生物強化除磷（EBPR）工藝運行效果及影響因素的研究進展

中圖分類號：X703 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）06-1040-05

在我國，確保污水處理廠出水水質(zhì)達標(biāo)依然是建設(shè)和運營的核心目標(biāo)，而這一目標(biāo)主要通過加大能耗和藥品投入方式來實現(xiàn)污染物去除。然而，隨著國家對污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，這種傳統(tǒng)模式所帶來的能耗過高問題將變得更加顯著。磷（P）是造成水體富營養(yǎng)化的主要成分，其潛在危害十分嚴(yán)重，既給經(jīng)濟帶來了損失，也對人類健康造成了負(fù)面影響，生物除磷與化學(xué)除磷都會消耗大量能源和藥品。為了推動污水處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，“能源自給”和“碳中和”理念逐漸受到關(guān)注2。基于這一思路，污水處理廠逐步被重新定義為“資源和能源工廠”。其中，污水中蘊含的豐富資源性成分，EBPR（生物強化除磷）系統(tǒng)在除磷的基礎(chǔ)上同時減少了能源的消耗和資源的浪費。節(jié)約的這些有機能源、營養(yǎng)元素以及熱能等都會對未來的發(fā)展作出貢獻-4。傳統(tǒng)的生物除磷方法是通過聚磷菌（PAO）對磷的釋放和攝取來實現(xiàn)除磷。然而，在實際應(yīng)用中，由于聚磷菌的代謝需要較高的能量，這使得除磷效果受限于微生物所處的環(huán)境5。生物強化除磷（EBPR）工藝?yán)昧藢哿拙倪x擇性富集，通過對微生物所處環(huán)境條件進行改進，可以促使其在厭氧和好氧環(huán)境下生長，從而培養(yǎng)出具有EBPR能力的微生物群體。這種方法有助于形成適應(yīng)特定條件的微生物群落，從而提高污水處理過程中的磷去除效率。隨著EBPR技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研究者們發(fā)現(xiàn)，碳源、pH、污泥齡、厭氧時間、溶解氧（DO）和硝酸鹽是維持EBPR系統(tǒng)長期穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵因素。

本文在現(xiàn)有研究成果和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，深入探討了進水組分、金屬離子濃度、 pH 以及污泥齡等因素對EBPR（生物強化除磷）系統(tǒng)的影響。此外，本文還總結(jié)了聚磷菌（PAOs）在最佳生長和代謝條件下的表現(xiàn)，以及EBPR系統(tǒng)運行的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置。這些發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化EBPR系統(tǒng)提供了重要的理論依據(jù)和實際應(yīng)用參考。

1 生物除磷的生化反應(yīng)機理和代謝過程

活性污泥中PAO具有豐富的多樣性，包括Acinetobacter （29%） 、Pseudomonas （15%） 、Tetrasphaera（4%） 、Alcaligenes （4%） 等42個菌屬。研究人員在傳統(tǒng)活性污泥工藝的基礎(chǔ)上，為了提高污水處理中脫氮除磷的效率，開發(fā)出多種厭氧處理技術(shù)，包括升流式厭氧污泥反應(yīng)器（upflowanaerobic sludgebioreactor，UASB）[8-9]、厭氧膜生物反應(yīng)器（anaerobicmembrane bioreactor，AnMBR）[]、顆粒污泥厭氧膜生物反應(yīng)器（granularanaerobicmembranebioreactor，GAnMBR）及厭氧流動床生物反應(yīng)器（anaerobicmovingbedbioreactor，AnMBBR）2等。這些新興的技術(shù)可以使PAOs在厭氧環(huán)境中更好地進行磷的釋放在厭氧環(huán)境下，聚磷酸鹽通過水解反應(yīng)提供的能量在聚磷菌體內(nèi)被轉(zhuǎn)化。這一過程導(dǎo)致溶解性磷酸鹽釋放到水中，同時所釋放的能量以三磷酸腺苷（ATP的形式進行儲存。在這一過程中，PAOs體內(nèi)的糖原會通過EMP 途徑或ED途徑產(chǎn)生丙酮酸、 NADH₂ 、ATP等物質(zhì)。PAOs隨后利用這些ATP和 NADH₂ 來攝取醋酸鹽或其他VFA（揮發(fā)性脂肪酸），并將其以生物聚合物形式（如PHB和其他碳源）儲存在細(xì)胞內(nèi)[13]。糖原作為一種重要的生物聚合物，為聚磷酸鹽厭氧環(huán)境下進行水解反應(yīng)提供了額外的能量，其主要通過生成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NADH₂ ）來調(diào)節(jié)細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)。當(dāng)環(huán)境條件變化為好氧狀態(tài)時，聚磷菌（PAOs）會利用其細(xì)胞內(nèi)儲存的聚羥基脂肪酸（PHA）來滿足對能量和碳源的需求。在這一過程中，PHA被氧化為二氧化碳，同時釋放的 NADH₂ 則被進一步轉(zhuǎn)化為ATP，以供細(xì)胞使用。ATP的生成為PAOs的生長提供了所需的能量。PAOs體內(nèi)的磷以ATP的形式存儲于細(xì)胞內(nèi)，在好氧環(huán)境中吸收的磷要遠高于厭氧環(huán)境中釋放的磷，實現(xiàn)了磷的超量吸收。聚磷菌在交替的厭氧與好氧環(huán)境中，通過依次進行厭氧釋磷和好氧攝磷的過程，有效吸收了污水中的磷[4]。最終，PAOs通過排放富含磷的污泥，顯著降低了出水中的磷濃度，從而有效實現(xiàn)了除磷的目標(biāo)。

2影響EBPR工藝運行的主要因素

2.1pH對生物強化除磷系統(tǒng)運行的影響

pH對生物除磷的效果有重要影響。例如，在厭氧階段的磷釋放和好氧階段的磷吸收，都在不同的pH 范圍內(nèi)表現(xiàn)出最佳反應(yīng)效率。厭氧釋磷階段pH在酸性環(huán)境中，磷的釋放速率和醋酸鹽的吸收速率均會降低，這樣會導(dǎo)致醋酸鹽的用量增加。此外，在酸性條件下，聚磷酸鹽水解釋放的能量主要用于細(xì)胞的主動運輸，而非用于將醋酸鹽轉(zhuǎn)化為儲存形式的聚合物PHB。因此，酸性環(huán)境會使醋酸鹽的轉(zhuǎn)化和儲存過程受到影響，限制了PHB的積累[15。在較強堿性環(huán)境中，乙酸等酸性物質(zhì)會發(fā)生中和反應(yīng)消耗物質(zhì)。因此，綜合考慮，將pH控制在7左右或微弱堿性范圍內(nèi)最為適合。此外，EBPR（生物強化除磷）系統(tǒng)對 pH 值變化非常敏感，因此在運行過程中應(yīng)維持穩(wěn)定的 pH ，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1]

李楠等研究發(fā)現(xiàn)，在 ΔpH 為6的條件下長期運行的生物除磷系統(tǒng)中，聚糖菌的數(shù)量會顯著增加而在 ΔpH 為7的中性環(huán)境以及 pH 為8的弱堿性環(huán)境下，聚磷菌則在活性污泥中占據(jù)主導(dǎo)地位。靜態(tài)實驗的結(jié)果顯示， pH 在6＼～8.5變化時，聚磷污泥在厭氧階段的釋磷能力隨著 pH 的升高而增強。 pH 在6＼～8的變化過程中，乙酸的吸收能力以及PHB（聚羥基丁酸）的合成能力會隨著 pH 的升高而提高。然而，當(dāng)pH升高至8.5時，PHB的合成能力會下降，從而抑制好氧階段磷酸鹽的吸收。總體來看，當(dāng) pH 為8左右時，生物除磷系統(tǒng)除磷效果最好。

PIJUAN等通過實驗探究了以丙酸為碳源的EBPR系統(tǒng)的pH研究范圍為 6.5～8.0 。實驗數(shù)據(jù)顯示，在厭氧環(huán)境下，pH為8.0時效果最佳。而在好氧階段，pH的降低會損害磷的吸收效率。當(dāng)pH穩(wěn)定在7.5和8.0時，磷的吸收效率達到峰值。因此，研究者提出在好氧環(huán)境中，pH的最優(yōu)區(qū)間應(yīng)為7.5＼～8.0，從而實現(xiàn)最佳的磷去除效果。綜合實驗數(shù)據(jù)，研究者建議在以丙酸為碳源的EBPR系統(tǒng)中，pH應(yīng)設(shè)定在7.5，以實現(xiàn)最佳效果。

pH對活性污泥的化學(xué)除磷過程也產(chǎn)生影響。在堿性條件下，磷酸鹽往往會以沉淀的形式析出。當(dāng)未添加外部化學(xué)除磷劑時，利用協(xié)同沉淀技術(shù)可以有效去除廢水中的總磷，在厭氧階段，較高的金屬離子和正磷酸鹽濃度有助于促進協(xié)同沉淀反應(yīng)的發(fā)生。此外，保持較高的pH（超過7.5）不僅能夠增強聚磷酸鹽的吸收，還能促進化學(xué)沉淀的發(fā)生。因此，為了提高生物除磷的效果，建議維持較高的pH水平[9]

2.2影響EBPR系統(tǒng)運行的進水組分及碳源選擇

2.2.1易生物降解COD、揮發(fā)性有機酸及其種類

揮發(fā)性有機酸是聚磷菌（PAOs）所必需的重要營養(yǎng)物質(zhì)。這些有機酸作為廢水中可生物降解的COD組分，不僅來源于城市污水，還可以通過多種措施來增加揮發(fā)性脂肪酸的濃度，從而優(yōu)化聚磷菌的生長環(huán)境。首先，可以通過強化厭氧區(qū)域的發(fā)酵過程，以有效轉(zhuǎn)化的COD組分及部分慢速可生物降解的COD。其次，采用初沉池去除部分COD后，再通過對沉淀污泥的發(fā)酵，來增加揮發(fā)性有機酸的供應(yīng)量[20]。

在微生物的生長及其細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)合成過程中，碳源發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。不同類型的有機物會產(chǎn)生不同的揮發(fā)性脂肪酸，而聚磷菌（PAOs）對這些揮發(fā)性脂肪酸的吸收和轉(zhuǎn)化過程也不相同。研究表明，使用單一碳源的生物強化除磷（EBPR）系統(tǒng)時，以乙酸或內(nèi)酸作為碳源通常能實現(xiàn)較其他碳源更好的除磷效果。相較之下，使用葡萄糖作為碳源可能會導(dǎo)致除磷效果的降低2。不同碳源對微生物合成的聚合物類型以及除磷效果有很大影響。RANDALL和LIU[22研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以乙酸作為碳源時微生物主要在厭氧條件下合成PHB（聚羥基丁酸），而以丙酸為碳源時，主要合成PHV（聚羥基戊酸）。PIJUAN等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以丙酸作為碳源時，聚羥基脂肪酸（PHA）中聚氫丁酸（PHV）的比例可高達 90% ，而聚羥基丁酸（PHB）的占比則僅為 10% 。這一結(jié)果表明，使用丙酸作為碳源時，合成的PHA主要以PHV為主，相較之下，PHB的生成量顯著較少，這一結(jié)論與RANDALL和LIU的研究結(jié)果基本一致。但RANDALL和 LIU^[22] 的研究中PHV的比例為 64% ，PHB為 36% 。楊雪蓮的研究中，添加乙酸鈉以強化 A²0 工藝的除磷效果，在強化的第1天效果不明顯，但在第2天和第3天，除磷效果顯著提高，從日常的 50% 提升至 90% 以上，出水中的PO₄^3- □P濃度降至 0.5mg?L^-1 。CHEN等2的研究對比了低比例（SBR1）和較高比例（SBR2）的丙酸/乙酸混合碳源對EBPR系統(tǒng)處理效果的影響，結(jié)果表明，經(jīng)過長期實驗后，較高比例的丙酸/乙酸混合碳源處理效率在SBR和批式實驗中均高于低比例丙酸乙酸混合碳源。這表明，較高比例的丙酸和乙酸混合碳源在長期馴化后能顯著提高EBPR系統(tǒng)的處理效果，而短期馴化則效果較差。研究還發(fā)現(xiàn)，混合碳源（乙酸、丙酸及其混合）對生物除磷的好氧顆粒污泥（AGS）有積極影響，COD和磷酸鹽的去除效率分別高達 95.9%～97.8% 和 96.8%～98.5%^[25]， 0

溫度會影響碳源產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸濃度。WANG等的研究表明，在較低溫度（ 10^°C 下，以丙酸為碳源的DechloromonasPAOs能夠達到 60.5% 的磷去除效率，遠高于以乙酸為碳源時的 1.2% 。此外，Dechloromonas菌株能夠有效利用硝酸鹽氮（ NO₃–N ）作為電子受體，從而促進磷酸鹽的吸收。然而，當(dāng)溫度上升至 30°C 時，丙酸作為碳源會導(dǎo)致好氧生物階段的磷吸收率明顯下降，同時糖原的生成速率顯著升高，不利于EBPR系統(tǒng)的穩(wěn)定。在這種情況下，以乙酸、丙酸和丁酸混合而成的碳源被認(rèn)為是一種更為適宜的替代選擇，這一觀點得到了WANG等研究結(jié)果的支持。

2.2.2 進水碳磷比與碳氮比

在生物除磷的過程中，通常每去除 1mg 的磷酸鹽需要消耗約 20mg 的化學(xué)需氧量（COD）。這部分COD不僅包括可迅速生物降解的有機物，還涵蓋了可慢速生物降解的成分。為了確保生物除磷過程的高效進行，必須保持一定濃度的 COD^[28] 。有研究表明，在較高的碳磷比條件下，PAOs（聚磷菌）會從以聚磷代謝（PAM）轉(zhuǎn)向為聚糖代謝（GAM），而非促進GAOs（聚糖菌）的增長，這種轉(zhuǎn)變有助于促進PAOs的優(yōu)勢地位，從而提高EBPR系統(tǒng)的穩(wěn)定性，PAOs是異養(yǎng)微生物，它們的生長依賴于碳源。為了實現(xiàn)有效的脫氮除磷功能，通常要求碳磷的比值至少為15＼～20，碳氮比應(yīng)該達到 4～5^[29] 號

2.2.3鉀、鈣和鎂離子

在聚磷酸鹽的吸收過程中，金屬離子（如鉀和鎂）扮演著關(guān)鍵角色。這些金屬離子作為磷酸鹽的反價態(tài)離子，與磷酸鹽形成復(fù)合物，因此，在磷的去除過程中，鉀（ 0.33mgK?mg^-1P∴ ）和鎂（ 0.26mg Mg?mg^-1P ）的吸收同樣重要。如果進水中這兩種元素的濃度過低，可能會顯著阻礙生物除磷過程的有效進行。因此，確保適當(dāng)?shù)拟浐玩V濃度對于提升除磷效率至關(guān)重要。當(dāng)鎂含量不足時，鈣會部分取代鎂的作用[30]

2.3污泥齡對EBPR系統(tǒng)運行的影響

污泥齡對磷去除效果具有直接影響。首先，只有在一定的污泥停留時間下，才能積累足夠數(shù)量的聚磷菌（PAOs），從而提升除磷的效率。適當(dāng)延長污泥齡有助于提供一個更加有利的環(huán)境，以促進聚磷菌的生長和繁殖，但是污泥齡特別長的情況下，就會導(dǎo)致有機物不足，出現(xiàn)污泥“自溶”的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一方面會導(dǎo)致被吸收的磷重新釋放到水中；另一方面也會因為污泥量的減少而降低除磷效果。史西鳳3在對SBR反應(yīng)器中模擬廢水的實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)EBPR系統(tǒng)的污泥齡分別為5、10和15d時，污泥中的Cell-P（單磷）占去除總磷的比例分別為 35% 29% 和 27% ，Poly-P（聚合磷酸鹽）占去除總磷的比例分別為 65% ！ 71% 和 73% 。由此可以看出，隨著污泥齡（SRT）的增加，Cell-P在去除磷中所占的比例逐漸減少，而Poly-P所占的比例則逐漸增加。

研究表明，通過控制SRT可以選擇特定的微生物，從而影響除磷的效果。ONNIS-HAYDEN等2對不同污泥停留時間（SRT）下的微生物群落進行了分析，結(jié)果顯示，當(dāng)SRT從6d延長至 40d 時，總體聚磷菌（PAOs）和Accumlibacter的相對豐度逐漸降低，而當(dāng)SRT超過 20d 時，厭氧糖酸菌（GAOs）的數(shù)量達到了最高水平。這一結(jié)果表明，較低的SRT更有利于PAOs的生長，而較高的SRT則更適合GAOs的繁殖。此外，SRT對PHA的合成過程同樣具有顯著影響。CHAN等33在短SRT的EBPR系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)，避免PAOs流出系統(tǒng)的最小SRT取決于溫度，公式 SRT_min=3.6×θ^（25-T） 可用于計算保持PAOs活性所需的最小SRT。確定污泥齡時，還需考慮處理系統(tǒng)出水中COD和 N_H3-N 的排放標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮各方面因素，建議污水生物除磷脫氮工藝中的污泥齡應(yīng)設(shè)定在 12～20d^[34]

3結(jié)論

在EBPR系統(tǒng)中，使用乙酸作為主要碳源時，厭氧代謝的最佳 pH 范圍為 6.8±0.7 。當(dāng)系統(tǒng)以丙酸作為碳源時，厭氧環(huán)境的最優(yōu) pH 為8.0，而在好氧環(huán)境中，最佳 pH 工作范圍為 7.5～8.0 。因此，丙酸作為碳源的EBPR系統(tǒng)的理想 pH 大約為7.5。進水成分對EBPR系統(tǒng)的運行效果也有顯著影響，長期使用高比例的丙酸和乙酸混合碳源經(jīng)過充分馴化后，EBPR系統(tǒng)通常能表現(xiàn)出較好的處理效果，而短期馴化效果較差。此外，當(dāng)使用葡萄糖作為碳源時，系統(tǒng)常出現(xiàn)除磷效果惡化的現(xiàn)象。金屬離子，特別是鉀和鎂，在聚磷酸鹽的吸收過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。如果進水中的這些金屬離子濃度過低，將會對生物除磷過程產(chǎn)生不利影響。污泥齡（SRT）的高低對生物除磷的效果也有直接影響，在污水脫氮除磷工藝中，建議將污泥齡控制在12＼～20d，以獲得最佳處理效果。適當(dāng)?shù)腅BPR工藝操作不僅能有效減少化學(xué)除磷藥劑的使用，降低二次污染還能實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。未來，進一步加強對除磷系統(tǒng)中微生物群落的研究，將有助于提高生物除磷的效率，以期更好地實現(xiàn)高效、低能耗、低成本的生物除磷。

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Research Progress on Operation Effect and Influencing Factors of Biological Enhanced Phosphorus Removal （EBPR） Process

WANG Jian1， SUN Jian2， ZHANG Chao1，WEI Ziqi1

NC （Liaoning Shenfu New Zone）Environmental ProtectionTechnology Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning11oooo，China：

2. CNNC FuShun Environmental Protection Technology Co.，Ltd.， Fushun Liaoning ， China]

Abstract：This paper providesacomprehensivereviewoftheenhanced biological phosphorus removal （EBPR）systemand its effectivenessinimprovingtheefciencyofbologicalposphorusrmovalinwastewatertreatment.Itdisusesvarousinfluencing factors such asthecompositionof influent，pHlevels，metalions，andsludgeretentiontime（SRT）onthe performanceoftheEBPR system.Bysynthesiingtheexistingresearchandanalyzingcurrentdevelopmenttrends，weconductedanin-depthexaminationofthe achievementsrelatedtoteEBPRsystem.Thisanalysiseabledustoidentifytheidealgrowthandmetabolicconditionsforposphorus accumulatingorganisms （PAOs）andtoestablishoptimaloperationalparametersfortheEBPRsystem.Thefindingsofthissudyerve as acrucialreferencefortheoptimizationofEBPR systems，facilitatingfurtheradvancements inrelatedtechnologies andproviding guidancefor achieving efficient，low-energy，and cost-effective biological phosphorus removal solutions.

Key Words： EBPR; Polyphosphate-accumulating organisms; Biological phosphorus removal; Control parameters