生物除磷与微生物学原理

由于现代工业的发展，水体富营养化问题日趋严重，其中磷是藻类生长的限制因子之一，水体中磷浓度过高是导致水体富营养化的关键元素之一。磷在污水中主要存在形式包括：正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷三种形态，生活污水中聚磷酸盐和有机磷占总磷的70%左右，约10%左右以固体形式存在，针对水体的除磷要求，常用的方法包括化学除磷和生物除磷。化学除磷是指投加一些化学药剂，使水体中的溶解态磷转化为不可溶解态，继而沉降去除，但化学除磷成本较高，且容易造成二次污染，不宜长期使用；生物除磷主要是指利用微生物去除水体中过量的磷。采用微生物法去除水体中的磷在国内外已经实现，这充分说明了微生物具有脱磷的能力，如假单胞菌属（Pseudomonas）等。微生物地球化学研究成果表明，P元素在岩石圈和水圈中的迁移和分布也和微生物的摄磷、释磷有密切关系。土壤化学中利用土壤解磷微生物VA 菌根溶解不溶性磷酸盐来提高肥力，将植物难以吸收利用的磷转化为可吸收利用的形态，正是基于微生物对磷的作用。

根据某些微生物在好氧条件下不仅能大量吸收磷酸盐（PO₄^3-）合成自身物质和ATP，而且还能逆浓度梯度过量吸磷合成贮存能量的多聚磷酸盐颗粒（即异染颗粒Metachromatic Granules）于体内，供其内源呼吸用，在厌氧时又能释放磷酸盐（PO₄^3-）于体外，称这些细菌为聚磷菌，也就是聚磷微生物（Poly-phosphate Accumulating Organisms, 简称PAOs），PAOs不是单一的微生物而是由不同的微生物群落组成，在不同的生物除磷活性污泥中微生物组成不同，其优势菌种也存在着差异。

具有聚磷能力的微生物就目前所知绝大多数是细菌。目前已经从生物强化除磷系统（Enhanced Biological Phosphate Removal ，简称EBPR）中分离出许多种类的聚磷微生物，主要有不动杆菌、气单胞菌、假单胞菌、棒状菌群和肠杆菌科等。

除磷的生物化学机制

传统生物除磷机理：

目前普遍认可的生物除磷理论是聚磷微生物的摄/放磷原理：在厌氧环境下，聚磷菌把细胞中的聚磷水解为正磷酸盐（PO₄^3—P）释放到细胞外，并从中获取能量。污水中易生物降解的溶解性COD被产酸菌和某些聚磷菌酸化分解成乙酸等低分子有机物，包括挥发性脂肪酸（VFA）或短链脂肪酸（SCFA），VFA（SCFA）不仅能被聚磷菌利用，而且能诱导激发细胞将其体内积累的高能聚合磷分解，释放出磷酸根和键能，聚磷菌通过三磷酸腺苷（ATP）→二磷酸腺苷（ADP）的转换，将废水中的有机物摄入细胞内，以胞内碳能源存储物聚羟基烷酸（PHA）、聚-β-羟丁酸（PHB）及糖原等有机颗粒的形式贮存在体内。

在好氧区内，聚磷菌将贮存于体内的PHB进行好氧分解，并通过三羧酸循环（TCA循环）产生ATP，释放出大量能量供聚磷菌增殖，在充分利用基质的同时，大量吸收溶解态的正磷酸盐，在细胞内合成并积累多聚磷酸盐，对磷积累可达细胞干重的6%左右，个别可达8%。PAOs以循环方式经历厌氧/好氧环境后，本底环境的磷在好氧环境下以聚磷形式储存在细胞内，最终通过排放富含聚磷菌的剩余污泥实现除磷的目的。

①  

厌氧释放磷的过程

在厌氧条件下，聚磷菌将体内储藏的聚磷分解，产生的磷酸盐进入液体中（释放磷），同时产生的能量可供聚磷菌在厌氧条件下生理活动之需，还可用于主动吸收外界环境中的可溶性脂肪酸，在菌体内以聚-β-羟丁酸（PHB）的形式储存。细胞外的乙酸转移到细胞内生成乙酰COA（乙酰辅酶A）的过程需要耗能，这部分能量来自菌体内聚磷的分解，聚磷分解导致了可溶性磷酸盐从菌体内的释放和金属阳离子转移到细胞外。

在厌氧条件下，以乙酸为碳源，聚磷菌释磷以简化的方式描述为:

C₂H₄O₂+0.2(HPO₃)(聚磷)+H₂O → (C₅H₄O₂)₂(贮存有机物)+PO₄^3-+3H⁺

②好氧吸磷的过程

在好氧条件下，聚磷菌菌体内的聚-β-羟丁酸（PHB）分解成乙酰COA（乙酰辅酶A），一部分用于细胞合成，大部分进入三羧酸循环和乙醛酸循环，产生氢离子和电子；从聚-β-羟丁酸（PHB）分解过程中也产生氢离子和电子，这两部分氢离子和电子经过电子传递产生能量，同时消耗氧。产生的能量一部分供聚磷菌正常的生长繁殖，另一部分供其主动吸收环境中的磷，并合成聚磷，使能量储存在聚磷的高能磷酸键中，这就导致菌体从外界吸收可溶性磷酸盐和金属阳离子进入体内。

在好氧条件下，聚磷菌吸磷以简化的方式描述为：

C₂H₄O₂+0.16NH₄⁺+1.2O₂+0.2PO₄^3- → 0.16C₅H₇NO₂+1.2CO₂(HPO₃)(聚磷)+0.44OH^-+1.44H₂O

聚磷菌是一类生长较慢的细菌，它之所以能在厌氧和好氧系统中占优势，与其能够进行聚磷和储存分解聚-β-羟丁酸（PHB）有关。在厌氧条件下，聚磷菌不能分解外界的有机物来获得能量，可以分解体内的聚磷来获得能量而生长繁殖。因此，聚磷菌同不聚磷的微生物相比，更能适应厌氧和好氧交替的环境而成为优势菌群。

反硝化聚磷菌除磷机理：

反硝化除磷现象的发现是生物除磷的最新研究成果。该研究表明，除PAOs可在好氧环境中摄磷外，一种兼性厌氧反硝化细菌(DenitrifyingPhosphorusRemovingBacteria，DPB)也能在厌氧/缺氧交替的运行环境下摄磷。该微生物利用O₂或NO_x^-作为电子受体，并且在吸磷的同时将NO_x-N转变成为N₂或氮化物，在无溶解氧和只存在NO_x^-的缺氧情况下，DPB进行反硝化的同时，将污水中的磷以聚磷的形式吸入细胞内而去除。

在缺氧的条件下,表达式为:

C₂H₄O₂+0.16NH₄⁺ + 0.96NO₃^-+ 0.2PO₃^4-→ 0.16C₅H₇NO₂+ 1.2CO₂+ 0.2(HPO₃)(聚磷)+ 1.4OH^-+ 0.96H₂O+ 0.48N₂

由于DPB可在缺氧环境下摄磷，这就使得摄磷和反硝化两个过程借助同一种细菌在同一个环境下完成，将摄磷和反硝化(脱氮)两个彼此独立的生物过程合二为一。

但在普通废水的生化处理过程中，微生物除磷的同时虽然吸收元素用以合成细胞物质和合成ATP（三磷酸腺苷）等，但只去除污水中约19%左右的磷，残留在水中的磷还相当高。

在自然地表水体中，一般水量较大且水力停留时间短，微生物反应环境的条件难以控制，所以通过搭配使用生态浮岛、水下森林等植物修复手段，可以明显提高水体的除磷效果。作为植物三大营养元素之一的磷，是植物生长发育不可缺少的，磷是植物体内许多重要有机物的组成部分，同时又以多种方式参与植物体内各种代谢过程。

植物生命活动所需要的能量以及能量的传递和储备都依靠磷酸化合物，在水体中，能被植物根系直接吸收的磷主要是一价磷酸根离子和二价磷酸根离子，而三价磷酸根离子、聚磷酸盐和有机磷酸盐则不能或很难被植物根系吸收。污水中的磷元素被植物根系吸收后，经同化作用可变成植物的ATP、DNA以及RNA等有机成分，通过植物的收割而从水体中移除。