李 軍1， 王寶貞2， 聶梅生3

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100022；
2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090；
3.建設(shè)部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)，北京100835)

　　 摘 要：利用31P—核磁共振譜圖證實(shí)了生物除磷的機(jī)理，即除磷菌在厭氧條件下分解胞內(nèi)的聚磷酸鹽并釋放出正磷酸鹽形式的無機(jī)磷酸鹽，而在好氧或缺氧條件下吸收胞外的無機(jī)磷酸鹽后轉(zhuǎn)化為聚磷酸鹽而貯存于胞內(nèi)。同時(shí)證明了淹沒序批式生物膜反應(yīng)器中磷的去除是由生物完成的。
　　關(guān)鍵詞： 核磁共振； 序批式； 生物膜； 生物除磷
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：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(gè)更為復(fù)雜的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。在縱向，微生物構(gòu)成了一個(gè)由細(xì)菌、真菌、藻類、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等多個(gè)營養(yǎng)級(jí)組成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)^［1］；在橫向，沿著液體到填料的方向，構(gòu)成了一個(gè)附著好氧型、附著兼氧型和附著厭氧型的多種不同活動(dòng)能力、呼吸類型、營養(yǎng)類型的微生物系統(tǒng)，因而生物膜法具有更節(jié)能、更強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，具有較大的單位體積生物量、較長的固體停留時(shí)間(SRT)和剩余污泥量少且易于沉淀以及運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)。許多研究證明，固定填料和懸浮填料的連續(xù)流淹沒式生物膜法(CF—SBR)A/O工藝都具有較高的有機(jī)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(qū)降解有機(jī)物和進(jìn)行反硝化的異養(yǎng)菌為優(yōu)勢(shì)菌屬，而在好氧區(qū)以硝化為目的的自養(yǎng)硝化菌為優(yōu)勢(shì)菌屬，微生物在空間上持續(xù)地處于單一狀態(tài)而不能處于A/O交替的狀態(tài)，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(xiàn)代生物除磷機(jī)理的觀點(diǎn)認(rèn)為：在厭氧條件下，除磷菌處于壓抑狀態(tài)而分解體內(nèi)的多聚磷酸鹽產(chǎn)生能量，并放出磷酸鹽以維持除磷菌的代謝，同時(shí)將胞外有機(jī)酸攝入胞內(nèi)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(chǎn)生的三磷酸腺苷(ATP)；壓抑狀態(tài)越長，磷釋放越徹底，同時(shí)也可在胞內(nèi)合成更多的PHB。在好氧條件下，除磷菌利用分解胞內(nèi)PHB產(chǎn)生的ATP將廢水中的磷酸鹽過量攝取到胞內(nèi)，并轉(zhuǎn)變成聚磷酸鹽。由于厭、好氧的交替，除磷菌可利用胞內(nèi)和胞外的能量進(jìn)行分解代謝和合成代謝，因而在與其他微生物的競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)，可在系統(tǒng)中大量增殖，形成一種穩(wěn)定的高效除磷污泥體系。但是，這種觀點(diǎn)和相應(yīng)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(xiàn)出來的特點(diǎn)和規(guī)律還缺乏驗(yàn)證，因此有必要對(duì)生物除磷機(jī)理做進(jìn)一步的驗(yàn)證和探討。

1 試驗(yàn)裝置

　　 試驗(yàn)裝置如圖1所示。

　　試驗(yàn)所用的反應(yīng)器用有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為15 cm，有效容積為18 L，其中沉淀池為2 L。試驗(yàn)進(jìn)水的TP平均為10.0 mg/L、COD為370.0 mg/L，溫度為25 ℃，好氧狀態(tài)的DO平均為5.5 mg/L。載體裝填密度為30%，反應(yīng)器中的纖維載體的比表面積為2.66m² /L。
　　生物膜培養(yǎng)采用A/O交替運(yùn)行方式，歷時(shí)3個(gè)月，菌種取自一般活性污泥工藝。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況為：進(jìn)水—厭氧3 h—好氧6 h—出水。

2 核磁共振(NMR)驗(yàn)證生物除磷機(jī)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(dòng)——轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷，而核磁共振波譜則是來源于原子核 能級(jí)間的躍遷(只有在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下才發(fā)生能級(jí)裂分)，當(dāng)吸收的輻射能量與核能級(jí)差相等時(shí)就發(fā)生能級(jí)躍遷，輻射能量被吸收，從而產(chǎn)生核磁共振譜。由于核周圍分子環(huán)境不同會(huì) 使共振頻率發(fā)生化學(xué)位移(實(shí)際中采用樣品與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)共振頻率的相對(duì)差一般是10-6數(shù)量級(jí))，化學(xué)位移是確定分子結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要信息，主要用于基團(tuán)鑒定。基團(tuán)具有一定 的特征性，處在同一類基團(tuán)中的磷核其化學(xué)位移相似，因而其共振峰在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)，即各種基團(tuán)的化學(xué)位移具有一定的特征性，所以根據(jù)化學(xué)位移可以確定基團(tuán)，根據(jù)譜峰高度 變化可定性說明該組分的濃度變化。
　　因此，試驗(yàn)采用31P—NMR技術(shù)來研究不同條件下生物膜中微生物細(xì)胞內(nèi)各種形態(tài)的磷化合物隨時(shí)間的變化。
2.1 試驗(yàn)方法
　?、? 試驗(yàn)材料
　　隨處理工藝、反應(yīng)條件和原水的不同，生物膜或活性污泥中起除磷作用的細(xì)菌種屬、優(yōu)勢(shì)菌屬也不同。也就是說，優(yōu)勢(shì)除磷菌屬與其所處的生態(tài)環(huán)境有很大關(guān)系，試驗(yàn)中生物膜中的優(yōu) 勢(shì)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(yīng)器填料上的生物膜，這些菌種都是經(jīng)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(yǎng)基，用不含NO-3的蒸餾水稀 釋到溶液含BOD為600 mg/L進(jìn)行試驗(yàn)。
　?、? 裝置
　　NMR采用瑞士BRUCKER公司的AC80型，用36.43 MHz分析。為了進(jìn)行強(qiáng)度比較，加幾滴D₂O(重水)于培養(yǎng)基中(由于質(zhì)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(xué)上磷化合物的外部標(biāo)準(zhǔn)，參考樣品采用85%的正磷酸。其掃描范圍為6 000 Hz、捕捉時(shí)間為0.17 s、脈 沖為80、衰減為6 Hz的指數(shù)關(guān)系相乘，累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)從10000轉(zhuǎn)到20000轉(zhuǎn)，溫度為27 ℃，化學(xué)位移為10-6。取培養(yǎng)菌種污泥3 000 mg經(jīng)5 min離心分離后，裝入10 mm樣品管 。
2.2 結(jié)果及討論
　　試驗(yàn)開始時(shí)，先測(cè)定培養(yǎng)基本身的NMR譜，而在培養(yǎng)基的上清液中沒有發(fā)現(xiàn)譜峰，據(jù)此可認(rèn)為分析中出現(xiàn)的譜峰全部由培養(yǎng)菌種的細(xì)胞產(chǎn)生。試驗(yàn)中以此種培養(yǎng)基而增殖的菌種污泥 為分析樣。
　?、? 厭氧時(shí)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(chǎn)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(chǎn)生的。在該條件下，隨著時(shí)間延長波譜有兩個(gè)大的變化，一個(gè)是聚磷酸鹽減少了，28 h后其譜峰幾乎消失，這說明細(xì)胞的聚磷酸鹽分解了；另一個(gè)是+2×10^-6處無機(jī)磷酸鹽增加了，可以認(rèn)為聚磷酸鹽 的減少部分轉(zhuǎn)換成了無機(jī)磷酸鹽。
　　由此可見，在厭氧段聚磷酸鹽分解釋放出無機(jī)磷酸鹽，且隨著厭氧時(shí)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(yàn)中得到了很好的證明。
　　② 好氧時(shí)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(shí)的初期狀態(tài)，厭氧條件下維持5 h時(shí)的狀態(tài)，以及之后開始曝氣并維持好氧條件5 h的譜圖。

　　在此應(yīng)注意的是，在厭氧條件下增加的無機(jī)磷酸鹽的譜峰在好氧條件下減少了，而減少的部分相當(dāng)于聚磷酸鹽譜峰的增加。這說明在好氧條件下無機(jī)磷酸鹽被轉(zhuǎn)化為聚磷酸鹽而貯存，從而驗(yàn)證了生物法除磷中好氧吸磷的觀點(diǎn)。
　　③ 缺氧時(shí)的譜峰變化
　　由上述分析可知，細(xì)胞內(nèi)磷代謝直接受到有無分子氧的影響。實(shí)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(tài)的氧。圖4為缺氧條件下的31 P—NMR譜圖。

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

3 結(jié)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(zhuǎn)化成無機(jī)磷酸鹽，而在好氧和缺氧條件下，無機(jī)磷酸鹽將被轉(zhuǎn)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(diǎn)，也說明了SBR生物膜反應(yīng)器的除磷作用是由生物完成的。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］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.
　?。?］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.
　?。?］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.
　?。?］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.

---

作者簡(jiǎn)介：

　　李軍(1964- )， 男， 山東淄博人， 北京工業(yè)大學(xué)副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲鬯锾幚砑夹g(shù)。
　　電　話：(010)65958512(H) 67391648(O)
　　E-mail:lj21c@263.net
　　收稿日期：2001-08-02