胞外聚合物在強化生物除磷中的作用研究

陶光建 龍向宇 方振東 唐然 李永青

摘??????要：?強化生物除磷（EBPR）是經(jīng)濟(jì)有效去除污水中磷的重要方法，已廣泛應(yīng)用于水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。普遍認(rèn)為EBPR的成功運行是基于聚磷菌具有超磷的能力，通過排放剩余污泥可實現(xiàn)除磷的目的。然而最近研究表明，活性污泥胞外聚合物（EPS）中也聚集了一定數(shù)量的磷，這意味著EPS在強化生物除磷（EBPR）過程中的作用不可忽視。歸納了不同EPS提取方法的特點，總結(jié)了EPS中磷的分布特征及EPS在維持EBPR系統(tǒng)穩(wěn)定中的具體作用，最后討論了現(xiàn)有認(rèn)識的差距。

關(guān)??鍵??詞：強化生物除磷;胞外聚合物;聚磷菌

中圖分類號：X703???????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A ????????文章編號：?1671-0460（2019）11-2687-04

Research on the Role of Extracellular Polymers in

?Enhanced Biological Phosphorus Removal

??TAO Guang-jian， LONG Xiang-yu*， FANG Zhen-dong， TAN Ran， LI Yong-qing

（Department of Military Facilities， Army logistic University of PLA，?Chongqing 401331，?China）

Abstract： Enhanced biological phosphorus removal （EBPR） is one of the most economical and effective processes for removing P from wastewater， and it has been widely applied in the field of water environment protection. It is generally accepted that EBPR technology is based on the phosphorus accumulating organisms （PAOs） with the “l(fā)uxury”?phosphorus uptake ability， and then phosphorus would be removed by withdrawing the excess sludge. However， recent studies have revealed that extracellular polymers substance （EPS） in the sludge have also accumulated a certain amount of phosphorus， indicating that the role of EPS in EBPR can not be ignored. In this paper， the characteristics of different EPS extraction methods were summarized， the characteristics of P distribution in EPS and the specific role of EPS in maintaining the stability of biological phosphorus removal system were introduced， and the remaining knowledge gaps were discussed.

Key words： Enhanced biological phosphorus removal; Extracellular polymers substance; Phosphorus accumulating organisms

目前，我國水體富營養(yǎng)化依然嚴(yán)峻，磷是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化最為關(guān)鍵的限制因素，為此國家和地方政府對污水處理廠出水磷濃度制定了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。相較于化學(xué)除磷，強化生物除磷具有成本低、污染小等特點，已廣泛應(yīng)用于實際污水處理廠^[1]。普遍認(rèn)為EBPR過程是基于聚磷菌（PAOs）厭氧釋磷、好氧過量吸磷的原理，并通過排放剩余污泥實現(xiàn)良好的除磷效果^[2]。然而，聚磷菌釋磷/攝磷原理不能解釋所有的生物除磷現(xiàn)象，說明EBPR不僅與聚磷菌有關(guān)，而且可能與生物絮體中其他物質(zhì)存在密切聯(lián)系^[3]。

大量研究表明，EBPR活性污泥胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）中含有大量的磷，不可忽視其在強化生物除磷中的作用，需要重新審視現(xiàn)有的生物除磷理論。本綜述系統(tǒng)歸納了不同EPS提取方法的特點，總結(jié)了強化生物除磷理論的研究現(xiàn)狀，希望本綜述能為強化生物除磷理論的研究提供借鑒，更好的為工程實踐提供理論支持。

1 ?胞外聚合物概述

EPS是生物絮體的重要組成部分，主要來源于微生物分泌，細(xì)胞裂解以及廢水中的有機物，其結(jié)構(gòu)概念圖如圖1所示。

根據(jù)EPS在細(xì)胞外的存在方式，可將其分為溶解性EPS（Souble EPS）和結(jié)合型EPS（Bound EPS），而后者根據(jù)其與細(xì)胞的結(jié)合程度又可分緊密結(jié)合型EPS（Tightly Bound EPS，TB-EPS）和疏松結(jié)合型EPS（Loosely Bound EPS，LB-EPS）。TB-EPS位于細(xì)菌細(xì)胞外層，與細(xì)菌細(xì)胞緊密結(jié)合;LB-EPS位于TB-EPS外層，具有比較松散的結(jié)構(gòu)^[5]。由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點，EPS不僅可以保護(hù)微生物免受環(huán)境有毒物質(zhì)的危害^[6]，還能為微生物提供碳源或能源。同時在污水處理過程，EPS對污泥的沉降性能、脫水性能以及對重金屬的吸附性能都有重要影響^[7]。

2 ?EPS提取方法

鑒于EPS在廢水生物處理過程中的重要作用以及EPS原位分析所獲得的信息有限，研究者們通常將EPS從污泥分離后再進(jìn)行分析。目前EPS的提取方法主要包括物理方法和化學(xué)方法，物理方法主要是利用外力將EPS與細(xì)菌細(xì)胞分離，物理方法包括超聲波法、高速離心法以及加熱法等。化學(xué)方法則是利用化學(xué)試劑中離子或分子與EPS相接觸，促進(jìn)EPS大分子進(jìn)入主體液相而被提取出來，化學(xué)方法包括陽離子交換樹脂法、NaOH/HCHO法以及EDTA法等。

不同的提取方法會影響EPS的組成、結(jié)構(gòu)以及功能特性。Comte等^[8]研究了三種物理提取方法對EPS組成的影響。結(jié)果表明，加熱法提取的EPS產(chǎn)量最高，這與Tapia等^[9]的研究結(jié)果一致，然而Bo等^[10]指出加熱法會導(dǎo)致細(xì)胞裂解并破壞EPS的結(jié)構(gòu)。Phuc-Nguon等^[11]采用EPS提取效率和細(xì)胞裂解作為EPS提取方法優(yōu)劣的評價標(biāo)準(zhǔn)，比較了NaOH/加熱、HCHO/NaOH以及CER三種提取方法。結(jié)果表明，NaOH/加熱法提取EPS效率高，但會導(dǎo)致細(xì)胞大量裂解，而HCHO/NaOH提取能有效減少細(xì)胞裂解，這是由于甲醛可以通過交聯(lián)細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)的氨基，羥基和羧基來固定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，CER法提取EPS的效率較高，且造成的細(xì)胞裂解率低，同時可以充分提取活性污泥中的熒光物質(zhì)。此外，大多研究者均認(rèn)為化學(xué)方法提取EPS的效率一般要高于物理方法，但化學(xué)方法提取EPS會引入化學(xué)試劑，這些試劑會對提取的EPS造成一定的化學(xué)污染，從而干擾對其組成和結(jié)構(gòu)的分析。

對于EPS提取方法，研究者們已經(jīng)做了大量研究，但如何在細(xì)菌裂解最少、不破壞EPS理化性質(zhì)的前提下，盡可能多的提取EPS，研究者目前還沒有達(dá)成一致的結(jié)論，也沒有制定出相應(yīng)的EPS提取效果的評價體系，表1歸納了一些常見的EPS提取方法及其特點。

3 ?EPS中磷的分布特征

3.1 ?EPS中磷的含量

一直以來，認(rèn)為EBPR污泥中的磷主要以聚磷的形式儲存在聚磷菌內(nèi)，然而許多研究表明，EBPR污泥的EPS中也存在大量的磷^{[12，13]}。Cloete等^[12]采用掃描電鏡結(jié)合能譜儀（SEM-EDS）觀察生物除磷工藝中活性污泥，發(fā)現(xiàn)EPS中含有27%～30%的磷。為了定量分析EPS中的磷含量，Li等^[13]提取EBPR系統(tǒng)中好氧結(jié)束階段污泥的EPS，他們發(fā)現(xiàn)提取的EPS磷含量為0.06～0.09 mg/mg-EPS，占污泥總磷的13%，這與Zhang等^[14]結(jié)果一致。龍向宇^[15]等采用超聲波-陽離子交換樹脂法提取不同來源污泥的EPS，結(jié)果表明EPS 磷含量占污泥磷含量的34%～57%，認(rèn)為EPS在強化生物除磷過程起著重要作用。

盡管不同的提取方法會影響EPS中磷含量的測定，但上述研究均表明EPS中含有大量的磷，不可忽視其在強化生物除磷中的作用。

3.2 ?EPS中磷的形態(tài)

長期以來，研究者大多認(rèn)為EPS中的磷主要以正磷酸鹽的形式存在。然而隨著研究手段的進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)EPS中含有大量的聚磷酸鹽。方振東等^[16]采用STS法（化學(xué)分級）檢測到細(xì)胞膜外或EPS中存在大量的聚磷酸鹽，認(rèn)為EPS在生物除磷中起著關(guān)鍵作用。Zhang等^[17]采用³¹P-NMR光譜分析，發(fā)現(xiàn)EBPR污泥EPS中存在大量的聚磷酸鹽和焦磷酸鹽。此外，張志超等^[18]研究表明，EPS含有正磷酸鹽，聚磷酸鹽，焦磷酸鹽，DNA磷和磷單質(zhì)五種形態(tài)的磷，普通活性污泥系統(tǒng)EPS中的磷主要以正磷酸鹽的形態(tài)存在，而EBPR活性污泥系統(tǒng)EPS含有大量的聚磷酸鹽，表明EBPR系統(tǒng)中EPS參與了生物聚磷。

然而，目前EBPR活性污泥系統(tǒng)EPS中聚磷酸鹽的來源尚未明確，部分研究者認(rèn)為EPS中存在多聚磷酸鹽激酶（PPK），可以通過生物原位合成聚磷酸鹽^[19]。Long等^[20]借助³¹P-NMR分析測定了EBPR活性污泥EPS中聚磷酸鹽的鏈長，結(jié)果表明EPS中聚磷酸鹽是高分子無機聚合物，不能進(jìn)行跨膜運輸，認(rèn)為EPS中聚磷酸鹽是由胞外酶催化合成的。然而，Allison等^[21]認(rèn)為EPS中聚磷酸鹽主要來源于細(xì)胞自溶，因為胞外合成聚磷酸鹽需要大量的能量，EPS中不可能合成大量的聚磷酸鹽。由于研究手段的限制，目前尚未明確EPS中是否存在合成聚磷酸鹽的反應(yīng)，在今后的研究中也有必要展開相關(guān)的研究。

3.3 ?EPS中磷的遷移轉(zhuǎn)化

對于EBPR活性污泥系統(tǒng)，胞內(nèi)磷和EPS磷的遷移轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)。Zhang等^[17]研究了EBPR系統(tǒng)厭氧-好氧交替循環(huán)過程細(xì)胞內(nèi)總磷和EPS總磷含量的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)EPS總磷和細(xì)胞內(nèi)總磷含量均呈現(xiàn)厭氧減少，好氧增加的趨勢，這是典型的EBPR過程，這表明EPS在強化生物除磷是EPS和細(xì)菌細(xì)胞共同作用的結(jié)果。周健等^[22]的研究結(jié)果也表明，在厭氧-好氧交替反應(yīng)過程，EBPR污泥的EPS中的磷含量呈現(xiàn)厭氧減少、好氧增加的趨勢，且污泥齡越高，EPS中的磷含量越高。

在磷酸鹽遷移轉(zhuǎn)化過程，為了維持系統(tǒng)的電中性，金屬陽離子通常伴隨著PO43-共同進(jìn)出細(xì)菌細(xì)胞^[23]。Wang等^[24]研究了EBPR活性污泥EPS中金屬-P絡(luò)合物的形成，發(fā)現(xiàn)主體液相中K⁺、Mg²⁺和PO₄^3-之間的變化存在良好的化學(xué)計量關(guān)系，這表明K+、Mg²⁺會與polyP形成金屬-P復(fù)合物，共同進(jìn)出細(xì)菌細(xì)胞。Liu等^[25]提出P、K⁺、Mg²⁺可以快速的從主體液相轉(zhuǎn)移到EPS中，但是不能立即轉(zhuǎn)移到聚磷菌細(xì)胞內(nèi)，而是在EPS中停留一段時間，這說明EPS是P和K⁺、Mg²⁺動態(tài)儲存庫以及中轉(zhuǎn)站。

4 ?EPS在維持EBPR系統(tǒng)穩(wěn)定中作用

越來越多證據(jù)表明EPS在維持EBPR系統(tǒng)穩(wěn)定中具有重要作用，一般來說，EPS可能通過下列幾種方式促進(jìn)EBPR過程中P的去除。（1）首先，EPS作為連接細(xì)菌細(xì)胞和主體液相的“橋梁”，可以保護(hù)PAOs免受有毒物質(zhì)（如重金屬）的污染。眾所周知，高濃度的重金屬如Cu²⁺、Ni²⁺會抑制PAOs的新陳代謝^[26]。EPS可以對這些有毒化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行攔截，從而確保PAOs的生理活性。Mu等^[27]報道了EPS中負(fù)電荷殘基能夠結(jié)合Zn²⁺，并且EPS的螯合性能可以減弱Zn²⁺對內(nèi)部微生物的毒害。?因此，當(dāng)EBPR系統(tǒng)中存在有毒物質(zhì)時，污泥絮體中微生物細(xì)胞會傾向于產(chǎn)生更多的EPS以保護(hù)自己免受惡劣環(huán)境的影響^[27]。

其次，在EBPR系統(tǒng)運行周期內(nèi)，EPS中會逐漸形成ACP沉淀物^[28]，這將有利于磷的去除。值得注意的是，EPS中惰性磷酸鹽沉淀的形成，會影響聚磷菌的代謝過程，因為EPS中大量累積的“惰性”磷酸鹽沉淀會阻礙厭氧/好氧過程PO₄^3-的遷移轉(zhuǎn)化。Zhang等^[29]指出當(dāng)進(jìn)水Ca²⁺濃度過高時，EPS中會合成大量的HAP沉淀，PAOs代謝途徑可能從聚磷酸鹽（PAM）代謝轉(zhuǎn)變?yōu)樘窃x（GAM）。?然而，一些研究表明，盡管EPS中“惰性”磷酸鹽的合成會抑制EBPR過程，但仍然可以實現(xiàn)P穩(wěn)定、有效的去除，這是由于高含量的EPS能夠顯著促進(jìn)P吸附/沉淀^[30]。

換句話說，EBPR系統(tǒng)除磷包括微生物代謝除磷和EPS誘導(dǎo)沉淀除磷。如果能確保EPS中聚集大量的磷，那么即使增殖的GAOs比PAOs多，也不一定會減弱磷的去除，上述研究將更有利于EBPR過程的管理。更重要的是，形成的HAP沉淀十分穩(wěn)定，并且很容易脫水用作有用的肥料^[31]，這進(jìn)一步增加了EPS誘導(dǎo)磷沉淀的吸引力。因此實際EBPR操作中，需要平衡考慮生物因素、化學(xué)因素的影響。

5 ?結(jié)?論

過去幾十年間，大量研究結(jié)果已經(jīng)表明EPS在強化生物除磷中扮演著重要作用。然而，我們對EBPR過程中磷酸鹽的遷移轉(zhuǎn)化還不夠了解，對EBPR過程polyP的分解/合成生化反應(yīng)機制、聚磷菌與聚糖菌之間的競爭機制的認(rèn)知還存在缺陷。同時，還缺乏有效可靠EPS提取手段，這為后續(xù)的研究提供了不便。

為了更好地理解EPS在強化生物除磷過程中的作用，進(jìn)一步完善強化生物除磷機制，以期指導(dǎo)具體工程實踐，在未來還需在分子水平上研究微生物代謝活動，EPS的合成以及微生物種群結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系。

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