谈在厌氧好氧条件下磷的气体转化形式

(长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710054)

植物营养型污染物磷的排放会导致水体的富营养化。而对于磷的去除，主要有生物法和化学法两大类。下面对其各自除磷工艺的研究进行简单阐述。

1 研究进展

1.1 传统A/O/A工艺

A/O/A工艺是为了达到同时脱氮除磷的目的，在厌氧—好氧(A—O)脱氮工艺基础上研发的。A/O/A工艺由厌氧、缺氧、好氧3部分组成，其工艺流程如图1所示［2］。

图1 传统A/O/A工艺流程

然而在不断的运行中发现，A/O/A工艺也存在一些不足:例如硝化菌和聚磷菌在泥龄上存在矛盾;污泥负荷与硝酸盐的矛盾以及厌氧环境下反硝化与释磷对碳源有机物的竞争矛盾等问题影响脱氮除磷效果。

1.2 基于传统A/O/A的新工艺

在不断地研究中，通过改变污泥及混合液回流方式发现了很多优化变形工艺，如:倒置A2/O工艺、UCT工艺、MUCT工艺等，以下分别做以简单介绍:

1)倒置A2/O工艺。倒置A2/O工艺是一种新的碳源分配方式，即缺氧区置于厌氧区之前，其工艺流程如图2所示［3］。聚磷菌经厌氧释磷后直接进入好氧环境，具有“饥饿效应”优势;在除磷方面具有“群体效应”优势，而且流程简洁。但该工艺条件下，反硝化与释磷对碳源有机物的竞争依然存在。

2)UCT/MUCT。UCT工艺［4］排除、减少了厌氧区的硝酸盐负荷，将污泥回流至反硝化池。从而增加了除磷能量，脱氮除磷效果好，但由于增加了回流系统，操作运行复杂(见图3)。而改良UCT/MUCT工艺(见图4)［5］，其目的是优化除磷效果。

图2 倒置A2/O工艺流程

图3 UCT工艺流程

图4 MUCT工艺流程

3)改良A2/O工艺。改良A2/O［6］工艺提高了脱氮效果。预缺氧池保证了厌氧池聚磷菌的释磷能力，增强了后续好氧条件下的吸磷能力，从而提高了除磷效果(见图5)。

图5 改良A2/O工艺流程

2 磷向气体的转化

磷向气态磷化氢转化的机理如下。

2.1 从生物学角度分析磷化氢产生机理

1)厌氧条件:目前，普遍认为磷化氢是由厌氧菌分解有机磷化合物而产生的。韦伟等人［10］通过试验显示厌氧序批工艺条件是磷化氢产生的必要条件，并发现磷化氢的产生与水中总磷浓度呈负相关关系。2)好氧条件:对于好氧环境下是否会有磷化氢的形成，研究成果还很少见。韦伟等人［10］通过试验显示好氧序批工艺条件下磷化氢的产生几乎是肯定的。但产量非常有限，与厌氧过程相比，检测值相差数个数量级。

2.2 从反应动力学角度分析磷化氢产生机理

碳源和磷源的交替影响促进了磷化氢的合成，其形成过程遵循典型的微生物生长曲线。从磷和磷的化合物还原的电极电位图可以看出(见图6)，将PO3－4还原需要很强的还原剂(NaBH4)，然而在pH=14时磷的化合物都不是好的氧化剂;将磷化氢氧化为磷酸盐却只需要很弱的氧化剂，因此自然界中绝大部分磷以价态为+5价形式存在。

图6 电极电势图

磷化氢合成存在两种可能:

1)微生物在对氧化态磷或磷的还原过程中产生能量。而这种情况下，其要求比较苛刻。需要高能量的电子供体，而在我们熟知的产甲烷和硫酸盐还原两种生物过程中，微生物能利用其还原过程中的高能电子供体来获得能量(见表1)［11］。由此可以推断，微生物若要从磷化氢的合成过程中得到能量，则必须有像以上两种机制相似的高能电子供体提供足够的能量。同时，磷化氢的产生除了需要足够还原力外还需要足够的能量作支撑。而对于电子供体的研究中，郭夏丽，郑平［12］试验了纤维素、葡萄糖和乙酸盐作为磷酸盐还原反应电子供体的可行性。结果表明，葡萄糖适宜用作磷酸盐还原反应的电子供体。以葡萄糖为电子供体，磷的去除率为16.95%。然而，从热力学角度分析，在pH=7的标准条件下，磷化氢的合成是很难发生的。从表1可以看出，生成磷化氢为吸热反应，所以在此过程中不可能产生能量。此外，自然环境中，亚磷酸盐是不稳定的，即使磷酸盐可以转化成亚磷酸盐，其生成产物也会很快消失。因此，综上所述，这种微生物在还原磷酸盐的过程中获得能量是不可能发生的。

表1 磷化氢合成热力学分析反应方程式

2)磷化氢的合成过程中微生物消耗能量。在自然环境中，微生物作用经常能使一些动力学上不能发生的反应进行，生物固氮过程就是一个典型例子。生物固氮是固氮微生物在固氮酶的催化作用下进行的。在其固氮过程中，打开氮气(N2)的三键需要很高的能量，其氧化还原电位为－1.0 V(pH=7)。而pH=7时，磷的化合物的还原电位显然比－1.0 V大，见图6［11］。所以，可以想象在磷化氢的合成过程中，也有类似的酶和微生物来促进反应的发生，而此反应过程是需要能量的。韦伟等人通过对厌氧，好氧及厌氧/好氧三种不同序批式工艺的试验得出在好氧条件下，葡萄糖主要通过TCA循环被氧化成水和二氧化碳并释放大量能量，而在厌氧条件下，糖降解可以通过EMP，HMP，ED等多种途径产生大量的还原力。

3 结语

对磷更加合理经济地去除必然会成为污水处理领域不断研究的课题，磷化氢的机理研究还需要不断探索，应该注重磷化氢的研究与生物物理学，生物化学，分子生物学等学科交叉研究，从微观层面更好地解释磷化氢的产生过程，从传统的处理工艺中发现新的除磷机理并用于工程实践将是需要不断研究解决的问题。

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