一株細菌在高速公路服務(wù)區(qū)生活污水中強化除磷的應用研究

秦 敏

（山西省交通環(huán)境保護中心站（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

在高速公路建設(shè)飛速發(fā)展的時代，沿線的高速公路服務(wù)區(qū)產(chǎn)生的污水問題引起了社會的高度重視。服務(wù)區(qū)一般位于遠離城區(qū)較為偏僻的位置，大部分服務(wù)區(qū)產(chǎn)生的污水無法直接排入城市市政管網(wǎng)且早期缺乏合適的污水處理設(shè)備，這樣勢必導致污水流入周邊的環(huán)境，從而造成一定的水體污染。高速公路服務(wù)區(qū)污水主要為常住工作人員以及來往旅客產(chǎn)生的生活污水，產(chǎn)生量一般在50～300 m3/d之間[1]。與常規(guī)生活污水相比，高速公路服務(wù)區(qū)產(chǎn)生的污水具有較高濃度的氨氮和磷，污水日變化系數(shù)大，因此需要采用合理的污水處理技術(shù)以實現(xiàn)污水中氮磷的達標排放。

目前，高速公路服務(wù)區(qū)污水處理系統(tǒng)應用較多的有MBR、SBR法、氧化溝、A/O工藝、多生物過濾器+人工濕地處理系統(tǒng)等傳統(tǒng)工藝[2]。就山西省而言，地埋式A/O一體化裝置在高速公路服務(wù)區(qū)污水處理中應用最多，但是傳統(tǒng)的污水處理工藝均存在不同程度的缺陷。就除磷而言，一般需要額外投加除磷劑才能實現(xiàn)達標排放，但是在微生物除磷系統(tǒng)中，高效的除磷需要較短的水力停留，如果水力停留時間過長會釋放磷，與需要較長水力停留時間的脫氮過程相沖突。

因此本文利用一株高效除磷菌用于高速公路服務(wù)區(qū)污水處理的應用研究，拓展了細菌處理高速公路服務(wù)區(qū)污水的菌株資源，對生物法處理高速公路服務(wù)區(qū)污水特別是高效除磷的實際應用提供了重要的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 廢水水質(zhì)

通過對山西省晉北、晉中、晉南地區(qū)某服務(wù)區(qū)污水現(xiàn)場取樣，通過實驗室檢測確定其水質(zhì)情況，具體進水水質(zhì)見表1。從表1可知：COD濃度范圍在300～450 mg/L，氨氮濃度范圍在35～46 mg/L，TN濃度范圍在42～53 mg/L，TP濃度范圍在5～6 mg/L，pH范圍在7～8左右。

表1 山西省部分服務(wù)區(qū)污水進水水質(zhì)情況一覽表

根據(jù)上述水質(zhì)指標的范圍，最終實驗室模擬用水由葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀人工配制而成，模擬廢水水質(zhì)指標具體如下：cCOD=350 mg/L，cBOD5=110 mg/L，c氨氮=40 mg/L，cTN=48 mg/L，cTP=5.0 mg/L，pH=7.5。

1.2 實驗內(nèi)容

1.2.1 除磷的最優(yōu)環(huán)境條件

將該菌株在液體某培養(yǎng)基中活化24 h（200 rpm，25℃），接10%的接種量將活化后的細菌接入到模擬服務(wù)區(qū)的生活廢水中，設(shè)置不同溫度（5 ℃～35℃）、不同初始pH（5～9）、不同C/N，間隔一定時間測定菌液的OD600和上清液中磷的濃度，并計算除磷效率，從而確定該菌株除磷的適宜條件。

1.2.2 磷的分級提取

為了研究除磷效率最大時菌體中磷的遷移性和可生物利用性，采用SMT方法[3]對磷進行提取和定量分析。具體實驗流程如圖1所示。

圖1 SMT分級提取流程圖

1.3 分析方法

TP的測定采用鉬酸銨分光光度法，通過測定不同環(huán)境條件（溫度、pH、C/N）下上清液中磷的濃度，計算其去除率。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對出水水質(zhì)的影響

溫度會影響細菌的正常生長代謝活動。一般而言，在低溫時微生物生長較為緩慢，溫度過高時蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導致一些生物大分子失活，進而導致微生物的死亡，因此需要尋找適宜該菌株生長的最佳溫度。

圖2分別是不同溫度下該菌株隨時間變化的生物量（OD600與生物干重存在一定的正相關(guān)關(guān)系）和總磷的去除率，從圖中可知：隨著溫度的升高（5℃～35℃），OD600和總磷的去除率都隨之增加，當溫度大于25℃時，生物量在24 h時達到1.4 g/L，且總磷的去除率達到85%以上，當溫度低于25℃時，生物量在36 h時接近1.4 g/L，且總磷的去除率在80%左右，因此該菌株能夠在較低溫度條件下對磷有較高的去除率。在實際工程應用中，一般傳統(tǒng)活性污泥易受到環(huán)境溫度的影響使得除磷率降低，因此該菌株在低溫環(huán)境中具有良好的應用前景。

圖2 不同溫度下菌株生物量與除磷率隨時間的變化情況

2.2 pH對出水水質(zhì)的影響

微生物表面的電荷和活性容易受到生長環(huán)境pH的影響。一般而言，a）pH通過改變蛋白等生物大分子所帶的電荷進而影響細胞活性；b）pH通過改變細菌表面的細胞膜電荷，對水體中碳源、氮源等的吸收率就會受到影響[4]。

圖3為不同pH下該菌株生物量與除磷率的變化情況。從圖中可知：當pH在6～9時，在穩(wěn)定期時生物量與除磷效果無明顯差異性；pH=5時，除磷效果顯著下降，最大除磷率僅僅為60%左右，因此該菌株適應的pH范圍為6～9。

圖3 不同pH下菌株生物量與除磷率隨時間的變化情況

2.3 C/N對出水水質(zhì)的影響

C/N會影響細菌對碳源的攝取情況，進而影響其處理效果。圖4是不同C/N對該菌株生物量與磷去除率的影響，從圖中可知：當C/N=3、C/N=6時，生物量與總磷的去除率明顯低于C/N=10、C/N=15，這是因為低C/N時，該菌株能利用的有機物含量較少，嚴重影響其生長。

圖4 不同C/N下菌株生物量與除磷率隨時間的變化情況

2.4 菌體中磷的形態(tài)

在SMT法中，磷的形態(tài)可以分為：總磷（TP）、有機磷（OP）、無機磷（IP）、非磷灰石無機磷（NAIP）、磷灰石無機磷（AP）。非磷灰石無機磷（NAIP）是一種可生物利用的磷形式；有機磷（OP）在微生物的分解作用下可以轉(zhuǎn)化為磷酸鹽，之后與水體中的鐵結(jié)合轉(zhuǎn)化為被生物可利用的磷形式，所以一般將NAIP和OP作為生物可利用的磷形式。

當菌體剛接入高速公路服務(wù)區(qū)生活污水中，即0 h時，菌體中的總磷含量為16.32 mg-P/g-干重；隨著菌株的生長（8 h時），菌體中總磷含量積累到18.64 mg-P/g-干重，因為該時間段（0～8 h）內(nèi)菌株生長需要適應環(huán)境的變化，生物量增長速率低于吸收總磷的速率；隨著生長進入對數(shù)期（12～36 h），菌體中積累的總磷含量減少，但生物量增加速率快，因此單位干重的菌體中積累的磷含量減少。在整個菌株生長過程中，有機磷含量變化與總磷變化趨勢相同。

表2 SMT提取法測定細菌中P組分的含量 mg-P/g-干重

在傳統(tǒng)活性污泥中，聚磷菌的OP含量為1.4～5.8 mg-P/g-干重，占TP的9.9%～22%。該菌株菌體中OP的含量為13.24～17.99 mg-P/g-干重，占總磷的89.77%～97.44%，該含量和占比都高于傳統(tǒng)的聚磷菌。隨著時間的延長（8～36 h），菌體中NAIP的含量先減少后增加，而OP的含量逐漸減少，但NAIP和OP的總百分比約為99%，這表明積累在該菌體中的磷形式具有很高的生物可利用性。在傳統(tǒng)活性污泥中，NAIP和OP的總百分比為85%[5]。AP（小于0.05%）被認為是非生物可利用的磷（基本可以忽略）。因此，該菌株除磷的主要途徑是將生活污水中的磷酸鹽轉(zhuǎn)化為OP，且菌體中的磷形式具有可遷移和可生物利用性。所以該菌株應用于高速公路服務(wù)區(qū)生活污水中磷的去除和回收具有重要的理論意義。

3 結(jié)論

本文研究了該菌株在高速公路服務(wù)區(qū)生活污水中強化除磷的最優(yōu)環(huán)境條件和磷的形式。結(jié)果表明：該菌株能在溫度為5℃～35℃、pH為6～9、C/N＞10的污水中有良好的生長和高效的除磷效率；且除磷后的菌體內(nèi)含磷量主要以易于遷移和可生物利用的磷形式OP和NAIP存在，其占比高達99%，因此該菌株為高速公路服務(wù)區(qū)生活污水中磷的去除以及磷的回收提供了新思路，對實際工程實踐具有重要意義。