除磷顆粒污泥中磷的形態(tài)及其含量分析

郭 超，劉懷英，王 琪，劉思琪，4，羅玉龍，劉小英，5

（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.山西安泰集團(tuán)股份有限公司，山西 介休 032002；3.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070；4.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400044；5.陜西省地下水與生態(tài)環(huán)境工程研究中心，陜西 西安 710055）

除磷顆粒污泥作為一種特殊的污泥存在形式，由于具有良好的沉降性能、較高的微生物量以及較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力等特點(diǎn)，因而受到廣泛關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者培養(yǎng)出具有除磷功能的顆粒污泥［1-2］。與傳統(tǒng)的絮狀污泥除磷相比，除磷顆粒污泥表面和內(nèi)部空隙較多，具有良好的吸附能力，利于吸附重金屬離子（如鉻、銅、鋅等）［3］，這一特點(diǎn)在除磷系統(tǒng)中具有積極作用。污水中的磷（P）以溶解性磷（聚合磷酸鹽、正磷酸鹽和少量有機(jī)磷酸鹽）和顆粒性磷（大部分有機(jī)磷酸鹽）形式存在。SMT 法作為一種提取和分類(lèi)測(cè)定P的有效方法，已經(jīng)被劉冠男等［4］、朱夢(mèng)圓等［5］和劉韜等［6］證實(shí)具有操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。

磷的去除一般有化學(xué)除磷和生物除磷兩種手段。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，污水生物處理中磷的去除主要途經(jīng)為生物除磷，但少數(shù)研究者發(fā)現(xiàn)胞外聚合物（EPS）具有一定的除磷能力。EPS由生物的合成、分泌、細(xì)胞溶解及大分子水解等形成，通常認(rèn)為它有利于微生物細(xì)胞凝聚，是微生物聚集體的重要組成部分［7］。EPS對(duì)污泥的絮體結(jié)構(gòu)、沉降脫水、污泥厭氧消化中細(xì)胞的可生物降解以及水中某些污染物質(zhì)（重金屬、P等）的去除都有積極作用［8-9］。目前EPS提取方法有超聲法、加熱法、硫酸法等，但EPS提取條件控制是EPS提取的關(guān)鍵?；诖?，本文以不同碳源培養(yǎng)的具有除磷能力的除磷顆粒污泥為研究對(duì)象，利用X 衍射法、SMT法對(duì)除磷顆粒污泥中P的存在形態(tài)和含量進(jìn)行了分析測(cè)定，并利用超聲法和加熱法分離胞內(nèi)與胞外物質(zhì)，提取EPS并分析其中總磷（TP）的含量，進(jìn)一步探討除磷顆粒污泥的除磷機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 除磷顆粒污泥來(lái)源

以實(shí)驗(yàn)室SBR 反應(yīng)器中培養(yǎng)的具有除磷能力的除磷顆粒污泥（人工配水）作為研究對(duì)象，考察4種不同碳源條件下除磷顆粒污泥中磷的存在形態(tài)及其含量。4 種不同碳源如下：1＃顆粒污泥：100 mg／L NaAc+300mg／L 黃水（白酒廢水）；2＃顆粒污泥：100 mg／L NaAc+300 mg／L 葡萄糖+40 mg／L蛋白胨；3＃顆粒污泥：400 mg／L 黃水；4＃顆粒污泥：400mg／L葡萄糖。

1.2 分析測(cè)試方法

顆粒污泥樣品經(jīng)自然風(fēng)干研磨密封后進(jìn)行X射線衍射分析，得到顆粒污泥樣本X 射線衍射圖譜，將其與PDF卡片中各物質(zhì)峰的圖譜進(jìn)行對(duì)比，從而確定污泥樣本中所含的化合物質(zhì)。

SMT 法可以測(cè)定顆粒污泥中總磷（TP）、有機(jī)磷（OP）、無(wú)機(jī)磷（IP）、鐵鋁結(jié)合磷（Fe／Al-P）和鈣結(jié)合磷（Ca-P）5種形態(tài)磷的含量。本試驗(yàn)從反應(yīng)器中取一定量顆粒污泥樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，利用SMT法對(duì)污泥樣品中5種形態(tài)磷的含量進(jìn)行分析測(cè)定，具體分析過(guò)程如圖1所示。

圖1 SMT 法分析過(guò)程Fig.1 Analysis procedure of SMT

1.3 除磷顆粒污泥中胞內(nèi)與胞外物質(zhì)的分離

本試驗(yàn)利用加熱法和超聲法，將除磷顆粒污泥中胞內(nèi)物質(zhì)和胞外物質(zhì)進(jìn)行分離（見(jiàn)圖2），提取污泥樣品中EPS，并測(cè)定其中TP的含量。

其中，EPS緩沖溶液組分為：2mmol／LNa3PO4，4 mmol／LNaH2PO4，9mmol／LNaCl，1mmol／LKCl，pH=7。利用核酸含量來(lái)判斷細(xì)胞破裂程度，核酸采用紫外分光光度法測(cè)定。顆粒污泥中TP、MLVSS、MLSS等采用國(guó)標(biāo)法測(cè)定［10］。

1.4 試驗(yàn)儀器

JY92-Ⅱ超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（工作頻率范圍為20～25kHz，變幅桿直徑為6 mm）；TGL-185臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)。

圖2 加熱法和超聲法分離胞內(nèi)與胞外物質(zhì)的流程Fig.2 Separation steps of intracellular material and extracellure material by heating method and ultrasonic method

2 結(jié)果與分析

2.1 除磷顆粒污泥的形態(tài)

圖3為4種不同碳源條件下培養(yǎng)的除磷顆粒污泥的形態(tài)。由圖3可以看出：不同碳源條件下，系統(tǒng)中顆粒污泥為主要存在形式，1＃和3＃顆粒污泥中粒徑差異較大，但粒徑較大的顆粒數(shù)量較少；4＃顆粒污泥中粒徑分布均勻。

圖3 不同碳源條件下培養(yǎng)的除磷顆粒污泥的形態(tài)（×40）Fig.3 Morphology of dephosphorization granular sludge cultured under different carbon sources（×40）

2.2 除磷顆粒污泥中磷的存在形態(tài)

2.2.1 XRD 圖譜分析

對(duì)4種不同碳源條件下培養(yǎng)的除磷顆粒污泥進(jìn)行X 射線衍射分析，得到XRD 圖譜，見(jiàn)圖4。

圖4 除磷顆粒污泥的XRD 圖譜Fig.4 XRD analysis of dephosphorization granular sludge

由圖4可知，除磷顆粒污泥中磷的存在形態(tài)多樣，磷主要與Ca、Fe、Al、Na、K、Mg等結(jié)合形成磷酸鹽化合 物，具體化 合物有 NH4Ca（PO3）3、Ca（H2PO2）2、K2H2P2O7、K2HP6N11、NaCa（PO4）4、Ca5（PO4）3（OH ）、KCaPO4、NaCaPO4、NaCa（PO3）3、AlFe（PO3）6、K2AlFe（P2O7）2、Fe3Mg3（PO4）4、Na2HPO4、Mg3（PO4）3和K4P2O7等，且與Ca形成的化合物種類(lèi)最多。其中，4＃顆粒污泥中磷酸鹽化合物種類(lèi)較其他污泥少，3＃顆粒污泥中磷酸鹽化合物種類(lèi)較多；進(jìn)水碳源越復(fù)雜形成的磷酸鹽化合物種類(lèi)越多，當(dāng)進(jìn)水碳源單一時(shí)，形成的磷酸鹽化合物種類(lèi)較少。

2.2.2 SMT 法定量分析

利用SMT 法可以將除磷顆粒污泥中磷的存在形態(tài)分為5種：與Fe和Al結(jié)合的Fe／Al-P、與Ca結(jié)合的Ca-P、無(wú)機(jī)磷IP、有機(jī)磷OP和總磷TP。本試驗(yàn)利用SMT 法對(duì)除磷顆粒污泥中5種形態(tài)磷的含量進(jìn)行了測(cè)定，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 除磷顆粒污泥中5種形態(tài)磷的含量（mg／g）Table 1 Content of 5kinds of existing morphology of phosphorus in dephosphorization granular sludge

由表1可以看出：除磷顆粒污泥中OP 含量較低，約占TP 的2.4%～3.0%，IP 含量高，約占TP的97%以上；1＃、2＃和3＃顆粒污泥中Ca-P分別占IP的53.50%、70.67%和82.73%，而Ca-P 是IP的主要部分，這一結(jié)果與X 射線衍射分析結(jié)果相一致。

2.2.3 胞內(nèi)和胞外物質(zhì)中磷的含量分析

利用加熱法和超聲法將除磷顆粒污泥中胞內(nèi)物質(zhì)和胞外物質(zhì)進(jìn)行分離，提取EPS并測(cè)定其中TP的含量，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 除磷顆粒污泥中磷在胞內(nèi)與胞外物質(zhì)的含量（%）Table 2 Phosphorus Percentage of intracellular material and extracellure material in dephosphorization granular sludge

由表2可以看出：核酸在EPS 中的比例均在20%以下，說(shuō)明除磷顆粒污泥中微生物細(xì)胞壁破壞程度較小，胞內(nèi)物質(zhì)沒(méi)有大量溶出，3＃顆粒污泥采用兩種方法分離結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加熱法較為劇烈；不同碳源培養(yǎng)的除磷顆粒污泥中磷在胞內(nèi)和胞外物質(zhì)的含量基本相當(dāng)，其中3＃顆粒污泥中胞內(nèi)物質(zhì)的TP含量略高于胞外物質(zhì)，這主要由于當(dāng)黃水作為碳源時(shí)，除磷顆粒污泥幾乎喪失了除磷能力；除磷顆粒污泥中胞外物質(zhì)的TP含量在34.87%～56.91%之間，該值與方振東等［11］和嚴(yán)杰能等［12］（EPS結(jié)合的TP占污泥TP的34%～57%）的研究結(jié)果接近，說(shuō)明胞外物質(zhì)的TP含量越高，除磷顆粒污泥的除磷能力越強(qiáng)。

2.3 除磷顆粒污泥的除磷機(jī)理分析

通過(guò)上述分析可知，磷在除磷顆粒污泥中主要以磷酸鹽化合物的形式存在，其中IP為主要組成部分，而IP基本均等地分布在胞內(nèi)物質(zhì)和胞外物質(zhì)中。由此推測(cè)，EPS對(duì)磷的去除具有積極作用。

EPS作為細(xì)胞表面的高分子有機(jī)物，它具有一定黏性，可以通過(guò)對(duì)磷進(jìn)行生物吸附，從而有利于除磷。除磷顆粒污泥除磷不僅依靠胞內(nèi)物質(zhì)對(duì)磷的生物降解，同時(shí)EPS對(duì)磷也具有較強(qiáng)的吸附作用。周健等［8］、韓瑋等［13］、朱邦輝 等［14］的研究 結(jié)果顯示EPS儲(chǔ)存了一定份額的磷，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致，而EPS對(duì)磷的吸附比例可能與碳源、微生物組成、反應(yīng)器操作等有關(guān)［15］。

3 結(jié)論

以實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的除磷顆粒污泥為研究對(duì)象，應(yīng)用X 衍射法和SMT 法對(duì)除磷顆粒污泥中磷的形態(tài)及其含量進(jìn)行了分析測(cè)定，并研究了除磷顆粒污泥的除磷機(jī)理，從而得到如下結(jié)論：

（1）除磷顆粒污泥XRD 圖譜分析結(jié)果顯示，當(dāng)進(jìn)水成分復(fù)雜時(shí)，磷酸鹽化合物種類(lèi)具有多樣性。

（2）除磷顆粒污泥中OP含量較低，約占TP的2.4%～3.0%，IP含量高，占TP的97%以上，其中Ca-P是IP的主要部分。

（3）除磷顆粒污泥中胞外物質(zhì)的TP 含量在34.87%～56.91%之間，說(shuō)明除磷顆粒污泥中EPS對(duì)磷的去除具有積極作用。

［1］Dulekgurgen E，Ovez S，Artan N.Enhanced biological phosphate removal by granular sludge in a sequencing batch reactor［J］.Biotechnology Letters，2003，25（9）：687-693.

［2］You Y，Peng Y，Yuan Z G，et al.Cultivation and characteristic of aerobic granular sludge enriched by phosphorus accumulating organisms［J］.Environ.Sci.，2008，29（8）：2242-2248.

［3］張興文，王芳，楊鳳林，等.好氧顆粒污泥的特點(diǎn)及其研究進(jìn)展［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備2004，11（3）：658-663.

［4］劉冠男，董黎明，王小輝.湖泊沉積物中三種磷提取方法比較［J］.巖礦測(cè)試，2011，30（3）：276-280.

［5］朱夢(mèng)圓，朱廣偉，錢(qián)君龍，等.SMT 法插標(biāo)分析沉積物中磷的地球化學(xué)形態(tài)［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2012（8）：1502-1507.

［6］劉韜，齊國(guó)輔，高海鷹.滇池沉積物磷形態(tài)的水平分布特征［J］.安全與環(huán)境工程，2010，17（6）：26-30.

［7］Laspidou G S，Rittmann B E.A unified theory for extracellular polymeric substances，soluble，microbial products，and active and inert biomass［J］.Wat.Res.，2002（11）：2711-2720.

［8］周健，栗靜靜，龍騰銳，等.胞外聚合物EPS 在廢水生物除磷中的作用［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008（9）：1758-1762.

［9］趙軍，徐高田，秦哲，等.胞外聚合物EPS組成及對(duì)污泥特性的影響研究［J］.安全與環(huán)境工程，2008，15（1）：66-69.

［10］國(guó)家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.第4版.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［11］方振東，龍向宇，唐然，等.胞外聚合物結(jié)合磷效能的研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（11）：2374-2379.

［12］嚴(yán)杰能，許燕濱，段曉軍，等.胞外聚合物的提取與特性分析研究進(jìn)展［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2009，27（2）：106-110.

［13］韓瑋，袁林江，柴璐.長(zhǎng)泥齡污水生物除磷系統(tǒng)的除磷效果［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，12（5）：17-22.

［14］朱邦輝，萬(wàn)金保.好氧顆粒污泥中胞外聚合物作用機(jī)理的探討［J］.江西科學(xué)，2009，27（6）：848-854.

［15］Kreuk M K，Heijnen J J，Van L M.Simultaneous COD，nitrogen，and phosphate removal by aerobic granular sludge［J］.Bio-technol and Bioeng，2005，90（6）：761-769.