侯紅娟，陳銀廣，周琪
（同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

　　摘 要：聚羥基烷酸（PHAs）是聚磷菌一種基本的成分，主要由聚羥基丁酸（PHB）和聚羥基戊酸（PHV）組成，在生物除磷系統(tǒng)中起重要作用。厭氧段，合成的PHAs、磷的釋放量以及消耗的揮發(fā)性脂肪酸（VFA，以COD或乙酸計）之間存在線性關(guān)系；好氧段，磷酸鹽的吸收速率也由生物體內(nèi)的初始PHB含量控制，PHB耗盡后磷的吸收不再進(jìn)行。一定條件下，單位摩爾的PHB產(chǎn)生的好氧磷吸收量比PHV的量多。
　　關(guān)鍵詞：PHAs；生物除磷；聚磷菌；PHB；PHV

　　城市污水處理目前國內(nèi)外主要以生化處理工藝為主。由于富營養(yǎng)化問題的日趨嚴(yán)重，污水處理工藝從過去只考慮去除有機(jī)物和懸浮顆粒為主要水質(zhì)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物和氮磷聯(lián)合去除。生物除磷法具有節(jié)約能源、運(yùn)行費(fèi)用低，二次污染小等優(yōu)點，目前許多國家已使用此技術(shù)。近年來，中國、法國、丹麥、加拿大、美國和南非等國的研究，已使人們對此技術(shù)有更深入的理解。

1 生物除磷原理

　　一般的生物處理活性污泥中，磷占污泥干重的1.5% ～ 2.0%。但是，在厭氧－好氧交替運(yùn)行的條件下，某些微生物種群能夠以比普通活性污泥高3 ～ 7倍的水平攝取積累或釋放出磷。研究表明，在廢水生物除磷過程中，活性污泥在好氧、厭氧交替條件下時，在活性污泥中可產(chǎn)生所謂的“聚磷菌”。聚磷菌在好氧條件下可超出其生理需要而從廢水中過量攝取磷，形成多聚磷酸鹽作為貯藏物質(zhì)。聚磷菌的這種過量攝磷能力不僅與在厭氧條件下磷的釋放量有關(guān)，而且與被處理廢水中的有機(jī)基質(zhì)的類型有關(guān)。其處理系統(tǒng)所排放的剩余污泥中的含磷量一般為6%左右（污泥干重），甚至更高。
　　在廢水中沒有溶解氧和缺乏氧化態(tài)氮的條件下，一般無聚磷能力的好氧菌及脫氮菌不能產(chǎn)生ATP，故這類細(xì)菌不能攝取細(xì)胞外的有機(jī)物。但是在厭氧條件下，聚磷菌卻能分解細(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽，同時產(chǎn)生ATP，并利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機(jī)物攝入細(xì)胞，以聚-β-羥基烷酸（PHAs）及糖原等有機(jī)顆粒的形式貯存于細(xì)胞內(nèi)，同時將分解聚磷酸鹽產(chǎn)生的磷酸排出體外。這主要是由細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生相當(dāng)量的聚磷酸鹽激酶的作用完成的。一旦進(jìn)入好氧環(huán)境，除磷菌又可利用聚-β-羥基酸氧化分解釋放的能量來攝取廢水中的磷，并把所攝取的磷合成聚磷酸鹽貯存于細(xì)胞內(nèi)。由于聚磷菌在好氧環(huán)境下所攝取的磷比在厭氧環(huán)境下所釋放的磷多，通過排泥可達(dá)到從污水中去除磷的目的。

2 聚磷菌

　　Fuhs和Chen最早描述了從活性污泥中分離出來的聚磷菌Acinetobacter sp.。這種細(xì)菌外觀為短粗的桿狀，革蘭氏染色陰性或略保留紫色，對數(shù)期細(xì)胞大小1 ～ 1.5 μm，桿狀到球桿狀，靜止期細(xì)胞近球狀以成對、短鏈或成簇出現(xiàn)，優(yōu)先利用的碳源為低分子有機(jī)物。他們認(rèn)為這類細(xì)菌在強(qiáng)化生物除磷（EBPR）工藝中起重要作用，隨后這種觀點得到其它許多研究者的支持。但也有研究表明除磷效果良好的EBPR系統(tǒng)中，Acinetobacter的數(shù)量很少，除了Acinetobacter，其他細(xì)菌對除磷也起主要作用。采用選擇分離和鑒定技術(shù)，也分離到了其它的聚磷菌，其中一些菌的聚磷能力比Acinetobacter sp.還強(qiáng)，如Pseudomonas vesicularis。此外，Streichan等人的研究表明，聚磷菌的數(shù)量取決于工藝和污水的成分。
　　除磷活性污泥是由多種細(xì)菌組成的，如酸化菌、硝化菌、反硝化菌和嚴(yán)格好氧菌。聚磷菌也并不是一個單一的菌種，處理工藝和進(jìn)水成分決定了不同的聚磷菌競爭的結(jié)果。

　　普遍認(rèn)為強(qiáng)化生物除磷工藝系統(tǒng)（EBPR）中，聚-β-羥基烷酸（PHAs）是微生物細(xì)胞在不平衡生長條件下積累于胞內(nèi)的碳源和能源貯存物質(zhì)，是聚磷菌一種基本的成分，它的積累/分解和磷釋放/吸收之間存在著一定的關(guān)系，因此PHAs可以間接表明生物除磷特性。
3.1 PHAs的組成
　　對PHAs的研究證實，生物除磷中，聚-β-羥基丁酸（PHB或3HB）和聚-β-羥基戊酸（PHV或3HV）是PHAs的主要成分。
　　不同的SRT和DO（好氧）條件下，PHAs的組成不同。不同負(fù)荷下PHB/PHAs和PHV/PHAs的比例不同。當(dāng)有機(jī)物與微生物比例（F/M）增加時，PHV/PHAs增加，同時PHB/PHAs減少，PHV變成了PHAs的主要成份。此現(xiàn)象意味著高COD-SS負(fù)荷下更多的細(xì)菌以PHV作為貯存物質(zhì)，因此許多細(xì)菌有從丙酮酸到丙酰輔酶A的代謝途徑，此時除磷不完全。主要原因是糖原積累菌（GAOs）產(chǎn)生丙酰輔酶A，積累PHV作為主要的貯存物質(zhì)，因此在EBPR中它們能競爭過聚磷菌（PAOs），可能導(dǎo)致除磷失敗。
　　廢水水質(zhì)不同，PHAs的組成也不同。丙酸主要產(chǎn)生PHV，而乙酸主要產(chǎn)生PHB。
3.2 PHAs合成與磷釋放
　　磷釋放量、PHAs合成量以及VFA消耗量（以COD或乙酸計）之間存在線性關(guān)系，但具體的數(shù)值有一定差距。Ewalie等人認(rèn)為厭氧階段聚磷菌每吸收1 mgVFA-COD，可以產(chǎn)生1.5mgPHA-COD，而且每形成1mgPHA-COD可以釋放0.31 mgPO₄^3--P。根據(jù)Chuang等人的研究，磷釋放與PHAs的比值為0.5 mgP/mgPHAs，大致相當(dāng)于1.4 molP/molPHB（在以PHB表示PHAs的情況下）。
　　PHAs的積累與有機(jī)負(fù)荷呈正比。低負(fù)荷條件下污泥的比磷釋放或吸收量低，而在高負(fù)荷下比磷釋放量高。低負(fù)荷條件下運(yùn)行時污泥中積累的PHAs少，吸收或釋放的磷也少；相反，高負(fù)荷下污泥中積累的PHAs多，釋放到溶液中的磷也多。污泥中的PHAs含量和厭氧段釋放的磷濃度成為隨后好氧段除磷的關(guān)鍵因素。
　　Randall等人發(fā)現(xiàn)增加進(jìn)水中的丙酸含量，會導(dǎo)致PHV含量高，磷的釋放量低以及厭氧段糖原的降解減慢，好氧條件下形成的糖原較高，磷釋放量低使得好氧段的磷吸收也少。磷釋放受乙酸（產(chǎn)生PHB），而不是丙酸（產(chǎn)生PHV）的影響。
3.3 PHAs降解與磷吸收
　　PHAs的降解是好氧段磷吸收的必須能源。好氧階段，PHAs用于微生物生長、吸收和貯存磷酸鹽、合成糖原以及維持生命。PHAs轉(zhuǎn)化為生物和糖原的過程中，產(chǎn)生的NADH₂過剩，NADH₂在氧化磷酸化中被氧化產(chǎn)生ATP。生物合成、產(chǎn)生糖原、維持生命、吸收磷以及合成聚磷酸鹽需要額外的ATP，此ATP來源于PHAs的代謝。
　　磷酸鹽的吸收速率由生物體內(nèi)的PHB含量控制。Temmink等人進(jìn)行了大量的厭氧－好氧間歇試驗，觀察到磷的吸收取決于污泥中的初始PHB濃度。比磷吸收速率的大致范圍為0.1 ～ 1.4 mgP/gSS。不同條件下污泥的磷吸收潛力不同。
　　當(dāng)系統(tǒng)在高負(fù)荷條件下運(yùn)行時，厭氧段有機(jī)物比較充分，磷釋放較多，磷含量高需要延長曝氣時間來吸收磷；然而另一方面，有機(jī)負(fù)荷高會積累更多的PHAs，因此好氧段污泥的磷吸收潛力高。因此以上兩種因素決定了系統(tǒng)的除磷性能。Chuang等人的研究結(jié)果表明，高有機(jī)負(fù)荷由于釋放到缺氧段的磷多而導(dǎo)致除磷不完全。
　　低負(fù)荷條件下也會導(dǎo)致除磷不完全，主要是因為污泥中的PHB含量低，雖然釋放到好氧段的磷少，但磷吸收速率低使得除磷需要較長的好氧時間；而且長時間使得曝氣過量，會導(dǎo)致胞內(nèi)貯存物質(zhì)尤其是PHB的變化，這種情況下PHB被部分或完全耗盡。過量曝氣使得PHB迅速消耗至2.1mgCOD/gVSS，這比Temmink等人報道的2.6 mgCOD/gVSS低。PHB耗盡后磷的吸收不再明顯。
　　在決定單位PHAs的好氧磷吸收量時，PHAs的類型很重要。單位摩爾的PHB產(chǎn)生的好氧磷吸收量是PHV的兩倍多。在短期的間歇實驗中，Randall等人的研究顯示磷吸收速率與PHB和PHV之間的關(guān)系為：
　　P_uptake＝1.56×PHB+0.70×PHV-0.70×PHB×PHV

4 結(jié)語

　　PHAs是聚磷菌一種基本的成分，主要由PHB和PHV組成，在生物除磷系統(tǒng)中起重要作用。厭氧段，磷的釋放量、合成的PHAs以及消耗的VFA（以COD或乙酸計）之間存在線性關(guān)系，PHAs的積累與有機(jī)負(fù)荷呈正比，污泥中的PHAs含量和厭氧段釋放的磷量是隨后的好氧段除磷的關(guān)鍵因素。好氧段，磷酸鹽的吸收速率也由生物體內(nèi)的PHB含量控制，PHB耗盡后磷的吸收不很明顯。此外，PHAs的類型對磷的吸收量也有一定的影響，一些研究結(jié)果表明單位摩爾的PHB產(chǎn)生的好氧磷吸收量是PHV的兩倍多。