PHAs在生物除磷中的作用

侯红娟，陈银广，周琪
（同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

　　摘 要：聚羟基烷酸（PHAs）是聚磷菌一种基本的成分，主要由聚羟基丁酸（PHB）和聚羟基戊酸（PHV）组成，在生物除磷系统中起重要作用。厌氧段，合成的PHAs、磷的释放量以及消耗的挥发性脂肪酸（VFA，以COD或乙酸计）之间存在线性关系；好氧段，磷酸盐的吸收速率也由生物体内的初始PHB含量控制，PHB耗尽后磷的吸收不再进行。一定条件下，单位摩尔的PHB产生的好氧磷吸收量比PHV的量多。
　　关键词：PHAs；生物除磷；聚磷菌；PHB；PHV

　　城市污水处理目前国内外主要以生化处理工艺为主。由于富营养化问题的日趋严重，污水处理工艺从过去只考虑去除有机物和悬浮颗粒为主要水质目标转化为有机物和氮磷联合去除。生物除磷法具有节约能源、运行费用低，二次污染小等优点，目前许多国家已使用此技术。近年来，中国、法国、丹麦、加拿大、美国和南非等国的研究，已使人们对此技术有更深入的理解。

1 生物除磷原理

　　一般的生物处理活性污泥中，磷占污泥干重的1.5% ～ 2.0%。但是，在厌氧－好氧交替运行的条件下，某些微生物种群能够以比普通活性污泥高3 ～ 7倍的水平摄取积累或释放出磷。研究表明，在废水生物除磷过程中，活性污泥在好氧、厌氧交替条件下时，在活性污泥中可产生所谓的“聚磷菌”。聚磷菌在好氧条件下可超出其生理需要而从废水中过量摄取磷，形成多聚磷酸盐作为贮藏物质。聚磷菌的这种过量摄磷能力不仅与在厌氧条件下磷的释放量有关，而且与被处理废水中的有机基质的类型有关。其处理系统所排放的剩余污泥中的含磷量一般为6%左右（污泥干重），甚至更高。
　　在废水中没有溶解氧和缺乏氧化态氮的条件下，一般无聚磷能力的好氧菌及脱氮菌不能产生ATP，故这类细菌不能摄取细胞外的有机物。但是在厌氧条件下，聚磷菌却能分解细胞内的聚磷酸盐，同时产生ATP，并利用ATP将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，以聚-β-羟基烷酸（PHAs）及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时将分解聚磷酸盐产生的磷酸排出体外。这主要是由细胞内诱导产生相当量的聚磷酸盐激酶的作用完成的。一旦进入好氧环境，除磷菌又可利用聚-β-羟基酸氧化分解释放的能量来摄取废水中的磷，并把所摄取的磷合成聚磷酸盐贮存于细胞内。由于聚磷菌在好氧环境下所摄取的磷比在厌氧环境下所释放的磷多，通过排泥可达到从污水中去除磷的目的。

2 聚磷菌

　　Fuhs和Chen最早描述了从活性污泥中分离出来的聚磷菌Acinetobacter sp.。这种细菌外观为短粗的杆状，革兰氏染色阴性或略保留紫色，对数期细胞大小1 ～ 1.5 μm，杆状到球杆状，静止期细胞近球状以成对、短链或成簇出现，优先利用的碳源为低分子有机物。他们认为这类细菌在强化生物除磷（EBPR）工艺中起重要作用，随后这种观点得到其它许多研究者的支持。但也有研究表明除磷效果良好的EBPR系统中，Acinetobacter的数量很少，除了Acinetobacter，其他细菌对除磷也起主要作用。采用选择分离和鉴定技术，也分离到了其它的聚磷菌，其中一些菌的聚磷能力比Acinetobacter sp.还强，如Pseudomonas vesicularis。此外，Streichan等人的研究表明，聚磷菌的数量取决于工艺和污水的成分。
　　除磷活性污泥是由多种细菌组成的，如酸化菌、硝化菌、反硝化菌和严格好氧菌。聚磷菌也并不是一个单一的菌种，处理工艺和进水成分决定了不同的聚磷菌竞争的结果。

　　普遍认为强化生物除磷工艺系统（EBPR）中，聚-β-羟基烷酸（PHAs）是微生物细胞在不平衡生长条件下积累于胞内的碳源和能源贮存物质，是聚磷菌一种基本的成分，它的积累/分解和磷释放/吸收之间存在着一定的关系，因此PHAs可以间接表明生物除磷特性。
3.1 PHAs的组成
　　对PHAs的研究证实，生物除磷中，聚-β-羟基丁酸（PHB或3HB）和聚-β-羟基戊酸（PHV或3HV）是PHAs的主要成分。
　　不同的SRT和DO（好氧）条件下，PHAs的组成不同。不同负荷下PHB/PHAs和PHV/PHAs的比例不同。当有机物与微生物比例（F/M）增加时，PHV/PHAs增加，同时PHB/PHAs减少，PHV变成了PHAs的主要成份。此现象意味着高COD-SS负荷下更多的细菌以PHV作为贮存物质，因此许多细菌有从丙酮酸到丙酰辅酶A的代谢途径，此时除磷不完全。主要原因是糖原积累菌（GAOs）产生丙酰辅酶A，积累PHV作为主要的贮存物质，因此在EBPR中它们能竞争过聚磷菌（PAOs），可能导致除磷失败。
　　废水水质不同，PHAs的组成也不同。丙酸主要产生PHV，而乙酸主要产生PHB。
3.2 PHAs合成与磷释放
　　磷释放量、PHAs合成量以及VFA消耗量（以COD或乙酸计）之间存在线性关系，但具体的数值有一定差距。Ewalie等人认为厌氧阶段聚磷菌每吸收1 mgVFA-COD，可以产生1.5mgPHA-COD，而且每形成1mgPHA-COD可以释放0.31 mgPO₄^3--P。根据Chuang等人的研究，磷释放与PHAs的比值为0.5 mgP/mgPHAs，大致相当于1.4 molP/molPHB（在以PHB表示PHAs的情况下）。
　　PHAs的积累与有机负荷呈正比。低负荷条件下污泥的比磷释放或吸收量低，而在高负荷下比磷释放量高。低负荷条件下运行时污泥中积累的PHAs少，吸收或释放的磷也少；相反，高负荷下污泥中积累的PHAs多，释放到溶液中的磷也多。污泥中的PHAs含量和厌氧段释放的磷浓度成为随后好氧段除磷的关键因素。
　　Randall等人发现增加进水中的丙酸含量，会导致PHV含量高，磷的释放量低以及厌氧段糖原的降解减慢，好氧条件下形成的糖原较高，磷释放量低使得好氧段的磷吸收也少。磷释放受乙酸（产生PHB），而不是丙酸（产生PHV）的影响。
3.3 PHAs降解与磷吸收
　　PHAs的降解是好氧段磷吸收的必须能源。好氧阶段，PHAs用于微生物生长、吸收和贮存磷酸盐、合成糖原以及维持生命。PHAs转化为生物和糖原的过程中，产生的NADH₂过剩，NADH₂在氧化磷酸化中被氧化产生ATP。生物合成、产生糖原、维持生命、吸收磷以及合成聚磷酸盐需要额外的ATP，此ATP来源于PHAs的代谢。
　　磷酸盐的吸收速率由生物体内的PHB含量控制。Temmink等人进行了大量的厌氧－好氧间歇试验，观察到磷的吸收取决于污泥中的初始PHB浓度。比磷吸收速率的大致范围为0.1 ～ 1.4 mgP/gSS。不同条件下污泥的磷吸收潜力不同。
　　当系统在高负荷条件下运行时，厌氧段有机物比较充分，磷释放较多，磷含量高需要延长曝气时间来吸收磷；然而另一方面，有机负荷高会积累更多的PHAs，因此好氧段污泥的磷吸收潜力高。因此以上两种因素决定了系统的除磷性能。Chuang等人的研究结果表明，高有机负荷由于释放到缺氧段的磷多而导致除磷不完全。
　　低负荷条件下也会导致除磷不完全，主要是因为污泥中的PHB含量低，虽然释放到好氧段的磷少，但磷吸收速率低使得除磷需要较长的好氧时间；而且长时间使得曝气过量，会导致胞内贮存物质尤其是PHB的变化，这种情况下PHB被部分或完全耗尽。过量曝气使得PHB迅速消耗至2.1mgCOD/gVSS，这比Temmink等人报道的2.6 mgCOD/gVSS低。PHB耗尽后磷的吸收不再明显。
　　在决定单位PHAs的好氧磷吸收量时，PHAs的类型很重要。单位摩尔的PHB产生的好氧磷吸收量是PHV的两倍多。在短期的间歇实验中，Randall等人的研究显示磷吸收速率与PHB和PHV之间的关系为：
　　P_uptake＝1.56×PHB+0.70×PHV-0.70×PHB×PHV

4 结语

　　PHAs是聚磷菌一种基本的成分，主要由PHB和PHV组成，在生物除磷系统中起重要作用。厌氧段，磷的释放量、合成的PHAs以及消耗的VFA（以COD或乙酸计）之间存在线性关系，PHAs的积累与有机负荷呈正比，污泥中的PHAs含量和厌氧段释放的磷量是随后的好氧段除磷的关键因素。好氧段，磷酸盐的吸收速率也由生物体内的PHB含量控制，PHB耗尽后磷的吸收不很明显。此外，PHAs的类型对磷的吸收量也有一定的影响，一些研究结果表明单位摩尔的PHB产生的好氧磷吸收量是PHV的两倍多。