厌氧—好氧交替工艺生物除磷及活性污泥特殊染色

田淑媛，李征，王景峰
（天津大学建工学院环境工程系，天津300072）

　　摘　要：研究了“厌氧—好氧交替工艺”生物除磷工艺，确定最佳厌氧时间为1.5h，最佳好氧时间为4h。应用特殊染色法直接将活性污泥制成切片染色，通过显微镜镜检PHB、Poly－p（聚磷颗粒），可以监测除磷效果。
　　关键词：污水处理；生物除磷；活性污泥；细胞染色
　　中图分类号：X791
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2001）01－0013－03

Biological Removal of Phophous Using Aerobic/Anaerobic Alternation Process
and Peculiar Staining of Actived Sludge
TIAN Shu-yuan，LI Zheng，WANG Jing-feng
(Department of Environmental Engineering，Tinajin University，Tinajin　300072，china)

　　Abstract:biological removal of phophous by "aerobic/anaerobic alternation process" was tested，with the optimum aerobic time determined to be 1.5 hours and the optimum anaerobic time to be 4 hours．The results of phophorus removal can be monitored using peculiar staining process，with which activated sludge is directly made into a specimen on a glass slide and stained，and through detection of PHB and poly-p by microscope.
　　Key words:wastewater treatment；biological removal of phosphorous；activated sludge；celluar staining

　　近年来，水体磷污染状况日益严重，由此导致了水体富营养化。除磷是水污染治理的重要课题，是克服富营养化的关键。生物除磷比化学除磷运行费用低，不造成二次污染，除磷效率高。本文以SBR艺为手段研究了周期循环变化的厌氧—好氧交替工艺（Alternation of Aerobic/Anaerobic Process，简称AAA工艺）的生物除磷技术，使其在低能耗、低成本的条件下，既能稳定高效除磷，又能去除有机物。对采用活性污泥直接染色，通过显微镜镜检活性污泥细胞内PHB、Poly－p的状况，来监测生物除磷效果的方法进行了研究。

1 厌氧—好气交替工艺生物除磷试验

　　1.1 实验装置（见图1）

　　1.2 实验方法
　　AAA法的运行可分为进水、厌氧搅拌、好氧曝气、沉淀、排水和闲置六个阶段，通过控制反应时间等条件来强化聚磷菌过量摄取过程的完成。
　　1.3 实验内容
　　本组实验模拟AAA工艺生物除磷技术，采用葡萄糖基质作为唯一碳源，在不同碳磷比下的实验结果，见表1。

　　取表1中第1、3组数据的厌氧段作图为图2。
　　试验结果表明，经过1.5h厌氧后，磷的释放基本达到最大，此时COD降解也基本完成。好氧阶段在3－4h内就可以达到最大的磷吸收量，以后再增加好氧时间，出水磷浓度不再降低，这说明此时无论是污泥的内源基质还是外源基质均已消耗殆尽。由此综合考虑除磷效果和经济指标，本实验确定厌氧时间为1.5h，好氧时间为4h。

2 活性污泥直接特殊染色监测研究

　　在活性污泥法中，聚磷菌是生物除磷的主要完成者，许多研究者都发现聚磷菌体内能聚集聚磷（Poly－phosphate）即Poly－p和聚β羟基丁酸（poly－β－hydroxybutyrate）即PHB（细菌细胞内储存能量的脂质内含物）。通常，在厌氧条件下，污泥菌胶团的聚磷逐渐消失，PHB逐渐增多。在好氧条件下，PHB迅速减少，聚磷迅速增加。厌氧条件下合成的PHB越多，则好氧条件下聚磷合成量越大，除磷效果越佳[1]。在厌氧条件下，活性污泥聚磷菌细胞体内有大量PHB迅速合成。进入好氧区内，聚磷菌消耗大量内含物PHB颗粒和外源机质，产生细菌质子移动力，简称pmf。pmf在释磷和吸磷时，即磷在细胞内外的转移过程中起决定性作用。为了维持pmf的恒定，聚磷菌通过消耗pmf把胞外的磷以中性或电阳性的形式主动运输到细胞内合成三磷酸腺甙（ATP），合成聚磷酸盐。在好氧状态下，细胞储存的PHB降解代谢，为生物合成提供碳，并通过TCA循环（三羧酸循环）产生ATP，为合成细胞物质及细胞活动和聚磷酸盐的大量合成提供能量。因而在好氧条件下，活性污泥聚磷菌细胞吸收磷，使废水中磷高效去除。
　　活性污泥聚磷菌细胞中的PHB和Poly－p颗粒在生物除磷中发挥了重要的作用，在生物除磷工艺中，对活性污泥样品中的PHB和Poly－y颗粒进行染色，发现在厌氧区（氧化还原电位在-140mV以下）污泥细胞内PHB颗粒迅速、大量增加，聚磷酸盐颗粒迅速减少；在好氧区（氧化还原电位在100mV以上）污泥细胞内PHB颗粒迅速减少，聚磷酸盐颗粒迅速增加。因此可以通过对活性污泥直接染色，观测活性污泥细胞的PHB和聚磷颗粒的变化，从而判断生物除磷效果。
　　细胞是无色、透明的，在光学显微镜下，不易看清细菌的形态和结构，故通常要对活性污泥进行分高纯化，然后用染料染色，以增强菌体与背景的反差，便于在光学显微镜下观察，步骤繁琐，时间长且成本高。PHB和聚磷作为细菌细胞的内含物在光学显微镜下无法观察，但由于其在生物除磷系统中的重要作用，本实验采用了一种特殊的染色方法，可将活性污泥直接染色，在光学显微镜下清楚地观测到活性污泥细胞内的PHB及聚磷颗粒。
　　2.1 PHB染色
　　取活性污泥于载玻片上制成膜，用0.3％的乙烯乙二醇苏丹黑溶液染色5－15min；冲洗并风干；在二甲苯溶液中浸沾数次，提出并风干；用0.5％的碱性藏红染料溶液反染色5－10s；冲洗、风干，显微镜观察。
　　PHB染色结果为显示兰黑色颗粒，其细胞质部分显粉红色，镜检照片见图3。

　　2.2 Poly－p染色
　　取活性污泥于载玻片上制成膜，用甲基蓝溶液染色10－30s；自来水冲洗，风干，显微镜观察。
　　Poly－p染色结果为显示深蓝色颗粒，其细胞质部分显示为浅蓝色，镜检照片见图4。

　　2.3 活性污泥直接染色结果
　　对活性污泥直接染色的研究结果表明，在好氧厌氧交替生物除磷中，污泥吸收和释放磷的基本情况与污水中的溶解氧及氧化还原电位有着一定的关系。在厌氧过程中，当氧化还原电位低于-140mV此时污水中溶解氧含量很低，对污水中活性污泥进行染色能发现大量的PHB存在，说明活性污泥细菌细胞内磷的含量低，处于磷的释放阶段；当污水中有少量氧存在，即此时氧化还原电位为-140～-100mV，污泥细菌细胞的染色表明其中PHB的含量减少；当对污泥进行曝气，形成好氧阶段，水中溶解氧增加，氧化还原电位高于100mV，对污泥细菌细胞进行染色表明，PHB含量极低，几乎难以染色出来，证明细菌细胞大量吸收了磷。

3 结论

　　①AAA法运行灵活，很容易通过控制反应时间、泥龄及曝气强度等条件来强化聚磷菌过量摄取过程的顺利完成。在进水初期反应器内有机物浓度很高，不仅很快消耗了剩余的溶解氧形成厌氧状态，而且为释磷提供了充分的碳源；在好氧反应阶段，有机物浓度已大大降低，容易维持反应器内高溶解氧浓度，同时也为细菌储备能源的利用提供了途径。另外，在此过程中，厌氧与好氧状态的交替，充分抑制了专性好氧丝状菌的过量繁殖，避免污泥膨胀现象的发生。
　　②活性污泥直接染色方法简单、快速（大约5min）、准确，便于生物除磷污水厂日常监测应用。由于它们可监测到活性污泥细胞内的分子水平状况，所以，该指标的监控结果将更直接、更准确地反映厌氧段、缺氧段、好氧段的氧化还原电位情况，及各阶段的溶解氧状况和生物除磷效果。
　　③本实验研究表明，在厌氧条件下，污泥菌胶团的污泥磷大量消失，PHB大量增加。好氧条件下，大量吸收磷的同时PHB迅速减少，聚磷迅速增加。厌氧条件下合成的PHB越多，好氧条件下聚磷合成量越大。由于聚磷菌以主动运输的方式逆浓度梯度将污水中的磷运输到细胞质中，因此可大量吸收磷，达到较高的除磷效果。

参考文献：
　　[1]Tian Shu－yuan．The Effet of Short Chain Fatty Acid on Biological Phosphat Release and OHB Synthesis under Anaerobic Condition[J].Transaction of Tianjin University，1996，2（2）：87－91

作者简介：
田淑媛（1941－）女，副教授，多年从事环境工程专业的教学、科研工作，长期致力于污水治理科研及工程研究。

　　*天津市自然科学基金资助项目。批准号：98360511