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生物除 磷与微生物学原理

2015/06/05 | 作者: hanchaodirector | 查看: | 评论: 0 | 来源: 瀚潮环保

由于现代工业的发展,水体富 营养化问题日趋严重,其中磷 是藻类生长的限制因子之一,水体中 磷浓度过高是导致水体富营养化的关键元素之一。磷在污 水中主要存在形式包括:正磷酸盐、聚磷酸 盐和有机磷三种形态,生活污 水中聚磷酸盐和有机磷占总磷的70%左右,约10%左右以固体形式存在,针对水体的除磷要求,常用的 方法包括化学除磷和生物除磷。化学除 磷是指投加一些化学药剂,使水体 中的溶解态磷转化为不可溶解态,继而沉降去除,但化学除磷成本较高,且容易造成二次污染,不宜长期使用;生物除 磷主要是指利用微生物去除水体中过量的磷。采用微 生物法去除水体中的磷在国内外已经实现,这充分 说明了微生物具有脱磷的能力,如假单胞菌属(Pseudomonas)等。微生物 地球化学研究成果表明,P元素在 岩石圈和水圈中的迁移和分布也和微生物的摄磷、释磷有密切关系。土壤化 学中利用土壤解磷微生物VA 菌根溶 解不溶性磷酸盐来提高肥力,将植物 难以吸收利用的磷转化为可吸收利用的形态,正是基 于微生物对磷的作用。

根据某 些微生物在好氧条件下不仅能大量吸收磷酸盐(PO43-)合成自身物质和ATP,而且还 能逆浓度梯度过量吸磷合成贮存能量的多聚磷酸盐颗粒(即异染颗粒Metachromatic Granules)于体内,供其内源呼吸用,在厌氧 时又能释放磷酸盐(PO43-)于体外,称这些细菌为聚磷菌,也就是聚磷微生物(Poly-phosphate Accumulating Organisms, 简称PAOs),PAOs不是单 一的微生物而是由不同的微生物群落组成,在不同 的生物除磷活性污泥中微生物组成不同,其优势 菌种也存在着差异。

具有聚 磷能力的微生物就目前所知绝大多数是细菌。目前已 经从生物强化除磷系统(Enhanced Biological Phosphate Removal ,简称EBPR)中分离 出许多种类的聚磷微生物,主要有不动杆菌、气单胞菌、假单胞菌、棒状菌 群和肠杆菌科等。

 

除磷的生物化学机制

传统生物除磷机理:

目前普 遍认可的生物除磷理论是聚磷微生物的摄/放磷原理:在厌氧环境下,聚磷菌 把细胞中的聚磷水解为正磷酸盐(PO43—P)释放到细胞外,并从中获取能量。污水中 易生物降解的溶解性COD被产酸 菌和某些聚磷菌酸化分解成乙酸等低分子有机物,包括挥发性脂肪酸(VFA)或短链脂肪酸(SCFA),VFASCFA)不仅能被聚磷菌利用,而且能 诱导激发细胞将其体内积累的高能聚合磷分解,释放出磷酸根和键能,聚磷菌 通过三磷酸腺苷(ATP)→二磷酸腺苷(ADP)的转换,将废水 中的有机物摄入细胞内,以胞内 碳能源存储物聚羟基烷酸(PHA)、聚-β-羟丁酸(PHB)及糖原 等有机颗粒的形式贮存在体内。

在好氧区内,聚磷菌 将贮存于体内的PHB进行好氧分解,并通过三羧酸循环(TCA循环)产生ATP,释放出 大量能量供聚磷菌增殖,在充分 利用基质的同时,大量吸 收溶解态的正磷酸盐,在细胞 内合成并积累多聚磷酸盐,对磷积 累可达细胞干重的6%左右,个别可达8%PAOs以循环方式经历厌氧/好氧环境后,本底环 境的磷在好氧环境下以聚磷形式储存在细胞内,最终通 过排放富含聚磷菌的剩余污泥实现除磷的目的。

 

微生物除磷
厌氧释放磷的过程

在厌氧条件下,聚磷菌 将体内储藏的聚磷分解,产生的 磷酸盐进入液体中(释放磷),同时产 生的能量可供聚磷菌在厌氧条件下生理活动之需,还可用 于主动吸收外界环境中的可溶性脂肪酸,在菌体内以聚-β-羟丁酸(PHB)的形式储存。细胞外 的乙酸转移到细胞内生成乙酰COA(乙酰辅酶A)的过程需要耗能,这部分 能量来自菌体内聚磷的分解,聚磷分 解导致了可溶性磷酸盐从菌体内的释放和金属阳离子转移到细胞外。

在厌氧条件下,以乙酸为碳源,聚磷菌 释磷以简化的方式描述为:

C2H4O2+0.2(HPO3)(聚磷)+H2O → (C5H4O2)2(贮存有机物)+PO43-+3H+

②好氧吸磷的过程

在好氧条件下,聚磷菌菌体内的聚-β-羟丁酸(PHB)分解成乙酰COA(乙酰辅酶A),一部分用于细胞合成,大部分 进入三羧酸循环和乙醛酸循环,产生氢离子和电子;从聚-β-羟丁酸(PHB)分解过 程中也产生氢离子和电子,这两部 分氢离子和电子经过电子传递产生能量,同时消耗氧。产生的 能量一部分供聚磷菌正常的生长繁殖,另一部 分供其主动吸收环境中的磷,并合成聚磷,使能量 储存在聚磷的高能磷酸键中,这就导 致菌体从外界吸收可溶性磷酸盐和金属阳离子进入体内。

在好氧条件下,聚磷菌 吸磷以简化的方式描述为:

C2H4O2+0.16NH4++1.2O2+0.2PO43- → 0.16C5H7NO2+1.2CO2(HPO3)(聚磷)+0.44OH-+1.44H2O

微生物除磷

聚磷菌 是一类生长较慢的细菌,它之所 以能在厌氧和好氧系统中占优势,与其能 够进行聚磷和储存分解聚-β-羟丁酸(PHB)有关。在厌氧条件下,聚磷菌 不能分解外界的有机物来获得能量,可以分 解体内的聚磷来获得能量而生长繁殖。因此,聚磷菌 同不聚磷的微生物相比,更能适 应厌氧和好氧交替的环境而成为优势菌群。

 

反硝化 聚磷菌除磷机理:

反硝化 除磷现象的发现是生物除磷的最新研究成果。该研究表明,除PAOs可在好 氧环境中摄磷外,一种兼 性厌氧反硝化细菌(DenitrifyingPhosphorusRemovingBacteriaDPB)也能在厌氧/缺氧交 替的运行环境下摄磷。该微生物利用O2NOx-作为电子受体,并且在吸磷的同时将NOx-N转变成为N2或氮化物,在无溶解氧和只存在NOx-的缺氧情况下,DPB进行反硝化的同时,将污水 中的磷以聚磷的形式吸入细胞内而去除。

在缺氧的条件下,表达式为:

C2H4O2+0.16NH4+ + 0.96NO3-+ 0.2PO34- 0.16C5H7NO2+ 1.2CO2+ 0.2(HPO3)(聚磷)+ 1.4OH-+ 0.96H2O+ 0.48N2

由于DPB可在缺氧环境下摄磷,这就使 得摄磷和反硝化两个过程借助同一种细菌在同一个环境下完成,将摄磷和反硝化(脱氮)两个彼 此独立的生物过程合二为一。

 

但在普 通废水的生化处理过程中,微生物 除磷的同时虽然吸收元素用以合成细胞物质和合成ATP(三磷酸腺苷)等,但只去除污水中约19%左右的磷,残留在 水中的磷还相当高。

在自然地表水体中,一般水 量较大且水力停留时间短,微生物 反应环境的条件难以控制,所以通 过搭配使用生态浮岛、水下森 林等植物修复手段,可以明 显提高水体的除磷效果。作为植 物三大营养元素之一的磷,是植物 生长发育不可缺少的,磷是植 物体内许多重要有机物的组成部分,同时又 以多种方式参与植物体内各种代谢过程。

植物生 命活动所需要的能量以及能量的传递和储备都依靠磷酸化合物,在水体中,能被植 物根系直接吸收的磷主要是一价磷酸根离子和二价磷酸根离子,而三价磷酸根离子、聚磷酸 盐和有机磷酸盐则不能或很难被植物根系吸收。污水中 的磷元素被植物根系吸收后,经同化 作用可变成植物的ATPDNA以及RNA等有机成分,通过植 物的收割而从水体中移除。


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