生物除磷机理与数学模型的探讨

中国资源综合利用

●环境保护ＣｈｉｎａＲｅｓｏｕｒｃｅｓＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ

Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１２２００７年１２月

生物除磷机理与数学模型的探讨

杨

哲，吴

敏

２０００９２）

（同济大学环境科学与工程学院，上海

摘要：概述了生物除磷在厌氧、缺氧和好氧条件下的反应机理，并基于对反硝化聚磷菌的认识将现有除磷数学模型发展划分为两个阶段。基于除磷数学模拟所包含的涉磷组分、计量学参数、动力学参数以及生物衰减理论等对两阶段模型进行了较为详细的介绍和比较，认为Ｄｅｌｆｔ模型是现有模型中比较完善的，并提出今后发展除磷数学模型应重点解决的问题。关键词：生物过量除磷；缺氧吸磷；数学模型；糖原中图分类号：Ｘ７０３文献标识码：Ａ文章编号：１００８－９５００（２００７）１２－００２０－０４

ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＰｈｏｓｐｈｏｒｕｓＲｅｍｏｖａｌ

ａｎｄＩｔｓＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｓ

ＹａｎｇＺｈｅ，ＷｕＭｉｎ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ

２０００９２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｕｎｄｅｒａｎａｅｒｏｂｉｃ，ａｎｏｘｉｃａｎｄａｅｒｏｂｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ

ｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｓｏｆｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ，ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｍｏｄｅｌｓａｒｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｗｏｓｔａｇｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｋｉｎｅｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｄｅｃａｙ／ｄｅａｔｈｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓａｎｄｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅｓｅｍｏｄｅｌｓｉｎｄｅｔａｉｌ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇＤｅｌｆｔｍｏｄｅｌｔｏｂｅｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅａｒｅｓｔｉｌｌｓｏｍｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｎｅｅｄｅｄｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｌｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｅｘｃｅｓｓｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ；ａｎｏｘｉｃｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｕｐｔａｋｅ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ；ｇｌｙｃｏｇｅｎ

随着活性污泥法作用机理的研究不断深入和凭借强大的软件计算能力，活性污泥数学模型历经几十年的发展，已可以很好地预测污水处理的过程和结果。但是对于磷的去除，已有模型的预测仍不尽如人意。其原因在于：（１）模型对于某些新的除磷现象，如：聚磷菌（ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇｏｒｇａｎｉｓｍｓ，ＰＡＯｓ）的缺氧吸磷以及糖原的作用机制和模拟方式有待完善［１－３］；（２）存在未知涉磷机理或复杂关联，致使数学模型的模拟可能忽略某些重要的细节；（３）在模型的具体应用时，无法可靠测得原污水中某些与磷有关的组分及参数［４］。

生物过量除磷（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｅｘｃｅｓｓｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ，ＢＥＰＲ）数学模型是活性污泥系统中涉磷方程的集合，它与碳氧化数学模型、硝化反硝化数学模型、水解数学模型一起构成活性污泥数学模型。活性污泥除磷数学模型可对除磷影响因素进行分析，促进除磷机理研究的深入，有助于活性污泥数学模型整体预测能力的提高，为污水处理过程的仿真研究提供核心工具［５］。

１９５５年，Ｓｒｉｎａｔｈ等在污水处理厂的生产性运行中观察到活性污泥的生物超量摄磷现象。经过５０多年的发展，尤其是２０世纪８０年代以来，通过全面的

试验研究和工程经验总结，活性污泥生物除磷过程中磷吸收和磷释放的反应机理相继被提出。１．１厌氧代谢

在厌氧条件下，ＰＡＯｓ吸收发酵产生的低分子挥发性有机酸（如乙酸），合成聚β羟基丁酸盐（Ｐｏｌｙ－β－ｙｄｒｏｘｙｂｕｔｙｒａｔｅ，ＰＨＢ），所需能量来源于聚磷酸盐的水解和糖原的降解。微生物学研究表明［６－７］，聚磷水解酶的活性受细胞生长的磷酸盐水平变化调节：细胞内磷缺乏时聚磷水解酶的活性迅速增加，引起聚磷的分解和正磷酸盐的释放，此即厌氧释磷过程。

同时，由于ＰＨＢ是比乙酸更强的还原聚合物，因此ＰＨＢ的合成还需要还原力（ＮＡＤＨ２）。关于ＮＡＤＨ２的来源有两种解释：（１）Ｃｏｍｅａｕ－Ｗｅｎｔｚｅｌ理论［８－９］认为：细胞通过三羧酸（ＴＣＡ）循环氧化部分乙酸到ＣＯ２，产生合成ＰＨＢ所需的ＮＡＤＨ２；（２）Ｍｉｎｏ则认为ＮＡＤＨ２来源于糖原糖酵解（ＥＭＰ）途径（后被Ｗｅｎｔｚｅｌ修正为２－酮－３－脱氧－６－磷酸葡萄糖酸裂解（ＥＤ）途径［１０］）

１活性污泥法生物除磷的反应机理

收稿日期：２００７－１０－１６作者简介：杨

哲（１９８３－），男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方向：污水处理。

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第１２期杨哲等：生物除磷机理与数学模型的探讨●环境保护

的降解。试验证明，Ｍｉｎｏ的糖酵解理论合理地解释了厌氧过程ＰＨＢ厌氧合成过程中还原力的来源。１．２好氧代谢

在好氧条件下，细胞内分子的含氧量充足，ＰＡＯｓ可利用ＰＨＢ作为碳源与能源进行细胞合成，并通过电子传递磷酸化机理产生三磷酸腺苷（ａｄｅｎｏｓｉｎｅｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ，ＡＴＰ），同时胞内磷酸盐含量升高。研究表明，聚磷激酶的活性受细胞生长的磷酸盐水平变化调节：当磷酸盐高时，聚磷激酶的活性就会提高。ＰＡＯｓ细胞内发生聚磷（ｐｏｌｙＰ，即ＰＰ）的合成，吞并细胞内的磷酸盐，而液相内因厌氧释磷导致的浓度较高的磷酸盐则通过浓差扩散进入细胞内，使其含量下降。此即好氧吸磷过程。

由以上分析可知，在厌氧条件下，液相低分子挥发性有机酸浓度高，ＰＡＯｓ内会产生ＰＨＢ，ＰＡＯｓ内的ＰＰ会分解释磷；在缺、好氧条件下，液相低分子挥发性有机酸浓度低，ＰＨＢ会被消耗，ＰＡＯｓ会合成

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