談在厭氧好氧條件下磷的氣體轉(zhuǎn)化形式

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054)

植物營養(yǎng)型污染物磷的排放會導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化。而對于磷的去除，主要有生物法和化學(xué)法兩大類。下面對其各自除磷工藝的研究進(jìn)行簡單闡述。

1 研究進(jìn)展

1.1 傳統(tǒng)A/O/A工藝

A/O/A工藝是為了達(dá)到同時脫氮除磷的目的，在厭氧—好氧(A—O)脫氮工藝基礎(chǔ)上研發(fā)的。A/O/A工藝由厭氧、缺氧、好氧3部分組成，其工藝流程如圖1所示［2］。

圖1 傳統(tǒng)A/O/A工藝流程

然而在不斷的運行中發(fā)現(xiàn)，A/O/A工藝也存在一些不足:例如硝化菌和聚磷菌在泥齡上存在矛盾;污泥負(fù)荷與硝酸鹽的矛盾以及厭氧環(huán)境下反硝化與釋磷對碳源有機物的競爭矛盾等問題影響脫氮除磷效果。

1.2 基于傳統(tǒng)A/O/A的新工藝

在不斷地研究中，通過改變污泥及混合液回流方式發(fā)現(xiàn)了很多優(yōu)化變形工藝，如:倒置A2/O工藝、UCT工藝、MUCT工藝等，以下分別做以簡單介紹:

1)倒置A2/O工藝。倒置A2/O工藝是一種新的碳源分配方式，即缺氧區(qū)置于厭氧區(qū)之前，其工藝流程如圖2所示［3］。聚磷菌經(jīng)厭氧釋磷后直接進(jìn)入好氧環(huán)境，具有“饑餓效應(yīng)”優(yōu)勢;在除磷方面具有“群體效應(yīng)”優(yōu)勢，而且流程簡潔。但該工藝條件下，反硝化與釋磷對碳源有機物的競爭依然存在。

2)UCT/MUCT。UCT工藝［4］排除、減少了厭氧區(qū)的硝酸鹽負(fù)荷，將污泥回流至反硝化池。從而增加了除磷能量，脫氮除磷效果好，但由于增加了回流系統(tǒng)，操作運行復(fù)雜(見圖3)。而改良UCT/MUCT工藝(見圖4)［5］，其目的是優(yōu)化除磷效果。

圖2 倒置A2/O工藝流程

圖3 UCT工藝流程

圖4 MUCT工藝流程

3)改良A2/O工藝。改良A2/O［6］工藝提高了脫氮效果。預(yù)缺氧池保證了厭氧池聚磷菌的釋磷能力，增強了后續(xù)好氧條件下的吸磷能力，從而提高了除磷效果(見圖5)。

圖5 改良A2/O工藝流程

2 磷向氣體的轉(zhuǎn)化

磷向氣態(tài)磷化氫轉(zhuǎn)化的機理如下。

2.1 從生物學(xué)角度分析磷化氫產(chǎn)生機理

1)厭氧條件:目前，普遍認(rèn)為磷化氫是由厭氧菌分解有機磷化合物而產(chǎn)生的。韋偉等人［10］通過試驗顯示厭氧序批工藝條件是磷化氫產(chǎn)生的必要條件，并發(fā)現(xiàn)磷化氫的產(chǎn)生與水中總磷濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。2)好氧條件:對于好氧環(huán)境下是否會有磷化氫的形成，研究成果還很少見。韋偉等人［10］通過試驗顯示好氧序批工藝條件下磷化氫的產(chǎn)生幾乎是肯定的。但產(chǎn)量非常有限，與厭氧過程相比，檢測值相差數(shù)個數(shù)量級。

2.2 從反應(yīng)動力學(xué)角度分析磷化氫產(chǎn)生機理

碳源和磷源的交替影響促進(jìn)了磷化氫的合成，其形成過程遵循典型的微生物生長曲線。從磷和磷的化合物還原的電極電位圖可以看出(見圖6)，將PO3－4還原需要很強的還原劑(NaBH4)，然而在pH=14時磷的化合物都不是好的氧化劑;將磷化氫氧化為磷酸鹽卻只需要很弱的氧化劑，因此自然界中絕大部分磷以價態(tài)為+5價形式存在。

圖6 電極電勢圖

磷化氫合成存在兩種可能:

1)微生物在對氧化態(tài)磷或磷的還原過程中產(chǎn)生能量。而這種情況下，其要求比較苛刻。需要高能量的電子供體，而在我們熟知的產(chǎn)甲烷和硫酸鹽還原兩種生物過程中，微生物能利用其還原過程中的高能電子供體來獲得能量(見表1)［11］。由此可以推斷，微生物若要從磷化氫的合成過程中得到能量，則必須有像以上兩種機制相似的高能電子供體提供足夠的能量。同時，磷化氫的產(chǎn)生除了需要足夠還原力外還需要足夠的能量作支撐。而對于電子供體的研究中，郭夏麗，鄭平［12］試驗了纖維素、葡萄糖和乙酸鹽作為磷酸鹽還原反應(yīng)電子供體的可行性。結(jié)果表明，葡萄糖適宜用作磷酸鹽還原反應(yīng)的電子供體。以葡萄糖為電子供體，磷的去除率為16.95%。然而，從熱力學(xué)角度分析，在pH=7的標(biāo)準(zhǔn)條件下，磷化氫的合成是很難發(fā)生的。從表1可以看出，生成磷化氫為吸熱反應(yīng)，所以在此過程中不可能產(chǎn)生能量。此外，自然環(huán)境中，亞磷酸鹽是不穩(wěn)定的，即使磷酸鹽可以轉(zhuǎn)化成亞磷酸鹽，其生成產(chǎn)物也會很快消失。因此，綜上所述，這種微生物在還原磷酸鹽的過程中獲得能量是不可能發(fā)生的。

表1 磷化氫合成熱力學(xué)分析反應(yīng)方程式

2)磷化氫的合成過程中微生物消耗能量。在自然環(huán)境中，微生物作用經(jīng)常能使一些動力學(xué)上不能發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行，生物固氮過程就是一個典型例子。生物固氮是固氮微生物在固氮酶的催化作用下進(jìn)行的。在其固氮過程中，打開氮氣(N2)的三鍵需要很高的能量，其氧化還原電位為－1.0 V(pH=7)。而pH=7時，磷的化合物的還原電位顯然比－1.0 V大，見圖6［11］。所以，可以想象在磷化氫的合成過程中，也有類似的酶和微生物來促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生，而此反應(yīng)過程是需要能量的。韋偉等人通過對厭氧，好氧及厭氧/好氧三種不同序批式工藝的試驗得出在好氧條件下，葡萄糖主要通過TCA循環(huán)被氧化成水和二氧化碳并釋放大量能量，而在厭氧條件下，糖降解可以通過EMP，HMP，ED等多種途徑產(chǎn)生大量的還原力。

3 結(jié)語

對磷更加合理經(jīng)濟地去除必然會成為污水處理領(lǐng)域不斷研究的課題，磷化氫的機理研究還需要不斷探索，應(yīng)該注重磷化氫的研究與生物物理學(xué)，生物化學(xué)，分子生物學(xué)等學(xué)科交叉研究，從微觀層面更好地解釋磷化氫的產(chǎn)生過程，從傳統(tǒng)的處理工藝中發(fā)現(xiàn)新的除磷機理并用于工程實踐將是需要不斷研究解決的問題。

［1］劉召平，陸少鳴.鐵鹽同步除磷研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2003，4(6):16-18.

［2］丁 強，王振興.污水生物處理工藝強化脫氮除磷的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科技，2010(SI):89-92.

［3］何志茹，霍玉龍，張文勝.生物脫氮除磷技術(shù)的新動向［J］.環(huán)境科學(xué)管理，2007(10):97-99.

［4］肖文濤.污水生物脫氮除磷工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟，2010(11):59-62.

［5］李澤政.污水生物脫氮除磷工藝研究進(jìn)展［J］.廣東化工，2010(12):90-92.

［6］楊志泉，周少奇，何 偉，等.改良A2/O工藝生物脫氮除磷應(yīng)用研究［J］.中國給水排水，2010，26(1):79-82.

［7］Authony N Knobel Elewis.A mathematical model of a high sulphate waste water anerobic treatment system［J］.Water Research，2002(36):257-265.

［8］Jenkins RO，Morris TA，Craig P Jetal.Phosphine generation by mixed and monoseptic cultures of anaerobic bacteria［J］.SciTotal Environ，2000，250(13):73-81.

［9］丁麗麗.顆粒污泥、污水處理系統(tǒng)磷化氫釋放及環(huán)境因素研究［D］.南京:南京大學(xué)，2005.

［10］韋 偉，張可方，張朝升，等.磷化氫在水處理中的研究現(xiàn)狀［J］.中國給水排水，2009，12(1):20-23.

［11］王卓藝.污水處理系統(tǒng)中磷的轉(zhuǎn)化途徑［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007(32):154-156.

［12］郭夏麗，鄭 平.磷化氫的生物合成［J］.中國沼氣，2002，20(4):17-22.