劉有華 王思婷 楊喬喬 韓迎亞 王倩楠 安賢惠 李聯(lián)泰

摘要：水體的富營(yíng)養(yǎng)化打破了水環(huán)境原有的生態(tài)平衡，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致水生生物大量死亡，加劇水環(huán)境污染。水體富營(yíng)養(yǎng)化主要由氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量過(guò)多引起，其中磷是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化最為關(guān)鍵的因素之一?？刂扑w中的磷含量是解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的關(guān)鍵一環(huán)。有一類(lèi)聚磷菌在厭氧/好氧交替培養(yǎng)下能將大量的磷吸入，并以多聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存于體內(nèi)。利用這些細(xì)菌控制水體磷含量，不僅成本低、效率高，而且不會(huì)造成二次污染，是一種環(huán)境友好型的解決方法，對(duì)解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題、緩解水資源匱乏以及改善城鄉(xiāng)居住環(huán)境具有重要意義。針對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，著重介紹了國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀及危害;比較了幾種常用除磷方法的優(yōu)缺點(diǎn);總結(jié)了生物除磷的發(fā)展歷程，目前分離篩選的聚磷菌種類(lèi)、特性及其聚磷機(jī)理以及聚磷菌在除磷工藝中的應(yīng)用;探討了聚磷菌在富營(yíng)養(yǎng)化水體治理中的應(yīng)用前景，以期為解決磷超標(biāo)問(wèn)題提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：水體富營(yíng)養(yǎng)化;磷;聚磷菌;生物除磷

中圖分類(lèi)號(hào)： X52;X172 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2021）09-0026-10

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，大量未經(jīng)處理的廢水直接進(jìn)入水體，導(dǎo)致各水體中氮、磷的含量不斷增加，水體富營(yíng)養(yǎng)化越來(lái)越嚴(yán)重[1-2]。各國(guó)都在努力解決這一問(wèn)題，制定嚴(yán)格的廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，限制工礦企業(yè)對(duì)氮、磷元素的排放。同時(shí)多個(gè)國(guó)際組織也很重視水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，從不同渠道為該問(wèn)題的解決提供理論依據(jù)和處理手段[3]。早在20世紀(jì)70年代，包括美國(guó)在內(nèi)的18個(gè)成員國(guó)之間建立了國(guó)際富營(yíng)養(yǎng)化研究合作計(jì)劃，該計(jì)劃在世界各地進(jìn)行了大量的調(diào)查與研究，確定了氮、磷元素是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因和物質(zhì)基礎(chǔ)[4]?？刂扑w中的氮、磷含量，是解決水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要手段。生物除磷為水體富營(yíng)養(yǎng)化的解決提供了有效途徑，其中應(yīng)用最廣的是聚磷菌（phosphate accumulating organisms，PAOs）。探討聚磷菌的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，可為解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題提供有益的幫助。

1 國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀

1.1.1 湖泊、水庫(kù)和河流的富營(yíng)養(yǎng)化 水體富營(yíng)養(yǎng)化是全球性的重大環(huán)境問(wèn)題，根據(jù)OECD（經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織）總磷富營(yíng)養(yǎng)化界值（0.035 mg/L），世界各地的富營(yíng)養(yǎng)化情況相差懸殊，部分地區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化極其嚴(yán)重。其中，湖泊和水庫(kù)由于水體流動(dòng)性較差，水體富營(yíng)養(yǎng)化情況最為嚴(yán)重[5]。例如，西班牙800多座水庫(kù)中，有1/3處于重度富營(yíng)養(yǎng)化[6]。加拿大的31.8萬(wàn)個(gè)湖泊中，有1/4的湖泊處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟甗7]。除西班牙和加拿大外，美國(guó)在1996年的水質(zhì)調(diào)查報(bào)告中也顯示，高達(dá)51%的湖泊和水庫(kù)遭受著富營(yíng)養(yǎng)化的威脅。國(guó)際富營(yíng)養(yǎng)化研究合作計(jì)劃也曾對(duì)全球水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況做過(guò)調(diào)查，結(jié)果顯示全球30%～40%的湖泊和水庫(kù)遭受著不同程度水體富營(yíng)養(yǎng)化污染[7]。水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因是工農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)以及污水處理廠(chǎng)的排污，部分是由于自然原因[8]。

相對(duì)湖泊和水庫(kù)來(lái)說(shuō)，河流的富營(yíng)養(yǎng)化情況較為樂(lè)觀(guān)，因?yàn)榈统潭鹊母粻I(yíng)養(yǎng)化可以促進(jìn)水底植物的生長(zhǎng)，反而有益于提高河流系統(tǒng)的自?xún)裟芰?。但依然存在著一些河流富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題。法國(guó)、印度和扎伊爾等國(guó)家的環(huán)境調(diào)查報(bào)告中顯示，很多河流由于葉綠素值過(guò)高，藻類(lèi)生長(zhǎng)十分迅速，大量大型植物降低了水流，影響航運(yùn)交通[4]。美國(guó)水質(zhì)調(diào)查報(bào)道也顯示，有40%的河流受到富營(yíng)養(yǎng)化的負(fù)面影響[7]。

1.1.2 海洋的富營(yíng)養(yǎng)化 海洋富營(yíng)養(yǎng)化是由于海洋中限制性營(yíng)養(yǎng)鹽的增加，使原有的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生結(jié)構(gòu)改變和功能退化。國(guó)外有許多關(guān)于海洋水體富營(yíng)養(yǎng)化的報(bào)道，比如：黑海、北海、墨西哥灣、巴倫支海和格林蘭海域等都受到了水體富營(yíng)養(yǎng)化的威脅，使得海洋生態(tài)遭受破壞，降低了海洋生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性和穩(wěn)定性[9-11]。意大利、法國(guó)等多個(gè)沿海地區(qū)也因?yàn)楦粻I(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，暫停漁業(yè)捕撈作業(yè)，關(guān)閉海濱浴場(chǎng)，直接減緩了海洋經(jīng)濟(jì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1.2 我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀

我國(guó)水資源總量較多，但人均淡水資源占有量卻低于世界平均水平，其主要原因之一就是我國(guó)水資源遭受?chē)?yán)重污染?！?011年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》表明，調(diào)查的26個(gè)重點(diǎn)湖泊中，有57.7%沒(méi)有達(dá)到Ⅲ類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)[12]。此外，還對(duì)139座主要水庫(kù)進(jìn)行了調(diào)查，有21座沒(méi)有達(dá)到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，其中8座水庫(kù)處于劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)狀態(tài)。在對(duì)長(zhǎng)江、黃河等十大水系實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的約470個(gè)斷面中，Ⅰ～Ⅲ類(lèi)占610%，沒(méi)達(dá)到Ⅲ類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)占39%（其中Ⅳ～Ⅴ類(lèi)占26.7%，劣Ⅴ類(lèi)占13.7%）。

直到2018年，生態(tài)環(huán)境部調(diào)查報(bào)告顯示，監(jiān)測(cè)的111個(gè)重點(diǎn)湖泊/水庫(kù)中，Ⅰ～Ⅲ類(lèi)占66.6%、Ⅳ～Ⅴ類(lèi)占25.2%、劣Ⅴ類(lèi)占8.1%，其中有6座處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，25座處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[13]。對(duì)長(zhǎng)江、黃河等十大流域監(jiān)測(cè)的1 600多個(gè)斷面中，Ⅰ～Ⅲ類(lèi)占74.3%，相比2011年提高13.3百分點(diǎn);Ⅳ～Ⅴ類(lèi)占18.9%，同比降低7.9百分點(diǎn);劣Ⅴ類(lèi)斷面比例為6.9%，同比降低6.8百分點(diǎn)（圖1）。雖然近年來(lái)我國(guó)水環(huán)境有所改善，但水體富營(yíng)養(yǎng)化仍是當(dāng)前須迫切解決的環(huán)境污染問(wèn)題之一。

2 水體富營(yíng)養(yǎng)化中磷的來(lái)源途徑及其危害

無(wú)機(jī)磷化合物、含磷有機(jī)物以及PH3（磷化氫）是磷存在的主要3種形式[14]。無(wú)機(jī)磷主要包括正磷酸鹽和偏磷酸鹽，偏磷酸鹽很不穩(wěn)定，容易在有氧環(huán)境下轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽[15]，一般存在于化肥、電鍍、磷化工廠(chǎng)廢水中。有機(jī)磷主要是有機(jī)磷農(nóng)藥，不溶于水，通過(guò)農(nóng)業(yè)施肥、農(nóng)藥、食物殘屑、工業(yè)廢水以及沉積物釋放等方式進(jìn)入水體。PH3也是普遍存在的一種磷形態(tài)，它有較強(qiáng)的還原性，很容易在光和氧的條件下轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)的磷酸鹽。在某種意義上，PH3可以看作是沉積態(tài)的磷向溶解態(tài)磷轉(zhuǎn)化的一種中間產(chǎn)物[16]。大多研究者認(rèn)為PH3是由于某些厭氧細(xì)菌分解有機(jī)磷化合物的結(jié)果[17]。

水體富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)誘發(fā)藻類(lèi)大量繁殖，如果不及時(shí)治理就會(huì)危害到整個(gè)水環(huán)境。主要危害包括以下幾點(diǎn)：第一、水體富營(yíng)養(yǎng)化使得大量藻類(lèi)覆蓋于水面，隔斷了大氣和水體間的氧平衡，加上水生生物呼吸會(huì)消耗大量溶氧，導(dǎo)致水體缺氧，造成赤潮或水華;第二、引起水生動(dòng)植物大量死亡，危及整個(gè)水環(huán)境質(zhì)量，使水體變得腐敗、腥臭，還會(huì)導(dǎo)致水體透明度下降，影響整個(gè)水體的感官性狀;第三、水生動(dòng)植物尸體污染水源，擴(kuò)大水體污染范圍，加大水處理的難度和成本;第四、水體富營(yíng)養(yǎng)化促進(jìn)藻類(lèi)生長(zhǎng)，能分泌毒素的藻類(lèi)不僅危害水生生物，而且通過(guò)海產(chǎn)品進(jìn)入人體導(dǎo)致人慢性中毒[18]。

3 3種除磷法的比較及生物除磷的發(fā)展歷程

3.1 3種除磷方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

3種除磷方法包括物理除磷法、化學(xué)除磷法和生物除磷法（表1）。

物理除磷法是通過(guò)吸附或絮凝生成沉淀而達(dá)到去磷目的，主要包括吸附和絮凝2種[19]。相較于其他方法，物理除磷法耗能少，不會(huì)造成污染或污染較小，且除磷快，可循環(huán)。但物理法也存在許多弊端，如：pH值對(duì)物理除磷影響較大，且在物理除磷工藝中pH值不易控制。此外，物理法成本較高，選擇性強(qiáng)，技術(shù)復(fù)雜，難以得到普遍應(yīng)用等[20]。

化學(xué)除磷法包括化學(xué)凝聚法、化學(xué)吸附法、結(jié)晶法等，這種方法是通過(guò)化學(xué)藥劑與磷酸鹽反應(yīng)生成不可溶性沉淀然后去除。此方法設(shè)備及操作簡(jiǎn)單，處理效果較穩(wěn)定，應(yīng)用范圍廣。但由于化學(xué)藥劑的投加會(huì)產(chǎn)生大量污泥，難以后續(xù)處理，加上技術(shù)相對(duì)不夠成熟，極有可能給環(huán)境帶來(lái)二次污染[21]。

生物除磷法是通過(guò)聚磷微生物在厭氧/好氧條件下交替培養(yǎng)，將磷以聚合的形態(tài)超量?jī)?chǔ)藏在菌體內(nèi)并形成高磷污泥排出系統(tǒng)外，達(dá)到從廢水中除磷的效果。多項(xiàng)研究表明，在水體污染治理中，生物除磷具有良好的應(yīng)用效果[22-27]。生物除磷法的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）成本低、工作量小，效率高，適用范圍廣;（2）化學(xué)藥劑使用較少，不會(huì)造成二次污染;（3）水中鹽濃度較低，易于后續(xù)處理;（4）污泥肥分較高，有益于二次利用。但生物除磷法同時(shí)也存在一些缺陷，如：（1）過(guò)度依賴(lài)水質(zhì)，水質(zhì)變化對(duì)除磷效果影響較大;（2）穩(wěn)定性和靈活性比較差;（3）污泥中的磷隨著工藝循環(huán)有可能回流，影響除磷效果。

3.2 生物除磷的發(fā)展歷程

聚磷菌的首次發(fā)現(xiàn)，是Greenburg等于1955年發(fā)現(xiàn)污泥中的磷量和微生物正常生長(zhǎng)所需量間的關(guān)系，而推斷出生物吸磷[29]。

1959年來(lái)自印度的Srinarh等曾報(bào)道廢水處理廠(chǎng)中污泥出現(xiàn)超量吸磷現(xiàn)象[30]，隨后Alarcon等在1961年發(fā)現(xiàn)污泥在攪拌和曝氣后有過(guò)量吸磷現(xiàn)象并發(fā)表相關(guān)報(bào)道[31]。

1965年，Shapiro和他的學(xué)生Levin對(duì)磷的吸收和釋放現(xiàn)象做了大量研究，并指出該現(xiàn)象和微生物生長(zhǎng)代謝有關(guān)[32]。直到1972年，Shapiro等對(duì)吸磷現(xiàn)象進(jìn)行了解釋?zhuān)@也就伴隨著生物除磷工藝（Phostrip工藝）的誕生[32]。

1975年，F(xiàn)uhs等發(fā)現(xiàn)活性污泥出現(xiàn)大量吸磷的前提是對(duì)磷的釋放;不久就報(bào)道了磷在厭氧條件下釋放是生物超量吸磷的前提，而且只有在較低的ORP條件下才能實(shí)現(xiàn)[33]。

20世紀(jì)90年代，人們發(fā)現(xiàn)硝酸鹽對(duì)生物除磷也具有促進(jìn)作用。1993年，Kuba等發(fā)現(xiàn)在厭氧/好氧交替條件下存在一類(lèi)兼有反硝化和聚磷作用的細(xì)菌，即反硝化聚磷菌（denitrifying phosphate accumulating organisms，DPAOs），從此反硝化聚磷菌正式問(wèn)世[34]。

21世紀(jì)初，王亞宜等國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)反硝化聚磷菌也做了大量研究，并認(rèn)為以反硝化聚磷菌進(jìn)行除磷可減少污泥的產(chǎn)生，進(jìn)一步在我國(guó)生物除磷技術(shù)方面取得突破[35]。

直到如今，聚磷菌的發(fā)展歷程還在延續(xù)，在環(huán)境治理中仍是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

4 聚磷菌的研究現(xiàn)狀

4.1 傳統(tǒng)聚磷菌的種類(lèi)

聚磷菌是一類(lèi)復(fù)雜的微生物群體，早期的研究認(rèn)為主要的聚磷菌是不動(dòng)桿菌，實(shí)則其數(shù)量?jī)H占1%～10%。直至目前已報(bào)道的聚磷菌按菌屬來(lái)分（表2），主要有不動(dòng)桿菌屬、葡萄球菌屬、氣單胞菌屬、假單胞菌屬、微絲菌屬、莫拉氏菌屬等，其中氣單胞菌和假單胞菌就占15%～20%[16]。

4.2 反硝化聚磷菌的種類(lèi)

反硝化聚磷菌是一類(lèi)能夠在厭氧狀態(tài)下釋磷，缺氧存在硝酸鹽（NO-3）或亞硝酸鹽（NO-2）的情況下超量聚磷的微生物[46]。近年來(lái)，反硝化聚磷菌被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，其中主要包括不動(dòng)桿菌屬、氣單胞菌屬、假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、產(chǎn)堿菌屬等[47]（表3）。

4.3 聚磷菌的影響因子

4.3.1 pH值對(duì)聚磷菌的影響 生物除磷過(guò)程中的每個(gè)階段都有各自適宜的pH值，pH值的變化會(huì)引起細(xì)胞膜電荷的變化從而影響聚磷菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，最終影響聚磷菌的聚磷效率。此外，pH值還會(huì)影響細(xì)胞代謝過(guò)程中酶的活性，從而影響除磷過(guò)程中的生化反應(yīng)速率。有研究表明，聚磷菌的適宜pH值范圍為7.0～8.0，此范圍內(nèi)pH值對(duì)聚磷菌的代謝和聚磷效率影響不大[72]。當(dāng)pH值為8時(shí)，除磷系統(tǒng)能充分實(shí)現(xiàn)釋磷和吸磷，并取得最好的除磷效果[73];當(dāng)pH值上升到8.5時(shí)，釋磷量反而下降，這是由于部分磷酸鹽沉淀，阻礙了聚磷菌對(duì)碳源的吸收以及磷的釋放[74-75]。

4.3.2 溫度對(duì)聚磷菌的影響 溫度對(duì)生物除磷系統(tǒng)存在一定影響，但影響不大，一般在4～37 ℃均可進(jìn)行除磷工作[70，76]。彭黨聰?shù)妊芯恳脖砻?，?dāng)溫度在20～25 ℃之間，生物除磷速率能達(dá)到最大值[77]。而李微等研究顯示，溫度低于13 ℃時(shí)，聚磷菌不能發(fā)揮作用，除磷率低[78]。實(shí)際上，溫度主要是通過(guò)影響聚磷菌的數(shù)量和活躍程度進(jìn)而影響其聚磷效率[79]。在可控溫度范圍內(nèi)，升高溫度會(huì)加快生化反應(yīng)速率，除磷工藝運(yùn)轉(zhuǎn)速率也隨之加快，聚磷效率也更高。

4.3.3 其他因素對(duì)聚磷菌的影響 影響生物除磷系統(tǒng)的因素還有很多，比如DO（溶解氧）、COD（化學(xué)需氧量）、總有機(jī)碳/磷值等。DO是好氧微生物進(jìn)行生命活動(dòng)最直接的氧化劑，而氧又是聚磷反應(yīng)的電子受體，會(huì)直接影響聚磷菌在好氧階段的聚磷效率。COD濃度對(duì)聚磷菌的聚磷效果也有直接影響，低濃度的COD會(huì)導(dǎo)致聚磷菌需求的碳源供應(yīng)不足，從而減少在厭氧階段合成的聚羥基烷酸鹽，最終影響好氧階段的聚磷效率，增加COD濃度，有利于聚磷菌除磷。

當(dāng)總有機(jī)碳含量偏低、磷含量偏高時(shí)，聚磷菌會(huì)缺乏足夠的有機(jī)質(zhì)合成聚羥基烷酸鹽，導(dǎo)致除磷機(jī)制崩潰，除磷效率變低。相反，當(dāng)總有機(jī)碳變高、磷含量變低時(shí)，充足的有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致好氧階段的異養(yǎng)菌數(shù)量增加，與聚磷菌產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致其比重下降[80]。因此，適宜的總有機(jī)碳/磷值對(duì)生物除磷系統(tǒng)也很重要。

4.4 反硝化聚磷菌的影響因子

4.4.1 pH值對(duì)反硝化聚磷菌的影響 pH值的變化會(huì)導(dǎo)致酶活性改變，引起細(xì)胞膜電荷的變化從而影響反硝化聚磷菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進(jìn)而影響菌株代謝。馬放等研究發(fā)現(xiàn)，pH值是DPAOs的重要理化因素，雖然對(duì)菌株生長(zhǎng)影響較小，但對(duì)菌株的除磷效果影響卻很大，只有當(dāng)DPAOs處于中性偏堿性時(shí)，才能有效進(jìn)行脫氮除磷[81]。Filipe等認(rèn)為pH值7.25是反硝化聚磷菌的一個(gè)臨界值[82]：當(dāng)pH值>7.25時(shí)，有利于DPAOs進(jìn)行脫氮除磷工作;當(dāng)pH值<7.25時(shí)，除磷系統(tǒng)遭受破壞，除磷效果顯著下降。

4.4.2 溫度對(duì)反硝化聚磷菌的影響 反硝化聚磷菌的溫度范圍較寬，但溫度過(guò)低或過(guò)高仍會(huì)對(duì)其有一定的影響。低溫會(huì)導(dǎo)致菌膜凝膠，阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸，從而影響菌株的生長(zhǎng)。當(dāng)溫度升高到一定限值時(shí)，菌體內(nèi)蛋白質(zhì)、酶和核酸會(huì)發(fā)生變性、失活，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。Li等研究發(fā)現(xiàn)，溫度過(guò)低（<10 ℃）時(shí)，會(huì)明顯降低DPAOs的生長(zhǎng)和聚磷效率[83];隨著溫度升高至35 ℃，菌內(nèi)的酶遭受破壞，DPAOs的生長(zhǎng)受到抑制，聚磷作用也顯著下降。在20～30 ℃溫度范圍內(nèi)，有利于菌株生長(zhǎng)和脫氮除磷效果。馬放等也發(fā)現(xiàn)反硝化聚磷菌的適宜溫度范圍為20～30 ℃，在此范圍菌株生長(zhǎng)和除磷效果均最佳[81]。

4.4.3 其他因素對(duì)反硝化聚磷菌的影響 碳源是反硝化脫氮除磷過(guò)程中所需的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一。由于碳源的組成成分存在差異導(dǎo)致其分解速率不同，對(duì)反硝化聚磷菌的除磷效果也不相同。Wachtmeister等研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧釋磷階段加入一定量的乙酸、丙酸和葡萄糖等有機(jī)物，能誘發(fā)反硝化聚磷菌對(duì)磷的釋放，特別是加入乙酸時(shí)，除磷效果最佳[84]。在脫氮除磷系統(tǒng)中，不同的氮源對(duì)反硝化聚磷菌的生長(zhǎng)和除磷效果的影響也存在一定差異。Carvalho等研究發(fā)現(xiàn)，某些反硝化聚磷菌在乙酸鹽的作用下，能夠利用O2和亞硝酸鹽進(jìn)行除磷工作而不能利用硝酸鹽[85]。Barak等指出，NO-3-N是反硝化聚磷菌缺氧吸磷階段進(jìn)行高效除磷的必備條件[86]。

4.5 聚磷菌的聚磷機(jī)理

聚磷菌在厭氧/好氧交替培養(yǎng)下，從外部環(huán)境攝取大量的磷，以聚合的形態(tài)儲(chǔ)藏在菌體內(nèi)并形成高磷污泥排出系統(tǒng)外，達(dá)到從廢水中除磷的效果[87]。目前公認(rèn)的聚磷理論包含厭氧釋磷和好氧吸磷2個(gè)過(guò)程。在厭氧階段，聚磷菌通過(guò)水解胞內(nèi)貯存的多聚磷酸鹽而獲得能量，并將其水解產(chǎn)生的正磷酸鹽釋放到細(xì)胞外;同時(shí)，聚磷菌將細(xì)胞外的有機(jī)大分子轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸，并將其聚合產(chǎn)生的聚羥基脂肪酸作為好氧階段所需的能源儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)。在好氧階段，聚磷菌將聚羥基脂肪酸氧化分解供自身生長(zhǎng)以及為攝取細(xì)胞外大量磷元素提供能量，并以多聚磷酸鹽的形式積累在細(xì)胞內(nèi)，而完成整個(gè)聚磷流程。聚磷菌的聚磷過(guò)程見(jiàn)圖2。Chuang等認(rèn)為反硝化聚磷菌與傳統(tǒng)聚磷菌有相似的除磷機(jī)理和潛力[88-90]。實(shí)則兩者不同于缺氧階段，反硝化聚磷菌以NO-3和O-2為電子受體，利用厭氧階段產(chǎn)生的聚羥基脂肪酸作能源，分解成乙酰CoA。得到的乙酰CoA經(jīng)過(guò)三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán)，以及聚羥基脂肪酸的分解都會(huì)產(chǎn)生氫離子和電子，它們經(jīng)過(guò)電子傳遞產(chǎn)生能量供自身生長(zhǎng)以及大量攝取環(huán)境中的磷并合成多聚磷酸鹽。反硝化聚磷菌的聚磷過(guò)程見(jiàn)圖3。

4.6 聚磷菌在除磷工藝中的應(yīng)用

4.6.1 傳統(tǒng)聚磷菌除磷工藝 自1972年美國(guó)的Shapiro和他的學(xué)生Levin提出生物除磷工藝（Phostrip工藝）以來(lái)，大量的除磷工藝不斷被開(kāi)發(fā)[32]。主要有傳統(tǒng)聚磷菌除磷工藝和反硝化聚磷菌除磷工藝。傳統(tǒng)的聚磷菌除磷工藝是在厭氧和好氧交替運(yùn)行的條件下達(dá)到除磷效果，典型的傳統(tǒng)聚磷菌除磷工藝包括：Phostrip工藝、A/O工藝、A2/O 工藝、Bardenpho工藝、Phoredox工藝、UCT工藝、SBR工藝和VIP工藝等[91-92]。

（1）A/O工藝和A2/O工藝。A/O工藝即Anaerobic/Oxic的簡(jiǎn)稱(chēng)，是Spector于1975年研究活性污泥菌絲膨脹時(shí)所開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種生物除磷工藝。A/O工藝與Bardenpho工藝較為相似，是當(dāng)前最簡(jiǎn)單的除磷工藝。其流程圖如圖4（實(shí)線(xiàn)部分）所示，在厭氧階段聚磷微生物將胞內(nèi)的磷釋放于體外，并在好氧階段將外界的磷超量攝取。利用其超量攝磷能力將高含磷污泥以剩余污泥的方式排出處理系統(tǒng)而達(dá)到除磷目的。Anaerobic/Anoxic/Oxic即為A2/O工藝，就是在A(yíng)/O工藝的基礎(chǔ)上增加一個(gè)缺氧階段，流程圖如圖4（虛線(xiàn)部分）[93]。缺氧段的增加能使好氧區(qū)中的混合液回流至缺氧段中，從而進(jìn)行反硝化脫氮。所以A2/O工藝既能除磷也有脫氮作用。

（2）Bardenpho工藝和Phoredox工藝。1973年，南非學(xué)者Barnard為克服A/O工藝脫氮的不完全，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若反硝化很徹底時(shí)除磷效果比較顯著，而且認(rèn)為ORP值越低，越能促進(jìn)磷的吸收，于是開(kāi)發(fā)出Bardenpho工藝（圖5實(shí)線(xiàn)部分）。該除磷工藝在美國(guó)、加拿大等國(guó)家被廣泛應(yīng)用。為解決回流污泥中存在的硝酸鹽和亞硝酸鹽問(wèn)題，在Bardenpho工藝基礎(chǔ)上增加一個(gè)厭氧發(fā)酵池（圖5虛線(xiàn)部分）。使回流污泥和原廢水于厭氧池中完全混合，并進(jìn)行2輪硝化和反硝化反應(yīng)而達(dá)到徹底反硝化目的，以期促進(jìn)磷的吸收。Phoredox工藝脫氮除磷效果顯著，適用于低負(fù)荷污水廠(chǎng)。

（3）UCT工藝。1976年，Barnard對(duì)Phoredox工藝進(jìn)行中試研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，倘若污泥和原廢水直接回流到厭氧池中，多少會(huì)帶有NO-3，這不利于厭氧池反應(yīng)。于是對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，保證厭氧區(qū)為真正的非充氧區(qū)，使污泥回流至缺氧池而非厭氧池，再將混合液由缺氧池回流到厭氧池，好氧池混合液回流至缺氧池，具體流程見(jiàn)圖6（即UCT工藝）。UCT工藝缺氧段中的硝酸鹽濃度低，為生物需氧量轉(zhuǎn)為發(fā)酵產(chǎn)物提供最佳條件，使厭氧階段生物除磷效果更加理想[94]。

4.6.2 反硝化聚磷菌除磷工藝 反硝化聚磷菌除磷工藝與傳統(tǒng)聚磷菌除磷工藝相比，由于反硝化聚

磷菌是以NO-3作為電子受體，能減少一定的生物需氧量和氧的消耗，并相應(yīng)減少一半的剩余污泥量。還能避免硝化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和有機(jī)物的大量消耗等弊端。典型的反硝化除磷工藝有BCFS工藝和Dephanox工藝等。

（1）BCFS工藝。荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)研發(fā)了一種既能高效脫氮除磷還減少污泥量產(chǎn)生的除磷工藝——BCFS工藝（圖7）[95]。它是在UCT工藝基礎(chǔ)上增加了2個(gè)混合液內(nèi)循環(huán)（Ⅰ和Ⅲ）以及2個(gè)反應(yīng)池（接觸池和混合池）?；旌弦簝?nèi)循環(huán)Ⅰ和Ⅲ的增設(shè)，增加了硝化和反硝化的機(jī)會(huì)，使反硝化更徹底。接觸池的增加能使混合液充分混合從而吸附剩余COD，其次能很快地反硝化脫除回流污泥中的硝酸鹽氮。混合池則可以減少污泥量的產(chǎn)生以及保證污泥的再生不會(huì)影響除磷和反硝化效果。

（2）Dephanox工藝。1992年，Wanner開(kāi)發(fā)出一種具有很好的除磷脫氮效果，且含硝化和反硝化雙泥回流系統(tǒng)的脫氮除磷工藝——Dephanox工藝（圖8）。Dephanox工藝增加了1個(gè)中沉池用于泥水分離，使富集氨氮的上清液直接進(jìn)入好氧（生物膜）池進(jìn)行硝化反應(yīng);而含有大量有機(jī)物的反硝化聚磷菌沉淀則與好氧（生物膜）池結(jié)束硝化反應(yīng)產(chǎn)生的消化液共同進(jìn)入缺氧階段，以NO-3作為電子受體進(jìn)行一系列除磷工作[95]。Dephanox工藝能充分節(jié)省除磷系統(tǒng)中的能量，降低剩余污泥量的產(chǎn)生及解決反硝化系統(tǒng)中碳源不足等問(wèn)題。

5 結(jié)論與展望

隨著對(duì)聚磷菌研究的不斷深入和改進(jìn)，聚磷菌除磷技術(shù)已成為水污染治理的重要技術(shù)。但目前的聚磷菌除磷技術(shù)主要是基于傳統(tǒng)、單一的除磷措施，多是以A/O及A2/O工藝衍伸出來(lái)的除磷工藝，而沒(méi)有將多種除磷技術(shù)組合成有效的凈化系統(tǒng)以達(dá)到高效除磷目的。因此筆者對(duì)聚磷菌在生物除磷與其他除磷技術(shù)聯(lián)用的發(fā)展有以下幾點(diǎn)看法，為磷的高效去除提供理論依據(jù)和重要保障。

5.1 物理法模擬固定化微生物技術(shù)

固定化微生物技術(shù)（Immobilized Micro-organisms）在廢水除磷處理中廣泛使用，主要方法有吸附法、交聯(lián)法和包埋法，是通過(guò)聚乙烯醇（PVA）、海藻酸鹽、瓊脂、明膠等固定聚磷微生物，達(dá)到除磷效果。常會(huì)慶等的物理生態(tài)工程（PEEN）研究給了廢水除磷處理很大的一個(gè)啟示，利用納米材料固定聚磷微生物，模擬固定化微生物技術(shù)達(dá)到除磷目的，將是具有前景的發(fā)展方向[16]。

5.2 生物除磷與化學(xué)除磷的聯(lián)用技術(shù)

有研究表明，生物法除磷在低磷濃度的廢水中除磷效果較好，但在濃度較高時(shí)會(huì)有一定的局限性，需要化學(xué)除磷方法輔助方能很好地除磷[96]。劉鈺等為了研究生物除磷和化學(xué)除磷之間的關(guān)系，在厭氧階段添加一定量的FeCl3，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生兩者間產(chǎn)生了協(xié)同作用，除磷效率也有很大的增強(qiáng)[97]。李子富等研究也表明，在除磷工藝中添加化學(xué)劑（聚合氯化鋁）能提高除磷效果，使出水磷含量達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)[98]。可見(jiàn)將生物除磷和化學(xué)除磷相結(jié)合，在未來(lái)的廢水除磷中具有廣闊的發(fā)展前景。

5.3 以磷化氫的形式除磷技術(shù)

氣態(tài)磷的產(chǎn)生是由于厭氧磷酸鹽還原菌分解有機(jī)化合物的結(jié)果，這些厭氧菌的發(fā)現(xiàn)為廢水除磷找到一種新的方法。探索開(kāi)發(fā)以磷化氫形式除磷的發(fā)展理念，將會(huì)是未來(lái)的研究方向。

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