田淑媛，楊睿，王景峰，李錚
(天津大學環境工程系，天津300072)

　　摘要：利用氧化還原電位控制整個反應過程，研究了厭氧、好氧狀態下磷酸鹽和PHB、COD之間 的關系，并根據厭氧和好氧狀態下有關的生化模型，較深入地探討了生物除磷過程的生化機理。
　　關鍵詞：生物除磷；生化機理；PHB；COD；聚磷菌
　　中圖分類號：X501
　　文獻標識碼：C
　　文章編號： 1000-4602(2001)01-0071-03

　　1 試驗裝置和方法

　　試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置示意圖

　　首先培養可高效除磷的活性污泥：從模擬的改進UCT流程的好氧區取出4 L污水(沉淀后其上 清液與沉淀污泥的體積比約為2∶1)，注入到柱型有機玻璃反應器中，加蓋攪拌至氧化還原 電位在-100～-200 mV之間，表明污水已處于嚴格的厭氧狀態，無游離氧受氫體和硝酸根受 氫體存在。然后在反應器內添加乙酸使其濃度為50、75、100、200 mg/L，測定在不同乙酸 濃度下磷酸鹽釋放量和PHB合成量、乙酸基質(COD)消耗量的關系。
　　分別在第20、40、60、120 min時取樣，每次取樣7.5 mL并馬上分析：首先離心，將上清液 置于冰箱中在4 ℃保存(供測定PO3-4濃度用)，再用2 mL濃度為6%的漂白粉溶液處 理沉淀污泥并將其冷凍保存(供測定PHB用)。
　　測定方法及所用儀器如下：
　　①氧化還原電位：采用Fisher Accumlt pH儀測定。將電極用標準緩沖液標定(電極在 pH=7的緩沖液中讀數為86 mV，在pH=4的緩沖液中讀數為263 mV)，用此指標可嚴格監控反應 的厭氧、缺氧、好氧狀態。
　　②PHB：首先將經過預處理的活性污泥離心20 min(10 000 r/min)，倒掉上清液，將沉淀 污泥在真空和干燥環境下冷凍10 h，然后用分析天平稱重并用氯仿萃取，再應用Comlau(198 8)和Mab(1990)改進的方法，將2 μL氯仿萃取液注入到氣液相色譜儀上，即可得到一個典型 的污泥樣品色譜層析圖。
　　③PO3-4：用Lachat auikchlm自動流注射離子分析儀測定。
　　④COD：重鉻酸鉀法。
　　⑤PHB和聚磷顆粒染色切片觀察：光學顯微鏡。

　　2 試驗結果

　　2.1厭氧試驗 試驗結果見表1。
　　由表1可見，在厭氧條件下，PHB含量和磷酸鹽釋放量均隨時間的延長而增加，隨乙酸基質濃 度的增加而增長，但磷酸鹽釋放量在前40 min增長較快，之后則增長緩慢。

表1 PHB含量及磷酸鹽釋放量隨時間及乙酸濃度的變化

乙酸基質濃度(mg/L) 時間(min) PHB含量(μg/mg) 磷酸鹽釋放量(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

　 根據試驗數據計算，磷酸鹽的釋放量與乙酸基質的消耗量呈正比關系，其斜率約為0.5，相 應的分子比率是0.97∶1.0(摩爾磷∶摩爾乙酸)。
　　2.2 厭氧—好氧連續試驗
　　采用葡萄糖基質作為唯一碳源，控制磷酸鹽濃度為10～20 mg/L，COD濃度為300～550 m g/L，且(COD/PO3-4)＞30。
試驗結果見圖2。

圖2 厭氧、好氧狀況下磷酸鹽與COD變化曲線

　　從圖2可以看出，COD在厭氧段的初期(前30 min)和好氧段的初期(前60 min)降解較 快，隨后降解速度降低，曲線趨于平緩。COD的總去除率在80%以上，可見強化生物除磷 系統對有機物的去除效果非常理想。磷酸鹽的釋放規律性并不明顯，總釋磷量也不大，但磷的釋放一般會在COD降解一段時間后才能達到穩定，這表明COD首先被產酸細菌發酵降解為乙酸、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 ，同時釋放出大量磷酸鹽，并消耗掉COD。
　　對活性污泥樣品中PHB顆粒和聚磷酸鹽顆粒進行特殊染色，并在光學顯微鏡(10倍×40倍)下觀察，結果顯示：在厭氧區(氧化還原電位＜-100 mV)污泥細胞內PHB顆 粒迅速、大 量地增加，聚磷酸鹽顆粒迅速減少；而在好氧區污泥細胞內PHB顆粒迅速減少，聚磷酸鹽顆粒迅速增加。

　　3 生物除磷機理

　　在營養豐富的活性污泥中，PAOS在即將進入對數生長期時能從外界吸收大量的可溶性磷酸鹽，在體內合成多聚磷酸鹽(Poly-Pn)并積累起來(供對數生長期中合成核酸)。細菌經過對 數生長期進入靜止期時，大部分細胞已減慢繁殖，核酸的合成速度降低，對磷的需要量很低 ，但若環境中仍有磷源而細胞又有一定的能量時，PAOS能繼續從外界吸收磷素，以Poly-P n的形式積累于細胞內作為儲存物質。當細菌細胞處于極不利的生活條件即所謂細菌“壓抑 ”狀態(bacterial“stress”)時，積累于體內的Poly-Pn就會分解，并釋放到環境中，同時釋放出能量，為合成PHB提供能量來源。此時菌體內Poly-Pn逐漸消失，以可溶性單磷酸鹽的 形式排放到環境中。如果再次進入營養豐富的好氧環境時，將重復上述過程。基于這些現象 ，可以相信在細菌處于缺少能量狀態時，Poly-Pn可使某些成分磷酰化(例如從ADP到ATP)。
　　研究表明，在厭氧條件下，細菌的細胞內磷大量消失，PHB大量增多；好氧條件下，PHB迅速減少，Poly-Pn迅速增多。厭氧條件下合成的PHB越多，好氧條件下Poly-Pn合成量越大。由于PAOS可以主動運輸的方式逆濃度梯度將污水中的磷運輸到細胞質內，因此可通過過量吸 收磷達到高效除磷效果。
　　厭氧條件下由于污水中的酸性發酵，大部分溶解性有機物以乙酸和脂肪酸的形式存在，而兼 性厭氧菌的發酵反應也會增加脂肪酸的數量。乙酸以被動擴散方式進入細胞，并立即被活化 ，通過偶聯ATP的水解轉化為乙酰輔酶A，并產生ADP。ATP同時被用于補償因運輸乙酸離解出 的H+而損失的質子推動力。ATP/ADP值控制著Poly-Pn的分解與生成，厭氧條件下當ATP/AD P值降低時，PAOS刺激從Poly-Pn到ATP的合成反應。一部分乙酰輔酶A通過糖酵解提供的還 原性物質(NADH+H+)進行PHB合成(如果沒有Poly-Pn為ATP合成提供能量，乙酸將在細胞內 累積而不被吸收，因而不會合成PHB)，Poly-Pn水解產生的無機磷酸鹽同陽離子一起被釋放進入溶液。
　　當污水及污泥剛進入好氧段時，PAOS 中貯存有大量的PHB而Poly-Pn含量較低，污水中無 機磷酸鹽含量則很豐富，PAOS在好氧段中以O2作為電子受體，利用胞內PHB作為碳源及能源進行正常的好氧代謝，通過氧化磷酸化生成ATP。此外，當ATP/ADP比值增加時，刺激Po ly-Pn的合成反應。由于胞內存貯的PHB好氧代謝提供了大量能量，PAOS可吸收所有厭氧段釋磷及污水中的磷酸鹽。
在好氧條件下有可能發生乙醛酸循環，使異檸檬酸轉化為琥珀酸和乙醛酸，乙醛酸和乙酰輔酶A再經蘋果酸脫氫酶的作用形成蘋果酸，補充和促進了三羧酸循環。試驗中單純用乙酸作 基質，其對磷酸鹽和COD去除效果都很好，這說明有乙醛酸循環存在。

　　4 結論

　　①生物除磷過程中，活性污泥聚磷菌細胞中貯存能量的PHB脂質顆粒發揮著重要作用，短 鏈脂肪酸能促進磷酸鹽釋放，且PHB的合成與COD的快速降解去除呈正比。
　　②乙酸鹽的消耗量與磷酸鹽釋放量呈線性關系，本研究中消耗1 mol乙酸 釋放0.97 mol分子磷酸鹽。
　　③高效除磷的重要因素是在厭氧條件下PHB的大量合成、好氧條件下活性污泥聚磷菌細胞對磷酸鹽的大量吸收以及有大量聚磷酸鹽貯存在細胞內。厭氧條件下PHB大量合成的關鍵， 第一是短鏈脂肪酸的加入(由于污泥發酵液中含有短鏈脂肪酸，這樣使用投加污泥發酵液的方法比投加化學試劑如乙酸等，既降低了成本又便于推廣，從而提高了對 磷的去除率)；第二是避免電子受體如硝酸根進入厭氧段。
　　④聚磷菌在厭氧段能比其他細菌更優先地吸收短鏈脂肪酸，大量地增長繁殖，獲得競爭優勢。因此在高效除磷工藝中應首先設置厭氧段，保證活性污泥菌膠團中聚磷菌占優勢。
　　⑤通過光學顯微鏡觀察活性污泥PHB及聚磷顆粒染色切片，對高效除磷有很好的監測作用 ，其方法簡便快速，易于推廣、應用。
　　⑥應用氧化還原電位監測整個反應過程，可以準確快速地掌握各階段的溶解氧狀況，易于 在污水廠推廣應用。

　　參考文獻：
　　［1］鄭興燦.污水除磷脫氮技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，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