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厭氧—好氧交替工藝生物除磷及活性污泥特殊染色　

近年來，水體磷污染狀況日益嚴重，由此導致了水體富營養化。除磷是水污染治理的重要課題，是克服富營養化的關鍵。生物除磷比化學除磷運行費用低，不造成二次污染，除磷效率高。本文以SBR藝為手段研究了周期循環變化的厭氧—好氧交替工藝（Alternation of Aerobic/Anaerobic Process，簡稱AAA工藝）的生物除磷技術，使其在低能耗、低成本的條件下，既能穩定高效除磷，又能去除有機物。對采用活性污泥直接染色，通過顯微鏡鏡檢活性污泥細胞內PHB、Poly－p的狀況，來監測生物除磷效果的方法進行了研究。

1 厭氧—好氣交替工藝生物除磷試驗

1.1 實驗裝置（見圖1）

1.2 實驗方法 AAA法的運行可分為進水、厭氧攪拌、好氧曝氣、沉淀、排水和閑置六個階段，通過控制反應時間等條件來強化聚磷菌過量攝取過程的完成。 1.3 實驗內容 本組實驗模擬AAA工藝生物除磷技術，采用葡萄糖基質作為唯一碳源，在不同碳磷比下的實驗結果，見表1。

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表1　不同碳磷比生物除磷數據 mg·L-1
序號	指標	配水	厭氧 0.0h	厭氧 0.5h	厭氧 1.0h	厭氧 1.5h	好氧 1.0h	好氧 2.0h	好氧 3.0h	好氧 4.0h	出水
1	COD	256.5	225.1	216.0	152.3	140.7	55.7	47.4	43.0	39.4	37.8
PO43--P	9.12	12.97	14.07	19.56	23.30	14.29	9.78	6.81	5.71	6.48
2	COD	506.0	450.8	432.5	343.7	297.1	153.7	95.6	61.7	60.5
PO43--P	14.52	15.21	15.27	18.06	20.85	11.04	8.36	4.94	2.45	2.28
3	COD	560.8	444.0	151.0	56.7	54.3	51.1	47.6	45.6	46.0	46.0
PO43--P	12.58	12.90	19.46	23.87	24.30	17.10	10.36	4.31<	1.85	1.65
4	COD	392.7	319.5	242.4	232.2	70.3	60.5	43.4	37.8	33.3	33.0
PO43--P	1.00	10.21	13.43	14.32	16.53	8.04	6.23	3.32	1.36	1.00

取表1中第1、3組數據的厭氧段作圖為圖2。 試驗結果表明，經過1.5h厭氧后，磷的釋放基本達到最大，此時COD降解也基本完成。好氧階段在3－4h內就可以達到最大的磷吸收量，以后再增加好氧時間，出水磷濃度不再降低，這說明此時無論是污泥的內源基質還是外源基質均已消耗殆盡。由此綜合考慮除磷效果和經濟指標，本實驗確定厭氧時間為1.5h，好氧時間為4h。

2 活性污泥直接特殊染色監測研究

在活性污泥法中，聚磷菌是生物除磷的主要完成者，許多

研究者都發現聚磷菌體內能聚集聚磷（Poly－phosphate）即Poly－p和聚β羥基丁酸（poly－β－hydroxybutyrate）即PHB（細菌細胞內儲存能量的脂質內含物）。通常，在厭氧條件下，污泥菌膠團的聚磷逐漸消失，PHB逐漸增多。在好氧條件下，PHB迅速減少，聚磷迅速增加。厭氧條件下合成的PHB越多，則好氧條件下聚磷合成量越大，除磷效果越佳[1]。在厭氧條件下，活性污泥聚磷菌細胞體內有大量PHB迅速合成。進入好氧區內，聚磷菌消耗大量內含物PHB顆粒和外源機質，產生細菌質子移動力，簡稱pmf。pmf在釋磷和吸磷時，即磷在細胞內外的轉移過程中起決定性作用。為了維持pmf的恒定，聚磷菌通過消耗pmf把胞外的磷以中性或電陽性的形式主動運輸到細胞內合成三磷酸腺甙（ATP），合成聚磷酸鹽。在好氧狀態下，細胞儲存的PHB降解代謝，為生物合成提供碳，并通過TCA循環（三羧酸循環）產生ATP，為合成細胞物質及細胞活動和聚磷酸鹽的大量合成提供能量。因而在好氧條件下，活性污泥聚磷菌細胞吸收磷，使廢水中磷高效去除。 活性污泥聚磷菌細胞中的PHB和Poly－p顆粒在生物除磷中發揮了重要的作用，在生物除磷工藝中，對活性污泥樣品中的PHB和Poly－y顆粒進行染色，發現在厭氧區（氧化還原電位在-140mV以下）污泥細胞內PHB顆粒迅速、大量增加，聚磷酸鹽顆粒迅速減少；在好氧區（氧化還原電位在100mV以上）污泥細胞內PHB顆粒迅速減少，聚磷酸鹽顆粒迅速增加。因此可以通過對活性污泥直接染色，觀測活性污泥細胞的PHB和聚磷顆粒的變化，從而判斷生物除磷效果。 細胞是無色、透明的，在光學顯微鏡下，不易看清細菌的形態和結構，故通常要對活性污泥進行分高純化，然后用染料染色，以增強菌體與背景的反差，便于在光學顯微鏡下觀察，步驟繁瑣，時間長且成本高。PHB和聚磷作為細菌細胞的內含物在

光學顯微鏡下無法觀察，但由于其在生物除磷系統中的重要作用，本實驗采用了一種特殊的染色方法，可將活性污泥直接染色，在光學顯微鏡下清楚地觀測到活性污泥細胞內的PHB及聚磷顆粒。 2.1 PHB染色 取活性污泥于載玻片上制成膜，用0.3％的乙烯乙二醇蘇丹黑溶液染色5－15min；沖洗并風干；在二甲苯溶液中浸沾數次，提出并風干；用0.5％的堿性藏紅染料溶液反染色5－10s；沖洗、風干，顯微鏡觀察。 PHB染色結果為顯示蘭黑色顆粒，其細胞質部分顯粉紅色，鏡檢照片見圖3。

2.2 Poly－p染色 取活性污泥于載玻片上制成膜，用甲基藍溶液染色10－30s；自來水沖洗，風干，顯微鏡觀察。 Poly－p染色結果為顯示深藍色顆粒，其細胞質部分顯示為淺藍色，鏡檢照片見圖4。

2.3 活性污泥直接染色結果 對活性污泥直接染色的研究結果表明，在好氧厭氧交替生物除磷中，污泥吸收和釋放磷的基本情況與污水中的溶解氧及氧化還原電位有著一定的關系。在厭氧過程中，當氧化還原電位低于-140mV此時污水中溶解氧含量很低，對污水中活性污泥進行染色能發現大量的PHB存在，說明活性污泥細菌細胞內磷的含量低，處于磷的釋放階段；當污水中有少量氧存在，即此時氧化還原電位為-140～-100mV，污泥細菌細胞的染色表明其中PHB的含量減少；當對污泥進行曝氣，形成好氧階段，水中溶解氧增加，氧化還原電位高于100mV，對污泥細菌細胞進行染色表明，PHB含量極低，幾乎難以染色出來，證明細菌細胞大量吸收了磷。

3 結論

①AAA法運行靈活，很容易通過控制反應時間、泥齡及曝氣強度等條件來強化聚磷菌過量攝取過程的順利完成。在進水初期反應器內有機物濃度很高，不僅很快消耗了剩余的溶解氧形成厭氧狀態，而且為釋磷提供了充分的碳源；在好氧反應階段，有機物濃度已大大降低，容易維持反應器內高溶解氧濃度，同時也為細菌儲備能源的利用提供了途徑。另外，在此過

程中，厭氧與好氧狀態的交替，充分抑制了專性好氧絲狀菌的過量繁殖，避免污泥膨脹現象的發生。 ②活性污泥直接染色方法簡單、快速（大約5min）、準確，便于生物除磷污水廠日常監測應用。由于它們可監測到活性污泥細胞內的分子水平狀況，所以，該指標的監控結果將更直接、更準確地反映厭氧段、缺氧段、好氧段的氧化還原電位情況，及各階段的溶解氧狀況和生物除磷效果。 ③本實驗研究表明，在厭氧條件下，污泥菌膠團的污泥磷大量消失，PHB大量增加。好氧條件下，大量吸收磷的同時PHB迅速減少，聚磷迅速增加。厭氧條件下合成的PHB越多，好氧條件下聚磷合成量越大。由于聚磷菌以主動運輸的方式逆濃度梯度將污水中的磷運輸到細胞質中，因此可大量吸收磷，達到較高的除磷效果。