李 軍1， 王寶貞2， 聶梅生3

(1.北京工業大學建筑工程學院，北京100022；
2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090；
3.建設部科學技術委員會，北京100835)

　　 摘 要：利用31P—核磁共振譜圖證實了生物除磷的機理，即除磷菌在厭氧條件下分解胞內的聚磷酸鹽并釋放出正磷酸鹽形式的無機磷酸鹽，而在好氧或缺氧條件下吸收胞外的無機磷酸鹽后轉化為聚磷酸鹽而貯存于胞內。同時證明了淹沒序批式生物膜反應器中磷的去除是由生物完成的。
　　關鍵詞： 核磁共振； 序批式； 生物膜； 生物除磷
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　與活性污泥相比，生物膜法形成了一個更為復雜的復合生態系統。在縱向，微生物構成了一個由細菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物等多個營養級組成的復合生態系統^［1］；在橫向，沿著液體到填料的方向，構成了一個附著好氧型、附著兼氧型和附著厭氧型的多種不同活動能力、呼吸類型、營養類型的微生物系統，因而生物膜法具有更節能、更強的抗沖擊負荷能力，具有較大的單位體積生物量、較長的固體停留時間(SRT)和剩余污泥量少且易于沉淀以及運行管理方便等優點。許多研究證明，固定填料和懸浮填料的連續流淹沒式生物膜法(CF—SBR)A/O工藝都具有較高的有機物去除率和脫氮率，而除磷率卻很低^［1～5］，這是由于在CF—SBR的缺氧區降解有機物和進行反硝化的異養菌為優勢菌屬，而在好氧區以硝化為目的的自養硝化菌為優勢菌屬，微生物在空間上持續地處于單一狀態而不能處于A/O交替的狀態，所以除磷菌難以在CF—SBR中生長。但是，筆者研究的淹沒序批式生物膜法(SB—SBR)具有較好的除磷率［6］。
　　一些現代生物除磷機理的觀點認為：在厭氧條件下，除磷菌處于壓抑狀態而分解體內的多聚磷酸鹽產生能量，并放出磷酸鹽以維持除磷菌的代謝，同時將胞外有機酸攝入胞內并合成聚β—羥基丁酸(PHB)；合成PHB的能量來自聚磷酸鹽分解過程中產生的三磷酸腺苷(ATP)；壓抑狀態越長，磷釋放越徹底，同時也可在胞內合成更多的PHB。在好氧條件下，除磷菌利用分解胞內PHB產生的ATP將廢水中的磷酸鹽過量攝取到胞內，并轉變成聚磷酸鹽。由于厭、好氧的交替，除磷菌可利用胞內和胞外的能量進行分解代謝和合成代謝，因而在與其他微生物的競爭中占優勢，可在系統中大量增殖，形成一種穩定的高效除磷污泥體系。但是，這種觀點和相應的生化模式尤其是聚磷酸鹽的合成與降解在厭氧、好氧段表現出來的特點和規律還缺乏驗證，因此有必要對生物除磷機理做進一步的驗證和探討。

1 試驗裝置

　　 試驗裝置如圖1所示。

　　試驗所用的反應器用有機玻璃制成，內徑為15 cm，有效容積為18 L，其中沉淀池為2 L。試驗進水的TP平均為10.0 mg/L、COD為370.0 mg/L，溫度為25 ℃，好氧狀態的DO平均為5.5 mg/L。載體裝填密度為30%，反應器中的纖維載體的比表面積為2.66m² /L。
　　生物膜培養采用A/O交替運行方式，歷時3個月，菌種取自一般活性污泥工藝。穩態運行工況為：進水—厭氧3 h—好氧6 h—出水。

2 核磁共振(NMR)驗證生物除磷機理

　　如同紫外、紅外吸收光譜一樣，NMR(Nuclear Magentic Resonance)波譜也是一種吸收光譜。紅外吸收光譜來源于分子振動——轉動能級間的躍遷，而核磁共振波譜則是來源于原子核 能級間的躍遷(只有在強磁場作用下才發生能級裂分)，當吸收的輻射能量與核能級差相等時就發生能級躍遷，輻射能量被吸收，從而產生核磁共振譜。由于核周圍分子環境不同會 使共振頻率發生化學位移(實際中采用樣品與標準物質共振頻率的相對差一般是10-6數量級)，化學位移是確定分子結構的一個重要信息，主要用于基團鑒定。基團具有一定 的特征性，處在同一類基團中的磷核其化學位移相似，因而其共振峰在一定范圍內出現，即各種基團的化學位移具有一定的特征性，所以根據化學位移可以確定基團，根據譜峰高度 變化可定性說明該組分的濃度變化。
　　因此，試驗采用31P—NMR技術來研究不同條件下生物膜中微生物細胞內各種形態的磷化合物隨時間的變化。
2.1 試驗方法
　　① 試驗材料
　　隨處理工藝、反應條件和原水的不同，生物膜或活性污泥中起除磷作用的細菌種屬、優勢菌屬也不同。也就是說，優勢除磷菌屬與其所處的生態環境有很大關系，試驗中生物膜中的優 勢除磷菌屬為假單胞菌屬、氣單胞菌屬。
　　菌種取自SBR除磷生物膜反應器填料上的生物膜，這些菌種都是經過多次厭氧、好氧交替后，放磷和吸磷能力均得到提高的馴化菌種。以牛肉膏為培養基，用不含NO-3的蒸餾水稀 釋到溶液含BOD為600 mg/L進行試驗。
　　② 裝置
　　NMR采用瑞士BRUCKER公司的AC80型，用36.43 MHz分析。為了進行強度比較，加幾滴D₂O(重水)于培養基中(由于質子與氘核交換作用，可消除-OH、-NH2等的譜峰)，再加六甲 基磷酸酰胺(HMPA)，這種HMPA在+25×10-6處有一譜峰，從而成為生物學上磷化合物的外部標準，參考樣品采用85%的正磷酸。其掃描范圍為6 000 Hz、捕捉時間為0.17 s、脈 沖為80、衰減為6 Hz的指數關系相乘，累計轉數從10000轉到20000轉，溫度為27 ℃，化學位移為10-6。取培養菌種污泥3 000 mg經5 min離心分離后，裝入10 mm樣品管 。
2.2 結果及討論
　　試驗開始時，先測定培養基本身的NMR譜，而在培養基的上清液中沒有發現譜峰，據此可認為分析中出現的譜峰全部由培養菌種的細胞產生。試驗中以此種培養基而增殖的菌種污泥 為分析樣。
　　① 厭氧時的譜峰變化
　　圖2為厭氧條件下生物膜菌種污泥的31P—NMR的譜峰變化圖。

　　由圖2可見，+25×10^-6附近的譜峰是HMPA產生的，+2×10^-6附近的譜峰是PO₄^3-的，-22×10^-6處的譜峰為聚磷酸鹽產生的。在該條件下，隨著時間延長波譜有兩個大的變化，一個是聚磷酸鹽減少了，28 h后其譜峰幾乎消失，這說明細胞的聚磷酸鹽分解了；另一個是+2×10^-6處無機磷酸鹽增加了，可以認為聚磷酸鹽 的減少部分轉換成了無機磷酸鹽。
　　由此可見，在厭氧段聚磷酸鹽分解釋放出無機磷酸鹽，且隨著厭氧時間的延長釋放的磷量增加，在生物除磷法中厭氧段的重要作用在試驗中得到了很好的證明。
　　② 好氧時的譜峰變化
　　圖3所示的上、中、下3條譜線分別表示菌種污泥厭氧時的初期狀態，厭氧條件下維持5 h時的狀態，以及之后開始曝氣并維持好氧條件5 h的譜圖。

　　在此應注意的是，在厭氧條件下增加的無機磷酸鹽的譜峰在好氧條件下減少了，而減少的部分相當于聚磷酸鹽譜峰的增加。這說明在好氧條件下無機磷酸鹽被轉化為聚磷酸鹽而貯存，從而驗證了生物法除磷中好氧吸磷的觀點。
　　③ 缺氧時的譜峰變化
　　由上述分析可知，細胞內磷代謝直接受到有無分子氧的影響。實際上影響生物除磷的不僅在于有無分子氧，而且在于有無化合態的氧。圖4為缺氧條件下的31 P—NMR譜圖。

　　在缺氧條件下細胞以NO₃^-為氧源，所以與圖3一樣，無機磷酸鹽將轉變成聚磷酸鹽。這意味著缺氧狀態下不僅不會從細胞內釋放出無機磷酸鹽，而且要吸收胞外的無機磷酸鹽，并轉變成聚磷酸鹽而貯存于胞內，從而證明了生物法除磷中缺氧也可吸磷的觀點。

3 結論

　　綜上所述，利用31P—NMR譜圖清楚地表明SBR中的生物膜在厭氧條件下將聚磷酸鹽分解并轉化成無機磷酸鹽，而在好氧和缺氧條件下，無機磷酸鹽將被轉化成聚磷酸鹽而貯存，從而證明了厭氧放磷，好、缺氧吸磷的生物除磷觀點，也說明了SBR生物膜反應器的除磷作用是由生物完成的。

參考文獻：

　　［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］李軍，王寶貞，聶梅生.淹沒序批式生物膜法除磷工藝特性研究［J］.中國給水排水,2001,17(7):1-5.

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作者簡介：

　　李軍(1964- )， 男， 山東淄博人， 北京工業大學副教授，博士，碩士生導師，研究方向為污水生物處理技術。
　　電　話：(010)65958512(H) 67391648(O)
　　E-mail:lj21c@263.net
　　收稿日期：2001-08-02