生物除磷的应用与原理-《应用微生物学原理与技术》摘要

磷是生物圈中参与物质循环的重要元素之一，是生物有机体的重要组成部分。 磷在自然界中以有机磷和无机磷的形式存在，在微生物的作用下，有机磷可通过矿化作用转化成无机磷。 无机磷有可溶性磷和不溶性磷两种形式:可溶性磷酸盐，可以与某些盐基化合物结合，转化成不溶性的钙盐、镁盐、铁盐等；不溶性磷酸盐，在某些产酸微生物的作用下，可以转化成可溶性磷酸盐。 在这些过程中，微生物只是转化成磷酸盐的形态，并没有改变磷的价态。

虽然磷在农业上十分重要，但水体中的磷如果超过一定标准，就会引起水体富营养化，造成很严重的后果。 近年来，随着工农业生产的增长和人口的增加，含磷洗涤剂和农药、农肥的大量使用，水体的磷污染日益加剧，导致沿海海域多次发生赤潮事件。

常规好氧生物处理工艺的主要功能是去除废水中的有机碳化合物。 废水中的含磷化合物，除一小部分用于微生物自身生长繁殖的需要外，大部分难以去除，而以磷酸盐的形式随二级处理出水排入受纳水体并成为水体发生富营养化的限制因子。 据报道:水体中磷含量低于0.5 mg/L 时，能控制藻类的过度生长；低于0.05 mg/L 时，藻类几乎停止生长。 目前，各国对控制水体中的磷含量都极为重视。 在避免磷对水体污染的生物处理技术方面，则主要是聚磷菌的研究应用。

1)生物除磷的基本原理

（1）聚磷菌

聚磷菌又称摄磷菌，是传统活性污泥工艺中一类特殊的兼性细菌。 这类细菌在厌氧条件下能够吸收低分子有机物，同时将体内的磷释放于体外。 随后在好氧条件下，聚磷菌将吸收的有机物分解，同时从外界环境中变本加厉地、过量地摄取磷。 这些磷除一小部分用来合成自身核酸和ATP 外，其余的都以多聚磷酸盐颗粒（异染颗粒）的形式贮存于体内，使体内的含磷量超过一般细菌体内含磷量的数倍。 这类细菌被广泛用于污水生物除磷。

在厌氧条件下，聚磷菌吸收污水中的乙酸、甲酸、丙酸及乙醇等极易生物降解的有机物质，贮存在体内作为营养源，同时将体内贮存的聚磷酸盐分解，以PO3-4 —P 的形式释放到环境中，以便获得能量，供细菌在不利环境中维持其生存所需，此时菌体内多聚磷酸盐逐渐消失，而以可溶性单磷酸盐的形式排放到体外环境。

在营养丰富的好氧环境中，活性污泥中的聚磷菌活力得到恢复，步入快速生长阶段为即将进入对数生长期大量分裂作准备。 聚磷菌细胞能从废水中大量摄取溶解态的正磷酸盐，在细胞内合成多聚磷酸盐并加以积累，供下阶段对数生长时期合成核酸耗用磷素之需。 另外，细菌经过对数生长期而进入静止期，大部分细胞已停止繁殖，核酸的合成虽已停止，对磷的需要量也已很低，但若环境中的磷源仍有剩余，细胞又有一定的能量时，仍能从外界吸收磷元素。 这种对磷的积累量大大超过微生物正常生长所需的磷量，可达细胞质量的6%～8%，甚至可达30%。 过量吸收的磷，以多聚磷酸盐的形式贮存于聚磷菌细胞内，形成富磷污泥，以剩余污泥的形式排放。

就目前所知，具有聚磷能力的微生物绝大多数是细菌。 聚磷的活性污泥是由许多好氧异养菌、厌氧异养菌和兼性厌氧菌组成，实质上是产酸菌（统称）和聚磷菌的混合群体。 据文献报道，从活性污泥中分离出来的聚磷菌细菌种类很多，其中聚磷能力强、数量占优势的聚磷菌是不动杆菌（莫拉式菌群）、假单胞菌属、气单胞菌属、黄杆菌属、费氏柠檬酸杆菌等60 多种。有聚磷能力的还有硝化菌中的亚硝化杆菌属、亚硝化球菌属、亚硝化叶菌属、硝化杆菌属、硝化球菌属等。

（2）聚磷菌除磷的生物化学机制

①厌氧释放磷的过程。 聚磷菌在厌氧条件下，分解体内的多聚磷酸盐产生ATP，利用ATP以主动运输的方式吸收有机基质进入细胞内，合成聚β-羟基丁酸盐（beta-hydroxybutyrate，PHB），与此同时释放出PO3-4 。 这里的厌氧条件是指水体中既无分子氧也无氮氧化物氧。

聚磷菌一般只能利用低级脂肪酸，而不能直接利用大分子的有机质，因此大分子物质需要降解为小分子有机物。 如果降解作用受到抑制，则聚磷菌难以利用释磷中产生的能量来合成PHB 颗粒，因而也难以在好氧阶段通过分解PHB 来获得足够的能量供其过量摄磷和积磷，从而影响系统的处理效率。

产酸菌在厌氧或缺氧条件下分解蛋白质、脂肪、碳水化合物等大分子有机物（为可快速降解的基质），这3 类基质分别为:一是，甲酸、乙酸、丙酸等低级脂肪酸；二是，葡萄糖、甲酸、乙醇、柠檬酸等；三是，丁酸、乳酸、琥珀酸等。 其中a 类基质存在时放磷速度最快，其放磷速度与a 类基质浓度无关，仅与活性污泥的浓度和微生物的组成有关。 b 类基质必须在厌氧条件下转化成a 类基质后才能被聚磷菌利用。 c 类基质能否引发磷释放则与污泥中微生物组成有关。在用该基质驯化后，其诱导的厌氧放磷速度与a 类基质相近。

②好氧吸磷过程。 聚磷菌在好氧条件下做有氧呼吸，不断地氧化分解机体内的PHB 和外源基质，产生质子驱动力（proton motive force，PMF）将体外的输送到体内合成ATP 和磷酸，将过剩的聚合成细胞贮存物多聚磷酸盐（异染颗粒）。 这种现象就是“磷的过剩摄取”。(www.xing528.com)

2)生物除磷的基本流程

在普通的废水生物处理过程中，微生物除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成ATP 等，但只去除了污水中19%左右的磷，残留在出水中的磷还相当高。 所以欲降低出水中的磷含量需选用除磷工艺。 所有的生物除磷工艺都是普通活性污泥法的修改，即在原有活性污泥工艺的基础上设置一个厌氧阶段，通过厌氧—好氧的交替运行，选择培育聚磷菌，以降低出水中的磷含量。 目前，根据已探明的聚磷菌在去除废水中磷方面的作用机制，人们设计了相应的处理工艺。

（1）厌氧好氧生物除磷工艺

厌氧好氧生物除磷（ApO）工艺是利用聚磷菌在厌氧条件下释磷、在好氧条件下过度吸磷的特点而开发的一种生物除磷工艺。 其工艺流程如图4.2 所示。

图4.2　厌氧好氧生物除磷工艺流程

在此工艺中，聚磷菌在厌氧状态下充分释磷后，经过好氧状态的过量吸磷，其细胞内的磷含量高达12%（以细胞干重计），而普通细菌细胞的磷含量仅为1% ～3%。 将富含磷的细菌以剩余污泥的形式进行排放，污水中的磷酸盐便能随细菌细胞而被排除。 从图4.2 可以看到，此工艺流程简单，不需投药，运行费用和建设费用少。 但是此工艺的除磷效率较低，去除率为75%左右，当P/BOD 值较高时，难以达到排放要求。

（2）弗斯特利普除磷工艺

弗斯特利普（Phostrip）除磷工艺是在1972 年开创的，具有很高的除磷效果。 其工艺流程如图4.3 所示。

图4.3　弗斯特利普除磷工艺流程

Phostrip 除磷工艺实质上是生物除磷和化学除磷相结合的一种工艺。 含磷污水进入曝气生物反应池，同步进入的还有由除磷池回流的已释放磷但含有聚磷菌的污泥。 在曝气生物反应池内，聚磷菌过量摄取磷，同时BOD 被去除，还有可能发生硝化作用。 从曝气生物反应池流出的混合液（污泥含磷，污水已经除磷）进入沉淀池Ⅰ，在这里进行泥水分离，含磷污泥沉淀，已除磷的上清液排放。 从沉淀池Ⅰ中出来的富含磷污泥一部分作为剩余污泥排放，一部分进入厌氧除磷池释磷。 已释放磷的污泥沉于池底，并回流至曝气生物反应池，再次用于吸收污水中的磷。 含磷上清液从上部流出进入混合池，在混合池中同步投加石灰乳，经混合后进入搅拌反应池，使磷与石灰反应形成磷酸钙[Ca3（PO4）2]固体物质。 沉淀池Ⅱ为混凝沉淀池，经过混凝反应形成的磷酸钙固体物质在混凝沉淀池与上清液分离。 已除磷的上清液回流至曝气生物反应池，而含有大量磷酸钙的污泥排出，这种含有高浓度磷的污泥可用作肥料。

这种工艺操作灵活，磷的去除率可达90%左右，除磷效果好且稳定；回流污泥中磷含量较低，对进水水质波动的适应较强；大部分磷以石灰污泥的形式沉淀去除，污泥肥分高，且污泥易于沉淀、浓缩、脱水。 但是本工艺流程较复杂，运行管理比较麻烦，投加石灰乳，运行费和建设费用均较高。