1 引言
生物除磷為去除城鎮(zhèn)污水中磷的重要方法，也是保護地表水環(huán)境、減輕或避免水體富營養(yǎng)化的重要技術(shù)措施近年來，有研究認為生物除磷不僅與聚磷菌(PAOs)有關(guān)，而且可能與生物絮體中的胞外聚合物(EPS)有密切聯(lián)系.例如，Cloete等和方振東等檢測到EPS中含有大量磷，認為EPS是污泥絮體重要的磷貯存庫;研究認為，EPS磷含量的變化為厭氧減小、好氧增大，且SRT越大，EPS磷含量越大，EPS除磷量越大;韓瑋等則研究認為，厭氧/好氧反應過程中EPS含磷量呈波浪形變化，EPS在生物除磷過程中主要起緩沖作用，是胞內(nèi)聚磷合成的中轉(zhuǎn)站;研究發(fā)現(xiàn)，不同SRT下EPS含量沒有明顯變化，但EPS的磷含量隨SRT的增大而增大.上述結(jié)果說明，EPS對生物除磷過程有重要影響，但其在生物除磷中的確切作用還不清楚.
有研究人員采用STS法(化學分級)和31P-NMR檢測到細胞膜外或EPS中存在聚磷酸鹽(Poly-P)，說明EPS參與了生物聚磷過程.Hill等(檢測到以葡萄糖為部分碳源的SBR反應器活性污泥好氧吸磷形成的部分Poly-P位于細胞膜外.Jing等對該反應器進行了后續(xù)研究，發(fā)現(xiàn)細胞膜外的Poly-P與金屬陽離子結(jié)合/絡(luò)合.隨著對生物絮體結(jié)構(gòu)認識的深入，研究人員意識到上述現(xiàn)象與EPS有密切聯(lián)系.張志超等觀察到普通活性污泥EPS磷的主要形態(tài)為正磷酸鹽(PO3-4-P)，而生物強化除磷污泥EPS磷的主要形態(tài)為Poly-P.然而，上述研究僅對細胞膜外或EPS中磷酸鹽的形態(tài)進行了分析檢測，未深入研究生物除磷過程中EPS不同形態(tài)磷酸鹽(包括正磷酸鹽、低分子量聚磷酸鹽和高分子量聚磷酸鹽)含量的動態(tài)變化.
為此，本文以兩組不同SRT的實驗室A/O-SBR反應器活性污泥為研究對象，采用STS法研究不同SRT和溶解氧(DO)下EPS磷酸鹽含量的動態(tài)變化，深入剖析EPS磷酸鹽形態(tài)對生物除磷過程的影響，以期為進一步明確EPS在生物除磷中的作用提供一定的科學依據(jù).
2 材料與方法
2.1 活性污泥的來源
以兩組實驗室A/O-SBR反應器的活性污泥為研究對象，將SRT分別控制在10 d和30 d;其中，SRT為10 d的反應器記為1#，SRT為30 d的反應器記為2#.反應器采用瞬時進水，運行周期為12 h，其中，厭氧運行4 h，好氧運行7 h，沉降50 min，排水和閑置10 min.反應器進水采用人工配水，其COD ∶ N ∶ P為50 ∶ 5 ∶ 1;采用葡萄糖、淀粉、乙酸鈉、丙酸鈉和蛋白胨為復合碳源，KH2PO4為磷源，蛋白胨和NH4Cl為氮源，并投加適量微量元素.兩組不同SRT的A/O-SBR反應器好氧反應結(jié)束前的DO濃度先后控制為0.7~1.0 mg · L-1和2.5~3.5 mg · L-1，分別代表DO受限(簡稱低DO)和DO適中(簡稱中DO)條件;低DO條件厭氧階段初始時刻混合液的ORP為-200~-220 mV，中DO條件厭氧階段初始時刻混合液的ORP為-40~-70 mV，通過DO條件短暫改變(約為3 d)考察DO對污泥絮體磷形態(tài)和分布、EPS磷酸鹽形態(tài)及其動態(tài)變化的影響.
2.2 分析測量方法
取一定體積的活性污泥樣品于4500 r · min-1下離心15 min，離心上清液經(jīng)0.25 μm濾膜過濾，測量過濾液總磷(TP)和正磷酸鹽(PO3-4-P)含量.向離心沉淀物補充4 ℃超純水使污泥重新懸浮，其體積為40 mL，污泥濃度約為8000 mg · L-1(以VSS計).然后，采用超聲波-樹脂法提取EPS，提取EPS后的污泥顆粒視為細菌細胞.TP含量測定時采用封閉回流消解法預處理，其中，污泥中TP含量測定時需先將離心清洗后的污泥懸浮液進行超聲波分散，用鉬銻抗法測定TP和PO3-4-P含量.將部分污泥懸浮液和細菌細胞懸浮液于-50 ℃下真空冷凍干燥48 h，稱取15~20 mg凍干樣品，測量污泥和細菌細胞中不同形態(tài)磷的含量，并利用差減法計算EPS中不同形態(tài)磷的含量.DNA采用二苯胺法測定.
污泥和細菌細胞中不同形態(tài)磷含量的測定采用改進的STS法，具體測量步驟見圖 1.該法將樣品中的磷分為正磷酸鹽(PO3-4-P)、低分子量聚磷酸鹽(LMW Poly-P)、磷脂(Lipid-P)、DNA磷(DNA-P)、高分子量聚磷酸鹽(HMW Poly-P)、蛋白質(zhì)磷和殘渣磷(Protein+Residue-P).混合離心提取液中TP含量測定時采用封閉回流消解法預處理，用鉬銻抗法測定TP和PO3-4-P含量，DNA-P含量由DNA含量乘以系數(shù)9.2%計算得到(磷是DNA的特征元素，含量相對恒定)，差減計算得到LMW Poly-P和HMW Poly-P含量.
圖 1 改進的STS法基本步驟
3 試驗結(jié)果
3.1 SRT和DO對主體液相磷濃度變化的影響
由圖 2可以看出，不同SRT和DO條件下反應器主體液相磷濃度的變化均表現(xiàn)為厭氧升高、好氧降低，說明兩組A/O-SBR系統(tǒng)具有良好的生物強化除磷(EBPR)性能，聚磷菌(PAOs)獲得生長競爭優(yōu)勢.反應器進水磷源為KH2PO4，反應過程中液相的PO3-4-P濃度占TP濃度的95%以上，說明污泥絮體厭氧釋放和好氧吸收的磷主要為PO3-4-P.
圖 2 運行周期中反應器主體液相磷濃度的變化
SRT為10 d時，中DO條件下1#反應器液相TP濃度的厭氧升高量和好氧降低量明顯大于低DO條件，且液相TP濃度在厭氧初期(0~1 h)和好氧初期(4~5 h)有更大的變化速率;同時，中DO條件和低DO條件下液相TP濃度在好氧反應結(jié)束前分別為0.81 mg · L-1和5.65 mg · L-1，進水TP去除率分別為95.95%和71.75%.然而，SRT為30 d時，DO對2#反應器液相TP濃度的厭氧升高量和好氧降低量影響較小;同時，中DO條件和低DO條件下液相TP濃度在好氧反應結(jié)束前分別為3.63 mg · L-1和3.86 mg · L-1，進水TP去除率分別為81.85%和80.70%.上述結(jié)果說明，DO濃度的變化對中SRT(10 d)污泥系統(tǒng)的生物除磷過程及效果影響較大，而對高SRT(30 d)污泥系統(tǒng)的生物除磷過程及效果影響較小.這是因為高SRT污泥較中SRT污泥絮體的結(jié)構(gòu)更為密實，前者絮體的微觀生化環(huán)境受DO濃度變化的影響小于后者，進而導致DO條件改變對高SRT污泥系統(tǒng)的生物除磷過程及效果影響較小.
3.2 SRT和DO對污泥絮體磷形態(tài)的影響
由表 1可知，SRT為10 d污泥的TP含量在低DO和中DO條件下分別為21.68~28.53 mg · g-1(以SS計，下同)和23.01~35.85 mg · g-1，而SRT為30 d污泥的TP含量在低DO和中DO條件下分別為30.39~37.13 mg · g-1和34.65~43.40 mg · g-1.上述結(jié)果表明，高SRT(30 d)污泥的磷含量明顯高于中SRT(10 d)污泥，且中DO條件的污泥較低DO條件的污泥有更高的磷含量.
表1 不同SRT和DO條件下活性污泥的TP含量
由圖 3可以看出，污泥絮體中的磷主要以PO3-4-P和Poly-P的形態(tài)存在，分別為污泥TP含量的15.53%~44.91%和31.77%~64.63%，而DNA-P、Lipid-P和Protein+Residue-P僅分別為污泥TP含量的5.03%~11.91%、1.42%~3.38%和0.69%~2.76%.Poly-P包括LMW Poly-P和HMW Poly-P兩種形態(tài)，LMW Poly-P為污泥TP含量的10.87%~32.85%，HMW Poly-P為污泥TP含量的19.75%~36.39%.SRT為10 d時，低DO污泥的PO3-4-P、LMW Poly-P和HMW Poly-P含量(以SS計)分別為8.79~10.17、2.36~5.36和4.53~7.33 mg · g-1，中DO污泥的PO3-4-P、LMW Poly-P和HMW Poly-P含量分別為4.68~6.58、5.47~11.78和6.36~11.39 mg · g-1.SRT為30 d時，低DO污泥的PO3-4-P、LMW Poly-P和HMW Poly-P含量分別為8.90~10.65、3.55~6.90和9.49~13.51 mg · g-1，中DO污泥的PO3-4-P、LMW Poly-P和HMW Poly-P含量分別為13.94~16.06、5.41~10.00和9.15~13.97 mg · g-1.上述結(jié)果說明，高SRT(30 d)污泥的磷含量明顯高于中SRT(10 d)污泥，主要源于前者較后者有更高的PO3-4-P和HMW Poly-P含量，表明高SRT污泥結(jié)合磷的性能大于中SRT污泥.中SRT(10 d)下中DO污泥較低DO污泥有更高的磷含量，主要歸因于前者較后者有更高的LMW Poly-P和HMW Poly-P含量;而在高SRT(30 d)下中DO污泥較低DO污泥有更高的磷含量，主要歸因于前者較后者有更高的PO3-4-P和LMW Poly-P含量.可以推斷，污泥絮體中磷酸鹽的形成同生化反應條件及生物誘導下的化學沉淀和吸附/結(jié)合作用有密切聯(lián)系.
圖 3 不同SRT和DO條件下污泥絮體中各形態(tài)磷含量
3.3 SRT和DO對EPS磷形態(tài)的影響
由表 2可以看出，SRT和DO對胞內(nèi)磷含量(單位質(zhì)量SS中細菌細胞磷含量)影響較小，而對EPS磷含量(單位質(zhì)量SS中EPS磷含量)影響較大.不同SRT和DO條件下，胞內(nèi)磷含量為7.02~12.30 mg · g-1，而EPS磷含量為14.66~31.10 mg · g-1.結(jié)合表 1可知，胞內(nèi)磷含量占污泥TP含量的27.07%~32.38%，EPS磷含量占污泥TP含量的67.62%~72.93%，說明EPS結(jié)合了大量的磷，污泥絮體中的磷主要分布于EPS中.
表2 不同SRT和DO條件下污泥絮體的磷分布
EPS中不僅含有PO3-4-P，而且含有Poly-P和有機磷.由表 3可以看出，EPS中的磷主要以PO3-4-P和Poly-P的形態(tài)存在，分別為EPS磷含量的10.93%~44.26%和34.69%~69.02%，其中，LMW Poly-P和HMW Poly-P分別為EPS磷含量的11.78%~37.34%和22.91%~41.17%，而DNA-P、Lipid-P和Protein+Residue-P僅分別為EPS磷含量的2.79%~7.95%、0.56%~2.84%和0.05%~0.72%.SRT為10 d時，低DO污泥EPS的PO3-4-P、LMW Poly-P和HMW Poly-P含量分別為4.83~6.26、1.73~4.21和3.36~5.44 mg · g-1，中DO污泥EPS的PO3-4-P、LMW Poly-P和HMW Poly-P含量分別為2.34~4.46、4.37~9.70和4.05~8.23 mg · g-1.SRT為30 d時，低DO污泥EPS的PO3-4-P、LMW Poly-P和HMW Poly-P含量分別為5.77~7.44、2.73~5.22和7.78~10.91 mg · g-1，中DO污泥EPS的PO3-4-P、LMW Poly-P含量和HMW Poly-P含量分別為9.82~10.90、4.16~7.34和6.90~10.66 mg · g-1.上述結(jié)果說明，高SRT(30 d)污泥的EPS磷含量明顯高于中SRT(10 d)污泥，主要歸因于前者較后者有更高的PO3-4-P和HMW Poly-P含量.這是因為SRT越大，PAOs的種群競爭優(yōu)勢越明顯，并且PAOs具有產(chǎn)生EPS的基因簇，所產(chǎn)生EPS含有更多的磷.中SRT(10 d)下中DO污泥的EPS較低DO污泥的EPS有更高的磷含量，主要歸因于前者較后者更高的LMW Poly-P和HMW Poly-P含量;而在高SRT(30 d)下中DO污泥的EPS較低DO污泥的EPS有更高的磷含量，主要歸因于前者較后者有更高的PO3-4-P和LMW Poly-P含量.生物強化除磷系統(tǒng)運行參數(shù)的短暫改變不會引起微生物主要種群結(jié)構(gòu)的變化，但會改變微生物的代謝方式，因而不同DO條件下EPS磷酸鹽含量和形態(tài)的差異說明EPS磷酸鹽的形成受到微生物代謝活動的影響，進一步證明了EPS參與了生物聚磷過程.
表3 不同SRT和DO條件下EPS中各形態(tài)磷含量
3.4 反應過程中EPS磷酸鹽含量的變化
厭氧/好氧反應過程中，EPS中的PO3-4-P與LMW Poly-P、HMW Poly-P表現(xiàn)出不同的變化趨勢(圖 4和圖 5).不同SRT和DO條件下，EPS中的PO3-4-P含量(以SS計)在厭氧初期0~0.5 h迅速下降，此后無明顯變化規(guī)律.SRT為10 d時，EPS的PO3-4-P在低DO和中DO條件下的厭氧降低量分別為1.24 mg · g-1和2.12 mg · g-1，好氧反應階段分別降低了0.20 mg · g-1和升高了0.50 mg · g-1.SRT為30 d時，EPS的PO3-4-P在低DO和中DO條件下的厭氧降低量分別為0.47 mg · g-1和0.17 mg · g-1，好氧反應階段分別降低了1.20 mg · g-1和0.91 mg · g-1.
圖 4 圖 4 1#反應器污泥EPS中不同形態(tài)磷酸鹽含量的變化
圖 5 2#反應器污泥EPS中不同形態(tài)磷酸鹽含量的變化
由圖 4可知，EPS中LMW Poly-P和HMW Poly-P含量呈現(xiàn)出明顯的厭氧降低和好氧升高的變化趨勢.SRT為10 d時，低DO條件下EPS的LMW Poly-P和HMW Poly-P含量在厭氧初期降低較緩慢，0~0.5 h分別降低了0.01 mg · g-1和0.61 mg · g-1，中DO條件下兩者在厭氧初期的降低量增大，0~0.5 h分別降低了0.52 mg · g-1和2.06 mg · g-1;低DO條件下其LMW Poly-P和HMW Poly-P含量在好氧初期快速升高，4~5 h分別升高了0.56 mg · g-1和1.16 mg · g-1，中DO條件下兩者在4~5 h分別升高了1.81 mg · g -1和1.14 mg · g-1.SRT為30 d時，EPS的LMW Poly-P含量在低DO和中DO條件下均表現(xiàn)為厭氧初期快速降低，0~1 h分別降低了0.97 mg · g-1和1.55 mg · g-1，好氧初期迅速升高，4~5 h分別升高了0.72 mg · g-1和1.10 mg · g-1;其HMW Poly-P在低DO和中DO條件下較LMW Poly-P表現(xiàn)為厭氧初期緩慢降低，0~1 h分別降低了0.59 mg · g-1和0.88 mg · g-1，好氧初期亦迅速升高，4~5 h分別升高了0.97 mg · g-1和0.76 mg · g-1.上述結(jié)果說明，中SRT(10 d)污泥EPS和高SRT(30 d)污泥EPS的Poly-P在厭氧初期的分解分別主要源自HMW Poly-P和LMW Poly-P;低DO條件和中DO條件下好氧初期合成的EPS Poly-P分別主要為HMW Poly-P和LMW Poly-P.不同SRT和DO條件下EPS中LMW Poly-P和HMW Poly-P厭氧分解和好氧合成過程的差異，說明EPS磷酸鹽的形成與轉(zhuǎn)化同微生物代謝活性、代謝方式和種群結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系.
4 討論
4.1 EPS在生物除磷中的作用大小
生物除磷是細菌細胞和EPS共同作用的結(jié)果.由圖 6可以看出，污泥絮體的厭氧釋磷和好氧吸磷過程主要源自EPS磷含量的厭氧降低和好氧升高，EPS磷的厭氧降低量和好氧升高量為胞內(nèi)磷變化量的2.8~6.4倍.厭氧/好氧反應過程中，中SRT(10 d)污泥EPS在低DO和中DO條件下的除磷量分別為2.83 mg · g-1和4.91 mg · g-1，分別占污泥絮體除磷量的71.65%和70.55%;高SRT(30 d)污泥EPS在低DO和中DO條件下的除磷量分別為2.94 mg · g-1和3.09 mg · g-1，分別占污泥絮體除磷量的71.71%和71.86%，說明EPS對生物除磷作用有重要影響.中SRT(10 d)污泥EPS磷的厭氧降低量和好氧升高量大于高SRT(30 d)污泥，且中DO污泥EPS磷的厭氧降低量和好氧升高量大于低DO污泥的EPS;與中SRT(10 d)污泥EPS相比，DO改變對高SRT(30 d)污泥EPS磷變化量的影響較小，進而導致DO改變對高SRT(30 d)污泥系統(tǒng)的生物除磷效果影響較小.
圖 6 厭氧/好氧反應過程胞內(nèi)磷和EPS磷的變化量
采用超聲波-樹脂法提取不同進水C/P比A/O-SBR反應器活性污泥的EPS，結(jié)果表明，EPS除磷量占系統(tǒng)除磷量的60%~62%，與本文研究結(jié)果接近.周健等和Li等采用陽離子交換樹脂法分別提取不同A/O-SBR反應器活性污泥的EPS，前者認為EPS的除磷量占系統(tǒng)除磷量的15.7%，后者認為EPS的除磷量占系統(tǒng)除磷量的4.2%~13%，與本文研究結(jié)果差異較大.超聲波-樹脂法是高效的EPS提取方法，其低頻、低功率超聲波能有效分散污泥絮體，促進后續(xù)離子交換反應，具有化學污染小、細胞破損率低的優(yōu)點，且較陽離子交換樹脂法能更為高效地提取EPS.因此，相關(guān)研究結(jié)論存在明顯差異不僅與污泥樣品的來源有關(guān)，而且與EPS提取方法的不同有密切聯(lián)系.另一方面，EPS主要來源于微生物細菌的代謝分泌物和自溶產(chǎn)物，合成EPS是微生物細菌重要的生存、競爭策略;PAOs(包括反硝化聚磷菌)是一類具有超量攝磷功能的微生物，與其它微生物存在復雜的共生/互生關(guān)系，目前仍無法培養(yǎng)出PAOs的純菌群.可以推斷，PAOs與其它微生物通過EPS合成方式的改變建立共生/互生關(guān)系，促使EPS吸附/結(jié)合大量的磷，是PAOs超量釋磷/攝磷的重要途徑.
4.2 EPS磷酸鹽形態(tài)對生物除磷過程的影響
EPS磷酸鹽可分為PO3-4-P、LMW Poly-P和HMW Poly-P 3種形態(tài)，EPS磷酸鹽的形態(tài)對EPS除磷過程有重要影響.生物除磷過程中EPS的PO3-4-P含量變化涉及PO3-4-P和Poly-P之間的轉(zhuǎn)化及主體液相與EPS之間PO3-4-P的遷移兩方面.由圖 4和圖 5可知，相對于11 h污泥的EPS，0 h時污泥EPS的PO3-4-P含量均較高，而LMW Poly-P和HMW Poly-P含量均較低，可以推斷，沉淀過程中EPS的Poly-P發(fā)生了分解，并以PO3-4-P的形式滯留于EPS中;厭氧初期，在攪拌混合作用下沉淀過程滯留于EPS的PO3-4-P迅速遷移至主體液相，導致EPS的PO3-4-P含量在0~0.5 h迅速降低，這是厭氧初期污泥絮體快速釋磷的重要原因之一;此后，EPS的PO3-4-P含量無明顯變化規(guī)律，主要因為PO3-4-P和Poly-P之間的轉(zhuǎn)化速率及主體液相與EPS之間PO3-4-P的遷移速率在反應過程中發(fā)生了動態(tài)變化.EPS的LMW Poly-P和HMW Poly-P含量均表現(xiàn)厭氧降低和好氧升高的變化規(guī)律.由圖 7可知，對于相同SRT的污泥，中DO條件較低DO條件下EPS的LMW Poly-P和HMW Poly-P有更大的厭氧降低量和好氧升高量，對應著更明顯的生物除磷過程(圖 2).高SRT(30 d)污泥EPS的Poly-P(LMW Poly-P和HMW Poly-P)在中DO條件的好氧升高量為低DO條件的1.2倍，而中SRT(10 d)污泥EPS的Poly-P在中DO條件的好氧升高量為低DO條件的2.1倍，從而表現(xiàn)出DO濃度的變化對高SRT(30 d)污泥系統(tǒng)的生物除磷過程及效果影響較小的現(xiàn)象.厭氧/好氧反應過程中，EPS不同形態(tài)磷酸鹽含量的動態(tài)變化說明EPS不僅是生物除磷過程的中轉(zhuǎn)站，而且參與了生物聚磷過程.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 7 厭氧/好氧反應過程EPS中不同形態(tài)Poly-P的變化量
5 結(jié)論
1)污泥絮體中的磷主要分布于EPS中，PO3-4-P和Poly-P(包括LMW Poly-P和HMW Poly-P)是EPS磷的主要形態(tài).高SRT(30 d)污泥的EPS磷含量明顯高于中SRT(10 d)污泥，主要歸因于前者較后者有更高的PO3-4-P和HMW Poly-P含量;厭氧/好氧反應過程中，EPS的PO3-4-P與LMW Poly-P、HMW Poly-P表現(xiàn)出不同的變化趨勢.
2)EPS對生物除磷的影響明顯大于細菌細胞.污泥絮體的厭氧釋磷和好氧吸磷過程主要源自EPS磷含量的厭氧降低和好氧升高，EPS磷的厭氧降低量和好氧升高量為胞內(nèi)磷變化量的2.8~6.4倍.
3)EPS不僅是生物除磷過程的中轉(zhuǎn)站，而且參與了生物聚磷過程.EPS的LMW Poly-P和HMW Poly-P含量均表現(xiàn)厭氧降低和好氧升高的變化規(guī)律;對于相同SRT的污泥，中DO(2.5~3.5 mg · L-1)條件較低DO(0.7~1.0 mg · L-1)條件下EPS的LMW Poly-P和HMW Poly-P有更大的厭氧降低量和好氧升高量，對應著更明顯的生物除磷過程.
