the biological excess phosphate removal proce ss［J］.Water Sci Technol，1992，26,933-942.

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　　收稿日期：2000-08-01