综述：生物化学诱导的磷酸盐沉淀在强化型生物除磷系统中的应用：机制、应用前景及未来发展方向

《Water Research》：Biochemically induced phosphate precipitation in enhanced biological phosphorus removal system: mechanism, application and future directions

EBPR技术面临稳定性与处理效率瓶颈，BIPP现象通过微生物代谢调控形成磷酸盐微环境，促进磷酸钙盐沉淀，兼具除磷与资源回收潜力，但其代谢抑制效应和聚磷微生物群落动态调控机制仍需深入研究。

　　
磷去除技术中的生物化学诱导磷酸盐沉淀现象研究综述

（作者单位：江苏科技大学环境与化学工程学院，镇江市，中国）

摘要：
生物化学诱导磷酸盐沉淀（BIPP）作为 Enhanced Biological Phosphorus Removal（EBPR）系统中的关键现象，在提升磷去除效率与资源回收方面展现出双重潜力。该现象通过微生物代谢调控形成局部微环境，促进磷酸钙类物质的结晶沉淀。本文系统梳理了BIPP的机理体系、影响因素及其对EBPR系统性能的复合作用，重点分析了微生物代谢网络重构、磷形态转化路径及沉淀-生物耦合机制。研究揭示，BIPP过程存在显著的阈值效应和空间异质性，其正负向影响取决于体系内微生物群落结构、营养元素配比及环境参数调控。通过整合多学科研究成果，提出构建磷沉淀动力学模型、优化微生物功能菌群、开发协同强化技术等未来研究方向，为发展低碳型磷资源回收技术提供理论支撑。

引言：
水体富营养化问题已成为全球性环境治理难题，总磷浓度超过0.02 mg/L即可能引发藻类暴发，威胁饮用水安全与生态系统平衡。EBPR技术作为主流的生物脱磷工艺，通过调控磷积累微生物（PAOs）代谢实现稳定磷去除，其单位处理成本较传统化学沉淀法降低约40%，同时减少25%污泥产量，在低碳污水处理领域具有重要战略地位。

然而，EBPR系统内普遍存在的BIPP现象正引发学界关注。研究表明，BIPP过程涉及复杂的微生物代谢调控与环境因子耦合作用：一方面，通过形成稳定磷酸盐沉淀提升系统磷去除效率；另一方面，沉淀产物可能干扰微生物代谢途径，导致系统性能波动。这种现象在颗粒污泥法与活性污泥法中表现出不同的作用机制，特别是在高浓度磷负荷条件下，BIPP可能从技术优势转变为系统性能瓶颈。

现有研究主要聚焦于以下维度：
1. 磷形态转化：揭示溶解态磷（EPS结合态、溶解性有机磷等）向结晶态磷（如磷酸钙、磷酸镁）的转化路径，发现内源代谢产生的多聚磷酸盐（Poly-P）是BIPP的关键物质基础
2. 粒子形成机制：解析生物膜表面微环境（pH、离子强度、氧化还原电位）对沉淀结晶的诱导作用，发现EPS网络对磷酸盐晶体具有显著吸附强化效应
3. 群落互作网络：构建PAOs与异养菌的代谢耦合模型，揭示磷沉淀对异养代谢流（如糖原合成途径）的调控作用
4. 系统性能评估：量化BIPP对污泥沉降性能（SVI降低30-50%）、脱氮效率（TN去除率提升15-25%）及磷回收率（>85%）的影响规律

本文创新性提出BIPP效应的"三重耦合"理论框架，整合微生物代谢调控、环境因子耦合及晶体生长动力学，系统分析不同工艺条件下BIPP的正负向作用机制。研究发现：在进水TP<0.2 g/L时，BIPP可使系统磷去除率提升40-60%；但当TP超过0.3 g/L时，沉淀物覆盖生物膜表面导致传质效率下降，系统TP去除率反而降低15-20%。这种非线性关系揭示了BIPP过程的环境敏感性特征。

在磷形态转化方面，最新研究表明EBPR系统内存在"三阶段磷转化"过程：溶解性正磷酸盐（EPS-P）通过微生物诱导作用转化为聚磷酸盐（Poly-P）；Poly-P与金属离子（Ca2?、Mg2?、Fe2?）在EPS微球表面形成前驱体复合物；最终通过晶体生长机制形成稳定磷酸盐沉淀。其中，EPS-P的转化速率受溶解氧（DO）浓度调控，DO<2 mg/L时转化效率提升3倍。

微生物代谢网络的重构是BIPP的核心机制。PAOs通过多聚磷酸盐-聚酮酸穿梭途径将Poly-P转化为能量载体，导致系统内能量代谢发生偏移。实验数据显示，BIPP系统内PAOs的糖原合成量增加2.3倍，同时乙酸分解途径活性降低18%。这种代谢重编程效应导致系统在低磷负荷时表现优异，但在高负荷条件下易出现功能菌群失衡。

环境因子对BIPP的调控作用呈现多尺度特征。在宏观层面，水力停留时间（HRT）与有机负荷（OLR）构成关键调控参数：HRT>6小时时，BIPP强度与OLR呈正相关（r=0.78，p<0.01）；在微观层面，EPS分子量分布（50-200 kDa）与晶体形成效率呈显著正相关（p<0.05），其中分子量80-120 kDa的EPS片段对磷酸钙结晶具有最佳催化活性。

系统性能分析表明，BIPP对污泥沉降性能具有"双刃剑"效应：当沉淀量<0.5 g-P/g-S时，污泥体积指数（SVI）降低35-45%，活性污泥膨胀风险显著降低；但当沉淀量>0.8 g-P/g-S时，污泥密实度过度增加导致反硝化效率下降12-18%。这种非线性关系提示需要建立BIPP强度与系统性能的优化阈值模型。

磷资源回收方面，新型结晶技术可将BIPP产物转化为高纯度磷灰石材料，其回收率可达理论值的92-95%。工艺优化研究表明，添加0.1-0.3 mmol/L Fe2?可使BIPP产率提升40%，同时通过Fe-P复合物促进聚磷菌的次级代谢活动。在同步脱氮除磷系统中，BIPP产生的磷酸钙沉淀可作为氮磷比调节剂，使系统N/P比从6.5优化至4.8。

当前研究仍存在以下关键问题：
1. 磷沉淀的动态转化机制不明确，特别是EPS-P向结晶态磷的转化路径存在知识盲区
2. 多尺度耦合模型尚未建立，难以准确预测BIPP对系统长期性能的影响
3. 高浓度磷负荷下的系统稳定性缺乏理论支撑，现有工艺在TP>0.5 g/L时普遍出现性能衰减
4. 磷回收产物应用场景受限，现有技术难以实现从污水处理到建材生产的全产业链衔接

未来研究应着重以下方向：
1. 开发基于机器学习的BIPP过程预测模型，整合代谢组学数据与沉淀动力学参数
2. 筛选并解析调控BIPP的关键功能基因（如phoB、phoP等），构建基因调控网络模型
3. 研发梯度曝气-沉淀耦合工艺，优化微环境pH（8.5-9.2）与Ca2?浓度（50-150 mg/L）
4. 探索磷沉淀的循环利用机制，开发磷回收-有机碳源再生耦合系统
5. 建立环境-微生物-化学多尺度相互作用理论框架，突破传统单因素调控模式

（基金信息：本研究受国家自然科学基金（42177102、22506067）、中国博士后基金（2023M741474）等资助，相关技术已申请国家发明专利3项）

该研究通过整合环境工程、材料科学、微生物学等多学科视角，系统揭示了BIPP现象的复杂作用机制，为开发新一代磷资源回收技术提供了理论依据。特别在工艺优化方面，提出通过精准调控EPS合成量（目标值120-150 kDa）与Fe2?添加浓度（0.2-0.3 mmol/L），可使系统磷去除率稳定在98%以上，同时实现磷回收率85%的技术突破。