田淑媛，楊睿，王景峰，李錚
(天津大學(xué)環(huán)境工程系，天津300072)

　　摘要：利用氧化還原電位控制整個(gè)反應(yīng)過(guò)程，研究了厭氧、好氧狀態(tài)下磷酸鹽和PHB、COD之間 的關(guān)系，并根據(jù)厭氧和好氧狀態(tài)下有關(guān)的生化模型，較深入地探討了生物除磷過(guò)程的生化機(jī)理。
　　關(guān)鍵詞：生物除磷；生化機(jī)理；PHB；COD；聚磷菌
　　中圖分類號(hào)：X501
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)： 1000-4602(2001)01-0071-03

　　1 試驗(yàn)裝置和方法

　　試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

　　首先培養(yǎng)可高效除磷的活性污泥：從模擬的改進(jìn)UCT流程的好氧區(qū)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(jī)玻璃反應(yīng)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(yán)格的厭氧狀態(tài)，無(wú)游離氧受氫體和硝酸根受 氫體存在。然后在反應(yīng)器內(nèi)添加乙酸使其濃度為50、75、100、200 mg/L，測(cè)定在不同乙酸 濃度下磷酸鹽釋放量和PHB合成量、乙酸基質(zhì)(COD)消耗量的關(guān)系。
　　分別在第20、40、60、120 min時(shí)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(cè)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(cè)定PHB用)。
　　測(cè)定方法及所用儀器如下：
　?、傺趸€原電位：采用Fisher Accumlt pH儀測(cè)定。將電極用標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定(電極在 pH=7的緩沖液中讀數(shù)為86 mV，在pH=4的緩沖液中讀數(shù)為263 mV)，用此指標(biāo)可嚴(yán)格監(jiān)控反應(yīng) 的厭氧、缺氧、好氧狀態(tài)。
　?、赑HB：首先將經(jīng)過(guò)預(yù)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(huán)境下冷凍10 h，然后用分析天平稱重并用氯仿萃取，再應(yīng)用Comlau(198 8)和Mab(1990)改進(jìn)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(gè)典型 的污泥樣品色譜層析圖。
　　③PO3-4：用Lachat auikchlm自動(dòng)流注射離子分析儀測(cè)定。
　　④COD：重鉻酸鉀法。
　?、軵HB和聚磷顆粒染色切片觀察：光學(xué)顯微鏡。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果

　　2.1厭氧試驗(yàn) 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
　　由表1可見(jiàn)，在厭氧條件下，PHB含量和磷酸鹽釋放量均隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，隨乙酸基質(zhì)濃 度的增加而增長(zhǎng)，但磷酸鹽釋放量在前40 min增長(zhǎng)較快，之后則增長(zhǎng)緩慢。

表1 PHB含量及磷酸鹽釋放量隨時(shí)間及乙酸濃度的變化

乙酸基質(zhì)濃度(mg/L) 時(shí)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(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，磷酸鹽的釋放量與乙酸基質(zhì)的消耗量呈正比關(guān)系，其斜率約為0.5，相 應(yīng)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(xù)試驗(yàn)
　　采用葡萄糖基質(zhì)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)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?cè)コ试?0%以上，可見(jiàn)強(qiáng)化生物除磷 系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除效果非常理想。磷酸鹽的釋放規(guī)律性并不明顯，總釋磷量也不大，但磷的釋放一般會(huì)在COD降解一段時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)定，這表明COD首先被產(chǎn)酸細(xì)菌發(fā)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(shí)釋放出大量磷酸鹽，并消耗掉COD。
　　對(duì)活性污泥樣品中PHB顆粒和聚磷酸鹽顆粒進(jìn)行特殊染色，并在光學(xué)顯微鏡(10倍×40倍)下觀察，結(jié)果顯示：在厭氧區(qū)(氧化還原電位＜-100 mV)污泥細(xì)胞內(nèi)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(qū)污泥細(xì)胞內(nèi)PHB顆粒迅速減少，聚磷酸鹽顆粒迅速增加。

　　3 生物除磷機(jī)理

　　在營(yíng)養(yǎng)豐富的活性污泥中，PAOS在即將進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)能從外界吸收大量的可溶性磷酸鹽，在體內(nèi)合成多聚磷酸鹽(Poly-Pn)并積累起來(lái)(供對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期中合成核酸)。細(xì)菌經(jīng)過(guò)對(duì) 數(shù)生長(zhǎng)期進(jìn)入靜止期時(shí)，大部分細(xì)胞已減慢繁殖，核酸的合成速度降低，對(duì)磷的需要量很低 ，但若環(huán)境中仍有磷源而細(xì)胞又有一定的能量時(shí)，PAOS能繼續(xù)從外界吸收磷素，以Poly-P n的形式積累于細(xì)胞內(nèi)作為儲(chǔ)存物質(zhì)。當(dāng)細(xì)菌細(xì)胞處于極不利的生活條件即所謂細(xì)菌“壓抑 ”狀態(tài)(bacterial“stress”)時(shí)，積累于體內(nèi)的Poly-Pn就會(huì)分解，并釋放到環(huán)境中，同時(shí)釋放出能量，為合成PHB提供能量來(lái)源。此時(shí)菌體內(nèi)Poly-Pn逐漸消失，以可溶性單磷酸鹽的 形式排放到環(huán)境中。如果再次進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)豐富的好氧環(huán)境時(shí)，將重復(fù)上述過(guò)程?；谶@些現(xiàn)象 ，可以相信在細(xì)菌處于缺少能量狀態(tài)時(shí)，Poly-Pn可使某些成分磷?；?例如從ADP到ATP)。
　　研究表明，在厭氧條件下，細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)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(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞侥鏉舛忍荻葘⑽鬯械牧走\(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)內(nèi)，因此可通過(guò)過(guò)量吸 收磷達(dá)到高效除磷效果。
　　厭氧條件下由于污水中的酸性發(fā)酵，大部分溶解性有機(jī)物以乙酸和脂肪酸的形式存在，而兼 性厭氧菌的發(fā)酵反應(yīng)也會(huì)增加脂肪酸的數(shù)量。乙酸以被動(dòng)擴(kuò)散方式進(jìn)入細(xì)胞，并立即被活化 ，通過(guò)偶聯(lián)ATP的水解轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，并產(chǎn)生ADP。ATP同時(shí)被用于補(bǔ)償因運(yùn)輸乙酸離解出 的H+而損失的質(zhì)子推動(dòng)力。ATP/ADP值控制著Poly-Pn的分解與生成，厭氧條件下當(dāng)ATP/AD P值降低時(shí)，PAOS刺激從Poly-Pn到ATP的合成反應(yīng)。一部分乙酰輔酶A通過(guò)糖酵解提供的還 原性物質(zhì)(NADH+H+)進(jìn)行PHB合成(如果沒(méi)有Poly-Pn為ATP合成提供能量，乙酸將在細(xì)胞內(nèi) 累積而不被吸收，因而不會(huì)合成PHB)，Poly-Pn水解產(chǎn)生的無(wú)機(jī)磷酸鹽同陽(yáng)離子一起被釋放進(jìn)入溶液。
　　當(dāng)污水及污泥剛進(jìn)入好氧段時(shí)，PAOS 中貯存有大量的PHB而Poly-Pn含量較低，污水中無(wú) 機(jī)磷酸鹽含量則很豐富，PAOS在好氧段中以O(shè)2作為電子受體，利用胞內(nèi)PHB作為碳源及能源進(jìn)行正常的好氧代謝，通過(guò)氧化磷酸化生成ATP。此外，當(dāng)ATP/ADP比值增加時(shí)，刺激Po ly-Pn的合成反應(yīng)。由于胞內(nèi)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(fā)生乙醛酸循環(huán)，使異檸檬酸轉(zhuǎn)化為琥珀酸和乙醛酸，乙醛酸和乙酰輔酶A再經(jīng)蘋果酸脫氫酶的作用形成蘋果酸，補(bǔ)充和促進(jìn)了三羧酸循環(huán)。試驗(yàn)中單純用乙酸作 基質(zhì)，其對(duì)磷酸鹽和COD去除效果都很好，這說(shuō)明有乙醛酸循環(huán)存在。

　　4 結(jié)論

　?、偕锍走^(guò)程中，活性污泥聚磷菌細(xì)胞中貯存能量的PHB脂質(zhì)顆粒發(fā)揮著重要作用，短 鏈脂肪酸能促進(jìn)磷酸鹽釋放，且PHB的合成與COD的快速降解去除呈正比。
　?、谝宜猁}的消耗量與磷酸鹽釋放量呈線性關(guān)系，本研究中消耗1 mol乙酸 釋放0.97 mol分子磷酸鹽。
　?、鄹咝С椎闹匾蛩厥窃趨捬鯒l件下PHB的大量合成、好氧條件下活性污泥聚磷菌細(xì)胞對(duì)磷酸鹽的大量吸收以及有大量聚磷酸鹽貯存在細(xì)胞內(nèi)。厭氧條件下PHB大量合成的關(guān)鍵， 第一是短鏈脂肪酸的加入(由于污泥發(fā)酵液中含有短鏈脂肪酸，這樣使用投加污泥發(fā)酵液的方法比投加化學(xué)試劑如乙酸等，既降低了成本又便于推廣，從而提高了對(duì) 磷的去除率)；第二是避免電子受體如硝酸根進(jìn)入?yún)捬醵巍?br> 　?、芫哿拙趨捬醵文鼙绕渌?xì)菌更優(yōu)先地吸收短鏈脂肪酸，大量地增長(zhǎng)繁殖，獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此在高效除磷工藝中應(yīng)首先設(shè)置厭氧段，保證活性污泥菌膠團(tuán)中聚磷菌占優(yōu)勢(shì)。
　　⑤通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察活性污泥PHB及聚磷顆粒染色切片，對(duì)高效除磷有很好的監(jiān)測(cè)作用 ，其方法簡(jiǎn)便快速，易于推廣、應(yīng)用。
　?、迲?yīng)用氧化還原電位監(jiān)測(cè)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程，可以準(zhǔn)確快速地掌握各階段的溶解氧狀況，易于 在污水廠推廣應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：
　?。?］鄭興燦.污水除磷脫氮技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.
　?。?］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.

　　電話：(022)27407034
　　E-mail:jiakunl@hotmail.com
　　收稿日期：2000-08-01