强化生物除磷系统中的生物化学原理

强化生物除磷系统中的生物化学原理

曹雪梅
（哈尔滨工业大学 市政环境工程学院 哈尔滨 150090）

　　摘要： 概括了国内外学者在研究EBPR系统生物化学原理方面提出的模型和观点，并指出一些尚未解决的问题，提出EBPR的生物化学原理是一个很有价值的研究课题。
　　关键词：强化生物除磷 PAO 醋酸盐 还原力

The Biochemistry of EBPR System

Cao Xuemei
(School of Municipal & Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090)

Abstract: This paper aims to generalize the models and views on the biochemistry of EBPR system that in-country researchers put forward , and point out some problems that haven’t been resolved, and suggest the biochemistry of EBPR system be a valuable research task.

Keywords: Enhanced biological phosphorus removal ,PAO, Acetate, Carbon source

　　为有效控制水体富营养化，迫切需要去除排放废水中的植物性营养物——氮和磷。完全采用活性污泥系统进行微生物除磷的工艺被称为强化生物除磷(EBPR)工艺。迄今为止，强化生物除磷工艺已经有四十几年的历史，EBPR工艺由三段Bardenpho或Phoredox工艺演变而来。现在广泛使用的Johannesburg和改良的UCT工艺都是EBPR工艺的代表。EBPR工艺虽然具有较高的除磷效率，但是由于对强化生物除磷过程的了解甚少，因此污水厂的设计和运行条件不可能是EBPR所要求的最佳条件，进而导致污水厂的运行不稳定。因此有必要探讨研究强化生物除磷的生物化学原理，从而设计出最优化的EBPR污水厂。笔者就近几年国内外学者对EBPR生物化学原理的研究进行了总结。

1.反映EBPR生物量特征的化学变化

　　有关EBPR系统中生物量在厌氧/好氧循环期间发生的总的化学变化，许多文献都有介绍。研究者普遍认为在厌氧区，一些细菌能快速吸收由化能有机营养菌发酵底物形成的短链挥发性脂肪酸VFA，VFA不支持细胞的生长，而是以聚β羟基链烷酸盐(PHA)的形式贮存在细胞内。PHA的化学组成由底物决定：当底物为醋酸盐时，合成聚β羟基丁酸盐（PHB）;而当底物为丙酸盐时，主要产生聚β羟基己酸盐。在厌氧阶段，在吸收醋酸盐的同时生物量中PHA的含量增加,细胞内的聚磷酸盐含量下降，从生物量中释放出的磷酸盐使得上清液中磷酸盐的含量上升。在接下来的好氧阶段，生物量中PHA的含量下降，同时上清液中磷酸盐的含量也下降，而生物量中聚磷酸盐的含量上升，含磷量大于细胞干重的15%。如果从好氧反应器中取出一定量的生物量样品放到显微镜下观察，能检测到染色的富含聚磷酸盐的细胞，但检测不到含PHA的细胞。另一方面，从厌氧反应器中取出生物量样品，经过染色，放到显微镜下观察到含PHA的细胞，却没发现含聚磷酸盐的细胞。这些化学变化能反映EBPR生物量的特征。通常假设这些化学变化只由聚磷菌（PAO）来实现。尽管良好的强化生物除磷效果经常与生物量中出现的大团紧密的细胞簇有关，但是有关PAO细胞簇组织对EBPR的影响尚不清楚。

2.EBPR系统的生物化学原理

2.1以醋酸盐作为唯一碳源时EBPR的代谢作用
　　一些经验模型都试图解释EBPR的化学变化，这些模型主要是通过以醋酸盐作为唯一碳源时得到的数据来分析研究生物群落的化学变化，如图1所示^[3,4]。所有模型都是建立在分析化学数据的基础上，这些数据反映总的微生物群落的变化，但不能反映个别种群的变化。模型假设聚磷酸盐的吸收与释放，PHA的合成与再利用都是由一种PAO种群实现的，所有的细胞都有相同的代谢属性。

Fig. 1. A summary of the major features of the biochemical models for EBPR.^[3,4]

　　这些模型对EBPR之所以能高效率除磷的解释是：由于在厌氧/好氧循环的条件和底物缺乏的条件下，PAO能优先利用底物合成贮存在细胞内的化合物，从而成为优势菌属。因而，在厌氧条件下，PAO能快速吸收像醋酸盐这样的有机底物，以贮存的聚磷酸盐为能量来源合成PHA，并释放正磷酸盐。在缺乏有机物的好氧区，微生物将体内贮存的PHA作为碳源和能源，以维持其生长，并吸收磷酸盐合成聚磷酸盐。因此，PAO在前置厌氧/好氧的条件下成为优势菌属是因为它们能在缺少碳源和能源的好氧条件下，利用厌氧条件下积累的PHA作为碳源和能源来维持其生长。一般认为在底物缺乏的生态系统中，PAO能更好的存活，这是因为PAO能快速吸收底物，贮存能量和有机物，其生长速率大于其他细菌。合成PHA需要还原力，各种模型所提出的还原力有所不同。Comeau^[1]和Wentzel^[2]等人认为合成PHA所需要的电子来源于TCA循环，但是Mino等人^[3,5]证明合成PHA所需的电子是由PAO好氧合成的贮存在细胞内的糖原在厌氧条件下分解代谢产生的。目前，大多数学者都认为Mino模型是正确的。但是Pereira^[6]和Hesselmann^[7]等人认为只靠降解糖原是不能满足PHA合成所需的还原力，还需要TCA循环提供部分电子。糖原通过控制PAO的氧化还原平衡而对EBPR起着关键性的作用，这一点对实际的EBPR系统允许PAO厌氧吸收和代谢不同种类的可生物降解的底物是必要的。某些事实表明在受冲击负荷影响的条件下，糖原的可利用量而不是细胞内的聚磷酸盐量，会最终限制细胞厌氧吸收底物的能力。
　　 研究者围绕PAO厌氧吸收底物和合成PHA过程的生物能量学展开大量争论。早期的研究认为降解聚磷酸盐释放的ATP是PAO吸收底物，合成PHA，进行其他生物合成反应，维持细胞生长的唯一能量来源。但是现在也有人认为糖原的分解代谢能为合成PHA提供ATP，而其提供的可利用的能量的多少由糖原分解代谢的途径决定。
　　 利用核磁共振可以跟踪显示混合的生物群落在特定的且特殊的底物供应的条件下的代谢物的量，这种方法可以解释化学数据所带来的迷惑与矛盾。利用核磁共振，Pereria^[6]等人说明了EBPR厌氧运行时生物量的TCA循环，并指出糖原是以ED(Entner—Doudoroff)方式降解而产生合成PHA所需的还原力。重要的一点是，醋酸盐和糖原似乎都能被用来厌氧合成PHA,然后在好氧条件下PHA再被用来产生糖原。
　　 Hesselman^[7]等人证实了TCA循环可以作为PHA合成时还原力的部分来源且糖原的分解代谢是以ED方式进行的。他们在理论的基础上特别指出，细胞不是以之前假设的主动运输的方式吸收有机物，而是通过被动扩散或促进扩散来吸收醋酸盐，即不需要消耗能量。而且，在厌氧释磷代谢过程中最需要能量的一步反应，即吸收醋酸盐的过程，并不需要醋酸盐激酶的参与，相反却利用了乙酰辅酶A。而在早期的模型中一直假定在反应过程中醋酸盐激酶是很重要的。
　　 能量来源对厌氧释磷有重要的作用。早期模型提出的能量来源包括由聚磷酸盐的降解而释放出的大量焦磷酸盐。焦磷酸盐、磷酸烯醇丙酮酸盐和AMP磷酸转移酶都参与完成底物水平磷酸化，建立质子推动力。大量试验证实厌氧释磷量与醋酸盐的吸收量的比值不是常数，此比值由混合液的pH值决定，pH值影响醋酸盐运输过程的能量需求。但是Hesselman^[7]等人认为此比值直接反映了生物量中聚磷酸盐量和糖原的含量。由于EBPR生物群落的不同，此比值并不能总是精确的符合模型提出的数值，而是变化的。
2.2以非醋酸盐作为底物时EBPR的代谢作用
　　在实际的污水处理过程中，进水中可能不是仅仅含有醋酸盐或短链脂肪酸，还可能存在其他种类的有机底物。因此，有必要研究以非醋酸盐作为底物时EBPR的代谢作用。有关有机物是直接对EBPR起作用还是先转化为挥发性脂肪酸再起作用这一点，还不是很清楚。Randall^[8]等人认为挥发性脂肪酸的化学性质直接决定厌氧合成的PHA的数量和化学组成，进而决定好氧吸磷量。
　　 Cech^[9,10]等人经试验证实以葡萄糖作为唯一碳源时也能实现EBPR。Carucci^[11], Nakamura^[12], Sudiana^[13], Jeon^[14]和Wang^[15]等人经过试验研究，提出并支持以葡萄糖作为碳源的EBPR的生物化学模型，而且还证实以葡萄糖作为碳源能实现稳定的EBPR。例如，C13核磁共振跟踪数据表明在厌氧区乳酸菌吸收葡萄糖生成乳酸，最终以糖原的形式贮存在体内。Jeon^[14] 等人描述的模型假定PAO在厌氧时将糖原转化成PHA，而乳酸菌利用糖原合成聚乳酸盐。在此模型中，PAO可以好氧吸磷。遗憾的是，除了对生物量中能观察到的优势细菌的有限的描述外，Jeon^[14] 等人没有证明实际的生物群落结构是否与模型提出的结构一致。Wang^[15]等人提出了一个能解释以葡萄糖作为碳源时的EBPR的不同模型。此模型的机理与Mino和Comeau-Wentzel提出的机理非常相似，但是他们也没有提出直接的微生物学或生物化学的证据来支持该模型。
　　既然废水中通常都存在氨基酸，那么氨基酸是否可以作为底物实现EBPR呢？Satoh^[16,17]等人在试验过程中发现谷氨酸盐与天冬氨酸盐都能作为唯一的碳源实现EBPR,他们认为厌氧时底物被贮存，但并不是所有被用作底物的谷氨酸盐都以PHA的形式贮存在细胞内，相反，在贮存过程中合成了多肽，有关这一点还有待于进一步研究。

3.结语

　　有关EBPR的生物化学原理，研究者提出了许多模型。但是目前的生物化学模型仍不能解释由试验研究得出的所有试验数据，例如微生物厌氧吸收底物时既没有水解聚磷酸盐也没有将糖原转变成PHA；在以葡萄糖作为碳源时也能实现EBPR，但在厌氧释磷过程却没有形成PHA。这些结果反映出我们对EBPR的生物化学原理的认识是有限的。
　　 随着水体富营养化越来越严重，如何有效去除水中的营养物已经成为一个亟待解决的问题，而EBPR工艺由于其具有较高的除磷效率，因此在除磷方面将发挥重要的作用。为建立稳定可靠的EBPR系统，深入理解EBPR的生物化学原理是必需的，因此EBPR的生物化学原理是一个很有价值的研究课题。

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