EBPR 法對污水中磷去除的探討

鄭亞卿，馬 娟

（蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

1 污水處理現狀

1.1 水體富營養化現狀及危害

隨著城市的發展和人類的活動，使大量含N、P的生活污水、工業廢水排入江河湖泊中，增加了水體自凈化的負荷，其直接后果為水體富營養化，甚至導致淡水出現“水華”，海洋發生“赤潮”。2018 年，生態環境部對111 個重點湖泊/水庫監測調查報告顯示，Ⅰ～Ⅲ類占66.6%、Ⅳ～Ⅴ類占25.2%、劣Ⅴ類占8.1%，其中有6 座處于中度富營養化狀態，25 座處于輕度富營養化狀態[1]。可見解決水體富營養化相關環境問題對保持我國環境可持續發展的重要保障。

水體富營養化如若不及時處理會對水體的生態環境造成巨大破壞。主要表現為以下幾大方面：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。四是富營養化水體處理成本增加，導致經濟損失。

雖然N、P 同是造成水體富營養化的主要元兇，但P 則是最關鍵的元素。為了有效地控制水體的富營養化,高效控制水體中的P 含量,比同時控制N、P 含量更加經濟高效[2]。在這樣的形勢下我國對出水管控也愈發嚴格，最新“水十條”中明確要求國內重點區域污水廠出水水質不低于一級A 標準，其中指出出水中P 的質量濃度需小于0.5 mg/L 以減少富營養化等環境問題發生的頻率。由此看來，未來實施更嚴格的P 排放標準是我國改善和維護生態可持續發展的必然選擇和常態。

1.2 常用的除磷方法

化學沉淀法、電解法、水生物法和微生物法是目前最常用的除磷方法。穩定可靠是化學沉淀法最突出的優點，但其也有明顯的缺陷，化學沉淀法具有藥耗量大、處理費用高、產生大量的化學污泥難以處置等缺點，同時引入了新的化合物，產生大量無用且易造成二次污染的化學污泥[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外，還有運行費用較高等缺陷；水生物法作為目前污水廠的二級處理應用最廣泛的除磷技術，雖對水質環境較敏感，但微生物除磷法相比化學除磷具有減少或避免投加化學藥劑、運營成本較低、產生污泥量少且易脫水等優點，。

在繁多的生物除磷技術中，基于SBR 系統的EBPR 工藝作為一種對環境友好且經濟有效的生物除磷技術被廣泛應用于污水中磷元素的去除。其的優點有：運行管理簡單；造價低，占地少；耐沖擊負荷；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SBR 法主要是5 個階段的運行操作：流入階段、反應階段、沉淀階段、排放階段及閑置階段。而EBPR(強化生物除磷系統）則是在SBR 的反應階段通過厭氧/好氧交替運行，活性污泥中的PAOs（聚磷菌）被選擇并生長為優勢種群，在厭氧階段釋放磷，同時利用分解胞內聚磷時產生的能量，一部分用來維持自身的生存，一部分用以吸收水中的VFAs（可揮發性脂肪酸）并在胞內合成PHA（聚羥基烷酸）；在好氧階段，聚磷菌通過分解利用胞內PHA 產生的能量過量攝取Ortho-P 以Poly-P 的形式儲存在體內，從而完成了好氧段過量吸磷。因為在好氧階段PAOs 吸磷量遠遠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菌屬相關的微生物，占總菌種的20%～50%，其中Candidatus Accumulibacter Phosphatis 菌屬早被認定為紅環菌屬中的優勢菌屬。其他菌屬還有產堿菌屬、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）

最新研究報道Tetrasphaera 菌屬為防線菌綱的主要功能菌屬，這類細菌可達到總細菌數量的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，以及尚未發現的分屬菌綱。

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 系統運行中的一個重要參數，溫度控制直接影響微生物的種群結構。PAOs 一般為嗜中溫型或者嗜冷型微生物，系統溫度在20～25 ℃時最有利于磷去除速率的提升。溫度大于30 ℃的環境有助于系統中其他微生物群落產生快速增殖,對系統優勢菌種產生威脅，進而導致系統的除磷效果降低甚至惡化；除影響微生物種群結構外，溫度會顯著影響基質的擴散速率以及酶催化反應的速率。能降解大分子難降解有機物的微生物的系統會因為溫度過低而被破壞，從而導致生物除磷系統的退化甚至崩潰。

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構外，還會對聚磷菌的代謝特性產生顯著影響。有學者研究表明，在中性（pH=7）和弱堿性（pH=8）條件下運行的生物除磷反應器中，PAOs 在活性污泥微生物的種群結構中占有優勢地位，其含量可以達到60%,即聚磷菌生長最適宜的pH 范圍為7～8。環境pH 值過高或過低都會影響磷的釋放和吸收。在酸性（pH＜6）環境中，微生物可能產生細胞自溶的現象導致細胞膜結構和功能破壞，產生大量釋磷。在堿性環境中，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吸磷現象[8]。除此之外pH 通過改變細胞膜電荷，影響相關酶的活性，同時對厭氧釋磷好氧吸磷產生重要的影響，而目前關于pH 對相關酶活性的影響還較少。

2.3.3 C/P 對聚磷菌的影響

進水C/P 是影響PAOs 生長的關鍵因素。C/P 值越高，污泥中PAOs 的占比越高，對磷的去除率也越高。當C/P 值分別為30、25 和20 時，系統的除磷效率均可達到80%以上。在EBPR 系統C/P 超過50 時，PAOs 將喪失其競爭優勢導致整個系統除磷系統性能下降。

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生至關重要的影響。不同有碳源產生的揮發性脂肪酸的成分不同，PAOs 對其吸收和轉化也存在較大差異。研究表明，以乙酸或丙酸作為單一碳源的EBPR 系統中，除磷效果和反應動力學都要優于葡萄糖為碳源的EBPR 系統。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，會導致聚磷菌在厭氧反應時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致聚磷菌在好氧反應時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。多數研究者發現，NO2--N 的濃度過高時會抑制PAOs 吸磷、破壞細胞膜結構、對除磷微生物毒害，進而影響EBPR 系統的除磷效率。選擇合適的NO2--N 濃度一定程度上能促進吸磷過程。

3 結語

綜上所述，隨著我國治理環境力度的不斷加大，未來對水體中磷濃度的管控也愈發嚴格，傳統的生物除磷技術愈發不能滿足逐漸嚴格的排放標準，EBPR工藝作為一種環境友好型的除磷方法仍然具有很高的研究價值，它的廣泛會對環境保護帶來積極影響。只有深化了解EBPR 系統的運行機制，才能采取高效的方法持續推進污水處理事業。