序批式生物膜法除磷机理研究

李 军1， 王宝贞2， 聂梅生3

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京100022；
2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090；
3.建设部科学技术委员会，北京100835)

　　 摘 要：利用31P—核磁共振谱图证实了生物除磷的机理，即除磷菌在厌氧条件下分解胞内的聚磷酸盐并释放出正磷酸盐形式的无机磷酸盐，而在好氧或缺氧条件下吸收胞外的无机磷酸盐后转化为聚磷酸盐而贮存于胞内。同时证明了淹没序批式生物膜反应器中磷的去除是由生物完成的。
　　关键词： 核磁共振； 序批式； 生物膜； 生物除磷
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2002)01-0001-04

Study on the Mechanism of Sequencing Batch Biofilm Process for Phosphorus Remo val

LI Jun1, WANG Bao-zhen2, NIE Mei-sheng3
(1.School of Construction Engineering,Beijing Polytechnic University,Beijing 100 022,China； 2.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin I nstitute of Technology,Harbin 150090,China； 3.Science and Technology Commission,Ministry of Construction,Beijing 100835,China)

　　Abstract：The31P—NMR (nuclear magnetic resonance) spectrograms were us ed to demonst rate the mechanism of biological phosphorus removal.It was verified that the pho sphorus removal bacteria decompose intracellular polyphosphate and release inorg anic phosphate in the form of orthophosphate under anaerobic conditions；and unde r aerobic or anoxic conditions,the inorganic phosphate is taken up,with excess a mounts stored as polyphosphate in bacterial cells.It was also demonstrated that phosphorus removal in the submerged sequencing batch biofilm process is achieved as a result of biological action.
　　Keywords:nuclear magnetic resonance； sequencing batch reactor； biofilm； biological pho sphorus removal

　　与活性污泥相比，生物膜法形成了一个更为复杂的复合生态系统。在纵向，微生物构成了一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物等多个营养级组成的复合生态系统^［1］；在横向，沿着液体到填料的方向，构成了一个附着好氧型、附着兼氧型和附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统，因而生物膜法具有更节能、更强的抗冲击负荷能力，具有较大的单位体积生物量、较长的固体停留时间(SRT)和剩余污泥量少且易于沉淀以及运行管理方便等优点。许多研究证明，固定填料和悬浮填料的连续流淹没式生物膜法(CF—SBR)A/O工艺都具有较高的有机物去除率和脱氮率，而除磷率却很低^［1～5］，这是由于在CF—SBR的缺氧区降解有机物和进行反硝化的异养菌为优势菌属，而在好氧区以硝化为目的的自养硝化菌为优势菌属，微生物在空间上持续地处于单一状态而不能处于A/O交替的状态，所以除磷菌难以在CF—SBR中生长。但是，笔者研究的淹没序批式生物膜法(SB—SBR)具有较好的除磷率［6］。
　　一些现代生物除磷机理的观点认为：在厌氧条件下，除磷菌处于压抑状态而分解体内的多聚磷酸盐产生能量，并放出磷酸盐以维持除磷菌的代谢，同时将胞外有机酸摄入胞内并合成聚β—羟基丁酸(PHB)；合成PHB的能量来自聚磷酸盐分解过程中产生的三磷酸腺苷(ATP)；压抑状态越长，磷释放越彻底，同时也可在胞内合成更多的PHB。在好氧条件下，除磷菌利用分解胞内PHB产生的ATP将废水中的磷酸盐过量摄取到胞内，并转变成聚磷酸盐。由于厌、好氧的交替，除磷菌可利用胞内和胞外的能量进行分解代谢和合成代谢，因而在与其他微生物的竞争中占优势，可在系统中大量增殖，形成一种稳定的高效除磷污泥体系。但是，这种观点和相应的生化模式尤其是聚磷酸盐的合成与降解在厌氧、好氧段表现出来的特点和规律还缺乏验证，因此有必要对生物除磷机理做进一步的验证和探讨。

1 试验装置

　　 试验装置如图1所示。

　　试验所用的反应器用有机玻璃制成，内径为15 cm，有效容积为18 L，其中沉淀池为2 L。试验进水的TP平均为10.0 mg/L、COD为370.0 mg/L，温度为25 ℃，好氧状态的DO平均为5.5 mg/L。载体装填密度为30%，反应器中的纤维载体的比表面积为2.66m² /L。
　　生物膜培养采用A/O交替运行方式，历时3个月，菌种取自一般活性污泥工艺。稳态运行工况为：进水—厌氧3 h—好氧6 h—出水。

2 核磁共振(NMR)验证生物除磷机理

　　如同紫外、红外吸收光谱一样，NMR(Nuclear Magentic Resonance)波谱也是一种吸收光谱。红外吸收光谱来源于分子振动——转动能级间的跃迁，而核磁共振波谱则是来源于原子核 能级间的跃迁(只有在强磁场作用下才发生能级裂分)，当吸收的辐射能量与核能级差相等时就发生能级跃迁，辐射能量被吸收，从而产生核磁共振谱。由于核周围分子环境不同会 使共振频率发生化学位移(实际中采用样品与标准物质共振频率的相对差一般是10-6数量级)，化学位移是确定分子结构的一个重要信息，主要用于基团鉴定。基团具有一定 的特征性，处在同一类基团中的磷核其化学位移相似，因而其共振峰在一定范围内出现，即各种基团的化学位移具有一定的特征性，所以根据化学位移可以确定基团，根据谱峰高度 变化可定性说明该组分的浓度变化。
　　因此，试验采用31P—NMR技术来研究不同条件下生物膜中微生物细胞内各种形态的磷化合物随时间的变化。
2.1 试验方法
　　① 试验材料
　　随处理工艺、反应条件和原水的不同，生物膜或活性污泥中起除磷作用的细菌种属、优势菌属也不同。也就是说，优势除磷菌属与其所处的生态环境有很大关系，试验中生物膜中的优 势除磷菌属为假单胞菌属、气单胞菌属。
　　菌种取自SBR除磷生物膜反应器填料上的生物膜，这些菌种都是经过多次厌氧、好氧交替后，放磷和吸磷能力均得到提高的驯化菌种。以牛肉膏为培养基，用不含NO-3的蒸馏水稀 释到溶液含BOD为600 mg/L进行试验。
　　② 装置
　　NMR采用瑞士BRUCKER公司的AC80型，用36.43 MHz分析。为了进行强度比较，加几滴D₂O(重水)于培养基中(由于质子与氘核交换作用，可消除-OH、-NH2等的谱峰)，再加六甲 基磷酸酰胺(HMPA)，这种HMPA在+25×10-6处有一谱峰，从而成为生物学上磷化合物的外部标准，参考样品采用85%的正磷酸。其扫描范围为6 000 Hz、捕捉时间为0.17 s、脉 冲为80、衰减为6 Hz的指数关系相乘，累计转数从10000转到20000转，温度为27 ℃，化学位移为10-6。取培养菌种污泥3 000 mg经5 min离心分离后，装入10 mm样品管 。
2.2 结果及讨论
　　试验开始时，先测定培养基本身的NMR谱，而在培养基的上清液中没有发现谱峰，据此可认为分析中出现的谱峰全部由培养菌种的细胞产生。试验中以此种培养基而增殖的菌种污泥 为分析样。
　　① 厌氧时的谱峰变化
　　图2为厌氧条件下生物膜菌种污泥的31P—NMR的谱峰变化图。

　　由图2可见，+25×10^-6附近的谱峰是HMPA产生的，+2×10^-6附近的谱峰是PO₄^3-的，-22×10^-6处的谱峰为聚磷酸盐产生的。在该条件下，随着时间延长波谱有两个大的变化，一个是聚磷酸盐减少了，28 h后其谱峰几乎消失，这说明细胞的聚磷酸盐分解了；另一个是+2×10^-6处无机磷酸盐增加了，可以认为聚磷酸盐 的减少部分转换成了无机磷酸盐。
　　由此可见，在厌氧段聚磷酸盐分解释放出无机磷酸盐，且随着厌氧时间的延长释放的磷量增加，在生物除磷法中厌氧段的重要作用在试验中得到了很好的证明。
　　② 好氧时的谱峰变化
　　图3所示的上、中、下3条谱线分别表示菌种污泥厌氧时的初期状态，厌氧条件下维持5 h时的状态，以及之后开始曝气并维持好氧条件5 h的谱图。

　　在此应注意的是，在厌氧条件下增加的无机磷酸盐的谱峰在好氧条件下减少了，而减少的部分相当于聚磷酸盐谱峰的增加。这说明在好氧条件下无机磷酸盐被转化为聚磷酸盐而贮存，从而验证了生物法除磷中好氧吸磷的观点。
　　③ 缺氧时的谱峰变化
　　由上述分析可知，细胞内磷代谢直接受到有无分子氧的影响。实际上影响生物除磷的不仅在于有无分子氧，而且在于有无化合态的氧。图4为缺氧条件下的31 P—NMR谱图。

　　在缺氧条件下细胞以NO₃^-为氧源，所以与图3一样，无机磷酸盐将转变成聚磷酸盐。这意味着缺氧状态下不仅不会从细胞内释放出无机磷酸盐，而且要吸收胞外的无机磷酸盐，并转变成聚磷酸盐而贮存于胞内，从而证明了生物法除磷中缺氧也可吸磷的观点。

3 结论

　　综上所述，利用31P—NMR谱图清楚地表明SBR中的生物膜在厌氧条件下将聚磷酸盐分解并转化成无机磷酸盐，而在好氧和缺氧条件下，无机磷酸盐将被转化成聚磷酸盐而贮存，从而证明了厌氧放磷，好、缺氧吸磷的生物除磷观点，也说明了SBR生物膜反应器的除磷作用是由生物完成的。

参考文献：

　　［1］Wang B Z,Li G,Yang Q,et al.Nitrogen removal by a submerged biofilm process w ith fibrous carrier［J］.Water Sci & Tech,1992,26(9-11):2037-2089.
　　［2］Wang B Z,Yang Q,Liu R,et al.A study on simultaneous organics and nitrogen re moval by extended aeration submerged biofilm process［J］.Water Sci & Tech,1991, 24(5):197-213.
　　［3］Lee N M，Welander T.Influence of predators on nitrification in oxic biofilm proc esses［J］.Water Sci & Tech,1994,29(7):355-363.
　　［4］Liu Y，Capdeville B.Dynamics of nitrifying biofilm growth in biological nitrogen　removal process［J］.Water Sci & Tech,1994,29(7):377-380.
　　［5］Mik T，Mattsson A，Nanasson E，et al.Nitrification in a tertiary trickling f ilter at high hydraulic loads-pilot plant operation and mathematical modeling［J］.Water Sci & Tech,1995,32(8):185-192.
　　［6］李军，王宝贞，聂梅生.淹没序批式生物膜法除磷工艺特性研究［J］.中国给水排水,2001,17(7):1-5.

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作者简介：

　　李军(1964- )， 男， 山东淄博人， 北京工业大学副教授，博士，硕士生导师，研究方向为污水生物处理技术。
　　电　话：(010)65958512(H) 67391648(O)
　　E-mail:lj21c@263.net
　　收稿日期：2001-08-02