一株細菌在高速公路服務區生活污水中強化除磷的應用研究

秦 敏

（山西省交通環境保護中心站（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

在高速公路建設飛速發展的時代，沿線的高速公路服務區產生的污水問題引起了社會的高度重視。服務區一般位于遠離城區較為偏僻的位置，大部分服務區產生的污水無法直接排入城市市政管網且早期缺乏合適的污水處理設備，這樣勢必導致污水流入周邊的環境，從而造成一定的水體污染。高速公路服務區污水主要為常住工作人員以及來往旅客產生的生活污水，產生量一般在50～300 m3/d之間[1]。與常規生活污水相比，高速公路服務區產生的污水具有較高濃度的氨氮和磷，污水日變化系數大，因此需要采用合理的污水處理技術以實現污水中氮磷的達標排放。

目前，高速公路服務區污水處理系統應用較多的有MBR、SBR法、氧化溝、A/O工藝、多生物過濾器+人工濕地處理系統等傳統工藝[2]。就山西省而言，地埋式A/O一體化裝置在高速公路服務區污水處理中應用最多，但是傳統的污水處理工藝均存在不同程度的缺陷。就除磷而言，一般需要額外投加除磷劑才能實現達標排放，但是在微生物除磷系統中，高效的除磷需要較短的水力停留，如果水力停留時間過長會釋放磷，與需要較長水力停留時間的脫氮過程相沖突。

因此本文利用一株高效除磷菌用于高速公路服務區污水處理的應用研究，拓展了細菌處理高速公路服務區污水的菌株資源，對生物法處理高速公路服務區污水特別是高效除磷的實際應用提供了重要的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 廢水水質

通過對山西省晉北、晉中、晉南地區某服務區污水現場取樣，通過實驗室檢測確定其水質情況，具體進水水質見表1。從表1可知：COD濃度范圍在300～450 mg/L，氨氮濃度范圍在35～46 mg/L，TN濃度范圍在42～53 mg/L，TP濃度范圍在5～6 mg/L，pH范圍在7～8左右。

表1 山西省部分服務區污水進水水質情況一覽表

根據上述水質指標的范圍，最終實驗室模擬用水由葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀人工配制而成，模擬廢水水質指標具體如下：cCOD=350 mg/L，cBOD5=110 mg/L，c氨氮=40 mg/L，cTN=48 mg/L，cTP=5.0 mg/L，pH=7.5。

1.2 實驗內容

1.2.1 除磷的最優環境條件

將該菌株在液體某培養基中活化24 h（200 rpm，25℃），接10%的接種量將活化后的細菌接入到模擬服務區的生活廢水中，設置不同溫度（5 ℃～35℃）、不同初始pH（5～9）、不同C/N，間隔一定時間測定菌液的OD600和上清液中磷的濃度，并計算除磷效率，從而確定該菌株除磷的適宜條件。

1.2.2 磷的分級提取

為了研究除磷效率最大時菌體中磷的遷移性和可生物利用性，采用SMT方法[3]對磷進行提取和定量分析。具體實驗流程如圖1所示。

圖1 SMT分級提取流程圖

1.3 分析方法

TP的測定采用鉬酸銨分光光度法，通過測定不同環境條件（溫度、pH、C/N）下上清液中磷的濃度，計算其去除率。

2 結果與討論

2.1 溫度對出水水質的影響

溫度會影響細菌的正常生長代謝活動。一般而言，在低溫時微生物生長較為緩慢，溫度過高時蛋白結構發生變化,導致一些生物大分子失活，進而導致微生物的死亡，因此需要尋找適宜該菌株生長的最佳溫度。

圖2分別是不同溫度下該菌株隨時間變化的生物量（OD600與生物干重存在一定的正相關關系）和總磷的去除率，從圖中可知：隨著溫度的升高（5℃～35℃），OD600和總磷的去除率都隨之增加，當溫度大于25℃時，生物量在24 h時達到1.4 g/L，且總磷的去除率達到85%以上，當溫度低于25℃時，生物量在36 h時接近1.4 g/L，且總磷的去除率在80%左右，因此該菌株能夠在較低溫度條件下對磷有較高的去除率。在實際工程應用中，一般傳統活性污泥易受到環境溫度的影響使得除磷率降低，因此該菌株在低溫環境中具有良好的應用前景。

圖2 不同溫度下菌株生物量與除磷率隨時間的變化情況

2.2 pH對出水水質的影響

微生物表面的電荷和活性容易受到生長環境pH的影響。一般而言，a）pH通過改變蛋白等生物大分子所帶的電荷進而影響細胞活性；b）pH通過改變細菌表面的細胞膜電荷，對水體中碳源、氮源等的吸收率就會受到影響[4]。

圖3為不同pH下該菌株生物量與除磷率的變化情況。從圖中可知：當pH在6～9時，在穩定期時生物量與除磷效果無明顯差異性；pH=5時，除磷效果顯著下降，最大除磷率僅僅為60%左右，因此該菌株適應的pH范圍為6～9。

圖3 不同pH下菌株生物量與除磷率隨時間的變化情況

2.3 C/N對出水水質的影響

C/N會影響細菌對碳源的攝取情況，進而影響其處理效果。圖4是不同C/N對該菌株生物量與磷去除率的影響，從圖中可知：當C/N=3、C/N=6時，生物量與總磷的去除率明顯低于C/N=10、C/N=15，這是因為低C/N時，該菌株能利用的有機物含量較少，嚴重影響其生長。

圖4 不同C/N下菌株生物量與除磷率隨時間的變化情況

2.4 菌體中磷的形態

在SMT法中，磷的形態可以分為：總磷（TP）、有機磷（OP）、無機磷（IP）、非磷灰石無機磷（NAIP）、磷灰石無機磷（AP）。非磷灰石無機磷（NAIP）是一種可生物利用的磷形式；有機磷（OP）在微生物的分解作用下可以轉化為磷酸鹽，之后與水體中的鐵結合轉化為被生物可利用的磷形式，所以一般將NAIP和OP作為生物可利用的磷形式。

當菌體剛接入高速公路服務區生活污水中，即0 h時，菌體中的總磷含量為16.32 mg-P/g-干重；隨著菌株的生長（8 h時），菌體中總磷含量積累到18.64 mg-P/g-干重，因為該時間段（0～8 h）內菌株生長需要適應環境的變化，生物量增長速率低于吸收總磷的速率；隨著生長進入對數期（12～36 h），菌體中積累的總磷含量減少，但生物量增加速率快，因此單位干重的菌體中積累的磷含量減少。在整個菌株生長過程中，有機磷含量變化與總磷變化趨勢相同。

表2 SMT提取法測定細菌中P組分的含量 mg-P/g-干重

在傳統活性污泥中，聚磷菌的OP含量為1.4～5.8 mg-P/g-干重，占TP的9.9%～22%。該菌株菌體中OP的含量為13.24～17.99 mg-P/g-干重，占總磷的89.77%～97.44%，該含量和占比都高于傳統的聚磷菌。隨著時間的延長（8～36 h），菌體中NAIP的含量先減少后增加，而OP的含量逐漸減少，但NAIP和OP的總百分比約為99%，這表明積累在該菌體中的磷形式具有很高的生物可利用性。在傳統活性污泥中，NAIP和OP的總百分比為85%[5]。AP（小于0.05%）被認為是非生物可利用的磷（基本可以忽略）。因此，該菌株除磷的主要途徑是將生活污水中的磷酸鹽轉化為OP，且菌體中的磷形式具有可遷移和可生物利用性。所以該菌株應用于高速公路服務區生活污水中磷的去除和回收具有重要的理論意義。

3 結論

本文研究了該菌株在高速公路服務區生活污水中強化除磷的最優環境條件和磷的形式。結果表明：該菌株能在溫度為5℃～35℃、pH為6～9、C/N＞10的污水中有良好的生長和高效的除磷效率；且除磷后的菌體內含磷量主要以易于遷移和可生物利用的磷形式OP和NAIP存在，其占比高達99%，因此該菌株為高速公路服務區生活污水中磷的去除以及磷的回收提供了新思路，對實際工程實踐具有重要意義。