剩余污泥厭氧磷釋放技術(shù)研究進(jìn)展

摘 要： 近年來，污泥厭氧釋磷技術(shù)應(yīng)用廣泛。探討了溫度和pH兩個(gè)因素對(duì)磷形態(tài)和胞外聚合物釋放的影響。通過文獻(xiàn)綜述和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)溫度和pH對(duì)剩余污泥厭氧磷釋放具有顯著影響，能夠改變磷的形態(tài)和胞外聚合物的組成。這些影響機(jī)制與微生物代謝途徑和環(huán)境因素的相互作用密切相關(guān)。這些研究結(jié)果為剩余污泥處理和磷回收提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，有助于更好地理解和控制剩余污泥中的磷形態(tài)和胞外聚合物釋放。

關(guān) 鍵 詞：剩余污泥；厭氧磷釋放；磷形態(tài)變化；胞外聚合物

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）09-1459-03

剩余污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的廢棄物，并含有大量的有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)，其中磷是自然生命周期中不可缺少的一種關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)^[1]。世界上磷資源豐富的國家，將在50～60年內(nèi)耗盡存儲(chǔ)量^[2]，而污水污泥中存在大量的磷，回收后可滿足總磷需求量的12%～15%^[3-4]。為使用剩余污泥作為磷資源，關(guān)鍵一步是從剩余污泥中盡可能多地釋放磷用于磷回收和后續(xù)處理。根據(jù)可持續(xù)發(fā)展政策和經(jīng)濟(jì)需求，污水處理廠必須采用節(jié)能環(huán)保的磷釋放技術(shù)。與化學(xué)處理相比，污泥厭氧釋磷可以避免富營養(yǎng)化和水華問題，是一種可持續(xù)的高效磷回收方法^[5-6]。

1 剩余污泥厭氧磷釋放影響因素研究進(jìn)展

1.1污泥厭氧釋磷

污泥厭氧生物釋磷是聚磷菌（PAOs）在厭氧條件下對(duì)磷的過量吸收，厭氧階段釋放的磷越多，好氧階段PAOs吸收的磷就越多。在厭氧階段污泥濃度越高，釋磷時(shí)間越長，PAOs釋磷效果越好，釋磷量越多。在厭氧條件下，厭氧呼吸是一種重要的能量來源^[7]。同時(shí)，污泥微生物在代謝過程中還會(huì)產(chǎn)生一些胞外聚合物，如微生物胞外多糖、蛋白質(zhì)等，這些物質(zhì)可以作為磷的吸附劑。當(dāng)環(huán)境中的磷濃度較低時(shí)，這些胞外聚合物可以釋放出吸附的磷，滿足微生物生長所需的磷元素^[8]。

1.2影響厭氧生物釋磷的主要因素

經(jīng)過排放富磷剩余污泥而除磷，其影響聚磷菌代謝、厭氧生物釋磷的影響因素如下。

含氧量：在厭氧條件下，氧氣會(huì)抑制磷的釋放，因?yàn)樗鼤?huì)使得細(xì)菌轉(zhuǎn)為有氧呼吸，降低其產(chǎn)生內(nèi)源性碳源的能力，從而減少磷的釋放。

pH：不同的磷形態(tài)在不同的pH下釋放量不同。通常當(dāng)pH在6.0～7.5時(shí)，磷的釋放最大^[7]。當(dāng)pH偏酸或偏堿時(shí)，磷的釋放會(huì)減少。

溫度：溫度的影響是通過影響厭氧菌和其生態(tài)環(huán)境中各種酶的活性來實(shí)現(xiàn)的。一般來說，溫度升高有利于厭氧菌生長和代謝，從而增加磷的釋放。

底物濃度：底物濃度的增加會(huì)刺激厭氧菌的生長和代謝，增加磷的釋放。

溶解氧：雖然厭氧生物不需要氧氣進(jìn)行代謝，但在污泥中存在的微量氧氣可以促進(jìn)胞外聚合物的分解，從而增加磷的釋放。

除了上述因素之外，微生物厭氧釋磷的機(jī)制還涉及胞外聚合物的形成和分解、微生物群落的結(jié)構(gòu)和代謝功能等多個(gè)方面^[9]。在此過程中，溫度顯著影響厭氧磷的釋放。適宜的溫度可以促進(jìn)微生物的代謝活動(dòng)，增強(qiáng)磷的釋放。一般來說，較高的溫度會(huì)加快污泥中微生物的生長和代謝，從而促進(jìn)磷的釋放。但是過高的溫度會(huì)導(dǎo)致微生物活動(dòng)過度，降低微生物對(duì)磷的吸附能力，從而抑制磷的釋放^[10]。

2 溫度對(duì)剩余污泥厭氧磷釋放的影響

2.1 溫度對(duì)剩余污泥中磷形態(tài)的影響

許春雪等^[11]通過磷形態(tài)的分級(jí)提取法（SMT 法）提取了污泥中不同形態(tài)的磷，分析了不同污水處理廠污泥中磷的組成和分布，該方法分為3步提取，所提取的磷形態(tài)大致分為5種：非磷灰石無機(jī)磷（NAIPs）、磷灰石無機(jī)磷（APs）、無機(jī)磷（IPs）、有機(jī)磷（OPs）以及總磷（TPs）。剩余污泥中磷形態(tài)間存在TPs=OPs+IPs，IPs=NAIPs+APs 等式關(guān)系。曾凡哲^[12]研究表明，溫度是影響剩余污泥中磷形態(tài)的重要因素之一。經(jīng)厭氧處理 200 min 后，TPs的釋放率在 5、15、25、35 ℃溫度條件下分別為 26.27%、39.64%、20.56%、31.48%^[12-13]。首先，隨著溫度的升高，磷形態(tài)的分布會(huì)發(fā)生變化。具體來說，高溫條件下無機(jī)磷（IPs）和磷灰石無機(jī)磷（APs）的含量會(huì)增加，而有機(jī)磷（OPs）的含量則會(huì)減少。這是因?yàn)楦邷貤l件下，污泥微生物代謝速度加快，有機(jī)物降解程度加劇，導(dǎo)致有機(jī)磷的降解和礦化速度加快，而無機(jī)磷的釋放速度相對(duì)較快。其次，溫度還會(huì)影響磷的釋放速率和動(dòng)力學(xué)行為。李家琪^[14]研究發(fā)現(xiàn)，在較高溫度下，污泥中的磷釋放速率和釋放量都會(huì)增加，同時(shí)磷釋放的動(dòng)力學(xué)行為也會(huì)發(fā)生變化，呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。這可能是因?yàn)楦邷貤l件下，污泥微生物的代謝活動(dòng)加強(qiáng)，導(dǎo)致污泥中的胞外聚合物和微生物細(xì)胞膜等有機(jī)物質(zhì)分解速度加快，從而促進(jìn)了磷的釋放過程。

2.2 溫度對(duì)胞外聚合物形態(tài)的影響

胞外聚合物是污泥中的主要有機(jī)物質(zhì)之一，也是厭氧生物釋磷的重要組成部分。溫度是影響污泥微生物代謝活性的重要因素之一，因此也會(huì)對(duì)胞外聚合物形態(tài)產(chǎn)生影響。隨著溫度升高，污泥中的胞外聚合物含量會(huì)增加，特別是在高溫條件下，胞外聚合物的增加幅度更大。同時(shí)，溫度的升高也會(huì)影響胞外聚合物的組成和分子量分布。肖雄等^[15]研究表明，在高溫條件下，胞外聚合物中蛋白質(zhì)和多糖的含量比例會(huì)發(fā)生變化，蛋白質(zhì)含量會(huì)增加，而多糖含量會(huì)減少。這種變化可能與污泥微生物代謝的變化有關(guān)。在高溫條件下，微生物代謝活性增強(qiáng)，因此產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物也會(huì)增多，導(dǎo)致胞外聚合物中蛋白質(zhì)含量的增加。同時(shí)，高溫也會(huì)影響微生物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，使得微生物釋放的多糖含量減少^[16]。

3 pH對(duì)剩余污泥厭氧磷釋放的影響

3.1 pH對(duì)污泥厭氧磷釋放磷形態(tài)和可溶性影響

剩余污泥經(jīng)厭氧處理后會(huì)有明顯的磷釋放，但是污泥中仍存在部分磷未被完全釋放，且大量磷存在于EPS中^[12]。pH是影響剩余污泥厭氧磷釋放的一個(gè)重要因素，因?yàn)樗苯佑绊懥椎男螒B(tài)和可溶性。根據(jù)文獻(xiàn)研究，pH對(duì)厭氧磷釋放的影響具有一定的規(guī)律性，一般來說，當(dāng)pH在6.0～9.0時(shí)，厭氧磷釋放量較大。也有學(xué)者認(rèn)為，在pH為5.25條件下最多有超過75%的總磷會(huì)釋放到液相中^[17]，pH對(duì)厭氧磷釋放的影響主要與以下兩個(gè)方面有關(guān)：

1）磷形態(tài)的變化。pH的變化會(huì)影響磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響厭氧磷釋放量。一般來說，當(dāng)pH較低時(shí)，無機(jī)磷（IPs）和磷灰石無機(jī)磷（APs）的含量較高，而有機(jī)磷（OPs）含量較低^[18]。當(dāng)pH逐漸升高時(shí)，無機(jī)磷和磷灰石無機(jī)磷的含量逐漸降低，有機(jī)磷含量逐漸增加，這是由于在高pH條件下，細(xì)菌和真菌的代謝活動(dòng)增加，導(dǎo)致有機(jī)磷的分解和釋放^[19]，使更多固相IPs釋放到上清液中^[20]。

2）可溶性的變化。pH的變化還會(huì)影響磷的可溶性，從而影響磷的釋放。當(dāng)pH較低時(shí)，磷酸根離子的含量較高，但它的可溶性較差；當(dāng)pH逐漸升高時(shí)，磷酸根離子的含量逐漸降低，但它的可溶性逐漸增加，這是由于在高pH條件下，磷酸根離子與鐵、鋁等金屬離子結(jié)合程度降低，從而使磷的可溶性增加^[21]。

總的來說，pH的變化對(duì)厭氧磷釋放量的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，它與磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化和可溶性的變化密切相關(guān)。在實(shí)際的處理中，應(yīng)根據(jù)不同的水質(zhì)情況和磷的形態(tài)特點(diǎn)，調(diào)整pH，以最大限度地提高厭氧磷釋放量，從而達(dá)到高效處理污水的目的。

3.2 pH對(duì)胞外聚合物形態(tài)的影響

當(dāng)pH發(fā)生變化時(shí)，胞外聚合物的組成和性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，從而影響剩余污泥厭氧磷釋放。pH的改變會(huì)導(dǎo)致胞外聚合物中各種官能團(tuán)電離狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響其表面電荷密度和形態(tài)結(jié)構(gòu)^[22]。EPS是污泥脫水性能的決定因素，EPS 的降解被認(rèn)為是促進(jìn)污泥釋放結(jié)合水的重要原因。不同類型的胞外聚合物在不同的pH條件下的溶解度不同，從而會(huì)影響其在污水處理過程中的可利用性和釋放程度。例如，胞外聚合物中的蛋白質(zhì)，在中性或酸性條件下相對(duì)穩(wěn)定，但在堿性條件下易于水解和分解，導(dǎo)致其溶解度增加，從而促進(jìn)磷的釋放。此外，pH還會(huì)影響微生物代謝和生長，進(jìn)一步影響剩余污泥中微生物對(duì)磷的釋放。微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng)，但是當(dāng)pH變化較大時(shí)，微生物的代謝能力和生長速率會(huì)受到限制，從而降低了其釋放磷的效率^[23]。

綜上所述，pH對(duì)剩余污泥厭氧磷釋放中胞外聚合物的影響是多方面的，包括表面電荷密度、溶解度和微生物代謝等。因此，在污水處理過程中，需要綜合考慮pH的影響，以達(dá)到最佳的磷去除效果。

4 結(jié)束語

溫度和pH對(duì)剩余污泥厭氧磷釋放有顯著影響，胞外聚合物在剩余污泥中的形態(tài)和組成決定了磷的釋放速率和形態(tài)的變化，溫度和pH對(duì)胞外聚合物形態(tài)的影響也會(huì)影響磷的釋放速率和形態(tài)的變化。未來的研究還可以探究多種因素共同作用的影響，例如溫度、pH、氧化還原電位等因素的共同作用對(duì)剩余污泥厭氧磷釋放的影響，以更好地指導(dǎo)實(shí)際污泥處理的實(shí)踐。

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Research Progress of Anaerobic Phosphorus Release

Technology for Remaining Sludge

CAO Yin， ZENG Fanzhe， ZHANG Shengze

（School of Municipal and Environmental Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：In recent years， sludge anaerobic phosphorus release technology has been widely applied. Inthis paper， effects of two factoVV5yab6T9P+VnjHpSg+t4k7o0LXFSBW0zDiYZv5mCoo=rs， temperature and pH， on phosphorus morphology and extracellular polymer release were discussed. Through literature review and experimental studies， it was found that temperature and pH have significant effects on anaerobic phosphorus release from residual sludge， which can change the phosphorus morphology and extracellular polymer composition. The mechanisms of these effects are closely related to the interaction of microbial metabolic pathways and environmental factors. These findings provide a theoretical basis and technical support for residual sludge treatment and phosphorus recovery， and help to better understand and control the phosphorus morphology and extracellular polymer release in residual sludge.

Key words： Residual sludge; Anaerobic phosphorus release; Phosphorus morphology change; Extracellular polymer