除磷颗粒污泥中磷的形态及其含量分析

郭 超，刘怀英，王 琪，刘思琪，4，罗玉龙，刘小英，5

（1.武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065；2.山西安泰集团股份有限公司，山西 介休 032002；3.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070；4.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400044；5.陕西省地下水与生态环境工程研究中心，陕西 西安 710055）

除磷颗粒污泥作为一种特殊的污泥存在形式，由于具有良好的沉降性能、较高的微生物量以及较强的抗冲击负荷能力等特点，因而受到广泛关注。目前，国内外一些学者培养出具有除磷功能的颗粒污泥［1-2］。与传统的絮状污泥除磷相比，除磷颗粒污泥表面和内部空隙较多，具有良好的吸附能力，利于吸附重金属离子（如铬、铜、锌等）［3］，这一特点在除磷系统中具有积极作用。污水中的磷（P）以溶解性磷（聚合磷酸盐、正磷酸盐和少量有机磷酸盐）和颗粒性磷（大部分有机磷酸盐）形式存在。SMT 法作为一种提取和分类测定P的有效方法，已经被刘冠男等［4］、朱梦圆等［5］和刘韬等［6］证实具有操作简单、准确性高的优点。

磷的去除一般有化学除磷和生物除磷两种手段。传统的观点认为，污水生物处理中磷的去除主要途经为生物除磷，但少数研究者发现胞外聚合物（EPS）具有一定的除磷能力。EPS由生物的合成、分泌、细胞溶解及大分子水解等形成，通常认为它有利于微生物细胞凝聚，是微生物聚集体的重要组成部分［7］。EPS对污泥的絮体结构、沉降脱水、污泥厌氧消化中细胞的可生物降解以及水中某些污染物质（重金属、P等）的去除都有积极作用［8-9］。目前EPS提取方法有超声法、加热法、硫酸法等，但EPS提取条件控制是EPS提取的关键。基于此，本文以不同碳源培养的具有除磷能力的除磷颗粒污泥为研究对象，利用X 衍射法、SMT法对除磷颗粒污泥中P的存在形态和含量进行了分析测定，并利用超声法和加热法分离胞内与胞外物质，提取EPS并分析其中总磷（TP）的含量，进一步探讨除磷颗粒污泥的除磷机理。

1 材料与方法

1.1 除磷颗粒污泥来源

以实验室SBR 反应器中培养的具有除磷能力的除磷颗粒污泥（人工配水）作为研究对象，考察4种不同碳源条件下除磷颗粒污泥中磷的存在形态及其含量。4 种不同碳源如下：1＃颗粒污泥：100 mg／L NaAc+300mg／L 黄水（白酒废水）；2＃颗粒污泥：100 mg／L NaAc+300 mg／L 葡萄糖+40 mg／L蛋白胨；3＃颗粒污泥：400 mg／L 黄水；4＃颗粒污泥：400mg／L葡萄糖。

1.2 分析测试方法

颗粒污泥样品经自然风干研磨密封后进行X射线衍射分析，得到颗粒污泥样本X 射线衍射图谱，将其与PDF卡片中各物质峰的图谱进行对比，从而确定污泥样本中所含的化合物质。

SMT 法可以测定颗粒污泥中总磷（TP）、有机磷（OP）、无机磷（IP）、铁铝结合磷（Fe／Al-P）和钙结合磷（Ca-P）5种形态磷的含量。本试验从反应器中取一定量颗粒污泥样品经自然风干后，利用SMT法对污泥样品中5种形态磷的含量进行分析测定，具体分析过程如图1所示。

图1 SMT 法分析过程Fig.1 Analysis procedure of SMT

1.3 除磷颗粒污泥中胞内与胞外物质的分离

本试验利用加热法和超声法，将除磷颗粒污泥中胞内物质和胞外物质进行分离（见图2），提取污泥样品中EPS，并测定其中TP的含量。

其中，EPS缓冲溶液组分为：2mmol／LNa3PO4，4 mmol／LNaH2PO4，9mmol／LNaCl，1mmol／LKCl，pH=7。利用核酸含量来判断细胞破裂程度，核酸采用紫外分光光度法测定。颗粒污泥中TP、MLVSS、MLSS等采用国标法测定［10］。

1.4 试验仪器

JY92-Ⅱ超声波细胞粉碎机（工作频率范围为20～25kHz，变幅杆直径为6 mm）；TGL-185台式高速冷冻离心机。

图2 加热法和超声法分离胞内与胞外物质的流程Fig.2 Separation steps of intracellular material and extracellure material by heating method and ultrasonic method

2 结果与分析

2.1 除磷颗粒污泥的形态

图3为4种不同碳源条件下培养的除磷颗粒污泥的形态。由图3可以看出：不同碳源条件下，系统中颗粒污泥为主要存在形式，1＃和3＃颗粒污泥中粒径差异较大，但粒径较大的颗粒数量较少；4＃颗粒污泥中粒径分布均匀。

图3 不同碳源条件下培养的除磷颗粒污泥的形态（×40）Fig.3 Morphology of dephosphorization granular sludge cultured under different carbon sources（×40）

2.2 除磷颗粒污泥中磷的存在形态

2.2.1 XRD 图谱分析

对4种不同碳源条件下培养的除磷颗粒污泥进行X 射线衍射分析，得到XRD 图谱，见图4。

图4 除磷颗粒污泥的XRD 图谱Fig.4 XRD analysis of dephosphorization granular sludge

由图4可知，除磷颗粒污泥中磷的存在形态多样，磷主要与Ca、Fe、Al、Na、K、Mg等结合形成磷酸盐化合 物，具体化 合物有 NH4Ca（PO3）3、Ca（H2PO2）2、K2H2P2O7、K2HP6N11、NaCa（PO4）4、Ca5（PO4）3（OH ）、KCaPO4、NaCaPO4、NaCa（PO3）3、AlFe（PO3）6、K2AlFe（P2O7）2、Fe3Mg3（PO4）4、Na2HPO4、Mg3（PO4）3和K4P2O7等，且与Ca形成的化合物种类最多。其中，4＃颗粒污泥中磷酸盐化合物种类较其他污泥少，3＃颗粒污泥中磷酸盐化合物种类较多；进水碳源越复杂形成的磷酸盐化合物种类越多，当进水碳源单一时，形成的磷酸盐化合物种类较少。

2.2.2 SMT 法定量分析

利用SMT 法可以将除磷颗粒污泥中磷的存在形态分为5种：与Fe和Al结合的Fe／Al-P、与Ca结合的Ca-P、无机磷IP、有机磷OP和总磷TP。本试验利用SMT 法对除磷颗粒污泥中5种形态磷的含量进行了测定，其结果见表1。

表1 除磷颗粒污泥中5种形态磷的含量（mg／g）Table 1 Content of 5kinds of existing morphology of phosphorus in dephosphorization granular sludge

由表1可以看出：除磷颗粒污泥中OP 含量较低，约占TP 的2.4%～3.0%，IP 含量高，约占TP的97%以上；1＃、2＃和3＃颗粒污泥中Ca-P分别占IP的53.50%、70.67%和82.73%，而Ca-P 是IP的主要部分，这一结果与X 射线衍射分析结果相一致。

2.2.3 胞内和胞外物质中磷的含量分析

利用加热法和超声法将除磷颗粒污泥中胞内物质和胞外物质进行分离，提取EPS并测定其中TP的含量，其结果见表2。

表2 除磷颗粒污泥中磷在胞内与胞外物质的含量（%）Table 2 Phosphorus Percentage of intracellular material and extracellure material in dephosphorization granular sludge

由表2可以看出：核酸在EPS 中的比例均在20%以下，说明除磷颗粒污泥中微生物细胞壁破坏程度较小，胞内物质没有大量溶出，3＃颗粒污泥采用两种方法分离结果发现，加热法较为剧烈；不同碳源培养的除磷颗粒污泥中磷在胞内和胞外物质的含量基本相当，其中3＃颗粒污泥中胞内物质的TP含量略高于胞外物质，这主要由于当黄水作为碳源时，除磷颗粒污泥几乎丧失了除磷能力；除磷颗粒污泥中胞外物质的TP含量在34.87%～56.91%之间，该值与方振东等［11］和严杰能等［12］（EPS结合的TP占污泥TP的34%～57%）的研究结果接近，说明胞外物质的TP含量越高，除磷颗粒污泥的除磷能力越强。

2.3 除磷颗粒污泥的除磷机理分析

通过上述分析可知，磷在除磷颗粒污泥中主要以磷酸盐化合物的形式存在，其中IP为主要组成部分，而IP基本均等地分布在胞内物质和胞外物质中。由此推测，EPS对磷的去除具有积极作用。

EPS作为细胞表面的高分子有机物，它具有一定黏性，可以通过对磷进行生物吸附，从而有利于除磷。除磷颗粒污泥除磷不仅依靠胞内物质对磷的生物降解，同时EPS对磷也具有较强的吸附作用。周健等［8］、韩玮等［13］、朱邦辉 等［14］的研究 结果显示EPS储存了一定份额的磷，这与本试验结果一致，而EPS对磷的吸附比例可能与碳源、微生物组成、反应器操作等有关［15］。

3 结论

以实验室培养的除磷颗粒污泥为研究对象，应用X 衍射法和SMT 法对除磷颗粒污泥中磷的形态及其含量进行了分析测定，并研究了除磷颗粒污泥的除磷机理，从而得到如下结论：

（1）除磷颗粒污泥XRD 图谱分析结果显示，当进水成分复杂时，磷酸盐化合物种类具有多样性。

（2）除磷颗粒污泥中OP含量较低，约占TP的2.4%～3.0%，IP含量高，占TP的97%以上，其中Ca-P是IP的主要部分。

（3）除磷颗粒污泥中胞外物质的TP 含量在34.87%～56.91%之间，说明除磷颗粒污泥中EPS对磷的去除具有积极作用。

［1］Dulekgurgen E，Ovez S，Artan N.Enhanced biological phosphate removal by granular sludge in a sequencing batch reactor［J］.Biotechnology Letters，2003，25（9）：687-693.

［2］You Y，Peng Y，Yuan Z G，et al.Cultivation and characteristic of aerobic granular sludge enriched by phosphorus accumulating organisms［J］.Environ.Sci.，2008，29（8）：2242-2248.

［3］张兴文，王芳，杨凤林，等.好氧颗粒污泥的特点及其研究进展［J］.环境污染治理技术与设备2004，11（3）：658-663.

［4］刘冠男，董黎明，王小辉.湖泊沉积物中三种磷提取方法比较［J］.岩矿测试，2011，30（3）：276-280.

［5］朱梦圆，朱广伟，钱君龙，等.SMT 法插标分析沉积物中磷的地球化学形态［J］.中国环境科学，2012（8）：1502-1507.

［6］刘韬，齐国辅，高海鹰.滇池沉积物磷形态的水平分布特征［J］.安全与环境工程，2010，17（6）：26-30.

［7］Laspidou G S，Rittmann B E.A unified theory for extracellular polymeric substances，soluble，microbial products，and active and inert biomass［J］.Wat.Res.，2002（11）：2711-2720.

［8］周健，栗静静，龙腾锐，等.胞外聚合物EPS 在废水生物除磷中的作用［J］.环境科学学报，2008（9）：1758-1762.

［9］赵军，徐高田，秦哲，等.胞外聚合物EPS组成及对污泥特性的影响研究［J］.安全与环境工程，2008，15（1）：66-69.

［10］国家环保局.水和废水监测分析方法［M］.第4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

［11］方振东，龙向宇，唐然，等.胞外聚合物结合磷效能的研究［J］.环境科学学报，2011，31（11）：2374-2379.

［12］严杰能，许燕滨，段晓军，等.胞外聚合物的提取与特性分析研究进展［J］.科技导报，2009，27（2）：106-110.

［13］韩玮，袁林江，柴璐.长泥龄污水生物除磷系统的除磷效果［J］.安全与环境学报，2012，12（5）：17-22.

［14］朱邦辉，万金保.好氧颗粒污泥中胞外聚合物作用机理的探讨［J］.江西科学，2009，27（6）：848-854.

［15］Kreuk M K，Heijnen J J，Van L M.Simultaneous COD，nitrogen，and phosphate removal by aerobic granular sludge［J］.Bio-technol and Bioeng，2005，90（6）：761-769.