胞外聚合物在强化生物除磷中的作用研究
2019-02-04陶光建龙向宇方振东唐然李永青
陶光建 龙向宇 方振东 唐然 李永青
摘 要： 强化生物除磷（EBPR）是经济有效去除污水中磷的重要方法，已广泛应用于水环境保护领域。普遍认为EBPR的成功运行是基于聚磷菌具有超磷的能力，通过排放剩余污泥可实现除磷的目的。然而最近研究表明，活性污泥胞外聚合物（EPS）中也聚集了一定数量的磷，这意味着EPS在强化生物除磷（EBPR）过程中的作用不可忽视。归纳了不同EPS提取方法的特点，总结了EPS中磷的分布特征及EPS在维持EBPR系统稳定中的具体作用，最后讨论了现有认识的差距。
关 键 词：强化生物除磷;胞外聚合物;聚磷菌
中图分类号：X703 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2019）11-2687-04
Research on the Role of Extracellular Polymers in
Enhanced Biological Phosphorus Removal
TAO Guang-jian， LONG Xiang-yu*， FANG Zhen-dong， TAN Ran， LI Yong-qing
（Department of Military Facilities， Army logistic University of PLA， Chongqing 401331， China）
Abstract： Enhanced biological phosphorus removal （EBPR） is one of the most economical and effective processes for removing P from wastewater， and it has been widely applied in the field of water environment protection. It is generally accepted that EBPR technology is based on the phosphorus accumulating organisms （PAOs） with the “luxury” phosphorus uptake ability， and then phosphorus would be removed by withdrawing the excess sludge. However， recent studies have revealed that extracellular polymers substance （EPS） in the sludge have also accumulated a certain amount of phosphorus， indicating that the role of EPS in EBPR can not be ignored. In this paper， the characteristics of different EPS extraction methods were summarized， the characteristics of P distribution in EPS and the specific role of EPS in maintaining the stability of biological phosphorus removal system were introduced， and the remaining knowledge gaps were discussed.
Key words： Enhanced biological phosphorus removal; Extracellular polymers substance; Phosphorus accumulating organisms
目前，我國水体富营养化依然严峻，磷是导致水体富营养化最为关键的限制因素，为此国家和地方政府对污水处理厂出水磷浓度制定了严格的排放标准。相较于化学除磷，强化生物除磷具有成本低、污染小等特点，已广泛应用于实际污水处理厂[1]。普遍认为EBPR过程是基于聚磷菌（PAOs）厌氧释磷、好氧过量吸磷的原理，并通过排放剩余污泥实现良好的除磷效果[2]。然而，聚磷菌释磷/摄磷原理不能解释所有的生物除磷现象，说明EBPR不仅与聚磷菌有关，而且可能与生物絮体中其他物质存在密切联系[3]。
大量研究表明，EBPR活性污泥胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）中含有大量的磷，不可忽视其在强化生物除磷中的作用，需要重新审视现有的生物除磷理论。本综述系统归纳了不同EPS提取方法的特点，总结了强化生物除磷理论的研究现状，希望本综述能为强化生物除磷理论的研究提供借鉴，更好的为工程实践提供理论支持。
1 胞外聚合物概述
EPS是生物絮体的重要组成部分，主要来源于微生物分泌，细胞裂解以及废水中的有机物，其结构概念图如图1所示。
根据EPS在细胞外的存在方式，可将其分为溶解性EPS（Souble EPS）和结合型EPS（Bound EPS），而后者根据其与细胞的结合程度又可分紧密结合型EPS（Tightly Bound EPS，TB-EPS）和疏松结合型EPS（Loosely Bound EPS，LB-EPS）。TB-EPS位于细菌细胞外层，与细菌细胞紧密结合;LB-EPS位于TB-EPS外层，具有比较松散的结构[5]。由于其特殊的结构特点，EPS不仅可以保护微生物免受环境有毒物质的危害[6]，还能为微生物提供碳源或能源。同时在污水处理过程，EPS对污泥的沉降性能、脱水性能以及对重金属的吸附性能都有重要影响[7]。
2 EPS提取方法
鉴于EPS在废水生物处理过程中的重要作用以及EPS原位分析所获得的信息有限，研究者们通常将EPS从污泥分离后再进行分析。目前EPS的提取方法主要包括物理方法和化学方法，物理方法主要是利用外力将EPS与细菌细胞分离，物理方法包括超声波法、高速离心法以及加热法等。化学方法则是利用化学试剂中离子或分子与EPS相接触，促进EPS大分子进入主体液相而被提取出来，化学方法包括阳离子交换树脂法、NaOH/HCHO法以及EDTA法等。
不同的提取方法会影响EPS的组成、结构以及功能特性。Comte等[8]研究了三种物理提取方法对EPS组成的影响。结果表明，加热法提取的EPS产量最高，这与Tapia等[9]的研究结果一致，然而Bo等[10]指出加热法会导致细胞裂解并破坏EPS的结构。Phuc-Nguon等[11]采用EPS提取效率和细胞裂解作为EPS提取方法优劣的评价标准，比较了NaOH/加热、HCHO/NaOH以及CER三种提取方法。结果表明，NaOH/加热法提取EPS效率高，但会导致细胞大量裂解，而HCHO/NaOH提取能有效减少细胞裂解，这是由于甲醛可以通过交联细胞膜上蛋白质的氨基，羟基和羧基来固定细胞膜结构，CER法提取EPS的效率较高，且造成的细胞裂解率低，同时可以充分提取活性污泥中的荧光物质。此外，大多研究者均认为化学方法提取EPS的效率一般要高于物理方法，但化学方法提取EPS会引入化学试剂，这些试剂会对提取的EPS造成一定的化学污染，从而干扰对其组成和结构的分析。
对于EPS提取方法，研究者们已经做了大量研究，但如何在细菌裂解最少、不破坏EPS理化性质的前提下，尽可能多的提取EPS，研究者目前還没有达成一致的结论，也没有制定出相应的EPS提取效果的评价体系，表1归纳了一些常见的EPS提取方法及其特点。
3 EPS中磷的分布特征
3.1 EPS中磷的含量
一直以来，认为EBPR污泥中的磷主要以聚磷的形式储存在聚磷菌内，然而许多研究表明，EBPR污泥的EPS中也存在大量的磷[12，13]。Cloete等[12]采用扫描电镜结合能谱仪（SEM-EDS）观察生物除磷工艺中活性污泥，发现EPS中含有27%～30%的磷。为了定量分析EPS中的磷含量，Li等[13]提取EBPR系统中好氧结束阶段污泥的EPS，他们发现提取的EPS磷含量为0.06～0.09 mg/mg-EPS，占污泥总磷的13%，这与Zhang等[14]结果一致。龙向宇[15]等采用超声波-阳离子交换树脂法提取不同来源污泥的EPS，结果表明EPS 磷含量占污泥磷含量的34%～57%，认为EPS在强化生物除磷过程起着重要作用。
尽管不同的提取方法会影响EPS中磷含量的测定，但上述研究均表明EPS中含有大量的磷，不可忽视其在强化生物除磷中的作用。
3.2 EPS中磷的形态
长期以来，研究者大多认为EPS中的磷主要以正磷酸盐的形式存在。然而随着研究手段的进步，发现EPS中含有大量的聚磷酸盐。方振东等[16]采用STS法（化学分级）检测到细胞膜外或EPS中存在大量的聚磷酸盐，认为EPS在生物除磷中起着关键作用。Zhang等[17]采用31P-NMR光谱分析，发现EBPR污泥EPS中存在大量的聚磷酸盐和焦磷酸盐。此外，张志超等[18]研究表明，EPS含有正磷酸盐，聚磷酸盐，焦磷酸盐，DNA磷和磷单质五种形态的磷，普通活性污泥系统EPS中的磷主要以正磷酸盐的形态存在，而EBPR活性污泥系统EPS含有大量的聚磷酸盐，表明EBPR系统中EPS参与了生物聚磷。
然而，目前EBPR活性污泥系统EPS中聚磷酸盐的来源尚未明确，部分研究者认为EPS中存在多聚磷酸盐激酶（PPK），可以通过生物原位合成聚磷酸盐[19]。Long等[20]借助31P-NMR分析测定了EBPR活性污泥EPS中聚磷酸盐的链长，结果表明EPS中聚磷酸盐是高分子无机聚合物，不能进行跨膜运输，认为EPS中聚磷酸盐是由胞外酶催化合成的。然而，Allison等[21]认为EPS中聚磷酸盐主要来源于细胞自溶，因为胞外合成聚磷酸盐需要大量的能量，EPS中不可能合成大量的聚磷酸盐。由于研究手段的限制，目前尚未明确EPS中是否存在合成聚磷酸盐的反应，在今后的研究中也有必要展开相关的研究。
3.3 EPS中磷的迁移转化
对于EBPR活性污泥系统，胞内磷和EPS磷的迁移转化过程密切相关。Zhang等[17]研究了EBPR系统厌氧-好氧交替循环过程细胞内总磷和EPS总磷含量的动态变化，发现EPS总磷和细胞内总磷含量均呈现厌氧减少，好氧增加的趋势，这是典型的EBPR过程，这表明EPS在强化生物除磷是EPS和细菌细胞共同作用的结果。周健等[22]的研究结果也表明，在厌氧-好氧交替反应过程，EBPR污泥的EPS中的磷含量呈现厌氧减少、好氧增加的趋势，且污泥龄越高，EPS中的磷含量越高。
在磷酸盐迁移转化过程，为了维持系统的电中性，金属阳离子通常伴随着PO43-共同进出细菌细胞[23]。Wang等[24]研究了EBPR活性污泥EPS中金属-P络合物的形成，发现主体液相中K+、Mg2+和PO43-之间的变化存在良好的化学计量关系，这表明K+、Mg2+会与polyP形成金属-P复合物，共同进出细菌细胞。Liu等[25]提出P、K+、Mg2+可以快速的从主体液相转移到EPS中，但是不能立即转移到聚磷菌细胞内，而是在EPS中停留一段时间，这说明EPS是P和K+、Mg2+动态储存库以及中转站。
4 EPS在维持EBPR系统稳定中作用
越来越多证据表明EPS在维持EBPR系统稳定中具有重要作用，一般来说，EPS可能通过下列几种方式促进EBPR过程中P的去除。（1）首先，EPS作为连接细菌细胞和主体液相的“桥梁”，可以保护PAOs免受有毒物质（如重金属）的污染。众所周知，高浓度的重金属如Cu2+、Ni2+会抑制PAOs的新陈代谢[26]。EPS可以对这些有毒化学物质进行拦截，从而确保PAOs的生理活性。Mu等[27]报道了EPS中负电荷残基能够结合Zn2+，并且EPS的螯合性能可以减弱Zn2+对内部微生物的毒害。 因此，当EBPR系统中存在有毒物质时，污泥絮体中微生物细胞会倾向于产生更多的EPS以保护自己免受恶劣环境的影响[27]。
其次，在EBPR系统运行周期内，EPS中会逐渐形成ACP沉淀物[28]，这将有利于磷的去除。值得注意的是，EPS中惰性磷酸盐沉淀的形成，会影响聚磷菌的代谢过程，因为EPS中大量累积的“惰性”磷酸盐沉淀会阻碍厌氧/好氧过程PO43-的迁移转化。Zhang等[29]指出当进水Ca2+浓度过高时，EPS中会合成大量的HAP沉淀，PAOs代谢途径可能从聚磷酸盐（PAM）代谢转变为糖原代谢（GAM）。 然而，一些研究表明，尽管EPS中“惰性”磷酸盐的合成会抑制EBPR过程，但仍然可以实现P稳定、有效的去除，这是由于高含量的EPS能够显著促进P吸附/沉淀[30]。
换句话说，EBPR系统除磷包括微生物代谢除磷和EPS诱导沉淀除磷。如果能确保EPS中聚集大量的磷，那么即使增殖的GAOs比PAOs多，也不一定会减弱磷的去除，上述研究将更有利于EBPR过程的管理。更重要的是，形成的HAP沉淀十分稳定，并且很容易脱水用作有用的肥料[31]，这进一步增加了EPS诱导磷沉淀的吸引力。因此实际EBPR操作中，需要平衡考虑生物因素、化学因素的影响。
5 结 论
过去几十年间，大量研究结果已经表明EPS在强化生物除磷中扮演着重要作用。然而，我们对EBPR过程中磷酸盐的迁移转化还不够了解，对EBPR过程polyP的分解/合成生化反应机制、聚磷菌与聚糖菌之间的竞争机制的认知还存在缺陷。同时，还缺乏有效可靠EPS提取手段，这为后续的研究提供了不便。
为了更好地理解EPS在强化生物除磷过程中的作用，进一步完善强化生物除磷机制，以期指导具体工程实践，在未来还需在分子水平上研究微生物代谢活动，EPS的合成以及微生物种群结构之间联系。
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