一株细菌在高速公路服务区生活污水中强化除磷的应用研究

秦 敏

（山西省交通环境保护中心站（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

在高速公路建设飞速发展的时代，沿线的高速公路服务区产生的污水问题引起了社会的高度重视。服务区一般位于远离城区较为偏僻的位置，大部分服务区产生的污水无法直接排入城市市政管网且早期缺乏合适的污水处理设备，这样势必导致污水流入周边的环境，从而造成一定的水体污染。高速公路服务区污水主要为常住工作人员以及来往旅客产生的生活污水，产生量一般在50～300 m3/d之间[1]。与常规生活污水相比，高速公路服务区产生的污水具有较高浓度的氨氮和磷，污水日变化系数大，因此需要采用合理的污水处理技术以实现污水中氮磷的达标排放。

目前，高速公路服务区污水处理系统应用较多的有MBR、SBR法、氧化沟、A/O工艺、多生物过滤器+人工湿地处理系统等传统工艺[2]。就山西省而言，地埋式A/O一体化装置在高速公路服务区污水处理中应用最多，但是传统的污水处理工艺均存在不同程度的缺陷。就除磷而言，一般需要额外投加除磷剂才能实现达标排放，但是在微生物除磷系统中，高效的除磷需要较短的水力停留，如果水力停留时间过长会释放磷，与需要较长水力停留时间的脱氮过程相冲突。

因此本文利用一株高效除磷菌用于高速公路服务区污水处理的应用研究，拓展了细菌处理高速公路服务区污水的菌株资源，对生物法处理高速公路服务区污水特别是高效除磷的实际应用提供了重要的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 废水水质

通过对山西省晋北、晋中、晋南地区某服务区污水现场取样，通过实验室检测确定其水质情况，具体进水水质见表1。从表1可知：COD浓度范围在300～450 mg/L，氨氮浓度范围在35～46 mg/L，TN浓度范围在42～53 mg/L，TP浓度范围在5～6 mg/L，pH范围在7～8左右。

表1 山西省部分服务区污水进水水质情况一览表

根据上述水质指标的范围，最终实验室模拟用水由葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾人工配制而成，模拟废水水质指标具体如下：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 实验内容

1.2.1 除磷的最优环境条件

将该菌株在液体某培养基中活化24 h（200 rpm，25℃），接10%的接种量将活化后的细菌接入到模拟服务区的生活废水中，设置不同温度（5 ℃～35℃）、不同初始pH（5～9）、不同C/N，间隔一定时间测定菌液的OD600和上清液中磷的浓度，并计算除磷效率，从而确定该菌株除磷的适宜条件。

1.2.2 磷的分级提取

为了研究除磷效率最大时菌体中磷的迁移性和可生物利用性，采用SMT方法[3]对磷进行提取和定量分析。具体实验流程如图1所示。

图1 SMT分级提取流程图

1.3 分析方法

TP的测定采用钼酸铵分光光度法，通过测定不同环境条件（温度、pH、C/N）下上清液中磷的浓度，计算其去除率。

2 结果与讨论

2.1 温度对出水水质的影响

温度会影响细菌的正常生长代谢活动。一般而言，在低温时微生物生长较为缓慢，温度过高时蛋白结构发生变化,导致一些生物大分子失活，进而导致微生物的死亡，因此需要寻找适宜该菌株生长的最佳温度。

图2分别是不同温度下该菌株随时间变化的生物量（OD600与生物干重存在一定的正相关关系）和总磷的去除率，从图中可知：随着温度的升高（5℃～35℃），OD600和总磷的去除率都随之增加，当温度大于25℃时，生物量在24 h时达到1.4 g/L，且总磷的去除率达到85%以上，当温度低于25℃时，生物量在36 h时接近1.4 g/L，且总磷的去除率在80%左右，因此该菌株能够在较低温度条件下对磷有较高的去除率。在实际工程应用中，一般传统活性污泥易受到环境温度的影响使得除磷率降低，因此该菌株在低温环境中具有良好的应用前景。

图2 不同温度下菌株生物量与除磷率随时间的变化情况

2.2 pH对出水水质的影响

微生物表面的电荷和活性容易受到生长环境pH的影响。一般而言，a）pH通过改变蛋白等生物大分子所带的电荷进而影响细胞活性；b）pH通过改变细菌表面的细胞膜电荷，对水体中碳源、氮源等的吸收率就会受到影响[4]。

图3为不同pH下该菌株生物量与除磷率的变化情况。从图中可知：当pH在6～9时，在稳定期时生物量与除磷效果无明显差异性；pH=5时，除磷效果显著下降，最大除磷率仅仅为60%左右，因此该菌株适应的pH范围为6～9。

图3 不同pH下菌株生物量与除磷率随时间的变化情况

2.3 C/N对出水水质的影响

C/N会影响细菌对碳源的摄取情况，进而影响其处理效果。图4是不同C/N对该菌株生物量与磷去除率的影响，从图中可知：当C/N=3、C/N=6时，生物量与总磷的去除率明显低于C/N=10、C/N=15，这是因为低C/N时，该菌株能利用的有机物含量较少，严重影响其生长。

图4 不同C/N下菌株生物量与除磷率随时间的变化情况

2.4 菌体中磷的形态

在SMT法中，磷的形态可以分为：总磷（TP）、有机磷（OP）、无机磷（IP）、非磷灰石无机磷（NAIP）、磷灰石无机磷（AP）。非磷灰石无机磷（NAIP）是一种可生物利用的磷形式；有机磷（OP）在微生物的分解作用下可以转化为磷酸盐，之后与水体中的铁结合转化为被生物可利用的磷形式，所以一般将NAIP和OP作为生物可利用的磷形式。

当菌体刚接入高速公路服务区生活污水中，即0 h时，菌体中的总磷含量为16.32 mg-P/g-干重；随着菌株的生长（8 h时），菌体中总磷含量积累到18.64 mg-P/g-干重，因为该时间段（0～8 h）内菌株生长需要适应环境的变化，生物量增长速率低于吸收总磷的速率；随着生长进入对数期（12～36 h），菌体中积累的总磷含量减少，但生物量增加速率快，因此单位干重的菌体中积累的磷含量减少。在整个菌株生长过程中，有机磷含量变化与总磷变化趋势相同。

表2 SMT提取法测定细菌中P组分的含量 mg-P/g-干重

在传统活性污泥中，聚磷菌的OP含量为1.4～5.8 mg-P/g-干重，占TP的9.9%～22%。该菌株菌体中OP的含量为13.24～17.99 mg-P/g-干重，占总磷的89.77%～97.44%，该含量和占比都高于传统的聚磷菌。随着时间的延长（8～36 h），菌体中NAIP的含量先减少后增加，而OP的含量逐渐减少，但NAIP和OP的总百分比约为99%，这表明积累在该菌体中的磷形式具有很高的生物可利用性。在传统活性污泥中，NAIP和OP的总百分比为85%[5]。AP（小于0.05%）被认为是非生物可利用的磷（基本可以忽略）。因此，该菌株除磷的主要途径是将生活污水中的磷酸盐转化为OP，且菌体中的磷形式具有可迁移和可生物利用性。所以该菌株应用于高速公路服务区生活污水中磷的去除和回收具有重要的理论意义。

3 结论

本文研究了该菌株在高速公路服务区生活污水中强化除磷的最优环境条件和磷的形式。结果表明：该菌株能在温度为5℃～35℃、pH为6～9、C/N＞10的污水中有良好的生长和高效的除磷效率；且除磷后的菌体内含磷量主要以易于迁移和可生物利用的磷形式OP和NAIP存在，其占比高达99%，因此该菌株为高速公路服务区生活污水中磷的去除以及磷的回收提供了新思路，对实际工程实践具有重要意义。