生物除磷体系中生物标志物的管理初探

周恩红，刘德启

（1.皖西卫生职业学院 药学系，安徽 六安237005；2.苏州大学 化学化工学院，江苏 苏州215123）

目前，任何体系除磷效果一般都通过功能性指标如化学需氧量（CODcr）、总磷（TP）和PO43-的去除率来判断其好坏［1］。一旦体系出现问题，这些指标根本不能及时地反应情况，也就无法快速去解决问题，在具体的实践中可能造成很大的损失。因此，寻找合适的标志物来动态管理生物除磷体系，是十分重要的。本文通过研究丙二醛（MDA）、电解质渗出量和超氧阴离子（O2·-）这3个损伤性指标［2］，初步探讨了通过生物标志物来管理生物除磷体系的可行性。

1 材料与方法

取驯化好的活性污泥700mL（MLSS≈4 200 mg／L）放入容积为5L带盖子的玻璃反应器中，放入恒温水浴中（28℃）；用多孔砂芯曝气器（DO为2.12 mg／L）进行曝气，进水10min。实验废水水质自配如下：NH4＋：约为20mg／L；PO43-：约为15mg／L；MgSO4、CaCl2及少量微量元素。

先测定MDA、电解质渗出量和O2·-的初始值，然后通入氮气排除氧气，再测定不同厌氧时间下MDA、电解质渗出量、O2·-、CODcr、PO43-和 TP的值；厌氧150min结束后污泥曝气300min，沉降20 min，再测定 MDA、O2·-、CODcr、PO43-、TP的出水值，反应器周期循环时间为约8h。

通过抽真空来改变体系氧胁迫强度，测定不同抽真空时间下 O2·-、CODcr、PO43-和 TP的值；厌氧150min结束后污泥曝气300min，沉降20min，再测定 MDA、O2·-、CODcr、PO43-、TP的出水值，反应器周期循环时间为约8h。

2 结果与讨论

2.1 MDA和电解质渗出量随时间的变化

当体系受到损伤，其微生物会渗出电解质［3］，MDA是细胞膜的脂质过氧化产物［4］，因此通过测定体系中电解质渗出量和MDA，就可以判断损伤的程度。通过实验测得电解质渗出量［5］和 MDA［6］随厌氧时间的变化值，结果见图1、2。从图中看出，电解质渗出量随时间呈增加趋势，到120min时达最大值15.813mg／g，随后基本无明显变化，就厌氧初始值为3.23mg／g来看，增加峰值为12.583mg／g；而 MDA的变化值相对来说不明显，保持在31.2nmol／g左右。从检测到的数据说明体系受到一定程度的损伤。

图1 MDA随时间变化规律

2.2 O2·-浓度随厌氧时间的变化

超氧化物歧化酶（SOD）能清除体系产生的O2·-，因此它们有着很好的对应关系，而MDA也与SOD有着内在联系，即当体系SOD浓度增加时，MDA和O2·-浓度会减小，所以，用SOD电极对活性污泥中O2·-进行测定可以进一步说明体系的运行情况，结果如图3、4所示。从图3的响应峰来看，此时基本测不出O2·-；而图4中能明显看出有O2·-还原峰响应，但峰1、2、3、4比峰5、6、7、8明显，根据计算［7］求得各响应峰对应的O2·-浓度分别为0.0086、0.0123、0.0175、0.0249、0.0010、0、0.0002、0.0005 mmol／g。因此，厌氧体系产生了O2·-，且浓度不断增大，最大时为0.0249mmol／g，但随后不断减小。从O2·-的变化可知，活性污泥系统受到了影响，导致微生物细胞膜发生脂质过氧化，损伤是存在的。

图2 电解质渗出量随时间变化规律

图3 好氧结束时O2·-的I-t响应曲线

图4 厌氧结束时O2·-的I-t响应曲线

试验时MDA、电解质绝对渗出量还是O2·-的存在都表示体系受到损伤，但这种损伤是否影响到系统的除磷效果，还必须从它的一些功能性指标如CODcr、TP和PO43-来反应。对比 MDA、电解质渗出量和O2·-变化规律和测定方法，本文认为利用SOD电极进行动态监测生物除磷体系中O2·-变化更加容易。综合考虑，将O2·-作为生物标志物来研究体系的损伤程度对除磷效果的影响。

2.3 体系CODcr和PO43-在不同厌氧时段的变化

将功能性指标和O2·-变化值对应各时间，结果见表1。从中可知，在前90min，体系O2·-浓度由0增到 0.0241mmol／g 时，CODcr由 500mg／L 降 到343mg／L，消耗 157mg／L，PO43-释放量达 19.5 mg／L，TP量也减小了17.6mg／L，而在90min后，O2·-浓度不断变小，而CODcr、TP和PO43-变化并未出现异常，这表明体系中虽然有损伤，但并没有影响微生物在厌氧条件下正常的代谢。

表1 厌氧条件下各指标随时间的变化情况

2.4 氧胁迫对厌氧体系的影响

当将厌氧体系的时间延长，即增加氧胁迫的力度，通过酶电极用同样的方式来测定其体系O2·-结果如图5所示。从图5的还原峰可看出，增加氧的胁迫力度体系的 O2·-浓度明显增大，其峰1、2、3、4、5、6、7、8所对应的胁迫时间分别为4、8、12、24、48、72、96、120h，测得 O2·-浓度分别为为0.0286、0.0373、0.0585、0.0711、0.057、0.009、0.025、0.024mmol／g。这表明将厌氧时间延长，体系中O2·-的浓度将增大很多；但随着时间的不断延长，其值也逐渐减小，到96h时该值基本维持不变。

图5 延长厌氧时间下O2·-的I-t响应曲线

利用同样的方法对此体系的各指标进行检测，情况见表2。表2反映出当氧胁迫时间增加，体系的CODcr降解、PO43-的释放情况和TP残留量明显受影响。当在厌氧前48h内活性污泥体系就好象停止运作，PO43-释放量、CODcr降解速度、污泥体系TP残留量的变化都不明显。这说明系统受到损伤程度增加，整个生物除磷系统瘫痪。当经过48h后，体系O2·-减小很多，并伴随CODcr开始不断降解，PO43-释放量逐渐增加，TP残留量也慢慢减小，说明体系渐渐适应了高强度的厌氧条件，微生物开始有了代谢活动。因此说明微生物体系是能承受一定程度的损伤，只要产生的O2·-的浓度不超过0.025mmol／g就不会影响其除磷效果，利用这一参数可以在实践中通过在线监测O2·-浓度来评价体系运行的状态。

表2 延长厌氧时间各指标随时间的变化情况

3 结论

（1）对比MDA、电解质渗出量和O2·-这3个损伤性指标的变化规律和测定方法，认为利用SOD电极进行动态监测生物除磷体系中O2·-变化更加容易。因此将O2·-作为生物标志物来研究体系的损伤程度对除磷效果的影响。

（2）当体系由好氧交替到厌氧时，前90min对释放磷尤为重要。当体系受到损伤时，产生O2·-浓度不能大于0.025mmol／g，否则将影响除磷效果。所以，在培养活性污泥时，厌氧状态很重要，既要减小环境中氧的浓度，又不能完全处于没有氧的状态下，本实验条件下DO为0.16mg／L与文献［6］报道的0.2 mg／L以下吻合。

（3）通过O2·-浓度变化和除磷效果的对比可知，利用SOD电极来动态监测生物除磷体系是可行的。

［1］张克东.污水除磷技术的发展［J］.重庆高等专科学校学报，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］陈学森.植物育种学实验［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［7］王莉萍.电化学法直接制备纳米金及其应用［D］.苏州：苏州大学（硕士学位论文），2007.