磷酸盐生物还原技术在富磷污泥处理中的应用：在磷毒害胁迫条件下的性能与作用机制

《Bioresource Technology Reports》：Phosphate bioreduction for the treatment of phosphorus-rich sludge: Performance and mechanisms under phosphine toxic stress

　　

陈远征|韩毅|陈兆鹏|赵如楠|张贵英|张建兵

天津城建大学环境与市政工程学院，中国天津300384

摘要

本研究展示了好氧磷酸盐生物还原技术在富磷污泥处理中的应用，并系统评估了有机负荷对调节磷酸盐还原性能的作用。以无水葡萄糖作为唯一的碳源，将进水COD从1000 mg/L提高到4000 mg/L后，总磷转化效率显著提升至78.7%，而磷化氢的产生量从70 μg/(L·h)增加到315 μg/(L·h)。电化学分析和细胞色素c (Cyt-c)检测表明，增加有机负荷提高了微生物的电子转移速率，加速了磷酸盐的还原效率。此外，细胞外聚合物物质 (EPS)、三磷酸腺苷 (ATP)、电子传递系统活性 (ETSA) 以及膜通透性的增加表明微生物代谢活动增强，同时增强了对抗磷化氢毒性压力的保护机制。微生物群落分析进一步证实，在较高有机负荷下与磷化氢生成相关的功能菌群得到了富集。这些发现表明，有机负荷是调控富磷污泥系统中好氧磷酸盐生物还原效率的关键操作参数。本研究为富磷污泥的好氧磷酸盐生物还原提供了新的机制见解，并为从废污泥中回收磷提供了一种有前景的策略。

引言

磷作为一种不可再生资源，是生命系统中必不可少的元素（Chen等人，2025年）。近年来快速的城市化进程以及对磷酸盐矿床的过度开发预示着全球磷储备可能在接下来50到100年内耗尽（Desmidt等人，2015年）。研究表明，城市污水中含有大量的磷污染，这代表了一种未被充分利用的资源（Hao等人，2013年）。因此，在污水处理厂（WWTPs）中有效回收磷对于全球磷的可持续性至关重要，这也是全球许多污水处理厂面临的挑战。

增强型生物除磷（EBPR）是目前用于从城市污水中去除磷的常用技术（Desmidt等人，2015年）。该技术通过利用聚磷酸盐氧化菌（PAOs）将磷从水相转移到活性污泥中，以生物质或细胞内磷的形式存在。作为处理过程的副产品，积累的磷形成了富磷污泥和多余的污泥。传统的从富磷污泥中回收磷的方法依赖于物理化学过程，如焚烧和化学沉淀（Ali等人，2023年；Roels和Verstraete，2001年）。虽然焚烧可以有效减少和处理多余的污泥，但它会导致磷在高温下与金属离子结合，使得最终产物因潜在的重金属污染而不适合用作磷肥（Cie?lik和Konieczka，2017年）。尽管焚烧后的处理可以回收磷，但这种方法技术难度高且成本高昂。另一种常见技术是化学沉淀，例如磷酸镁铵（MAP）法，其中镁盐和铵盐在pH 8-10的条件下与磷酸盐反应生成鸟粪石沉淀物（Moulessehoul等人，2024年）。然而，许多污水处理厂添加的化学絮凝剂在EBPR过程中会增加污泥中金属结合磷的含量，这种类型的磷难以释放，从而阻碍了鸟粪石晶体的形成。此外，试剂的高成本和严格的反应条件限制了化学沉淀方法的大规模应用。

磷酸盐还原技术的引入为磷资源回收开辟了一条新的途径（Ding等人，2005年）。这种方法不仅克服了传统物理化学方法的高能耗和高试剂成本问题，还提高了污泥资源的回收率，并促进了微生物的可持续利用。此外，回收的磷在农业、半导体制造和化学工业中有广泛的应用（Doran，2024年；Harshita等人，2021年）。然而，目前的磷酸盐还原研究主要关注在厌氧条件下从污水中去除磷（Jiaqi等人，2022年）。在处理富磷污泥时，厌氧条件通常会引发复杂的磷释放机制，包括吸附、沉淀和微生物分解。这些过程可能导致磷酸盐还原不完全，并造成二次水污染（Roels和Verstraete，2001年）。相比之下，在好氧条件下实施磷酸盐生物还原系统可以减少厌氧发酵过程中常见的无效磷释放现象。因此，本研究将磷酸盐还原技术与富磷污泥处理相结合，有效地从污泥中去除磷并回收磷用于资源利用。此外，这种生物系统能够在相对较低的成本下实现长期稳定运行。

本研究旨在：（1）将磷酸盐生物还原技术应用于富磷污泥的处理；（2）研究不同有机负荷对PBRS系统中磷去除和磷化氢产生的影响；（3）阐明富磷污泥处理过程中产磷化氢细菌的机制，重点关注电子转移途径、微生物代谢过程和菌群结构。

部分摘要

PBRS系统的构建和操作要求

实验使用的是从天津某污水处理厂收集的脱水污泥。脱水污泥的总磷浓度为30.9 mg/g，占其干质量的3%以上，因此可以被归类为富磷污泥。PBRS系统采用序贯批次反应器构建，有效体积为0.5 L，高度为20 cm，宽度为10 cm。每个反应器含有300 mL的合成污水和100 mL的脱水污泥。

PBRS系统的长期运行性能

PBRS反应器连续运行了126天，以评估其在去除污泥中的磷和产生磷化氢方面的长期稳定性。如图1a所示，将不同浓度的碳源加入R1-R4反应器的进水系统中，以研究其对PBRS系统的影响。在运行初期，R1-R4反应器在第一天分别释放了5.9、14.8、19.2和40.2 mg/L的磷。

结论

本研究应用好氧磷酸盐生物还原技术处理富磷污泥。具体研究了进水有机负荷浓度对磷酸盐还原效率的影响，这是该系统中的关键调节因素。研究还通过分析性能变化、EPS功能、电子转移、微生物代谢活动和氧化应激等，探讨了微生物的响应和保护机制。

CRediT作者贡献声明

陈远征：撰写——原始稿件。韩毅：项目管理和资金获取。陈兆鹏：数据整理。赵如楠：实验研究。张贵英：数据验证。张建兵：撰写——审查与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了天津水科学技术重点实验室（TJKLAST-PT-2025-03）的支持。