郭 超，劉懷英，王 琪，劉思琪，4，羅玉龍，劉小英，5

（1.武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430065；2.山西安泰集團股份有限公司，山西 介休 032002；3.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070；4.重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院，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的抗沖擊負荷能力等特點，因而受到廣泛關注。目前，國內外一些學者培養(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磷酸鹽）和顆粒性磷（大部分有機磷酸鹽）形式存在。SMT 法作為一種提取和分類測定P的有效方法，已經被劉冠男等［4］、朱夢圓等［5］和劉韜等［6］證實具有操作簡單、準確性高的優(yōu)點。

磷的去除一般有化學除磷和生物除磷兩種手段。傳統(tǒng)的觀點認為，污水生物處理中磷的去除主要途經為生物除磷，但少數研究者發(fā)現胞外聚合物（EPS）具有一定的除磷能力。EPS由生物的合成、分泌、細胞溶解及大分子水解等形成，通常認為它有利于微生物細胞凝聚，是微生物聚集體的重要組成部分［7］。EPS對污泥的絮體結構、沉降脫水、污泥厭氧消化中細胞的可生物降解以及水中某些污染物質（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象，利用X 衍射法、SMT法對除磷顆粒污泥中P的存在形態(tài)和含量進行了分析測定，并利用超聲法和加熱法分離胞內與胞外物質，提取EPS并分析其中總磷（TP）的含量，進一步探討除磷顆粒污泥的除磷機理。

1 材料與方法

1.1 除磷顆粒污泥來源

以實驗室SBR 反應器中培養(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 分析測試方法

顆粒污泥樣品經自然風干研磨密封后進行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卡片中各物質峰的圖譜進行對比，從而確定污泥樣本中所含的化合物質。

SMT 法可以測定顆粒污泥中總磷（TP）、有機磷（OP）、無機磷（IP）、鐵鋁結合磷（Fe／Al-P）和鈣結合磷（Ca-P）5種形態(tài)磷的含量。本試驗從反應器中取一定量顆粒污泥樣品經自然風干后，利用SMT法對污泥樣品中5種形態(tài)磷的含量進行分析測定，具體分析過程如圖1所示。

圖1 SMT 法分析過程Fig.1 Analysis procedure of SMT

1.3 除磷顆粒污泥中胞內與胞外物質的分離

本試驗利用加熱法和超聲法，將除磷顆粒污泥中胞內物質和胞外物質進行分離（見圖2），提取污泥樣品中EPS，并測定其中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。利用核酸含量來判斷細胞破裂程度，核酸采用紫外分光光度法測定。顆粒污泥中TP、MLVSS、MLSS等采用國標法測定［10］。

1.4 試驗儀器

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

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

2 結果與分析

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4種不同碳源條件下培養(yǎng)的除磷顆粒污泥進行X 射線衍射分析，得到XRD 圖譜，見圖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形成的化合物種類最多。其中，4＃顆粒污泥中磷酸鹽化合物種類較其他污泥少，3＃顆粒污泥中磷酸鹽化合物種類較多；進水碳源越復雜形成的磷酸鹽化合物種類越多，當進水碳源單一時，形成的磷酸鹽化合物種類較少。

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結合的Fe／Al-P、與Ca結合的Ca-P、無機磷IP、有機磷OP和總磷TP。本試驗利用SMT 法對除磷顆粒污泥中5種形態(tài)磷的含量進行了測定，其結果見表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，這一結果與X 射線衍射分析結果相一致。

2.2.3 胞內和胞外物質中磷的含量分析

利用加熱法和超聲法將除磷顆粒污泥中胞內物質和胞外物質進行分離，提取EPS并測定其中TP的含量，其結果見表2。

表2 除磷顆粒污泥中磷在胞內與胞外物質的含量（%）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，說明除磷顆粒污泥中微生物細胞壁破壞程度較小，胞內物質沒有大量溶出，3＃顆粒污泥采用兩種方法分離結果發(fā)現，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和胞外物質的含量基本相當，其中3＃顆粒污泥中胞內物質的TP含量略高于胞外物質，這主要由于當黃水作為碳源時，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的TP含量在34.87%～56.91%之間，該值與方振東等［11］和嚴杰能等［12］（EPS結合的TP占污泥TP的34%～57%）的研究結果接近，說明胞外物質的TP含量越高，除磷顆粒污泥的除磷能力越強。

2.3 除磷顆粒污泥的除磷機理分析

通過上述分析可知，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物質和胞外物質中。由此推測，EPS對磷的去除具有積極作用。

EPS作為細胞表面的高分子有機物，它具有一定黏性，可以通過對磷進行生物吸附，從而有利于除磷。除磷顆粒污泥除磷不僅依靠胞內物質對磷的生物降解，同時EPS對磷也具有較強的吸附作用。周健等［8］、韓瑋等［13］、朱邦輝 等［14］的研究 結果顯示EPS儲存了一定份額的磷，這與本試驗結果一致，而EPS對磷的吸附比例可能與碳源、微生物組成、反應器操作等有關［15］。

3 結論

以實驗室培養(yǎng)的除磷顆粒污泥為研究對象，應用X 衍射法和SMT 法對除磷顆粒污泥中磷的形態(tài)及其含量進行了分析測定，并研究了除磷顆粒污泥的除磷機理，從而得到如下結論：

（1）除磷顆粒污泥XRD 圖譜分析結果顯示，當進水成分復雜時，磷酸鹽化合物種類具有多樣性。

（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的TP 含量在34.87%～56.91%之間，說明除磷顆粒污泥中EPS對磷的去除具有積極作用。

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