剩余污泥厌氧磷释放技术研究进展

摘 要： 近年来，污泥厌氧释磷技术应用广泛。探讨了温度和pH两个因素对磷形态和胞外聚合物释放的影响。通过文献综述和实验研究，发现温度和pH对剩余污泥厌氧磷释放具有显著影响，能够改变磷的形态和胞外聚合物的组成。这些影响机制与微生物代谢途径和环境因素的相互作用密切相关。这些研究结果为剩余污泥处理和磷回收提供了理论基础和技术支持，有助于更好地理解和控制剩余污泥中的磷形态和胞外聚合物释放。

关 键 词：剩余污泥；厌氧磷释放；磷形态变化；胞外聚合物

中图分类号：X703 文献标志码： A 文章编号： 1004-0935（2024）09-1459-03

剩余污泥是污水处理过程中产生的废弃物，并含有大量的有机物和营养物质，其中磷是自然生命周期中不可缺少的一种关键营养物质^[1]。世界上磷资源丰富的国家，将在50～60年内耗尽存储量^[2]，而污水污泥中存在大量的磷，回收后可满足总磷需求量的12%～15%^[3-4]。为使用剩余污泥作为磷资源，关键一步是从剩余污泥中尽可能多地释放磷用于磷回收和后续处理。根据可持续发展政策和经济需求，污水处理厂必须采用节能环保的磷释放技术。与化学处理相比，污泥厌氧释磷可以避免富营养化和水华问题，是一种可持续的高效磷回收方法^[5-6]。

1 剩余污泥厌氧磷释放影响因素研究进展

1.1污泥厌氧释磷

污泥厌氧生物释磷是聚磷菌（PAOs）在厌氧条件下对磷的过量吸收，厌氧阶段释放的磷越多，好氧阶段PAOs吸收的磷就越多。在厌氧阶段污泥浓度越高，释磷时间越长，PAOs释磷效果越好，释磷量越多。在厌氧条件下，厌氧呼吸是一种重要的能量来源^[7]。同时，污泥微生物在代谢过程中还会产生一些胞外聚合物，如微生物胞外多糖、蛋白质等，这些物质可以作为磷的吸附剂。当环境中的磷浓度较低时，这些胞外聚合物可以释放出吸附的磷，满足微生物生长所需的磷元素^[8]。

1.2影响厌氧生物释磷的主要因素

经过排放富磷剩余污泥而除磷，其影响聚磷菌代谢、厌氧生物释磷的影响因素如下。

含氧量：在厌氧条件下，氧气会抑制磷的释放，因为它会使得细菌转为有氧呼吸，降低其产生内源性碳源的能力，从而减少磷的释放。

pH：不同的磷形态在不同的pH下释放量不同。通常当pH在6.0～7.5时，磷的释放最大^[7]。当pH偏酸或偏碱时，磷的释放会减少。

温度：温度的影响是通过影响厌氧菌和其生态环境中各种酶的活性来实现的。一般来说，温度升高有利于厌氧菌生长和代谢，从而增加磷的释放。

底物浓度：底物浓度的增加会刺激厌氧菌的生长和代谢，增加磷的释放。

溶解氧：虽然厌氧生物不需要氧气进行代谢，但在污泥中存在的微量氧气可以促进胞外聚合物的分解，从而增加磷的释放。

除了上述因素之外，微生物厌氧释磷的机制还涉及胞外聚合物的形成和分解、微生物群落的结构和代谢功能等多个方面^[9]。在此过程中，温度显著影响厌氧磷的释放。适宜的温度可以促进微生物的代谢活动，增强磷的释放。一般来说，较高的温度会加快污泥中微生物的生长和代谢，从而促进磷的释放。但是过高的温度会导致微生物活动过度，降低微生物对磷的吸附能力，从而抑制磷的释放^[10]。

2 温度对剩余污泥厌氧磷释放的影响

2.1 温度对剩余污泥中磷形态的影响

许春雪等^[11]通过磷形态的分级提取法（SMT 法）提取了污泥中不同形态的磷，分析了不同污水处理厂污泥中磷的组成和分布，该方法分为3步提取，所提取的磷形态大致分为5种：非磷灰石无机磷（NAIPs）、磷灰石无机磷（APs）、无机磷（IPs）、有机磷（OPs）以及总磷（TPs）。剩余污泥中磷形态间存在TPs=OPs+IPs，IPs=NAIPs+APs 等式关系。曾凡哲^[12]研究表明，温度是影响剩余污泥中磷形态的重要因素之一。经厌氧处理 200 min 后，TPs的释放率在 5、15、25、35 ℃温度条件下分别为 26.27%、39.64%、20.56%、31.48%^[12-13]。首先，随着温度的升高，磷形态的分布会发生变化。具体来说，高温条件下无机磷（IPs）和磷灰石无机磷（APs）的含量会增加，而有机磷（OPs）的含量则会减少。这是因为高温条件下，污泥微生物代谢速度加快，有机物降解程度加剧，导致有机磷的降解和矿化速度加快，而无机磷的释放速度相对较快。其次，温度还会影响磷的释放速率和动力学行为。李家琪^[14]研究发现，在较高温度下，污泥中的磷释放速率和释放量都会增加，同时磷释放的动力学行为也会发生变化，呈现出较为复杂的动态变化趋势。这可能是因为高温条件下，污泥微生物的代谢活动加强，导致污泥中的胞外聚合物和微生物细胞膜等有机物质分解速度加快，从而促进了磷的释放过程。

2.2 温度对胞外聚合物形态的影响

胞外聚合物是污泥中的主要有机物质之一，也是厌氧生物释磷的重要组成部分。温度是影响污泥微生物代谢活性的重要因素之一，因此也会对胞外聚合物形态产生影响。随着温度升高，污泥中的胞外聚合物含量会增加，特别是在高温条件下，胞外聚合物的增加幅度更大。同时，温度的升高也会影响胞外聚合物的组成和分子量分布。肖雄等^[15]研究表明，在高温条件下，胞外聚合物中蛋白质和多糖的含量比例会发生变化，蛋白质含量会增加，而多糖含量会减少。这种变化可能与污泥微生物代谢的变化有关。在高温条件下，微生物代谢活性增强，因此产生的代谢产物也会增多，导致胞外聚合物中蛋白质含量的增加。同时，高温也会影响微生物细胞壁的结构，使得微生物释放的多糖含量减少^[16]。

3 pH对剩余污泥厌氧磷释放的影响

3.1 pH对污泥厌氧磷释放磷形态和可溶性影响

剩余污泥经厌氧处理后会有明显的磷释放，但是污泥中仍存在部分磷未被完全释放，且大量磷存在于EPS中^[12]。pH是影响剩余污泥厌氧磷释放的一个重要因素，因为它直接影响磷的形态和可溶性。根据文献研究，pH对厌氧磷释放的影响具有一定的规律性，一般来说，当pH在6.0～9.0时，厌氧磷释放量较大。也有学者认为，在pH为5.25条件下最多有超过75%的总磷会释放到液相中^[17]，pH对厌氧磷释放的影响主要与以下两个方面有关：

1）磷形态的变化。pH的变化会影响磷形态的转化，进而影响厌氧磷释放量。一般来说，当pH较低时，无机磷（IPs）和磷灰石无机磷（APs）的含量较高，而有机磷（OPs）含量较低^[18]。当pH逐渐升高时，无机磷和磷灰石无机磷的含量逐渐降低，有机磷含量逐渐增加，这是由于在高pH条件下，细菌和真菌的代谢活动增加，导致有机磷的分解和释放^[19]，使更多固相IPs释放到上清液中^[20]。

2）可溶性的变化。pH的变化还会影响磷的可溶性，从而影响磷的释放。当pH较低时，磷酸根离子的含量较高，但它的可溶性较差；当pH逐渐升高时，磷酸根离子的含量逐渐降低，但它的可溶性逐渐增加，这是由于在高pH条件下，磷酸根离子与铁、铝等金属离子结合程度降低，从而使磷的可溶性增加^[21]。

总的来说，pH的变化对厌氧磷释放量的影响是一个复杂的过程，它与磷形态的转化和可溶性的变化密切相关。在实际的处理中，应根据不同的水质情况和磷的形态特点，调整pH，以最大限度地提高厌氧磷释放量，从而达到高效处理污水的目的。

3.2 pH对胞外聚合物形态的影响

当pH发生变化时，胞外聚合物的组成和性质也会发生变化，从而影响剩余污泥厌氧磷释放。pH的改变会导致胞外聚合物中各种官能团电离状态发生改变，进而影响其表面电荷密度和形态结构^[22]。EPS是污泥脱水性能的决定因素，EPS 的降解被认为是促进污泥释放结合水的重要原因。不同类型的胞外聚合物在不同的pH条件下的溶解度不同，从而会影响其在污水处理过程中的可利用性和释放程度。例如，胞外聚合物中的蛋白质，在中性或酸性条件下相对稳定，但在碱性条件下易于水解和分解，导致其溶解度增加，从而促进磷的释放。此外，pH还会影响微生物代谢和生长，进一步影响剩余污泥中微生物对磷的释放。微生物对环境的适应性很强，但是当pH变化较大时，微生物的代谢能力和生长速率会受到限制，从而降低了其释放磷的效率^[23]。

综上所述，pH对剩余污泥厌氧磷释放中胞外聚合物的影响是多方面的，包括表面电荷密度、溶解度和微生物代谢等。因此，在污水处理过程中，需要综合考虑pH的影响，以达到最佳的磷去除效果。

4 结束语

温度和pH对剩余污泥厌氧磷释放有显著影响，胞外聚合物在剩余污泥中的形态和组成决定了磷的释放速率和形态的变化，温度和pH对胞外聚合物形态的影响也会影响磷的释放速率和形态的变化。未来的研究还可以探究多种因素共同作用的影响，例如温度、pH、氧化还原电位等因素的共同作用对剩余污泥厌氧磷释放的影响，以更好地指导实际污泥处理的实践。

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Research Progress of Anaerobic Phosphorus Release

Technology for Remaining Sludge

CAO Yin， ZENG Fanzhe， ZHANG Shengze

（School of Municipal and Environmental Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：In recent years， sludge anaerobic phosphorus release technology has been widely applied. Inthis paper， effects of two factoVV5yab6T9P+VnjHpSg+t4k7o0LXFSBW0zDiYZv5mCoo=rs， temperature and pH， on phosphorus morphology and extracellular polymer release were discussed. Through literature review and experimental studies， it was found that temperature and pH have significant effects on anaerobic phosphorus release from residual sludge， which can change the phosphorus morphology and extracellular polymer composition. The mechanisms of these effects are closely related to the interaction of microbial metabolic pathways and environmental factors. These findings provide a theoretical basis and technical support for residual sludge treatment and phosphorus recovery， and help to better understand and control the phosphorus morphology and extracellular polymer release in residual sludge.

Key words： Residual sludge; Anaerobic phosphorus release; Phosphorus morphology change; Extracellular polymer