侯紅娟，陳銀廣，周琪
（同濟大學 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

　　摘 要：聚羥基烷酸（PHAs）是聚磷菌一種基本的成分，主要由聚羥基丁酸（PHB）和聚羥基戊酸（PHV）組成，在生物除磷系統中起重要作用。厭氧段，合成的PHAs、磷的釋放量以及消耗的揮發性脂肪酸（VFA，以COD或乙酸計）之間存在線性關系；好氧段，磷酸鹽的吸收速率也由生物體內的初始PHB含量控制，PHB耗盡后磷的吸收不再進行。一定條件下，單位摩爾的PHB產生的好氧磷吸收量比PHV的量多。
　　關鍵詞：PHAs；生物除磷；聚磷菌；PHB；PHV

　　城市污水處理目前國內外主要以生化處理工藝為主。由于富營養化問題的日趨嚴重，污水處理工藝從過去只考慮去除有機物和懸浮顆粒為主要水質目標轉化為有機物和氮磷聯合去除。生物除磷法具有節約能源、運行費用低，二次污染小等優點，目前許多國家已使用此技術。近年來，中國、法國、丹麥、加拿大、美國和南非等國的研究，已使人們對此技術有更深入的理解。

1 生物除磷原理

　　一般的生物處理活性污泥中，磷占污泥干重的1.5% ～ 2.0%。但是，在厭氧－好氧交替運行的條件下，某些微生物種群能夠以比普通活性污泥高3 ～ 7倍的水平攝取積累或釋放出磷。研究表明，在廢水生物除磷過程中，活性污泥在好氧、厭氧交替條件下時，在活性污泥中可產生所謂的“聚磷菌”。聚磷菌在好氧條件下可超出其生理需要而從廢水中過量攝取磷，形成多聚磷酸鹽作為貯藏物質。聚磷菌的這種過量攝磷能力不僅與在厭氧條件下磷的釋放量有關，而且與被處理廢水中的有機基質的類型有關。其處理系統所排放的剩余污泥中的含磷量一般為6%左右（污泥干重），甚至更高。
　　在廢水中沒有溶解氧和缺乏氧化態氮的條件下，一般無聚磷能力的好氧菌及脫氮菌不能產生ATP，故這類細菌不能攝取細胞外的有機物。但是在厭氧條件下，聚磷菌卻能分解細胞內的聚磷酸鹽，同時產生ATP，并利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機物攝入細胞，以聚-β-羥基烷酸（PHAs）及糖原等有機顆粒的形式貯存于細胞內，同時將分解聚磷酸鹽產生的磷酸排出體外。這主要是由細胞內誘導產生相當量的聚磷酸鹽激酶的作用完成的。一旦進入好氧環境，除磷菌又可利用聚-β-羥基酸氧化分解釋放的能量來攝取廢水中的磷，并把所攝取的磷合成聚磷酸鹽貯存于細胞內。由于聚磷菌在好氧環境下所攝取的磷比在厭氧環境下所釋放的磷多，通過排泥可達到從污水中去除磷的目的。

2 聚磷菌

　　Fuhs和Chen最早描述了從活性污泥中分離出來的聚磷菌Acinetobacter sp.。這種細菌外觀為短粗的桿狀，革蘭氏染色陰性或略保留紫色，對數期細胞大小1 ～ 1.5 μm，桿狀到球桿狀，靜止期細胞近球狀以成對、短鏈或成簇出現，優先利用的碳源為低分子有機物。他們認為這類細菌在強化生物除磷（EBPR）工藝中起重要作用，隨后這種觀點得到其它許多研究者的支持。但也有研究表明除磷效果良好的EBPR系統中，Acinetobacter的數量很少，除了Acinetobacter，其他細菌對除磷也起主要作用。采用選擇分離和鑒定技術，也分離到了其它的聚磷菌，其中一些菌的聚磷能力比Acinetobacter sp.還強，如Pseudomonas vesicularis。此外，Streichan等人的研究表明，聚磷菌的數量取決于工藝和污水的成分。
　　除磷活性污泥是由多種細菌組成的，如酸化菌、硝化菌、反硝化菌和嚴格好氧菌。聚磷菌也并不是一個單一的菌種，處理工藝和進水成分決定了不同的聚磷菌競爭的結果。

　　普遍認為強化生物除磷工藝系統（EBPR）中，聚-β-羥基烷酸（PHAs）是微生物細胞在不平衡生長條件下積累于胞內的碳源和能源貯存物質，是聚磷菌一種基本的成分，它的積累/分解和磷釋放/吸收之間存在著一定的關系，因此PHAs可以間接表明生物除磷特性。
3.1 PHAs的組成
　　對PHAs的研究證實，生物除磷中，聚-β-羥基丁酸（PHB或3HB）和聚-β-羥基戊酸（PHV或3HV）是PHAs的主要成分。
　　不同的SRT和DO（好氧）條件下，PHAs的組成不同。不同負荷下PHB/PHAs和PHV/PHAs的比例不同。當有機物與微生物比例（F/M）增加時，PHV/PHAs增加，同時PHB/PHAs減少，PHV變成了PHAs的主要成份。此現象意味著高COD-SS負荷下更多的細菌以PHV作為貯存物質，因此許多細菌有從丙酮酸到丙酰輔酶A的代謝途徑，此時除磷不完全。主要原因是糖原積累菌（GAOs）產生丙酰輔酶A，積累PHV作為主要的貯存物質，因此在EBPR中它們能競爭過聚磷菌（PAOs），可能導致除磷失敗。
　　廢水水質不同，PHAs的組成也不同。丙酸主要產生PHV，而乙酸主要產生PHB。
3.2 PHAs合成與磷釋放
　　磷釋放量、PHAs合成量以及VFA消耗量（以COD或乙酸計）之間存在線性關系，但具體的數值有一定差距。Ewalie等人認為厭氧階段聚磷菌每吸收1 mgVFA-COD，可以產生1.5mgPHA-COD，而且每形成1mgPHA-COD可以釋放0.31 mgPO₄^3--P。根據Chuang等人的研究，磷釋放與PHAs的比值為0.5 mgP/mgPHAs，大致相當于1.4 molP/molPHB（在以PHB表示PHAs的情況下）。
　　PHAs的積累與有機負荷呈正比。低負荷條件下污泥的比磷釋放或吸收量低，而在高負荷下比磷釋放量高。低負荷條件下運行時污泥中積累的PHAs少，吸收或釋放的磷也少；相反，高負荷下污泥中積累的PHAs多，釋放到溶液中的磷也多。污泥中的PHAs含量和厭氧段釋放的磷濃度成為隨后好氧段除磷的關鍵因素。
　　Randall等人發現增加進水中的丙酸含量，會導致PHV含量高，磷的釋放量低以及厭氧段糖原的降解減慢，好氧條件下形成的糖原較高，磷釋放量低使得好氧段的磷吸收也少。磷釋放受乙酸（產生PHB），而不是丙酸（產生PHV）的影響。
3.3 PHAs降解與磷吸收
　　PHAs的降解是好氧段磷吸收的必須能源。好氧階段，PHAs用于微生物生長、吸收和貯存磷酸鹽、合成糖原以及維持生命。PHAs轉化為生物和糖原的過程中，產生的NADH₂過剩，NADH₂在氧化磷酸化中被氧化產生ATP。生物合成、產生糖原、維持生命、吸收磷以及合成聚磷酸鹽需要額外的ATP，此ATP來源于PHAs的代謝。
　　磷酸鹽的吸收速率由生物體內的PHB含量控制。Temmink等人進行了大量的厭氧－好氧間歇試驗，觀察到磷的吸收取決于污泥中的初始PHB濃度。比磷吸收速率的大致范圍為0.1 ～ 1.4 mgP/gSS。不同條件下污泥的磷吸收潛力不同。
　　當系統在高負荷條件下運行時，厭氧段有機物比較充分，磷釋放較多，磷含量高需要延長曝氣時間來吸收磷；然而另一方面，有機負荷高會積累更多的PHAs，因此好氧段污泥的磷吸收潛力高。因此以上兩種因素決定了系統的除磷性能。Chuang等人的研究結果表明，高有機負荷由于釋放到缺氧段的磷多而導致除磷不完全。
　　低負荷條件下也會導致除磷不完全，主要是因為污泥中的PHB含量低，雖然釋放到好氧段的磷少，但磷吸收速率低使得除磷需要較長的好氧時間；而且長時間使得曝氣過量，會導致胞內貯存物質尤其是PHB的變化，這種情況下PHB被部分或完全耗盡。過量曝氣使得PHB迅速消耗至2.1mgCOD/gVSS，這比Temmink等人報道的2.6 mgCOD/gVSS低。PHB耗盡后磷的吸收不再明顯。
　　在決定單位PHAs的好氧磷吸收量時，PHAs的類型很重要。單位摩爾的PHB產生的好氧磷吸收量是PHV的兩倍多。在短期的間歇實驗中，Randall等人的研究顯示磷吸收速率與PHB和PHV之間的關系為：
　　P_uptake＝1.56×PHB+0.70×PHV-0.70×PHB×PHV

4 結語

　　PHAs是聚磷菌一種基本的成分，主要由PHB和PHV組成，在生物除磷系統中起重要作用。厭氧段，磷的釋放量、合成的PHAs以及消耗的VFA（以COD或乙酸計）之間存在線性關系，PHAs的積累與有機負荷呈正比，污泥中的PHAs含量和厭氧段釋放的磷量是隨后的好氧段除磷的關鍵因素。好氧段，磷酸鹽的吸收速率也由生物體內的PHB含量控制，PHB耗盡后磷的吸收不很明顯。此外，PHAs的類型對磷的吸收量也有一定的影響，一些研究結果表明單位摩爾的PHB產生的好氧磷吸收量是PHV的兩倍多。