生物除磷體系中生物標志物的管理初探

周恩紅，劉德啟

（1.皖西衛生職業學院 藥學系，安徽 六安237005；2.蘇州大學 化學化工學院，江蘇 蘇州215123）

目前，任何體系除磷效果一般都通過功能性指標如化學需氧量（CODcr）、總磷（TP）和PO43-的去除率來判斷其好壞［1］。一旦體系出現問題，這些指標根本不能及時地反應情況，也就無法快速去解決問題，在具體的實踐中可能造成很大的損失。因此，尋找合適的標志物來動態管理生物除磷體系，是十分重要的。本文通過研究丙二醛（MDA）、電解質滲出量和超氧陰離子（O2·-）這3個損傷性指標［2］，初步探討了通過生物標志物來管理生物除磷體系的可行性。

1 材料與方法

取馴化好的活性污泥700mL（MLSS≈4 200 mg／L）放入容積為5L帶蓋子的玻璃反應器中，放入恒溫水浴中（28℃）；用多孔砂芯曝氣器（DO為2.12 mg／L）進行曝氣，進水10min。實驗廢水水質自配如下：NH4＋：約為20mg／L；PO43-：約為15mg／L；MgSO4、CaCl2及少量微量元素。

先測定MDA、電解質滲出量和O2·-的初始值，然后通入氮氣排除氧氣，再測定不同厭氧時間下MDA、電解質滲出量、O2·-、CODcr、PO43-和 TP的值；厭氧150min結束后污泥曝氣300min，沉降20 min，再測定 MDA、O2·-、CODcr、PO43-、TP的出水值，反應器周期循環時間為約8h。

通過抽真空來改變體系氧脅迫強度，測定不同抽真空時間下 O2·-、CODcr、PO43-和 TP的值；厭氧150min結束后污泥曝氣300min，沉降20min，再測定 MDA、O2·-、CODcr、PO43-、TP的出水值，反應器周期循環時間為約8h。

2 結果與討論

2.1 MDA和電解質滲出量隨時間的變化

當體系受到損傷，其微生物會滲出電解質［3］，MDA是細胞膜的脂質過氧化產物［4］，因此通過測定體系中電解質滲出量和MDA，就可以判斷損傷的程度。通過實驗測得電解質滲出量［5］和 MDA［6］隨厭氧時間的變化值，結果見圖1、2。從圖中看出，電解質滲出量隨時間呈增加趨勢，到120min時達最大值15.813mg／g，隨后基本無明顯變化，就厭氧初始值為3.23mg／g來看，增加峰值為12.583mg／g；而 MDA的變化值相對來說不明顯，保持在31.2nmol／g左右。從檢測到的數據說明體系受到一定程度的損傷。

圖1 MDA隨時間變化規律

2.2 O2·-濃度隨厭氧時間的變化

超氧化物歧化酶（SOD）能清除體系產生的O2·-，因此它們有著很好的對應關系，而MDA也與SOD有著內在聯系，即當體系SOD濃度增加時，MDA和O2·-濃度會減小，所以，用SOD電極對活性污泥中O2·-進行測定可以進一步說明體系的運行情況，結果如圖3、4所示。從圖3的響應峰來看，此時基本測不出O2·-；而圖4中能明顯看出有O2·-還原峰響應，但峰1、2、3、4比峰5、6、7、8明顯，根據計算［7］求得各響應峰對應的O2·-濃度分別為0.0086、0.0123、0.0175、0.0249、0.0010、0、0.0002、0.0005 mmol／g。因此，厭氧體系產生了O2·-，且濃度不斷增大，最大時為0.0249mmol／g，但隨后不斷減小。從O2·-的變化可知，活性污泥系統受到了影響，導致微生物細胞膜發生脂質過氧化，損傷是存在的。

圖2 電解質滲出量隨時間變化規律

圖3 好氧結束時O2·-的I-t響應曲線

圖4 厭氧結束時O2·-的I-t響應曲線

試驗時MDA、電解質絕對滲出量還是O2·-的存在都表示體系受到損傷，但這種損傷是否影響到系統的除磷效果，還必須從它的一些功能性指標如CODcr、TP和PO43-來反應。對比 MDA、電解質滲出量和O2·-變化規律和測定方法，本文認為利用SOD電極進行動態監測生物除磷體系中O2·-變化更加容易。綜合考慮，將O2·-作為生物標志物來研究體系的損傷程度對除磷效果的影響。

2.3 體系CODcr和PO43-在不同厭氧時段的變化

將功能性指標和O2·-變化值對應各時間，結果見表1。從中可知，在前90min，體系O2·-濃度由0增到 0.0241mmol／g 時，CODcr由 500mg／L 降 到343mg／L，消耗 157mg／L，PO43-釋放量達 19.5 mg／L，TP量也減小了17.6mg／L，而在90min后，O2·-濃度不斷變小，而CODcr、TP和PO43-變化并未出現異常，這表明體系中雖然有損傷，但并沒有影響微生物在厭氧條件下正常的代謝。

表1 厭氧條件下各指標隨時間的變化情況

2.4 氧脅迫對厭氧體系的影響

當將厭氧體系的時間延長，即增加氧脅迫的力度，通過酶電極用同樣的方式來測定其體系O2·-結果如圖5所示。從圖5的還原峰可看出，增加氧的脅迫力度體系的 O2·-濃度明顯增大，其峰1、2、3、4、5、6、7、8所對應的脅迫時間分別為4、8、12、24、48、72、96、120h，測得 O2·-濃度分別為為0.0286、0.0373、0.0585、0.0711、0.057、0.009、0.025、0.024mmol／g。這表明將厭氧時間延長，體系中O2·-的濃度將增大很多；但隨著時間的不斷延長，其值也逐漸減小，到96h時該值基本維持不變。

圖5 延長厭氧時間下O2·-的I-t響應曲線

利用同樣的方法對此體系的各指標進行檢測，情況見表2。表2反映出當氧脅迫時間增加，體系的CODcr降解、PO43-的釋放情況和TP殘留量明顯受影響。當在厭氧前48h內活性污泥體系就好象停止運作，PO43-釋放量、CODcr降解速度、污泥體系TP殘留量的變化都不明顯。這說明系統受到損傷程度增加，整個生物除磷系統癱瘓。當經過48h后，體系O2·-減小很多，并伴隨CODcr開始不斷降解，PO43-釋放量逐漸增加，TP殘留量也慢慢減小，說明體系漸漸適應了高強度的厭氧條件，微生物開始有了代謝活動。因此說明微生物體系是能承受一定程度的損傷，只要產生的O2·-的濃度不超過0.025mmol／g就不會影響其除磷效果，利用這一參數可以在實踐中通過在線監測O2·-濃度來評價體系運行的狀態。

表2 延長厭氧時間各指標隨時間的變化情況

3 結論

（1）對比MDA、電解質滲出量和O2·-這3個損傷性指標的變化規律和測定方法，認為利用SOD電極進行動態監測生物除磷體系中O2·-變化更加容易。因此將O2·-作為生物標志物來研究體系的損傷程度對除磷效果的影響。

（2）當體系由好氧交替到厭氧時，前90min對釋放磷尤為重要。當體系受到損傷時，產生O2·-濃度不能大于0.025mmol／g，否則將影響除磷效果。所以，在培養活性污泥時，厭氧狀態很重要，既要減小環境中氧的濃度，又不能完全處于沒有氧的狀態下，本實驗條件下DO為0.16mg／L與文獻［6］報道的0.2 mg／L以下吻合。

（3）通過O2·-濃度變化和除磷效果的對比可知，利用SOD電極來動態監測生物除磷體系是可行的。

［1］張克東.污水除磷技術的發展［J］.重慶高等專科學校學報，2008，19（1）：9-12.

［2］Pitman A R.Management of biological nutrient removal plant sludge changed the paradigms［J］.Water Research，2009，33（5）：1141-1146.

［3］Janssen P M J，Rulkens W H，Riesenk J H..The Potential for Biological Wastewater Treatment［J］.WQI 2009，（9-10）：25-27.

［4］CheOk Jeon，Jong Moon Park.Enhanced biological phosphorus removal in a sequencing batch reactor supplied with glucose as a sole carbon source［J］.Water Research，2008，34（7）：2160-2170.

［5］Chen Y G，Andrew A.Randall and Terrence Mc Cue.The efficiency of enhanced biological phosphorus removal from real wasterwater affected by different ratios of acetic to propionic acid［J］.Water Research，2004，38（1）：27-36.

［6］陳學森.植物育種學實驗［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［7］王莉萍.電化學法直接制備納米金及其應用［D］.蘇州：蘇州大學（碩士學位論文），2007.