生物膜法除磷的研究进展

第31卷第1期2006年2月Vol.31.No.1Feb.2006·47·收稿日期:2005-08-29基金项目：上海市2003年度科技启明星项目和国家“863”资助项目(编号:2002AA601020)作者简介：王建翔（1979－），男，同济大学2003级硕士研究生，研究方向为水污染控制。环境科学与管理ENVIRONMENTALSCIENCEANDMANAGEMENT文章编号:1673-1212(2006)01-0047-051前言磷是生物生长必需的元素之一，但水体中磷含量过高（超过0.2mg/l）可造成藻类的过度繁殖，引起严重的水质的富营养化问题。一般认为，磷是引起水体富营养化的主要污染限制因子[1-3]。国内外对控制水体中的磷含量均十分重视，经济、高效地降低排放废水的磷含量已成为防治水体富营养化的重要途径之一。在已有的污水除磷技术中，化学沉淀法是一种高效的处理方法，但费用高和产泥量大等因素限制了其发展。生物除磷可以在经济有效除磷的同时，实现脱氮和降解有机物。传统的生物除磷工艺主要以活性污泥法为基础。然而，活性污泥除磷系统一方面往往需要较大反应器和沉淀池，造价高，占地面积大；另一方面，容易发生污泥膨胀问题，从而恶化处理后的水质，降低了系统中的生物量。生物膜法除磷作为活性污泥法除磷的替代技术之一，与活性污泥法相比，具有许多优点[4-5]，包括：⑴水力停留时间短，反应器体积小，运行管理方便灵活；⑵对毒性物质和冲击负荷具有较强的抵抗性；⑶提供了在同一反应器中同时固定不同微生物的可能性；⑷污泥沉降性能好，避免了污泥膨胀问题；⑸污泥产量低，干污泥中磷的含量较高；⑹可以有效地防止在沉淀池中磷的二次释放，提高除磷效率等。目前国内外对生物膜法除磷技术的研究尚处在实验阶段，但受到越来越多的关注。2机理及工艺选择2.1生物膜法除磷的微生物和生化机理填料上生物膜的微生物相十分丰富，形成了一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物等多个营养级组成的复杂生态系统。随着处理工艺、反应条件和原水水质的不同，生物膜上起除磷作用的细菌种类、优势菌属也不同[6-8]。Cloete等人[9]发现：假单胞菌属、气单胞菌属、不动杆菌属、芽孢杆菌属等都能过量地摄取废水中的磷以聚磷酸盐的形式贮存于细胞内。李军等人[10]通过小试确定出淹没式生物膜法除磷工艺中的优势菌属为假单胞菌属，其次依顺序为气单胞菌属、芽抱杆菌属、微球菌属、硝化杆菌属，这些兼性菌属在好氧状态下能超量地将污水中的磷吸入细胞内，被广泛地用于生物除磷，称之为聚磷菌（PAOs）。Kerrn璊espersen等人[11]认为，聚磷菌可以分为两类：一类只能在好氧状态下利用氧作为电子受体，称为好氧聚磷菌，另外一类既可以利用氧的同时又可以在缺氧状态下利用硝酸盐作为电子受体进行吸磷，称为反硝化聚磷菌，两类聚磷菌有着同样的生物除磷效能。目前对生物膜法除磷机理还处于研究阶段，一般认为：生物膜上的聚磷菌交替处于厌氧/好氧环境是实现生物除磷的关键。在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧条件下，聚磷菌分解体内的聚磷酸盐（poly-P）产生能量，并放出磷酸盐以维持聚磷菌的代谢，同时将胞外大量的短链脂肪酸（SCFA）摄入细胞内并合成聚羟基链烷酸酯（PHA）——主要是聚β羟基丁酸（PHB），合成PHA的能量来自聚磷酸盐分解过程中产生的三磷酸腺苷（ATP）；在好氧条件下，由于环境条件有利，聚磷菌可快速生长、繁殖，此时聚磷菌利用分解胞内PHA所产生的ATP将废水中的磷酸盐过量摄取到胞内，并转变成聚磷酸盐。聚磷菌在好氧环境下所摄取的磷远比在厌氧环境下所释放的磷多，使体内的含磷量可超过10％，有时甚至高达30％[12]，通过及时排出脱落的生物膜，就能使污水中磷的含量大大降低。由于厌、好氧环境的交替发生，聚磷菌可利用胞内和胞外的能量进行分解代谢和合成代谢，因而在与其他微生物的竞争中占优势，在系统中形成优势种群，最终成为稳定的高效除磷体系。另外，在成熟的生物膜中生长着以有机物、细菌为食物的原生动物和后生动物，当生物膜从厌氧条件转为好氧时，原生动物和后生动物的活性大大提高，大量吞噬过量摄取磷的聚磷菌而使自身体内富集了磷。随着原生动物和后生动物的死亡脱落，这部分磷也转入污泥，从而提高生物膜反应器中脱落污泥的磷含量；在好氧期由于原生动物、后生动物的活动可消减生物膜的厚度，提高氧转移率，促使生物膜松动、脱落，从而能使生物膜保持经生物膜法除磷的研究进展王建翔1,陈洪斌2,何群彪3,屈计宁4（1.2.3.4同济大学城市污染控制国家工程研究中心，上海200092）摘要:传统生物除磷技术以活性污泥法为基础。近年来，研究表明，生物膜法同样可以成为一种有效的生物除磷技术。文章介绍了生物膜法除磷的生化机理、工艺选择、影响因素，探讨了国内外生物膜法除磷技术的发展状况。该领域的