化學(xué)除磷藥劑對(duì)生物除磷的影響研究進(jìn)展

畢若彤，李魁曉，王剛，許騏，王慰，鄭曉英

(1.北京工業(yè)大學(xué) 北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司科技研發(fā)中心，北京 100022；3.北京市污水資源化工程技術(shù)研究中心，北京 100124)

化學(xué)除磷根據(jù)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(shè)立額外的絮凝沉淀池，基建成本低，因而在城鎮(zhèn)污水處理廠中得到了廣泛應(yīng)用[4]。在污水廠的實(shí)際運(yùn)行中，為確保出水磷達(dá)標(biāo)，化學(xué)除磷藥劑的投加量往往高于實(shí)際需求量，過量的除磷藥劑隨著回流污泥再次進(jìn)入生化池，影響生物除磷的效果。此外，隨著除磷藥劑的連續(xù)投加，系統(tǒng)內(nèi)的除磷藥劑不斷積累，甚至在極端情況下會(huì)使整個(gè)污水處理系統(tǒng)喪失生物除磷的能力，最終導(dǎo)致污水處理廠完全依靠化學(xué)除磷使出水磷達(dá)標(biāo)排放，大大提高了運(yùn)行成本，降低了除磷效率。

本文系統(tǒng)論述了化學(xué)除磷藥劑對(duì)生物除磷的影響及其機(jī)理方面的研究，并對(duì)最大程度地發(fā)揮污水處理廠生物-化學(xué)協(xié)同除磷作用提出了建議和展望，以期為保證城鎮(zhèn)污水處理廠出水總磷濃度達(dá)標(biāo)、降低處理成本提供一定的參考。

1 化學(xué)除磷藥劑的選擇與投加

目前常見的化學(xué)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(fù)合新型除磷藥劑[5]。城鎮(zhèn)污水處理廠除磷藥劑種類的選擇需充分考慮處理水質(zhì)、工藝流程、機(jī)械設(shè)備、處理成本以及池壁結(jié)垢、管道堵塞等問題。

為保證出水總磷穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，目前大多數(shù)污水處理廠采取連續(xù)投加過量除磷藥劑的運(yùn)行模式，藥劑的投加量通過實(shí)驗(yàn)或中試確定，但在實(shí)驗(yàn)和金屬鹽沉淀模型的基礎(chǔ)上，有研究者對(duì)化學(xué)除磷藥劑投加量進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，比如引入投藥系數(shù)β的概念，只需知曉污水中的總磷濃度和目標(biāo)除磷效率即可計(jì)算出藥劑投加量[6]。化學(xué)除磷藥劑投加量的確定方法趨于靈活、多樣，所得結(jié)果也更加合理可靠。

2 化學(xué)除磷藥劑對(duì)生物除磷效果的影響

隨著同步化學(xué)輔助除磷工藝的廣泛應(yīng)用，化學(xué)除磷藥劑對(duì)生物除磷系統(tǒng)的影響成為了二者能否發(fā)揮協(xié)同除磷作用的關(guān)鍵。投加化學(xué)除磷藥劑產(chǎn)生的大量化學(xué)污泥隨回流污泥進(jìn)入?yún)?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(duì)生物除磷效果的影響，結(jié)果表明Al3+對(duì)厭氧釋磷、好氧吸磷過程都產(chǎn)生了明顯的抑制作用，F(xiàn)e2+和Fe3+在只有高投加量下會(huì)對(duì)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(duì)生物釋磷、吸磷能力的影響，與對(duì)照組相比，投加50，100 mg/L 的PAC時(shí)釋磷量分別降低了25%，77%，吸磷量分別降低了34%，74%，投加PAC對(duì)生物厭氧釋磷和好氧吸磷過程均產(chǎn)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(qiáng)。然而，有研究表明，在化學(xué)除磷藥劑投加量較低的情況下，除磷藥劑對(duì)生物除磷過程表現(xiàn)為促進(jìn)作用。Fe3+和Al3+作為化學(xué)除磷藥劑的投加量分別低于8 mg/L和 6 mg/L 時(shí)，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(xué)純磷酸鐵模擬化學(xué)污泥對(duì)聚磷菌釋磷/吸磷過程的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磷酸鐵濃度低于0.075 mmol/L時(shí)，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(guān)化學(xué)除磷藥劑對(duì)生物除磷影響的研究結(jié)果來看，二者之間既能表現(xiàn)為拮抗作用，也能表現(xiàn)為協(xié)同作用，具體情況應(yīng)根據(jù)工藝、藥劑種類以及藥劑投加量的不同分別進(jìn)行討論。

3 化學(xué)除磷藥劑影響生物除磷的機(jī)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(zhì)降解速率，與好氧菌的代謝密切相關(guān)，是衡量污泥活性的一個(gè)重要指標(biāo)[11-12]。侯艷玲等[13]在研究化學(xué)除磷藥劑對(duì)活性污泥活性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3+和Al3+的投加都會(huì)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(qiáng)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(xiàn)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(duì)微生物活性的影響，結(jié)果表明三者均對(duì)微生物活性產(chǎn)生不利影響，其影響程度PAC>AlCl3>Fe2(SO4)3。Fe2+作為化學(xué)除磷藥劑時(shí)同樣會(huì)對(duì)微生物活性產(chǎn)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(jī)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(duì)有機(jī)物的代謝能力，是考察污泥活性的重要指標(biāo)[18]。

趙春祿等[19]的研究表明，PAC和AlCl3兩種鋁鹽對(duì)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(shí)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(xué)除磷藥劑時(shí)，F(xiàn)e3+對(duì)微生物的新陳代謝必不可少，只有當(dāng)Fe2(SO4)3的濃度高于60 mg/L才會(huì)對(duì)活性污泥脫氫酶活性產(chǎn)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(dòng)并提出：詩歌翻譯的重點(diǎn)在于對(duì)原詩創(chuàng)作意向活動(dòng)中意向性質(zhì)、質(zhì)料及其統(tǒng)一體意向本質(zhì)的還原。這些意向內(nèi)容的還原決定著譯詩對(duì)原詩的關(guān)指度，并進(jìn)一步?jīng)Q定著譯詩和原詩之間除普遍存在的跨語指向關(guān)系外，究竟是構(gòu)造關(guān)系還是包含關(guān)系。譯詩是譯者意向性關(guān)指的結(jié)果。然而，譯詩的意向性關(guān)指和原詩的意義影響之間的矛盾會(huì)讓譯者產(chǎn)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(dòng)中的焦慮，解析了焦慮的根源。

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

3.2 微生物種群結(jié)構(gòu)

聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)是生物除磷系統(tǒng)中重要的兩類微生物[21]。PAOs是公認(rèn)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(diǎn)。而GAOs不具備除磷功能，同時(shí)還會(huì)與PAOs在除磷系統(tǒng)中爭奪有限的碳源。二者之間的競爭關(guān)系到生物除磷的效率[22]。因此，化學(xué)除磷藥劑對(duì)活性污泥中PAOs和GAOs群落結(jié)構(gòu)的影響與系統(tǒng)除磷效果息息相關(guān)。

金虎等[23]利用熒光原位雜交技術(shù)測定了AAO工藝投加PAC前后PAOs 和GAOs的種群變化，發(fā)現(xiàn)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(shù)對(duì)種群變化進(jìn)行研究，不同的是裴浩主要考察了長期投加鐵鹽對(duì)PAOs 和GAOs群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明在長期投加化學(xué)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(tǒng)的熒光原為雜交技術(shù)具有測序通量高、準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)體系菌群的變化，同樣證實(shí)了鐵鹽投加會(huì)使部分聚磷菌的相對(duì)豐度降低這一結(jié)果。有研究認(rèn)為，隨著污泥回流的化學(xué)除磷試劑可以快速地與進(jìn)水中的磷共沉淀，實(shí)際上形成了一種低P/C的環(huán)境，該環(huán)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(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)PAOs相對(duì)豐度下降，GAOs相對(duì)豐度增加的現(xiàn)象[26-30]。然而，Okunuki等[31]的研究表明，當(dāng)生物除磷效果惡化時(shí)，并未觀察到符合GAOs抑制模型的相關(guān)現(xiàn)象。Wang等[32]分別向三個(gè)平行的SBR反應(yīng)器中投加不同量的PAC時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著PAC投加量的提高，并未對(duì)PAOs的相對(duì)豐度產(chǎn)生明顯的抑制作用，部分GAOs的相對(duì)豐度卻出現(xiàn)顯著降低的現(xiàn)象。因此，從目前有關(guān)微生物種群結(jié)構(gòu)的研究來看，化學(xué)除磷藥劑是否會(huì)對(duì)活性污泥PAOs的相對(duì)豐度產(chǎn)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(huán)境中分解體內(nèi)的聚磷顆粒，同時(shí)產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)用于吸收液相中的揮發(fā)性脂肪酸，并以聚-β-羥基烷酸(PHA)的形式存儲(chǔ)在細(xì)胞體內(nèi)，好氧環(huán)境中PAOs分解PHA，所得能量用于磷的吸收、補(bǔ)充糖原[33]。PHA的代謝已經(jīng)被證明是生物除磷工藝中活性污泥普遍的主導(dǎo)代謝活動(dòng)。化學(xué)除磷藥劑隨污泥回流進(jìn)入?yún)捬醵魏髮?duì) PHA合成的影響實(shí)際上說明了化學(xué)除磷藥劑對(duì)聚磷菌內(nèi)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(chǎn)生的PHA出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象[32]。溫沁雪等[34]向AAO反應(yīng)器中投加聚合鋁鐵考察藥劑對(duì)生物除磷的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，投加量為 3 mg/L 時(shí)厭氧與缺氧區(qū)的PHA含量差別最大，隨著投加量增加，厭氧與缺氧區(qū)的PHA含量差逐漸減小，這意味著聚合鋁鐵投加量的升高對(duì)PHA的合成產(chǎn)生了負(fù)面影響。高穎等[35]則采用氯化鐵作為同步除磷藥劑進(jìn)行研究，結(jié)果同樣表明投藥40 d后，厭氧階段產(chǎn)生的PHA僅為未投藥前的50%左右，氯化鐵的投加會(huì)對(duì)聚磷菌合成PHA產(chǎn)生一定的抑制作用。

4 結(jié)語與展望

化學(xué)除磷工藝操作簡單、易于控制，且除磷效果相對(duì)穩(wěn)定，在城鎮(zhèn)污水處理廠中得到了廣泛的應(yīng)用，投加化學(xué)除磷藥劑能夠有效地降低污水處理系統(tǒng)出水總磷濃度，保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。但化學(xué)除磷藥劑的連續(xù)過量投加往往會(huì)對(duì)生物除磷造成不利影響，這直接決定了化學(xué)除磷與生物除磷二者之間能否真正發(fā)揮協(xié)同除磷的作用。目前關(guān)于投加除磷藥劑能夠有效改善系統(tǒng)除磷效果的這一結(jié)論上基本達(dá)成一致，但有關(guān)除磷藥劑影響生物除磷的機(jī)理仍不明確。

建議今后關(guān)于化學(xué)除磷藥劑對(duì)生物除磷的影響可從以下幾個(gè)方面展開研究：

(1)實(shí)驗(yàn)室研究適當(dāng)?shù)亟档统姿巹┑耐都恿浚M可能貼近實(shí)際生產(chǎn)的情況。針對(duì)不同的化學(xué)除磷藥劑，深入研究所投加除磷藥劑影響生物除磷的機(jī)理，為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論支撐。

(2)針對(duì)不同污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)、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(duì)生物除磷的影響程度模型，在保證出水總磷達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，確定除磷藥劑的最佳投加范圍，降低污水處理廠的運(yùn)行成本。

(3)探索易于監(jiān)測的、能夠反映化學(xué)除磷藥劑對(duì)生物除磷影響的指標(biāo)，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的意義。