化学除磷药剂对生物除磷的影响研究进展

毕若彤，李魁晓，王刚，许骐，王慰，郑晓英

(1.北京工业大学 北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124；2.北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心，北京 100022；3.北京市污水资源化工程技术研究中心，北京 100124)

化学除磷根据药剂的投加位置不同可分为前置沉淀、同步沉淀及后置沉淀三种工艺形式[3]。同步沉淀相比于前置沉淀投药量少，相比于后置沉淀无需设立额外的絮凝沉淀池，基建成本低，因而在城镇污水处理厂中得到了广泛应用[4]。在污水厂的实际运行中，为确保出水磷达标，化学除磷药剂的投加量往往高于实际需求量，过量的除磷药剂随着回流污泥再次进入生化池，影响生物除磷的效果。此外，随着除磷药剂的连续投加，系统内的除磷药剂不断积累，甚至在极端情况下会使整个污水处理系统丧失生物除磷的能力，最终导致污水处理厂完全依靠化学除磷使出水磷达标排放，大大提高了运行成本，降低了除磷效率。

本文系统论述了化学除磷药剂对生物除磷的影响及其机理方面的研究，并对最大程度地发挥污水处理厂生物-化学协同除磷作用提出了建议和展望，以期为保证城镇污水处理厂出水总磷浓度达标、降低处理成本提供一定的参考。

1 化学除磷药剂的选择与投加

目前常见的化学除磷药剂分为钙盐、铁盐、铝盐和镁盐4类，其中主要包括石灰、硫酸亚铁、三氯化铁、聚合氯化铝(PAC)、硫酸铝、磷酸铵镁以及一些复合新型除磷药剂[5]。城镇污水处理厂除磷药剂种类的选择需充分考虑处理水质、工艺流程、机械设备、处理成本以及池壁结垢、管道堵塞等问题。

为保证出水总磷稳定达标，目前大多数污水处理厂采取连续投加过量除磷药剂的运行模式，药剂的投加量通过实验或中试确定，但在实验和金属盐沉淀模型的基础上，有研究者对化学除磷药剂投加量进行了优化计算，比如引入投药系数β的概念，只需知晓污水中的总磷浓度和目标除磷效率即可计算出药剂投加量[6]。化学除磷药剂投加量的确定方法趋于灵活、多样，所得结果也更加合理可靠。

2 化学除磷药剂对生物除磷效果的影响

随着同步化学辅助除磷工艺的广泛应用，化学除磷药剂对生物除磷系统的影响成为了二者能否发挥协同除磷作用的关键。投加化学除磷药剂产生的大量化学污泥随回流污泥进入厌/好氧交替的生物池中，将直接影响生物厌氧释磷、好氧吸磷的过程。

Liu等[7]分别考察了Al3+、Fe2+和Fe3+对生物除磷效果的影响，结果表明Al3+对厌氧释磷、好氧吸磷过程都产生了明显的抑制作用，Fe2+和Fe3+在只有高投加量下会对生物除磷造成不利影响。吕秀彬等[8]则研究了高投加量下聚合氯化铝对生物释磷、吸磷能力的影响，与对照组相比，投加50，100 mg/L 的PAC时释磷量分别降低了25%，77%，吸磷量分别降低了34%，74%，投加PAC对生物厌氧释磷和好氧吸磷过程均产生明显的不利影响，且其影响程度随着投加量的增加而增强。然而，有研究表明，在化学除磷药剂投加量较低的情况下，除磷药剂对生物除磷过程表现为促进作用。Fe3+和Al3+作为化学除磷药剂的投加量分别低于8 mg/L和 6 mg/L 时，有效提高了聚磷菌的释磷、吸磷能力，生物除磷性能得到一定程度的提高[9]。樊杰等[10]采用化学纯磷酸铁模拟化学污泥对聚磷菌释磷/吸磷过程的影响，发现当磷酸铁浓度低于0.075 mmol/L时，聚磷菌的释磷量、吸磷量均高于未投加的20%以上。从目前已有的有关化学除磷药剂对生物除磷影响的研究结果来看，二者之间既能表现为拮抗作用，也能表现为协同作用，具体情况应根据工艺、药剂种类以及药剂投加量的不同分别进行讨论。

3 化学除磷药剂影响生物除磷的机理

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过程中的氧气消耗速率和基质降解速率，与好氧菌的代谢密切相关，是衡量污泥活性的一个重要指标[11-12]。侯艳玲等[13]在研究化学除磷药剂对活性污泥活性的影响时发现，Fe3+和Al3+的投加都会降低活性污泥的耗氧速率，抑制微生物活性，相同浓度的Al3+抑制作用强于Fe3+。Qiu等[14]将PAC投加量从0增加到50 mg/L后，活性污泥的耗氧速率降低近60%。陈亚松[15]通过现场测定活性污泥耗氧速率的方式，研究了PAC、AlCl3和Fe2(SO4)3三种不同药剂对微生物活性的影响，结果表明三者均对微生物活性产生不利影响，其影响程度PAC>AlCl3>Fe2(SO4)3。Fe2+作为化学除磷药剂时同样会对微生物活性产生抑制作用[16]。

3.1.2 脱氢酶活性 微生物脱氢酶是微生物降解有机污染物、获得能量的必需酶[17]。脱氢酶活性在很大程度上反映了活性微生物量及其对有机物的代谢能力，是考察污泥活性的重要指标[18]。

赵春禄等[19]的研究表明，PAC和AlCl3两种铝盐对于活性污泥脱氢酶活性均有抑制作用，其抑制程度随着药剂与活性污泥接触时间的增加而增加，AlCl3的抑制作用明显高于PAC。而采用Fe2(SO4)3作为化学除磷药剂时，Fe3+对微生物的新陈代谢必不可少，只有当Fe2(SO4)3的浓度高于60 mg/L才会对活性污泥脱氢酶活性产生明显的抑制作用[20]。

作者首先讨论了诗歌译者的意向活动并提出：诗歌翻译的重点在于对原诗创作意向活动中意向性质、质料及其统一体意向本质的还原。这些意向内容的还原决定着译诗对原诗的关指度，并进一步决定着译诗和原诗之间除普遍存在的跨语指向关系外，究竟是构造关系还是包含关系。译诗是译者意向性关指的结果。然而，译诗的意向性关指和原诗的意义影响之间的矛盾会让译者产生“影响的焦虑”。作者借助玄言诗、佛理诗和禅趣诗，考察了译者在翻译意向活动中的焦虑，解析了焦虑的根源。

在城镇污水处理厂得到广泛应用的铝盐和铁盐对微生物活性普遍存在一定的抑制效应，其抑制程度与药剂种类、投加量有关。相比于铁盐，铝盐的抑制效应往往更加突出，这可能与铝自身的生物毒性有关。

3.2 微生物种群结构

聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)是生物除磷系统中重要的两类微生物[21]。PAOs是公认的主要的除磷微生物，其具有厌氧释磷、好氧过量摄磷的特点。而GAOs不具备除磷功能，同时还会与PAOs在除磷系统中争夺有限的碳源。二者之间的竞争关系到生物除磷的效率[22]。因此，化学除磷药剂对活性污泥中PAOs和GAOs群落结构的影响与系统除磷效果息息相关。

金虎等[23]利用荧光原位杂交技术测定了AAO工艺投加PAC前后PAOs 和GAOs的种群变化，发现投加PAC后，PAOs占比由11.72%下降到 9.77%，GAOs占比则从1.14%升至3.41%。裴浩等[24]也通过荧光原位杂交技术对种群变化进行研究，不同的是裴浩主要考察了长期投加铁盐对PAOs 和GAOs群落结构的影响，结果表明在长期投加化学除磷剂的影响下，聚磷菌在总菌中的占比逐渐降低。Illumina Miseq高通量测序相比于传统的荧光原为杂交技术具有测序通量高、准确率高的优点，刘盼等[25]通过高通量测序的手段研究了投加铁盐前后活性污泥反应体系菌群的变化，同样证实了铁盐投加会使部分聚磷菌的相对丰度降低这一结果。有研究认为，随着污泥回流的化学除磷试剂可以快速地与进水中的磷共沉淀，实际上形成了一种低P/C的环境，该环境下更有利于GAOs的生长繁殖，因此在研究PAOs 和GAOs的种群变化时，往往会发现PAOs相对丰度下降，GAOs相对丰度增加的现象[26-30]。然而，Okunuki等[31]的研究表明，当生物除磷效果恶化时，并未观察到符合GAOs抑制模型的相关现象。Wang等[32]分别向三个平行的SBR反应器中投加不同量的PAC时发现，随着PAC投加量的提高，并未对PAOs的相对丰度产生明显的抑制作用，部分GAOs的相对丰度却出现显著降低的现象。因此，从目前有关微生物种群结构的研究来看，化学除磷药剂是否会对活性污泥PAOs的相对丰度产生不利影响仍存在一定争议。

3.3 PHA合成

生物除磷过程中，PAOs在厌氧环境中分解体内的聚磷颗粒，同时产生三磷酸腺苷(ATP)用于吸收液相中的挥发性脂肪酸，并以聚-β-羟基烷酸(PHA)的形式存储在细胞体内，好氧环境中PAOs分解PHA，所得能量用于磷的吸收、补充糖原[33]。PHA的代谢已经被证明是生物除磷工艺中活性污泥普遍的主导代谢活动。化学除磷药剂随污泥回流进入厌氧段后对 PHA合成的影响实际上说明了化学除磷药剂对聚磷菌内在除磷能力的影响。

研究表明，随着除磷药剂Al/P从1∶1升至4∶1，活性污泥厌氧阶段产生的PHA出现明显下降的现象[32]。温沁雪等[34]向AAO反应器中投加聚合铝铁考察药剂对生物除磷的影响时发现，投加量为 3 mg/L 时厌氧与缺氧区的PHA含量差别最大，随着投加量增加，厌氧与缺氧区的PHA含量差逐渐减小，这意味着聚合铝铁投加量的升高对PHA的合成产生了负面影响。高颖等[35]则采用氯化铁作为同步除磷药剂进行研究，结果同样表明投药40 d后，厌氧阶段产生的PHA仅为未投药前的50%左右，氯化铁的投加会对聚磷菌合成PHA产生一定的抑制作用。

4 结语与展望

化学除磷工艺操作简单、易于控制，且除磷效果相对稳定，在城镇污水处理厂中得到了广泛的应用，投加化学除磷药剂能够有效地降低污水处理系统出水总磷浓度，保证出水稳定达标。但化学除磷药剂的连续过量投加往往会对生物除磷造成不利影响，这直接决定了化学除磷与生物除磷二者之间能否真正发挥协同除磷的作用。目前关于投加除磷药剂能够有效改善系统除磷效果的这一结论上基本达成一致，但有关除磷药剂影响生物除磷的机理仍不明确。

建议今后关于化学除磷药剂对生物除磷的影响可从以下几个方面展开研究：

(1)实验室研究适当地降低除磷药剂的投加量，尽可能贴近实际生产的情况。针对不同的化学除磷药剂，深入研究所投加除磷药剂影响生物除磷的机理，为实际工程应用提供理论支撑。

(2)针对不同污水处理厂的进水水质、处理工艺以及采用的除磷药剂的种类，建立除磷药剂投加量对生物除磷的影响程度模型，在保证出水总磷达标的基础上，确定除磷药剂的最佳投加范围，降低污水处理厂的运行成本。

(3)探索易于监测的、能够反映化学除磷药剂对生物除磷影响的指标，对指导实际生产具有重要的意义。