化學除磷藥劑對生物除磷的影響研究進展

畢若彤，李魁曉，王剛，許騏，王慰，鄭曉英

(1.北京工業大學 北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京 100124；2.北京城市排水集團有限責任公司科技研發中心，北京 100022；3.北京市污水資源化工程技術研究中心，北京 100124)

化學除磷根據藥劑的投加位置不同可分為前置沉淀、同步沉淀及后置沉淀三種工藝形式[3]。同步沉淀相比于前置沉淀投藥量少，相比于后置沉淀無需設立額外的絮凝沉淀池，基建成本低，因而在城鎮污水處理廠中得到了廣泛應用[4]。在污水廠的實際運行中，為確保出水磷達標，化學除磷藥劑的投加量往往高于實際需求量，過量的除磷藥劑隨著回流污泥再次進入生化池，影響生物除磷的效果。此外，隨著除磷藥劑的連續投加，系統內的除磷藥劑不斷積累，甚至在極端情況下會使整個污水處理系統喪失生物除磷的能力，最終導致污水處理廠完全依靠化學除磷使出水磷達標排放，大大提高了運行成本，降低了除磷效率。

本文系統論述了化學除磷藥劑對生物除磷的影響及其機理方面的研究，并對最大程度地發揮污水處理廠生物-化學協同除磷作用提出了建議和展望，以期為保證城鎮污水處理廠出水總磷濃度達標、降低處理成本提供一定的參考。

1 化學除磷藥劑的選擇與投加

目前常見的化學除磷藥劑分為鈣鹽、鐵鹽、鋁鹽和鎂鹽4類，其中主要包括石灰、硫酸亞鐵、三氯化鐵、聚合氯化鋁(PAC)、硫酸鋁、磷酸銨鎂以及一些復合新型除磷藥劑[5]。城鎮污水處理廠除磷藥劑種類的選擇需充分考慮處理水質、工藝流程、機械設備、處理成本以及池壁結垢、管道堵塞等問題。

為保證出水總磷穩定達標，目前大多數污水處理廠采取連續投加過量除磷藥劑的運行模式，藥劑的投加量通過實驗或中試確定，但在實驗和金屬鹽沉淀模型的基礎上，有研究者對化學除磷藥劑投加量進行了優化計算，比如引入投藥系數β的概念，只需知曉污水中的總磷濃度和目標除磷效率即可計算出藥劑投加量[6]。化學除磷藥劑投加量的確定方法趨于靈活、多樣，所得結果也更加合理可靠。

2 化學除磷藥劑對生物除磷效果的影響

隨著同步化學輔助除磷工藝的廣泛應用，化學除磷藥劑對生物除磷系統的影響成為了二者能否發揮協同除磷作用的關鍵。投加化學除磷藥劑產生的大量化學污泥隨回流污泥進入厭/好氧交替的生物池中，將直接影響生物厭氧釋磷、好氧吸磷的過程。

Liu等[7]分別考察了Al3+、Fe2+和Fe3+對生物除磷效果的影響，結果表明Al3+對厭氧釋磷、好氧吸磷過程都產生了明顯的抑制作用，Fe2+和Fe3+在只有高投加量下會對生物除磷造成不利影響。呂秀彬等[8]則研究了高投加量下聚合氯化鋁對生物釋磷、吸磷能力的影響，與對照組相比，投加50，100 mg/L 的PAC時釋磷量分別降低了25%，77%，吸磷量分別降低了34%，74%，投加PAC對生物厭氧釋磷和好氧吸磷過程均產生明顯的不利影響，且其影響程度隨著投加量的增加而增強。然而，有研究表明，在化學除磷藥劑投加量較低的情況下，除磷藥劑對生物除磷過程表現為促進作用。Fe3+和Al3+作為化學除磷藥劑的投加量分別低于8 mg/L和 6 mg/L 時，有效提高了聚磷菌的釋磷、吸磷能力，生物除磷性能得到一定程度的提高[9]。樊杰等[10]采用化學純磷酸鐵模擬化學污泥對聚磷菌釋磷/吸磷過程的影響，發現當磷酸鐵濃度低于0.075 mmol/L時，聚磷菌的釋磷量、吸磷量均高于未投加的20%以上。從目前已有的有關化學除磷藥劑對生物除磷影響的研究結果來看，二者之間既能表現為拮抗作用，也能表現為協同作用，具體情況應根據工藝、藥劑種類以及藥劑投加量的不同分別進行討論。

3 化學除磷藥劑影響生物除磷的機理

3.1 微生物活性

3.1.1 耗氧速率 耗氧速率反映了活性污泥好氧過程中的氧氣消耗速率和基質降解速率，與好氧菌的代謝密切相關，是衡量污泥活性的一個重要指標[11-12]。侯艷玲等[13]在研究化學除磷藥劑對活性污泥活性的影響時發現，Fe3+和Al3+的投加都會降低活性污泥的耗氧速率，抑制微生物活性，相同濃度的Al3+抑制作用強于Fe3+。Qiu等[14]將PAC投加量從0增加到50 mg/L后，活性污泥的耗氧速率降低近60%。陳亞松[15]通過現場測定活性污泥耗氧速率的方式，研究了PAC、AlCl3和Fe2(SO4)3三種不同藥劑對微生物活性的影響，結果表明三者均對微生物活性產生不利影響，其影響程度PAC>AlCl3>Fe2(SO4)3。Fe2+作為化學除磷藥劑時同樣會對微生物活性產生抑制作用[16]。

3.1.2 脫氫酶活性 微生物脫氫酶是微生物降解有機污染物、獲得能量的必需酶[17]。脫氫酶活性在很大程度上反映了活性微生物量及其對有機物的代謝能力，是考察污泥活性的重要指標[18]。

趙春祿等[19]的研究表明，PAC和AlCl3兩種鋁鹽對于活性污泥脫氫酶活性均有抑制作用，其抑制程度隨著藥劑與活性污泥接觸時間的增加而增加，AlCl3的抑制作用明顯高于PAC。而采用Fe2(SO4)3作為化學除磷藥劑時，Fe3+對微生物的新陳代謝必不可少，只有當Fe2(SO4)3的濃度高于60 mg/L才會對活性污泥脫氫酶活性產生明顯的抑制作用[20]。

作者首先討論了詩歌譯者的意向活動并提出：詩歌翻譯的重點在于對原詩創作意向活動中意向性質、質料及其統一體意向本質的還原。這些意向內容的還原決定著譯詩對原詩的關指度，并進一步決定著譯詩和原詩之間除普遍存在的跨語指向關系外，究竟是構造關系還是包含關系。譯詩是譯者意向性關指的結果。然而，譯詩的意向性關指和原詩的意義影響之間的矛盾會讓譯者產生“影響的焦慮”。作者借助玄言詩、佛理詩和禪趣詩，考察了譯者在翻譯意向活動中的焦慮，解析了焦慮的根源。

在城鎮污水處理廠得到廣泛應用的鋁鹽和鐵鹽對微生物活性普遍存在一定的抑制效應，其抑制程度與藥劑種類、投加量有關。相比于鐵鹽，鋁鹽的抑制效應往往更加突出，這可能與鋁自身的生物毒性有關。

3.2 微生物種群結構

聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)是生物除磷系統中重要的兩類微生物[21]。PAOs是公認的主要的除磷微生物，其具有厭氧釋磷、好氧過量攝磷的特點。而GAOs不具備除磷功能，同時還會與PAOs在除磷系統中爭奪有限的碳源。二者之間的競爭關系到生物除磷的效率[22]。因此，化學除磷藥劑對活性污泥中PAOs和GAOs群落結構的影響與系統除磷效果息息相關。

金虎等[23]利用熒光原位雜交技術測定了AAO工藝投加PAC前后PAOs 和GAOs的種群變化，發現投加PAC后，PAOs占比由11.72%下降到 9.77%，GAOs占比則從1.14%升至3.41%。裴浩等[24]也通過熒光原位雜交技術對種群變化進行研究，不同的是裴浩主要考察了長期投加鐵鹽對PAOs 和GAOs群落結構的影響，結果表明在長期投加化學除磷劑的影響下，聚磷菌在總菌中的占比逐漸降低。Illumina Miseq高通量測序相比于傳統的熒光原為雜交技術具有測序通量高、準確率高的優點，劉盼等[25]通過高通量測序的手段研究了投加鐵鹽前后活性污泥反應體系菌群的變化，同樣證實了鐵鹽投加會使部分聚磷菌的相對豐度降低這一結果。有研究認為，隨著污泥回流的化學除磷試劑可以快速地與進水中的磷共沉淀，實際上形成了一種低P/C的環境，該環境下更有利于GAOs的生長繁殖，因此在研究PAOs 和GAOs的種群變化時，往往會發現PAOs相對豐度下降，GAOs相對豐度增加的現象[26-30]。然而，Okunuki等[31]的研究表明，當生物除磷效果惡化時，并未觀察到符合GAOs抑制模型的相關現象。Wang等[32]分別向三個平行的SBR反應器中投加不同量的PAC時發現，隨著PAC投加量的提高，并未對PAOs的相對豐度產生明顯的抑制作用，部分GAOs的相對豐度卻出現顯著降低的現象。因此，從目前有關微生物種群結構的研究來看，化學除磷藥劑是否會對活性污泥PAOs的相對豐度產生不利影響仍存在一定爭議。

3.3 PHA合成

生物除磷過程中，PAOs在厭氧環境中分解體內的聚磷顆粒，同時產生三磷酸腺苷(ATP)用于吸收液相中的揮發性脂肪酸，并以聚-β-羥基烷酸(PHA)的形式存儲在細胞體內，好氧環境中PAOs分解PHA，所得能量用于磷的吸收、補充糖原[33]。PHA的代謝已經被證明是生物除磷工藝中活性污泥普遍的主導代謝活動。化學除磷藥劑隨污泥回流進入厭氧段后對 PHA合成的影響實際上說明了化學除磷藥劑對聚磷菌內在除磷能力的影響。

研究表明，隨著除磷藥劑Al/P從1∶1升至4∶1，活性污泥厭氧階段產生的PHA出現明顯下降的現象[32]。溫沁雪等[34]向AAO反應器中投加聚合鋁鐵考察藥劑對生物除磷的影響時發現，投加量為 3 mg/L 時厭氧與缺氧區的PHA含量差別最大，隨著投加量增加，厭氧與缺氧區的PHA含量差逐漸減小，這意味著聚合鋁鐵投加量的升高對PHA的合成產生了負面影響。高穎等[35]則采用氯化鐵作為同步除磷藥劑進行研究，結果同樣表明投藥40 d后，厭氧階段產生的PHA僅為未投藥前的50%左右，氯化鐵的投加會對聚磷菌合成PHA產生一定的抑制作用。

4 結語與展望

化學除磷工藝操作簡單、易于控制，且除磷效果相對穩定，在城鎮污水處理廠中得到了廣泛的應用，投加化學除磷藥劑能夠有效地降低污水處理系統出水總磷濃度，保證出水穩定達標。但化學除磷藥劑的連續過量投加往往會對生物除磷造成不利影響，這直接決定了化學除磷與生物除磷二者之間能否真正發揮協同除磷的作用。目前關于投加除磷藥劑能夠有效改善系統除磷效果的這一結論上基本達成一致，但有關除磷藥劑影響生物除磷的機理仍不明確。

建議今后關于化學除磷藥劑對生物除磷的影響可從以下幾個方面展開研究：

(1)實驗室研究適當地降低除磷藥劑的投加量，盡可能貼近實際生產的情況。針對不同的化學除磷藥劑，深入研究所投加除磷藥劑影響生物除磷的機理，為實際工程應用提供理論支撐。

(2)針對不同污水處理廠的進水水質、處理工藝以及采用的除磷藥劑的種類，建立除磷藥劑投加量對生物除磷的影響程度模型，在保證出水總磷達標的基礎上，確定除磷藥劑的最佳投加范圍，降低污水處理廠的運行成本。

(3)探索易于監測的、能夠反映化學除磷藥劑對生物除磷影響的指標，對指導實際生產具有重要的意義。