EBPR 法對污水中磷去除的探討

鄭亞卿，馬 娟

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

1 污水處理現(xiàn)狀

1.1 水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀及危害

隨著城市的發(fā)展和人類的活動，使大量含N、P的生活污水、工業(yè)廢水排入江河湖泊中，增加了水體自凈化的負(fù)荷，其直接后果為水體富營養(yǎng)化，甚至導(dǎo)致淡水出現(xiàn)“水華”，海洋發(fā)生“赤潮”。2018 年，生態(tài)環(huán)境部對111 個(gè)重點(diǎn)湖泊/水庫監(jiān)測調(diào)查報(bào)告顯示，Ⅰ～Ⅲ類占66.6%、Ⅳ～Ⅴ類占25.2%、劣Ⅴ類占8.1%，其中有6 座處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，25 座處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)[1]?？梢娊鉀Q水體富營養(yǎng)化相關(guān)環(huán)境問題對保持我國環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

水體富營養(yǎng)化如若不及時(shí)處理會對水體的生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞。主要表現(xiàn)為以下幾大方面：一是水藻的繁殖阻礙了植物的光合作用，導(dǎo)致水體溶解氧含量減少。二是水生動物的缺氧死亡，水體惡臭、透明度降低。三是水藻的生長分泌大量毒素，通過食物鏈導(dǎo)致水生動物中毒，被人類食用后致使人類慢性中毒。四是富營養(yǎng)化水體處理成本增加，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。

雖然N、P 同是造成水體富營養(yǎng)化的主要元兇，但P 則是最關(guān)鍵的元素。為了有效地控制水體的富營養(yǎng)化,高效控制水體中的P 含量,比同時(shí)控制N、P 含量更加經(jīng)濟(jì)高效[2]。在這樣的形勢下我國對出水管控也愈發(fā)嚴(yán)格，最新“水十條”中明確要求國內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域污水廠出水水質(zhì)不低于一級A 標(biāo)準(zhǔn)，其中指出出水中P 的質(zhì)量濃度需小于0.5 mg/L 以減少富營養(yǎng)化等環(huán)境問題發(fā)生的頻率。由此看來，未來實(shí)施更嚴(yán)格的P 排放標(biāo)準(zhǔn)是我國改善和維護(hù)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇和常態(tài)。

1.2 常用的除磷方法

化學(xué)沉淀法、電解法、水生物法和微生物法是目前最常用的除磷方法。穩(wěn)定可靠是化學(xué)沉淀法最突出的優(yōu)點(diǎn)，但其也有明顯的缺陷，化學(xué)沉淀法具有藥耗量大、處理費(fèi)用高、產(chǎn)生大量的化學(xué)污泥難以處置等缺點(diǎn)，同時(shí)引入了新的化合物，產(chǎn)生大量無用且易造成二次污染的化學(xué)污泥[7]；而電解法除了有沉淀生成量大和電極材料消耗量較大等缺點(diǎn)外，還有運(yùn)行費(fèi)用較高等缺陷；水生物法作為目前污水廠的二級處理應(yīng)用最廣泛的除磷技術(shù)，雖對水質(zhì)環(huán)境較敏感，但微生物除磷法相比化學(xué)除磷具有減少或避免投加化學(xué)藥劑、運(yùn)營成本較低、產(chǎn)生污泥量少且易脫水等優(yōu)點(diǎn)，。

在繁多的生物除磷技術(shù)中，基于SBR 系統(tǒng)的EBPR 工藝作為一種對環(huán)境友好且經(jīng)濟(jì)有效的生物除磷技術(shù)被廣泛應(yīng)用于污水中磷元素的去除。其的優(yōu)點(diǎn)有：運(yùn)行管理簡單；造價(jià)低，占地少；耐沖擊負(fù)荷；可抑制絲狀菌的膨脹；除磷脫氮效果好。

2 EBPR 法去除污水中的磷

2.1 EBPR 法除磷的工作原理

常規(guī)SBR 法主要是5 個(gè)階段的運(yùn)行操作：流入階段、反應(yīng)階段、沉淀階段、排放階段及閑置階段。而EBPR(強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)）則是在SBR 的反應(yīng)階段通過厭氧/好氧交替運(yùn)行，活性污泥中的PAOs（聚磷菌）被選擇并生長為優(yōu)勢種群，在厭氧階段釋放磷，同時(shí)利用分解胞內(nèi)聚磷時(shí)產(chǎn)生的能量，一部分用來維持自身的生存，一部分用以吸收水中的VFAs（可揮發(fā)性脂肪酸）并在胞內(nèi)合成PHA（聚羥基烷酸）；在好氧階段，聚磷菌通過分解利用胞內(nèi)PHA 產(chǎn)生的能量過量攝取Ortho-P 以Poly-P 的形式儲存在體內(nèi)，從而完成了好氧段過量吸磷。因?yàn)樵诤醚蹼A段PAOs 吸磷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厭氧階段的釋磷量。所以最后通過排放富磷污泥的形式達(dá)到去除污水中磷的目的。

2.2 聚磷菌的種類

2.2.1 β-變形菌綱（Betaproteobacteria）

β-變形菌綱主要包括與紅環(huán)菌屬相關(guān)的微生物，占總菌種的20%～50%，其中Candidatus Accumulibacter Phosphatis 菌屬早被認(rèn)定為紅環(huán)菌屬中的優(yōu)勢菌屬。其他菌屬還有產(chǎn)堿菌屬、紫色桿菌屬等。

2.2.2 γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）

不動桿菌屬是γ-變形菌綱中主要的菌屬，占總菌種的5%～15%。其他菌屬還包括不動桿菌屬、氣單胞菌屬、假單胞菌屬、莫拉氏菌屬、泛菌屬等。

2.2.3 放線菌綱（Actinobacteria）

最新研究報(bào)道Tetrasphaera 菌屬為防線菌綱的主要功能菌屬，這類細(xì)菌可達(dá)到總細(xì)菌數(shù)量的35%。其他菌屬還有棒狀桿菌屬及微球菌屬等。

2.2.4 其他菌綱

聚磷菌分屬的菌綱有很多，除了上述主要菌綱外還包括α-變形菌綱（alphaproteobacteria）、芽孢桿菌綱（bacilli）、鞘脂桿菌綱（sphingobbacteria）、黃桿菌綱（flavobacteria）、芽單胞菌綱（gemmatimonadetes）等，以及尚未發(fā)現(xiàn)的分屬菌綱。

2.3 聚磷菌的影響因子

2.3.1 溫度對聚磷菌的影響

溫度是EBPR 系統(tǒng)運(yùn)行中的一個(gè)重要參數(shù)，溫度控制直接影響微生物的種群結(jié)構(gòu)。PAOs 一般為嗜中溫型或者嗜冷型微生物，系統(tǒng)溫度在20～25 ℃時(shí)最有利于磷去除速率的提升。溫度大于30 ℃的環(huán)境有助于系統(tǒng)中其他微生物群落產(chǎn)生快速增殖,對系統(tǒng)優(yōu)勢菌種產(chǎn)生威脅，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的除磷效果降低甚至惡化；除影響微生物種群結(jié)構(gòu)外，溫度會顯著影響基質(zhì)的擴(kuò)散速率以及酶催化反應(yīng)的速率。能降解大分子難降解有機(jī)物的微生物的系統(tǒng)會因?yàn)闇囟冗^低而被破壞，從而導(dǎo)致生物除磷系統(tǒng)的退化甚至崩潰。

2.3.2 pH 對聚磷菌的影響

pH 是微生物除磷法的主要影響因素之一，pH 除了會影響生物除磷性能及微生物種群結(jié)構(gòu)外，還會對聚磷菌的代謝特性產(chǎn)生顯著影響。有學(xué)者研究表明，在中性（pH=7）和弱堿性（pH=8）條件下運(yùn)行的生物除磷反應(yīng)器中，PAOs 在活性污泥微生物的種群結(jié)構(gòu)中占有優(yōu)勢地位，其含量可以達(dá)到60%,即聚磷菌生長最適宜的pH 范圍為7～8。環(huán)境pH 值過高或過低都會影響磷的釋放和吸收。在酸性（pH＜6）環(huán)境中，微生物可能產(chǎn)生細(xì)胞自溶的現(xiàn)象導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能破壞，產(chǎn)生大量釋磷。在堿性環(huán)境中，部分金屬離子生成無法降解的磷酸鹽沉淀，不利于PAOs 的生存，致使在厭氧條件下出現(xiàn)吸磷現(xiàn)象[8]。除此之外pH 通過改變細(xì)胞膜電荷，影響相關(guān)酶的活性，同時(shí)對厭氧釋磷好氧吸磷產(chǎn)生重要的影響，而目前關(guān)于pH 對相關(guān)酶活性的影響還較少。

2.3.3 C/P 對聚磷菌的影響

進(jìn)水C/P 是影響PAOs 生長的關(guān)鍵因素。C/P 值越高，污泥中PAOs 的占比越高，對磷的去除率也越高。當(dāng)C/P 值分別為30、25 和20 時(shí)，系統(tǒng)的除磷效率均可達(dá)到80%以上。在EBPR 系統(tǒng)C/P 超過50 時(shí)，PAOs 將喪失其競爭優(yōu)勢導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)除磷系統(tǒng)性能下降。

2.3.4 其他因素對聚磷菌的影響

碳源、磷源量、DO（溶解氧）、電子受體等因素也對聚磷菌的除磷效率產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。不同有碳源產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸的成分不同，PAOs 對其吸收和轉(zhuǎn)化也存在較大差異。研究表明，以乙酸或丙酸作為單一碳源的EBPR 系統(tǒng)中，除磷效果和反應(yīng)動力學(xué)都要優(yōu)于葡萄糖為碳源的EBPR 系統(tǒng)。目前，針對碳源種類的研究多集中在乙酸、丙酸、葡萄糖的研究。磷源量不足且磷含量偏高時(shí)，會導(dǎo)致聚磷菌在厭氧反應(yīng)時(shí)釋磷不完全而無法有效吸磷，除磷效率變低；溶解氧不足會直接導(dǎo)致聚磷菌在好氧反應(yīng)時(shí)因電子受體不足而無法吸磷。NO2--N、NO3--N 作為電子受體在除磷過程中會影響磷的釋放和吸收。多數(shù)研究者發(fā)現(xiàn)，NO2--N 的濃度過高時(shí)會抑制PAOs 吸磷、破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、對除磷微生物毒害，進(jìn)而影響EBPR 系統(tǒng)的除磷效率。選擇合適的NO2--N 濃度一定程度上能促進(jìn)吸磷過程。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著我國治理環(huán)境力度的不斷加大，未來對水體中磷濃度的管控也愈發(fā)嚴(yán)格，傳統(tǒng)的生物除磷技術(shù)愈發(fā)不能滿足逐漸嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，EBPR工藝作為一種環(huán)境友好型的除磷方法仍然具有很高的研究價(jià)值，它的廣泛會對環(huán)境保護(hù)帶來積極影響。只有深化了解EBPR 系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，才能采取高效的方法持續(xù)推進(jìn)污水處理事業(yè)。