强化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal，EBPR)工艺是目前城市污水生物除磷的主要方法之一. EBPR工艺是通过厌氧、 好氧交替运行，依靠排放富磷剩余污泥达到除磷的目的^[1]. 在厌氧环境中，聚磷菌(phosphorus accumulating organisms，PAOs)将细胞中聚磷酸盐水解成正磷酸盐获取能量，并利用污水中易降解的有机物(如VFAs)，合成储能物质PHAs贮存于细胞中； 在好氧环境中，PAOs以氧为电子受体，氧化储藏的PHAs，并利用反应产生的能量，过量吸收磷酸盐，合成高储能物质ATP，作为能量物质储存于细胞中^[2,3,4,5,6]. EBPR主要受到温度、 pH、 DO、 电子受体和碳源等因素的影响^[7]. 近年来，不少研究者开展以乙酸和丙酸为碳源的研究，但是针对其他类型碳源的研究较少，如吴昌永等^[8]分别以乙酸和丙酸为碳源培养出的PAOs均表现出良好的生物除磷性能. 通常温度会影响微生物活性，Johnson等^[9]发现在中温(15-30℃)时，生物除磷效率随温度的升高而增大，高温(30℃以上)时生物除磷效率开始降低. 而Ong等^[10]研究指出高温(32℃)并没有影响生物除磷过程，同时Li等^[11]认为低温(5℃)时PAOs可以获得良好的生物除磷效果，甚至优于25℃时的除磷效果. 传统的生物除磷工艺是以氧作为吸磷过程的电子受体，而Zhou等^[12]、 Moraes等^[13]和Zeng等^[14]发现硝酸盐和亚硝酸盐也可作为电子受体进行生物除磷.

综上，目前关于EBPR影响因素的研究，针对不同碳源的研究较少，同时在温度对EBPR影响研究上还存在不同的认识. 因此，开展碳源类型、 温度和电子受体对EBPR影响因素的研究，旨在为EBPR工艺提供技术支持. 1 材料与方法 1.1 试验污水和污泥

生活污水取自西安市第四污水处理厂曝气沉砂池出水，主要水质指标如表 1所示. 试验所用活性污泥取自带有前置厌氧的氧化沟中试系统，该系统污泥泥龄为15 d，运行稳定. 活性污泥样品为中试系统好氧末活性污泥，淘洗水为自来水.

表 1(Table 1)

表 1 主要水质指标 /mg ·L-1 Table 1 Water quality/mg ·L-1 项目 COD TN NH4+-N TP PO43--P 范围 270-633 28.0-76.0 17.0-53.0 2.86-7.08 0.60-5.33 平均值 448 56.0 36.5 6.24 3.14

表 1 主要水质指标/mg ·L-1 Table 1 Water quality/mg ·L-1

试验采用小试的方法，在密封罐内进行释磷和吸磷试验. 厌氧和缺氧试验时向气管内通入氮气，好氧时通入空气，采用磁力搅拌器进行搅拌，水浴方法控制温度. 试验装置如图 1所示.

图 1

Fig. 1

1.温度计; 2.曝气管; 3.取样管; 4.密封罐; 5.磁力搅拌器; 6.水浴; 7.转子图 1 试验装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of test

主要测定指标包括：PO₄^3--P、 NO₃^--N、 NO₂^--N、 MLSS和MLVSS，其中，PO₄^3--P采用钼锑抗分光光度法； NO₃^--N采用紫外分光光度法； NO₂^--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法； MLSS和MLVSS采用重量法测定^[15]. 1.4 试验设计思路

通过释磷和吸磷速率测定试验，研究碳源、 温度、 电子受体和COD浓度对释磷和吸磷的影响，释磷和吸磷过程在25℃下进行.

(1)不同碳源类型试验 首先取中试氧化沟系统好氧末污泥0.8 L，淘洗定容至4 L的试验容器中，分别加入COD当量为300mg ·L^-1的乙酸钠、 葡萄糖和生活污水，密封搅拌，在厌氧环境中进行释磷试验. 释磷结束后将污泥淘洗定容，加入磷酸氢二钾，将溶液中PO₄^3--P浓度调整到20 mg ·L^-1，立即曝气进行好氧吸磷试验.

(2)不同温度对生物除磷影响试验 采用水浴方法，分别将温度控制在12、 16、 20和25℃，以乙酸钠为碳源研究释磷和吸磷速率随温度的变化情况，试验步骤及方法同(1).

(3)不同COD浓度和电子受体对吸磷速率的影响试验 首先取中试氧化沟系统好氧末污泥，将活性污泥1.2 L淘洗定容至5 L的试验容器中进行释磷过程，释磷完成后淘洗定容至5 L，加入磷酸氢二钾至PO₄^3--P浓度为20 mg ·L^-1，然后将溶液平均分到5个1 L密封罐内，分别进行如下操作. 1号：不加任何药剂； 2号：加入COD当量为50 mg ·L^-1乙酸钠； 3号：加入COD当量为150 mg ·L^-1乙酸钠； 4号：加入20 mg ·L^-1亚硝酸盐； 5号：加入20 mg ·L^-1硝酸盐. 前3个密封罐通入空气，后两个通入氮气，同时进行吸磷试验. 2 结果与分析 2.1 不同碳源类型对释磷、 吸磷的影响

为了研究不同碳源类型对生物除磷的影响，以氧化沟中试系统活性污泥为研究对象，分别开展以乙酸钠、 生活污水和葡萄糖为碳源的磷速率测定试验.

不同碳源类型的释磷变化曲线见图 2. 从中可知，以乙酸钠和生活污水为碳源的释磷曲线在前30 min时曲线斜率最大，随后开始逐渐减小，2.5 h获得最大释磷量. 以葡萄糖为碳源的释磷量较低，且曲线没有明显的弯曲，快速释磷现象不明显. 以30 min为分界线，可将释磷过程分为快速阶段和慢速阶段，三者的快速释磷量、 最大释磷量和释磷速率见表 2. 3种碳源的释磷速率及2.5 h最大释磷量大小顺序为：乙酸钠＞生活污水＞葡萄糖.

图 2

Fig. 2

图 2 不同碳源类型的释磷变化 Fig. 2 Profiles of phosphorus release rates with different carbon sources

表 2(Table 2)

表 2 不同碳源的磷速率测定相关指标 Table 2 Summary of phosphorus rates with different carbon sources 碳源 厌氧释磷 好氧吸磷 快速释磷量 /mg·L-1 最大释磷量 /mg·L-1 释磷速率 /mg·(g·h)-1 吸磷量 /mg·L-1 吸磷速率 /mg·(g·h)-1 乙酸钠 17.0 21.7 23.4 11.3 8.34 生活污水 16.8 20.0 19.0 12.9 13.4 葡萄糖 2.60 12.0 5.12 8.68 6.43

表 2 不同碳源的磷速率测定相关指标 Table 2 Summary of phosphorus rates with different carbon sources

不同碳源类型的吸磷变化曲线如图 3所示，吸磷量和吸磷速率见表 2. 不同碳源对吸磷的影响同释磷稍有不同，生活污水的吸磷速率和吸磷量最大，其次为乙酸钠，葡萄糖的吸磷速率和吸磷量最低.

图 3

Fig. 3

图 3 不同碳源类型的吸磷变化 Fig. 3 Profiles of phosphorus uptake rates with different carbon sources

(1)不同温度对释磷的影响

不同温度的释磷变化曲线如图 4所示，在12、 16、 20和25℃的最大释磷量分别为：3.85、 6.66、 9.87和20.0 mg ·L^-1； 释磷速率依次为：1.53、 2.83、 8.54和19.0 mg ·(g ·h)^-1. 由此可知，温度对污泥的厌氧释磷过程的影响非常明显，不仅影响污泥的释磷速率，也影响厌氧最大释磷量. 从整体上看，不同温度的释磷速率和最大释磷量随温度的升高而增大，且20-25℃的增幅最大.

图 4

Fig. 4

图 4 不同温度的释磷变化 Fig. 4 Profiles of phosphorus release rates at different temperatures

(2)不同温度对好氧吸磷的影响

图 5为不同温度的好氧吸磷变化曲线. 从中可知，随着温度的升高，吸磷速率和吸磷量均有不同程度的增加. 在12、 16和20℃好氧吸磷量分别为1.53、 3.80和4.60 mg ·L^-1，吸磷速率分别为1.09、 2.75和3.92 mg ·(g ·h)^-1，在25℃时，吸磷量达到17.3 mg ·L^-1，吸磷速率为13.4 mg ·(g ·h)^-1，远大于其他3个温度.

图 5

Fig. 5

图 5 不同温度好氧吸磷的变化 Fig. 5 Profiles of phosphorus uptake rates at different temperatures

试验在好氧条件下进行，将外加COD浓度分别控制在0、 50和150 mg ·L^-1. 不同COD浓度的好氧吸磷变化曲线如图 6所示.

图 6

Fig. 6

图 6 不同起始COD浓度好氧吸磷的变化 Fig. 6 Profiles of phosphorus uptake rates with different initial COD concentrations

由图 6可知，外加COD浓度为0 mg ·L^-1时，活性污泥表现出很好的吸磷效果，好氧吸磷速率为9.72 mg ·(g ·h)^-1，仅前60 min吸收了大部分磷酸盐，60 min后吸磷过程趋于稳定.

当外加COD浓度为50 mg ·L^-1时，好氧吸磷速率为5.22 mg ·(g ·h)^-1，前20 min吸磷缓慢，稍后吸磷现象明显，吸磷速率增大. 这说明好氧段有机物的存在会影响EBPR过程，这与唐旭光等^[16]研究得出的结论相同，即好氧段中易降解有机物底物的存在，可能使PAOs继续合成PHAs，吸收磷酸盐的同时也伴随着磷酸盐的释放，所以好氧段有机物的存在对吸磷过程有抑制作用.

当外加COD浓度为150 mg ·L^-1时，磷酸盐浓度下降趋势明显比其它两者小，好氧吸磷速率也最小，为2.74 mg ·(g ·h)^-1. 说明好氧段有机物浓度的增加会进一步抑制EBPR过程，这是因为随COD浓度增大混合液中异养菌的呼吸作用加强导致溶解氧降低，低溶解氧阻碍PAOs吸磷过程^[17].

所以，对于除磷系统，厌氧阶段较高的COD浓度虽然可以加快厌氧释磷过程，但是残余的有机物会对好氧吸磷产生抑制作用，使吸磷不充分，而且分解这部分有机物还会消耗更多的氧，增加污水处理厂的运行费用. 此外，外加COD浓度为50 mg ·L^-1和150 mg ·L^-1时的最终吸磷量相同，两者好氧吸磷速率分别为5.22 mg ·(g ·h)^-1和2.74 mg ·(g ·h)^-1，因此吸磷所用时间后者比前者多，说明好氧段有机物浓度的增加并没有影响最终好氧吸磷量，只增加了好氧吸磷的时间. 2.4 不同电子受体对吸磷的影响

不同电子受体的吸磷变化曲线如图 7所示. 从图 7(a)和7(b)可知，以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的反硝化吸磷现象明显，从图 7(c)得到以氧、 硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体时，吸磷速率分别为9.72、 4.32和3.98 mg ·(g ·h)^-1. 结果表明，PAOs以氧为电子受体的吸磷速率明显高于以硝酸盐为电子受体的吸磷速率，以硝酸盐为电子受体的吸磷速率高于以亚硝酸盐为电子受体的吸磷速率. 这与Zhou等^[12]在SBR反应器中分别培养以氧、 硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的PAOs对比试验研究结果相同.

图 7

Fig. 7

图 7 不同电子受体吸磷变化 Fig. 7 Profiles of phosphorus uptake rates with different electron acceptors

生物除磷过程包括释磷和吸磷两个过程，以乙酸钠、 生活污水和葡萄糖为碳源进行磷速率试验，探讨3种碳源对释磷和吸磷过程的影响，发现释磷过程中释磷速率由大到小排序为：乙酸钠＞生活污水＞葡萄糖. Kargi等^[18]以葡萄糖分别与乙酸、 丙酸和丁酸混合为碳源，研究其对释磷和吸磷过程的影响结果与之相似. 乙酸钠作为小分子物质，极易溶于水而被PAOs利用，故乙酸钠为碳源的释磷速率较高； 表 2中生活污水的释磷速率和乙酸钠相近，说明生活污水中易降解的COD物质较多，通过短时间的厌氧水解过程，COD物质较容易转化为VFA而被PAOs利用； 葡萄糖为大分子物质，需先降解为小分子VFA再被PAOs利用，造成释磷过程中快速释磷现象不明显，整体释磷速率低.

吸磷过程，不同碳源吸磷速率的大小顺序为：生活污水＞乙酸钠＞葡萄糖. 这是因为乙酸钠作为碳源改变了溶液pH值，使得混合液pH值升高至9-10，而微生物吸磷的最适pH范围在5.5-6.5，过高的pH值使PAOs吸磷能力降低. 同时生活污水为氧化沟中试系统进水，活性污泥长期以生活污水为碳源物质，污泥已对生活污水产生适应性，所以有较好的吸磷效果. 从表 2中3种碳源的释磷量大小可以看出，以乙酸钠和生活污水为碳源时活性污泥厌氧释磷充分，而以葡萄糖为碳源时厌氧释磷不充分，导致其在好氧过程中吸磷速率和吸磷量均较小.

Kargi等^[18]的研究结果还表明单独以葡萄糖为碳源时的释磷和吸磷速率最低； Pijuan等^[19]以乙酸、 丙酸、 丁酸和葡萄糖为碳源，发现在厌氧条件下，以乙酸为碳源合成PHA效率最高，以葡萄糖为碳源的效率最低，以上研究结果均与本研究一致. 乙酸等小分子脂肪酸易被PAOs直接利用合成PHA，进而完成吸磷过程； 葡萄糖作为大分子物质不能直接被PAOs利用，需先降解为小分子脂肪酸. 因此，以乙酸等小分子脂肪酸为碳源的生物除磷过程优于以葡萄糖为碳源的生物除磷过程. 3.2 温度对生物除磷的影响

温度对生物除磷过程的影响主要表现在：影响PAOs的生物酶活性、 影响污泥中聚糖菌(glycogen accumulating organisms，GAOs)和PAOs的含量^[5]. 以乙酸钠为碳源，分别在12、 16、 20和25℃的条件下进行磷速率试验结果表明，温度对生物除磷过程存在明显的影响，不同温度下的释磷、 吸磷速率和释磷、 吸磷量均随温度的升高有不同程度的增加. 温度由12℃升高至25℃的过程中，PAOs细胞内生物酶活性不断升高，PAOs代谢活性加强，最终使释磷、 吸磷速率有不同程度的升高. 其中，20-25℃的释磷、 吸磷速率增加幅度最大. 12-20℃的变化趋势与Brdjanovic等^[20]研究温度对生物除磷过程影响的结果一致.

但是，Panswad等^[21]以SBR工艺系统研究20-35℃对EBPR系统微生物群落结构的影响，得出温度由20℃升高至35℃时，释磷、 吸磷速率随温度的升高而降低. Nittami等^[22]以SBR工艺系统研究温度、 pH和DO对EBPR的影响，试验结果表明10-25℃的吸磷速率变化趋势与本研究结果一致，但25℃时吸磷速率值增幅不大； 同时释磷趋势也有所不同，20℃的释磷速率最大，20-25℃表现为下降. 这可能是因为Panswad等^[21]研究中的污泥取自以实验室配水为进水的SBR系统，而本研究中的污泥取自以实际生活污水为进水的氧化沟系统，这导致了污泥中的微生物群落结构不同，尤其是PAOs与GAOs的含量. 同时污泥中的PAOs的代谢途径也可能不同，导致其最佳释磷、 吸磷的温度不同.

综上所述，温度对生物除磷的影响较为复杂，本研究结果表明温度由12℃升高至25℃的过程中有利于生物除磷过程. 3.3 电子受体对生物除磷的影响

研究分别以氧、 硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体进行对比试验，结果显示以氧为电子受体的吸磷速率明显大于以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的吸磷速率.

试验结果还表明，以硝酸盐为电子受体的吸磷速率高于以亚硝酸盐为电子受体的吸磷速率，这与高大文等^[23]以 SBR厌氧/缺氧运行反应器研究NO₃^-和NO₂^-作为电子受体的反硝化除磷的结果一致. 这是因为污水处理系统中很少出现亚硝酸盐积累的情况，试验所用污泥均是以硝酸盐为电子受体进行反硝化过程，硝酸盐还原酶活性高且数量多，以硝酸盐为电子受体时表现出较高的反硝化速率. 在反硝化除磷过程中，反硝化作用提供吸收磷酸盐和合成聚磷酸盐的能量，反硝化作用强，缺氧吸磷作用加强^[24].

总之，不同的电子受体表现出不同的吸磷效果，以氧、 硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的吸磷速率由大到小为：氧>硝酸盐>亚硝酸盐. 3.4 硝酸盐和亚硝酸盐消耗量与吸磷量的化学计量关系

以硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷过程中，硝酸盐和亚硝酸盐的消耗量与反硝化吸磷量存在着化学计量关系. 3.4.1 硝酸盐消耗量与吸磷量的化学计量关系

根据以硝酸盐为电子受体的吸磷过程中硝酸盐和PO₄^3--P浓度的变化关系，对其进行线性回归，如图 8所示. 从中可知，硝酸盐的消耗量与吸磷量的化学计量关系为每消耗1 mg N可以吸收0.96 mg P，这与刘建广等^[25]以 SBR反应器研究不同电子受体对反硝化除磷菌缺氧吸磷的影响得出的关系(1.0，P_吸收/N_消耗)相近； 高大文等^[23]在研究NO₃^-和NO₂^-作为电子受体的反硝化除磷得出两者的关系为0.88，这说明反硝化除磷过程由于工艺、 pH和SRT等条件的不同，其化学计量关系略有差别.

图 8

Fig. 8

图 8 硝酸盐消耗量和吸磷量的关系 Fig. 8 Relationship between nitrate consumption and P uptake

图 9为亚硝酸盐消耗量和吸磷量的关系. 从中可知，以亚硝酸盐为电子受体的吸磷过程中每消耗1mg N可以吸收0.65mg P，小于以硝酸盐为电子受体的数值. Meinhold等^[26]研究发现当亚硝酸盐浓度小于4 mg ·L^-1时，PAOs能以亚硝酸盐为电子受体进行反硝化吸磷，但当亚硝酸盐浓度高于8 mg ·L^-1时，吸磷过程受到抑制； Zeng等^[27]认为，亚硝酸盐浓度在10 mg ·L^-1以下时，其对吸磷过程无明显抑制作用，但当浓度达到20 mg ·L^-1时除磷效果变差. 所以这可能是试验过程中由于亚硝酸盐浓度高，对以亚硝酸盐为电子受体的反硝化吸磷过程产生了抑制作用，导致亚硝酸盐的单位吸磷量低于硝酸盐.

图 9

Fig. 9

图 9 亚硝酸盐消耗量和吸磷量的关系 Fig. 9 Relationship between nitrite consumption and P uptake

(1)25℃，以乙酸钠、 生活污水和葡糖糖作为碳源，对释磷和吸磷过程的影响研究结果显示：释磷阶段，以乙酸钠和生活污水为碳源时释磷速率相当，分别为23.4 mg ·(g ·h)^-1和19.0 mg ·(g ·h)^-1，而以葡萄糖为碳源时释磷速率最小，为5.12 mg ·(g ·h)^-1； 吸磷阶段，吸磷速率大小顺序与释磷速率有所不同，其顺序为：生活污水＞乙酸钠＞葡萄糖.

(2)温度对释磷和吸磷速率的影响非常明显，在12-25℃时，释磷和吸磷速率随温度的升高逐渐增大，且 20-25℃之间的增幅最大.

(3)好氧段外加有机物的存在对吸磷过程有抑制作用，且浓度越高抑制作用越强.

(4)以氧、 硝酸盐和亚硝酸盐为吸磷过程的电子受体时，吸磷速率大小依次为：氧＞硝酸盐＞亚硝酸盐.

(5)反硝化除磷过程中，硝酸盐、 亚硝酸盐的消耗量与吸磷量之间的化学计量关系(P_吸收/N_消耗，质量比)分别为0.96和0.65.