聚磷菌厌氧释磷性能及其模型的拟合

李昂　张雁秋　李燕

摘要：生物除磷的主要途径是利用除磷菌（包括PAOs和DPB）的过量吸磷作用。PAOs在厌氧阶段的释磷量越多，在好氧阶段的吸磷量也就越多。厌氧阶段的污泥浓度越高、释磷时间越长，PAOs的释磷效果越好，释磷量越多；有机物种类直接影响PAOs厌氧释磷效率。针对聚磷菌厌氧释磷性能建立模型Pt=Pm/[1+（Pm-P0）e-KPmt/P0]，利用1stOpt软件和Excel软件进行拟合，效果良好。在污泥性状、进水水质基本一致的情况下，污泥浓度越高，PAOs含量越高，PAOs体内的最大可释磷的质量浓度Pm越高，厌氧释磷速率常数K基本相当。

关键词：厌氧释磷；释磷模型；污泥浓度；有机物；模型拟合

中图分类号： X703.1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0364-03

收稿日期：2013-06-27

作者简介：李昂（1982—），女，江苏徐州人，博士，中级工程师，主要从事水污染控制方面的研究工作。E-mail：hellen556@126.com。生物除磷系统中，一般认为磷的去除有微生物合成作用及除磷菌（包括PAOs和DPB）的过量吸磷作用2条途径。除磷菌的过量吸磷是磷去除的主要途径，通常要求除磷菌顺序经历厌氧与好氧阶段。在厌氧阶段，PAOs释放细胞内以聚磷酸盐（Poly-P）形式贮存的磷酸盐，消耗合成的糖原而产生能量，供其摄取环境中的有机碳源，并以聚β-羟基丁酸盐（PHB）的形式贮存在细胞内。在好氧或缺氧条件下，PAOs和DHB分别以氧和硝态氮（NO-3-N）作为电子受体，氧化细胞内贮存的PHB产生能量，供其从环境中过量吸磷。有研究表明，PAOs在厌氧阶段的释磷量越多，在好氧段的吸磷量也就越多。国外众多研究者对生物除磷的机理进行了深入研究，并开发出多个代谢机理模型，颇具代表性的有 Comeau-Wentzel 模型[1-2]、Mino模型及改进的Mino模型，其中 Mino 模型能很好地解释试验中所观察得到醋酸（HAc）的厌氧吸收量、PHB合成、糖原的利用及CO2的产生等过程。例如，Smolders等测试了厌氧段糖原和PHB含量的变化及每吸收 1 cmol HAc所产生的CO2的量，结果发现Mino模型能很好地描述该试验现象[3]。但这些模型较复杂，考虑的因素较多，在实际应用中比较繁琐。针对PAOs在厌氧条件下的释磷过程进行分析，结果发现，PAOs的释磷速率与体内最大释磷量、可以利用的有机物量、对HAc的厌氧吸收量、PHB合成、糖原的利用及CO2的产生等过程等有关。综合而言，PAOs的厌氧释磷速率与体内最大释磷量、污水中的含磷量以及环境条件等因素有关。

1厌氧释磷模型的建立

研究发现，提高生物除磷系统效率的关键是提高厌氧释磷量，而提高厌氧释磷量的核心环节是刺激聚磷微生物合成更多的PHB。聚磷和糖原对挥发性脂肪酸的厌氧吸收及PHB的合成而言都是必需的，且都有可能成为限制因素，从而影响整个系统的运行效果。由此可见，PAOs的厌氧释磷性能主要体现在其体内可以释放的最大磷量，本研究将其定义为PAOs的最大可释磷量，为了便于模型的推导、建立、仿真以及实际应用，模型中以PAOs体内的最大可释磷浓度来体现这一概念，记为Pm（mg/L）。

2.4.2有机物种类对厌氧释磷的影响分别利用葡萄糖和醋酸钠为有机物进行配水，考察PAOs在2种人工合成废水和实际城市废水中的厌氧释磷能力，结果如图2所示。

本研究结果表明，PAOs在葡萄糖配水、醋酸钠配水和实际城市废水中的厌氧释磷趋势基本一致，但厌氧释磷效率有所不同。其中，醋酸钠配水的释磷效率最高，实际城市废水的释磷效率最低，而葡萄糖配水的释磷能力介于两者之间。

PAOs在利用不同基质的过程中对磷的释放存在明显差异。污水中易降解的物质对除磷效果的影响主要表现在厌氧释磷上，水体中易降解物质的含量影响释磷量，易降解物质越多，释磷越充分，PHB合成越多，在好氧阶段就能提供更多能量用于过量吸磷，总磷去除率就越高[4]。这是由于PAOs在厌氧状态下直接吸收VFAs形成PHB，释放出磷酸盐。葡萄糖分子较大，必须先将其转化为VFAs后才能被PAOs利用，从而促使磷的释放。有研究发现，以葡萄糖为唯一碳源时，厌氧阶段的释磷量为0[5]。这可能是由于该系统中不含有可将葡萄糖转化为VFAs的产酸菌，而PAOs又无法直接利用葡萄糖，因此厌氧释磷没有发生。实际城市废水成分比较复杂，一些有机物必须在厌氧环境下先经水解作用转化为葡萄糖，再由葡萄糖转化为VFAs后才能被PAOs利用，进而诱发磷的释放，所以释磷速率主要取决于实际废水中的大分子有机物转化为低分子有机物基质的速率；而一些大分子有机物在厌氧环境下被发酵水解成VFAs的速度比较慢，而且一些中间代谢产物不易被PAOs吸收利用，在这种情况下，PAOs体内的聚磷酸盐分解较慢，因此，释磷速率低于葡萄糖和醋酸钠2种基质。另一方面，PAOs吸收VFAs形成PHB并释放出磷酸盐，在这个过程中，PAOs吸收的VFAs量越多，释放的磷量也就越多。醋酸钠配水、葡萄糖配水和实际城市废水这3种水中含有的VFAs含量依次减少，所以厌氧释磷量也依次减少。

3厌氧释磷模型拟合分析

3.1不同污泥浓度下的厌氧释磷模型拟合曲线

3.2.1葡萄糖配水当n=8、显著性水平α=0.001时，在葡萄糖配水中的厌氧释磷模型的r2=0.998 2>0.855 4，说明回归所得结果是极显著的。采用相对误差法对葡萄糖配水中的厌氧释磷模型进行检验，中值误差=0.399%<10%，这说明实测值与拟合值拟合较好，因此可以认为该模型能较好地描述PAOs在污泥吸附期间的磷释放过程。

3.2.2醋酸钠配水当n=8、显著性水平α=0.001时，在醋酸钠配水中的厌氧释磷模型的r2=0.995 4>0.855 4，说明回归所得结果是极显著的。采用相对误差法对醋酸钠配水中的厌氧释磷模型进行检验，中值误差=0.755%<10%，这说明实测值与拟合值拟合较好，因此可以认为该模型能较好地描述污泥厌氧吸附中的磷释放过程。endprint

3.2.3实际污水当n=8、显著性水平α=0.001时，在实际废水中的厌氧释磷模型的r2=0.999 1>0.855 4，这说明回归所得出的结果是极显著的。采用相对误差法对实际废水中的厌氧释磷模型进行检验，中值误差=0.217%<10%，这说明实测值与拟合值拟合较好，因此可以认为该模型能较好地描述PAOs在污泥吸附期间的磷释放过程。

4结论

PAOs厌氧释磷量越多，其好氧吸磷量也就越多。厌氧段的污泥浓度越高、吸附时间越长，PAOs的释磷效果就越好，释磷量就越多；有机物种类直接影响PAOs的厌氧释磷效率。PAOs的厌氧释磷过程中，PAOs的释磷速率与体内最大释磷量和污水中的总磷浓度有关。PAOs的厌氧释磷模型为Pt=Pm/[1+（Pm-P0]e-KPmt/P0]。

通过将不同污泥浓度条件下，污泥吸附期间水中总磷浓度随时间变化的试验数据与厌氧释磷模型进行拟合分析，数据拟合效果良好，并确定相应的参数Pm、P0、K。通过相关性检验说明该模型能较好地描述不同污泥浓度条件下的PAOs厌氧释磷过程。

在污泥性状、进水水质基本一致的情况下，污泥浓度越高，PAOs含量越多，PAOs体内的最大可释磷浓度越高，厌氧释磷速率常数基本相当。从试验数据和模型拟合结果可以看出，污泥浓度越高，Pm越大，K基本一致。

在污泥浓度、污泥性状一致的情况下，不同有机碳源条件下的厌氧释磷效率也有所不同。当碳源为醋酸钠时，PAOs可利用的VFAs较多，体内可释放的磷量也越多，因此，Pm最大。值得注意的是，此时的K并不能单独以有机物种类来判断其大小，而应综合考虑最大可释磷量的变化。

参考文献：

[1]Comeau Y，Hall K J，Hancock R E W，et al. Bilchemical model for enhanced biological phosphorus removal[J]. Wat Res，1986，20（12）：1511-1521.

[2]Wentzel M C. Metabolic behavior of Acinetobacter spp. in enhanced biological phosphate removal-a biochemical model[J]. Water South Africa，1986，12（4）：81-92.

[3]Smolders G F，van der Meij J，van Loosdrecht M C，et al. Model of the anaerobic metabolism of the biological phosphorus removal process：stoichiometry and pH influence[J]. Biotechnology and Bioengineering，1994，43（6）：461-470.

[4]何争光，温晓灿. 葡萄糖为碳源时生物除磷系统的影响因素研究[J]. 郑州大学学报：工学版，2008，29（2）：103-106.

[5]Kargi F，Uygur A，Ba瘙 塂 kaya H S. Phosphate uptake and release rates with different carbon sources in biological nutrient removal using a SBR[J]. Journal of Environmental Management，2005，76（1）：71-75.endprint

3.2.3实际污水当n=8、显著性水平α=0.001时，在实际废水中的厌氧释磷模型的r2=0.999 1>0.855 4，这说明回归所得出的结果是极显著的。采用相对误差法对实际废水中的厌氧释磷模型进行检验，中值误差=0.217%<10%，这说明实测值与拟合值拟合较好，因此可以认为该模型能较好地描述PAOs在污泥吸附期间的磷释放过程。

4结论

PAOs厌氧释磷量越多，其好氧吸磷量也就越多。厌氧段的污泥浓度越高、吸附时间越长，PAOs的释磷效果就越好，释磷量就越多；有机物种类直接影响PAOs的厌氧释磷效率。PAOs的厌氧释磷过程中，PAOs的释磷速率与体内最大释磷量和污水中的总磷浓度有关。PAOs的厌氧释磷模型为Pt=Pm/[1+（Pm-P0]e-KPmt/P0]。

通过将不同污泥浓度条件下，污泥吸附期间水中总磷浓度随时间变化的试验数据与厌氧释磷模型进行拟合分析，数据拟合效果良好，并确定相应的参数Pm、P0、K。通过相关性检验说明该模型能较好地描述不同污泥浓度条件下的PAOs厌氧释磷过程。

在污泥性状、进水水质基本一致的情况下，污泥浓度越高，PAOs含量越多，PAOs体内的最大可释磷浓度越高，厌氧释磷速率常数基本相当。从试验数据和模型拟合结果可以看出，污泥浓度越高，Pm越大，K基本一致。

在污泥浓度、污泥性状一致的情况下，不同有机碳源条件下的厌氧释磷效率也有所不同。当碳源为醋酸钠时，PAOs可利用的VFAs较多，体内可释放的磷量也越多，因此，Pm最大。值得注意的是，此时的K并不能单独以有机物种类来判断其大小，而应综合考虑最大可释磷量的变化。

参考文献：

[1]Comeau Y，Hall K J，Hancock R E W，et al. Bilchemical model for enhanced biological phosphorus removal[J]. Wat Res，1986，20（12）：1511-1521.

[2]Wentzel M C. Metabolic behavior of Acinetobacter spp. in enhanced biological phosphate removal-a biochemical model[J]. Water South Africa，1986，12（4）：81-92.

[3]Smolders G F，van der Meij J，van Loosdrecht M C，et al. Model of the anaerobic metabolism of the biological phosphorus removal process：stoichiometry and pH influence[J]. Biotechnology and Bioengineering，1994，43（6）：461-470.

[4]何争光，温晓灿. 葡萄糖为碳源时生物除磷系统的影响因素研究[J]. 郑州大学学报：工学版，2008，29（2）：103-106.

[5]Kargi F，Uygur A，Ba瘙 塂 kaya H S. Phosphate uptake and release rates with different carbon sources in biological nutrient removal using a SBR[J]. Journal of Environmental Management，2005，76（1）：71-75.endprint

3.2.3实际污水当n=8、显著性水平α=0.001时，在实际废水中的厌氧释磷模型的r2=0.999 1>0.855 4，这说明回归所得出的结果是极显著的。采用相对误差法对实际废水中的厌氧释磷模型进行检验，中值误差=0.217%<10%，这说明实测值与拟合值拟合较好，因此可以认为该模型能较好地描述PAOs在污泥吸附期间的磷释放过程。

4结论

PAOs厌氧释磷量越多，其好氧吸磷量也就越多。厌氧段的污泥浓度越高、吸附时间越长，PAOs的释磷效果就越好，释磷量就越多；有机物种类直接影响PAOs的厌氧释磷效率。PAOs的厌氧释磷过程中，PAOs的释磷速率与体内最大释磷量和污水中的总磷浓度有关。PAOs的厌氧释磷模型为Pt=Pm/[1+（Pm-P0]e-KPmt/P0]。

通过将不同污泥浓度条件下，污泥吸附期间水中总磷浓度随时间变化的试验数据与厌氧释磷模型进行拟合分析，数据拟合效果良好，并确定相应的参数Pm、P0、K。通过相关性检验说明该模型能较好地描述不同污泥浓度条件下的PAOs厌氧释磷过程。

在污泥性状、进水水质基本一致的情况下，污泥浓度越高，PAOs含量越多，PAOs体内的最大可释磷浓度越高，厌氧释磷速率常数基本相当。从试验数据和模型拟合结果可以看出，污泥浓度越高，Pm越大，K基本一致。

在污泥浓度、污泥性状一致的情况下，不同有机碳源条件下的厌氧释磷效率也有所不同。当碳源为醋酸钠时，PAOs可利用的VFAs较多，体内可释放的磷量也越多，因此，Pm最大。值得注意的是，此时的K并不能单独以有机物种类来判断其大小，而应综合考虑最大可释磷量的变化。

参考文献：

[1]Comeau Y，Hall K J，Hancock R E W，et al. Bilchemical model for enhanced biological phosphorus removal[J]. Wat Res，1986，20（12）：1511-1521.

[2]Wentzel M C. Metabolic behavior of Acinetobacter spp. in enhanced biological phosphate removal-a biochemical model[J]. Water South Africa，1986，12（4）：81-92.

[3]Smolders G F，van der Meij J，van Loosdrecht M C，et al. Model of the anaerobic metabolism of the biological phosphorus removal process：stoichiometry and pH influence[J]. Biotechnology and Bioengineering，1994，43（6）：461-470.

[4]何争光，温晓灿. 葡萄糖为碳源时生物除磷系统的影响因素研究[J]. 郑州大学学报：工学版，2008，29（2）：103-106.

[5]Kargi F，Uygur A，Ba瘙 塂 kaya H S. Phosphate uptake and release rates with different carbon sources in biological nutrient removal using a SBR[J]. Journal of Environmental Management，2005，76（1）：71-75.endprint