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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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