聚磷菌厭氧釋磷性能及其模型的擬合

李昂　張雁秋　李燕

摘要：生物除磷的主要途徑是利用除磷菌（包括PAOs和DPB）的過量吸磷作用。PAOs在厭氧階段的釋磷量越多，在好氧階段的吸磷量也就越多。厭氧階段的污泥濃度越高、釋磷時間越長，PAOs的釋磷效果越好，釋磷量越多；有機物種類直接影響PAOs厭氧釋磷效率。針對聚磷菌厭氧釋磷性能建立模型Pt=Pm/[1+（Pm-P0）e-KPmt/P0]，利用1stOpt軟件和Excel軟件進行擬合，效果良好。在污泥性狀、進水水質(zhì)基本一致的情況下，污泥濃度越高，PAOs含量越高，PAOs體內(nèi)的最大可釋磷的質(zhì)量濃度Pm越高，厭氧釋磷速率常數(shù)K基本相當。

關(guān)鍵詞：厭氧釋磷；釋磷模型；污泥濃度；有機物；模型擬合

中圖分類號： X703.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0364-03

收稿日期：2013-06-27

作者簡介：李昂（1982—），女，江蘇徐州人，博士，中級工程師，主要從事水污染控制方面的研究工作。E-mail：hellen556@126.com。生物除磷系統(tǒng)中，一般認為磷的去除有微生物合成作用及除磷菌（包括PAOs和DPB）的過量吸磷作用2條途徑。除磷菌的過量吸磷是磷去除的主要途徑，通常要求除磷菌順序經(jīng)歷厭氧與好氧階段。在厭氧階段，PAOs釋放細胞內(nèi)以聚磷酸鹽（Poly-P）形式貯存的磷酸鹽，消耗合成的糖原而產(chǎn)生能量，供其攝取環(huán)境中的有機碳源，并以聚β-羥基丁酸鹽（PHB）的形式貯存在細胞內(nèi)。在好氧或缺氧條件下，PAOs和DHB分別以氧和硝態(tài)氮（NO-3-N）作為電子受體，氧化細胞內(nèi)貯存的PHB產(chǎn)生能量，供其從環(huán)境中過量吸磷。有研究表明，PAOs在厭氧階段的釋磷量越多，在好氧段的吸磷量也就越多。國外眾多研究者對生物除磷的機理進行了深入研究，并開發(fā)出多個代謝機理模型，頗具代表性的有 Comeau-Wentzel 模型[1-2]、Mino模型及改進的Mino模型，其中 Mino 模型能很好地解釋試驗中所觀察得到醋酸（HAc）的厭氧吸收量、PHB合成、糖原的利用及CO2的產(chǎn)生等過程。例如，Smolders等測試了厭氧段糖原和PHB含量的變化及每吸收 1 cmol HAc所產(chǎn)生的CO2的量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Mino模型能很好地描述該試驗現(xiàn)象[3]。但這些模型較復雜，考慮的因素較多，在實際應用中比較繁瑣。針對PAOs在厭氧條件下的釋磷過程進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PAOs的釋磷速率與體內(nèi)最大釋磷量、可以利用的有機物量、對HAc的厭氧吸收量、PHB合成、糖原的利用及CO2的產(chǎn)生等過程等有關(guān)。綜合而言，PAOs的厭氧釋磷速率與體內(nèi)最大釋磷量、污水中的含磷量以及環(huán)境條件等因素有關(guān)。

1厭氧釋磷模型的建立

研究發(fā)現(xiàn)，提高生物除磷系統(tǒng)效率的關(guān)鍵是提高厭氧釋磷量，而提高厭氧釋磷量的核心環(huán)節(jié)是刺激聚磷微生物合成更多的PHB。聚磷和糖原對揮發(fā)性脂肪酸的厭氧吸收及PHB的合成而言都是必需的，且都有可能成為限制因素，從而影響整個系統(tǒng)的運行效果。由此可見，PAOs的厭氧釋磷性能主要體現(xiàn)在其體內(nèi)可以釋放的最大磷量，本研究將其定義為PAOs的最大可釋磷量，為了便于模型的推導、建立、仿真以及實際應用，模型中以PAOs體內(nèi)的最大可釋磷濃度來體現(xiàn)這一概念，記為Pm（mg/L）。

2.4.2有機物種類對厭氧釋磷的影響分別利用葡萄糖和醋酸鈉為有機物進行配水，考察PAOs在2種人工合成廢水和實際城市廢水中的厭氧釋磷能力，結(jié)果如圖2所示。

本研究結(jié)果表明，PAOs在葡萄糖配水、醋酸鈉配水和實際城市廢水中的厭氧釋磷趨勢基本一致，但厭氧釋磷效率有所不同。其中，醋酸鈉配水的釋磷效率最高，實際城市廢水的釋磷效率最低，而葡萄糖配水的釋磷能力介于兩者之間。

PAOs在利用不同基質(zhì)的過程中對磷的釋放存在明顯差異。污水中易降解的物質(zhì)對除磷效果的影響主要表現(xiàn)在厭氧釋磷上，水體中易降解物質(zhì)的含量影響釋磷量，易降解物質(zhì)越多，釋磷越充分，PHB合成越多，在好氧階段就能提供更多能量用于過量吸磷，總磷去除率就越高[4]。這是由于PAOs在厭氧狀態(tài)下直接吸收VFAs形成PHB，釋放出磷酸鹽。葡萄糖分子較大，必須先將其轉(zhuǎn)化為VFAs后才能被PAOs利用，從而促使磷的釋放。有研究發(fā)現(xiàn)，以葡萄糖為唯一碳源時，厭氧階段的釋磷量為0[5]。這可能是由于該系統(tǒng)中不含有可將葡萄糖轉(zhuǎn)化為VFAs的產(chǎn)酸菌，而PAOs又無法直接利用葡萄糖，因此厭氧釋磷沒有發(fā)生。實際城市廢水成分比較復雜，一些有機物必須在厭氧環(huán)境下先經(jīng)水解作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，再由葡萄糖轉(zhuǎn)化為VFAs后才能被PAOs利用，進而誘發(fā)磷的釋放，所以釋磷速率主要取決于實際廢水中的大分子有機物轉(zhuǎn)化為低分子有機物基質(zhì)的速率；而一些大分子有機物在厭氧環(huán)境下被發(fā)酵水解成VFAs的速度比較慢，而且一些中間代謝產(chǎn)物不易被PAOs吸收利用，在這種情況下，PAOs體內(nèi)的聚磷酸鹽分解較慢，因此，釋磷速率低于葡萄糖和醋酸鈉2種基質(zhì)。另一方面，PAOs吸收VFAs形成PHB并釋放出磷酸鹽，在這個過程中，PAOs吸收的VFAs量越多，釋放的磷量也就越多。醋酸鈉配水、葡萄糖配水和實際城市廢水這3種水中含有的VFAs含量依次減少，所以厭氧釋磷量也依次減少。

3厭氧釋磷模型擬合分析

3.1不同污泥濃度下的厭氧釋磷模型擬合曲線

3.2.1葡萄糖配水當n=8、顯著性水平α=0.001時，在葡萄糖配水中的厭氧釋磷模型的r2=0.998 2>0.855 4，說明回歸所得結(jié)果是極顯著的。采用相對誤差法對葡萄糖配水中的厭氧釋磷模型進行檢驗，中值誤差=0.399%<10%，這說明實測值與擬合值擬合較好，因此可以認為該模型能較好地描述PAOs在污泥吸附期間的磷釋放過程。

3.2.2醋酸鈉配水當n=8、顯著性水平α=0.001時，在醋酸鈉配水中的厭氧釋磷模型的r2=0.995 4>0.855 4，說明回歸所得結(jié)果是極顯著的。采用相對誤差法對醋酸鈉配水中的厭氧釋磷模型進行檢驗，中值誤差=0.755%<10%，這說明實測值與擬合值擬合較好，因此可以認為該模型能較好地描述污泥厭氧吸附中的磷釋放過程。endprint

3.2.3實際污水當n=8、顯著性水平α=0.001時，在實際廢水中的厭氧釋磷模型的r2=0.999 1>0.855 4，這說明回歸所得出的結(jié)果是極顯著的。采用相對誤差法對實際廢水中的厭氧釋磷模型進行檢驗，中值誤差=0.217%<10%，這說明實測值與擬合值擬合較好，因此可以認為該模型能較好地描述PAOs在污泥吸附期間的磷釋放過程。

4結(jié)論

PAOs厭氧釋磷量越多，其好氧吸磷量也就越多。厭氧段的污泥濃度越高、吸附時間越長，PAOs的釋磷效果就越好，釋磷量就越多；有機物種類直接影響PAOs的厭氧釋磷效率。PAOs的厭氧釋磷過程中，PAOs的釋磷速率與體內(nèi)最大釋磷量和污水中的總磷濃度有關(guān)。PAOs的厭氧釋磷模型為Pt=Pm/[1+（Pm-P0]e-KPmt/P0]。

通過將不同污泥濃度條件下，污泥吸附期間水中總磷濃度隨時間變化的試驗數(shù)據(jù)與厭氧釋磷模型進行擬合分析，數(shù)據(jù)擬合效果良好，并確定相應的參數(shù)Pm、P0、K。通過相關(guān)性檢驗說明該模型能較好地描述不同污泥濃度條件下的PAOs厭氧釋磷過程。

在污泥性狀、進水水質(zhì)基本一致的情況下，污泥濃度越高，PAOs含量越多，PAOs體內(nèi)的最大可釋磷濃度越高，厭氧釋磷速率常數(shù)基本相當。從試驗數(shù)據(jù)和模型擬合結(jié)果可以看出，污泥濃度越高，Pm越大，K基本一致。

在污泥濃度、污泥性狀一致的情況下，不同有機碳源條件下的厭氧釋磷效率也有所不同。當碳源為醋酸鈉時，PAOs可利用的VFAs較多，體內(nèi)可釋放的磷量也越多，因此，Pm最大。值得注意的是，此時的K并不能單獨以有機物種類來判斷其大小，而應綜合考慮最大可釋磷量的變化。

參考文獻：

[1]Comeau Y，Hall K J，Hancock R E W，et al. Bilchemical model for enhanced biological phosphorus removal[J]. Wat Res，1986，20（12）：1511-1521.

[2]Wentzel M C. Metabolic behavior of Acinetobacter spp. in enhanced biological phosphate removal-a biochemical model[J]. Water South Africa，1986，12（4）：81-92.

[3]Smolders G F，van der Meij J，van Loosdrecht M C，et al. Model of the anaerobic metabolism of the biological phosphorus removal process：stoichiometry and pH influence[J]. Biotechnology and Bioengineering，1994，43（6）：461-470.

[4]何爭光，溫曉燦. 葡萄糖為碳源時生物除磷系統(tǒng)的影響因素研究[J]. 鄭州大學學報：工學版，2008，29（2）：103-106.

[5]Kargi F，Uygur A，Ba瘙 塂 kaya H S. Phosphate uptake and release rates with different carbon sources in biological nutrient removal using a SBR[J]. Journal of Environmental Management，2005，76（1）：71-75.endprint

3.2.3實際污水當n=8、顯著性水平α=0.001時，在實際廢水中的厭氧釋磷模型的r2=0.999 1>0.855 4，這說明回歸所得出的結(jié)果是極顯著的。采用相對誤差法對實際廢水中的厭氧釋磷模型進行檢驗，中值誤差=0.217%<10%，這說明實測值與擬合值擬合較好，因此可以認為該模型能較好地描述PAOs在污泥吸附期間的磷釋放過程。

4結(jié)論

PAOs厭氧釋磷量越多，其好氧吸磷量也就越多。厭氧段的污泥濃度越高、吸附時間越長，PAOs的釋磷效果就越好，釋磷量就越多；有機物種類直接影響PAOs的厭氧釋磷效率。PAOs的厭氧釋磷過程中，PAOs的釋磷速率與體內(nèi)最大釋磷量和污水中的總磷濃度有關(guān)。PAOs的厭氧釋磷模型為Pt=Pm/[1+（Pm-P0]e-KPmt/P0]。

通過將不同污泥濃度條件下，污泥吸附期間水中總磷濃度隨時間變化的試驗數(shù)據(jù)與厭氧釋磷模型進行擬合分析，數(shù)據(jù)擬合效果良好，并確定相應的參數(shù)Pm、P0、K。通過相關(guān)性檢驗說明該模型能較好地描述不同污泥濃度條件下的PAOs厭氧釋磷過程。

在污泥性狀、進水水質(zhì)基本一致的情況下，污泥濃度越高，PAOs含量越多，PAOs體內(nèi)的最大可釋磷濃度越高，厭氧釋磷速率常數(shù)基本相當。從試驗數(shù)據(jù)和模型擬合結(jié)果可以看出，污泥濃度越高，Pm越大，K基本一致。

在污泥濃度、污泥性狀一致的情況下，不同有機碳源條件下的厭氧釋磷效率也有所不同。當碳源為醋酸鈉時，PAOs可利用的VFAs較多，體內(nèi)可釋放的磷量也越多，因此，Pm最大。值得注意的是，此時的K并不能單獨以有機物種類來判斷其大小，而應綜合考慮最大可釋磷量的變化。

參考文獻：

[1]Comeau Y，Hall K J，Hancock R E W，et al. Bilchemical model for enhanced biological phosphorus removal[J]. Wat Res，1986，20（12）：1511-1521.

[2]Wentzel M C. Metabolic behavior of Acinetobacter spp. in enhanced biological phosphate removal-a biochemical model[J]. Water South Africa，1986，12（4）：81-92.

[3]Smolders G F，van der Meij J，van Loosdrecht M C，et al. Model of the anaerobic metabolism of the biological phosphorus removal process：stoichiometry and pH influence[J]. Biotechnology and Bioengineering，1994，43（6）：461-470.

[4]何爭光，溫曉燦. 葡萄糖為碳源時生物除磷系統(tǒng)的影響因素研究[J]. 鄭州大學學報：工學版，2008，29（2）：103-106.

[5]Kargi F，Uygur A，Ba瘙 塂 kaya H S. Phosphate uptake and release rates with different carbon sources in biological nutrient removal using a SBR[J]. Journal of Environmental Management，2005，76（1）：71-75.endprint

3.2.3實際污水當n=8、顯著性水平α=0.001時，在實際廢水中的厭氧釋磷模型的r2=0.999 1>0.855 4，這說明回歸所得出的結(jié)果是極顯著的。采用相對誤差法對實際廢水中的厭氧釋磷模型進行檢驗，中值誤差=0.217%<10%，這說明實測值與擬合值擬合較好，因此可以認為該模型能較好地描述PAOs在污泥吸附期間的磷釋放過程。

4結(jié)論

PAOs厭氧釋磷量越多，其好氧吸磷量也就越多。厭氧段的污泥濃度越高、吸附時間越長，PAOs的釋磷效果就越好，釋磷量就越多；有機物種類直接影響PAOs的厭氧釋磷效率。PAOs的厭氧釋磷過程中，PAOs的釋磷速率與體內(nèi)最大釋磷量和污水中的總磷濃度有關(guān)。PAOs的厭氧釋磷模型為Pt=Pm/[1+（Pm-P0]e-KPmt/P0]。

通過將不同污泥濃度條件下，污泥吸附期間水中總磷濃度隨時間變化的試驗數(shù)據(jù)與厭氧釋磷模型進行擬合分析，數(shù)據(jù)擬合效果良好，并確定相應的參數(shù)Pm、P0、K。通過相關(guān)性檢驗說明該模型能較好地描述不同污泥濃度條件下的PAOs厭氧釋磷過程。

在污泥性狀、進水水質(zhì)基本一致的情況下，污泥濃度越高，PAOs含量越多，PAOs體內(nèi)的最大可釋磷濃度越高，厭氧釋磷速率常數(shù)基本相當。從試驗數(shù)據(jù)和模型擬合結(jié)果可以看出，污泥濃度越高，Pm越大，K基本一致。

在污泥濃度、污泥性狀一致的情況下，不同有機碳源條件下的厭氧釋磷效率也有所不同。當碳源為醋酸鈉時，PAOs可利用的VFAs較多，體內(nèi)可釋放的磷量也越多，因此，Pm最大。值得注意的是，此時的K并不能單獨以有機物種類來判斷其大小，而應綜合考慮最大可釋磷量的變化。

參考文獻：

[1]Comeau Y，Hall K J，Hancock R E W，et al. Bilchemical model for enhanced biological phosphorus removal[J]. Wat Res，1986，20（12）：1511-1521.

[2]Wentzel M C. Metabolic behavior of Acinetobacter spp. in enhanced biological phosphate removal-a biochemical model[J]. Water South Africa，1986，12（4）：81-92.

[3]Smolders G F，van der Meij J，van Loosdrecht M C，et al. Model of the anaerobic metabolism of the biological phosphorus removal process：stoichiometry and pH influence[J]. Biotechnology and Bioengineering，1994，43（6）：461-470.

[4]何爭光，溫曉燦. 葡萄糖為碳源時生物除磷系統(tǒng)的影響因素研究[J]. 鄭州大學學報：工學版，2008，29（2）：103-106.

[5]Kargi F，Uygur A，Ba瘙 塂 kaya H S. Phosphate uptake and release rates with different carbon sources in biological nutrient removal using a SBR[J]. Journal of Environmental Management，2005，76（1）：71-75.endprint