談在厭氧好氧條件下磷的氣體轉化形式

(長安大學環境科學與工程學院，陜西西安 710054)

植物營養型污染物磷的排放會導致水體的富營養化。而對于磷的去除，主要有生物法和化學法兩大類。下面對其各自除磷工藝的研究進行簡單闡述。

1 研究進展

1.1 傳統A/O/A工藝

A/O/A工藝是為了達到同時脫氮除磷的目的，在厭氧—好氧(A—O)脫氮工藝基礎上研發的。A/O/A工藝由厭氧、缺氧、好氧3部分組成，其工藝流程如圖1所示［2］。

圖1 傳統A/O/A工藝流程

然而在不斷的運行中發現，A/O/A工藝也存在一些不足:例如硝化菌和聚磷菌在泥齡上存在矛盾;污泥負荷與硝酸鹽的矛盾以及厭氧環境下反硝化與釋磷對碳源有機物的競爭矛盾等問題影響脫氮除磷效果。

1.2 基于傳統A/O/A的新工藝

在不斷地研究中，通過改變污泥及混合液回流方式發現了很多優化變形工藝，如:倒置A2/O工藝、UCT工藝、MUCT工藝等，以下分別做以簡單介紹:

1)倒置A2/O工藝。倒置A2/O工藝是一種新的碳源分配方式，即缺氧區置于厭氧區之前，其工藝流程如圖2所示［3］。聚磷菌經厭氧釋磷后直接進入好氧環境，具有“饑餓效應”優勢;在除磷方面具有“群體效應”優勢，而且流程簡潔。但該工藝條件下，反硝化與釋磷對碳源有機物的競爭依然存在。

2)UCT/MUCT。UCT工藝［4］排除、減少了厭氧區的硝酸鹽負荷，將污泥回流至反硝化池。從而增加了除磷能量，脫氮除磷效果好，但由于增加了回流系統，操作運行復雜(見圖3)。而改良UCT/MUCT工藝(見圖4)［5］，其目的是優化除磷效果。

圖2 倒置A2/O工藝流程

圖3 UCT工藝流程

圖4 MUCT工藝流程

3)改良A2/O工藝。改良A2/O［6］工藝提高了脫氮效果。預缺氧池保證了厭氧池聚磷菌的釋磷能力，增強了后續好氧條件下的吸磷能力，從而提高了除磷效果(見圖5)。

圖5 改良A2/O工藝流程

2 磷向氣體的轉化

磷向氣態磷化氫轉化的機理如下。

2.1 從生物學角度分析磷化氫產生機理

1)厭氧條件:目前，普遍認為磷化氫是由厭氧菌分解有機磷化合物而產生的。韋偉等人［10］通過試驗顯示厭氧序批工藝條件是磷化氫產生的必要條件，并發現磷化氫的產生與水中總磷濃度呈負相關關系。2)好氧條件:對于好氧環境下是否會有磷化氫的形成，研究成果還很少見。韋偉等人［10］通過試驗顯示好氧序批工藝條件下磷化氫的產生幾乎是肯定的。但產量非常有限，與厭氧過程相比，檢測值相差數個數量級。

2.2 從反應動力學角度分析磷化氫產生機理

碳源和磷源的交替影響促進了磷化氫的合成，其形成過程遵循典型的微生物生長曲線。從磷和磷的化合物還原的電極電位圖可以看出(見圖6)，將PO3－4還原需要很強的還原劑(NaBH4)，然而在pH=14時磷的化合物都不是好的氧化劑;將磷化氫氧化為磷酸鹽卻只需要很弱的氧化劑，因此自然界中絕大部分磷以價態為+5價形式存在。

圖6 電極電勢圖

磷化氫合成存在兩種可能:

1)微生物在對氧化態磷或磷的還原過程中產生能量。而這種情況下，其要求比較苛刻。需要高能量的電子供體，而在我們熟知的產甲烷和硫酸鹽還原兩種生物過程中，微生物能利用其還原過程中的高能電子供體來獲得能量(見表1)［11］。由此可以推斷，微生物若要從磷化氫的合成過程中得到能量，則必須有像以上兩種機制相似的高能電子供體提供足夠的能量。同時，磷化氫的產生除了需要足夠還原力外還需要足夠的能量作支撐。而對于電子供體的研究中，郭夏麗，鄭平［12］試驗了纖維素、葡萄糖和乙酸鹽作為磷酸鹽還原反應電子供體的可行性。結果表明，葡萄糖適宜用作磷酸鹽還原反應的電子供體。以葡萄糖為電子供體，磷的去除率為16.95%。然而，從熱力學角度分析，在pH=7的標準條件下，磷化氫的合成是很難發生的。從表1可以看出，生成磷化氫為吸熱反應，所以在此過程中不可能產生能量。此外，自然環境中，亞磷酸鹽是不穩定的，即使磷酸鹽可以轉化成亞磷酸鹽，其生成產物也會很快消失。因此，綜上所述，這種微生物在還原磷酸鹽的過程中獲得能量是不可能發生的。

表1 磷化氫合成熱力學分析反應方程式

2)磷化氫的合成過程中微生物消耗能量。在自然環境中，微生物作用經常能使一些動力學上不能發生的反應進行，生物固氮過程就是一個典型例子。生物固氮是固氮微生物在固氮酶的催化作用下進行的。在其固氮過程中，打開氮氣(N2)的三鍵需要很高的能量，其氧化還原電位為－1.0 V(pH=7)。而pH=7時，磷的化合物的還原電位顯然比－1.0 V大，見圖6［11］。所以，可以想象在磷化氫的合成過程中，也有類似的酶和微生物來促進反應的發生，而此反應過程是需要能量的。韋偉等人通過對厭氧，好氧及厭氧/好氧三種不同序批式工藝的試驗得出在好氧條件下，葡萄糖主要通過TCA循環被氧化成水和二氧化碳并釋放大量能量，而在厭氧條件下，糖降解可以通過EMP，HMP，ED等多種途徑產生大量的還原力。

3 結語

對磷更加合理經濟地去除必然會成為污水處理領域不斷研究的課題，磷化氫的機理研究還需要不斷探索，應該注重磷化氫的研究與生物物理學，生物化學，分子生物學等學科交叉研究，從微觀層面更好地解釋磷化氫的產生過程，從傳統的處理工藝中發現新的除磷機理并用于工程實踐將是需要不斷研究解決的問題。

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