利用包埋聚磷菌实现磷去除与回收的新型方法研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A novel approach for phosphorus removal and recovery using entrapped polyphosphate-accumulating organisms

　　

摘要 不断增长的人口和日益严格的排放限值正加大污水处理厂（WWTPs）采用工艺强化策略的压力。集成式生物除磷与回收仍面临污泥处理和脱水的挑战。微生物包埋技术能够实现生物质-液体分离，为低磷水流的集成式营养物管理提供了一种新途径。本研究在序批式反应器（SBR）中运行包埋活性污泥（含硝化菌、反硝化菌和聚磷菌（PAOs））18周，考察了持续的氮磷去除、高磷液体的产生以及18周内的机械稳定性。研究人员进行了磷释放-摄取循环以评估除磷效率，并定期进行释放试验以评估回收潜力。微生物群落分析追踪了优势菌属的时空变化，而机械表征通过沉降速率、质量和直径变化、压缩测试以及聚乙烯醇（PVA）解离的定量分析来评估微珠的稳定性。该包埋系统实现了稳定的出水浓度0.25 ± 0.18 mgP L-1，除磷率达95.7 ± 1.8%。回收的高磷液体中磷浓度最高达96 mgP L-1，回收速率为83 mgP L-1 h-1。PAOs和聚糖菌（GAOs）的优势菌属包括Accumulibacter、Tetrasphaera、Micropruina和Defluviicoccus，这些菌属表现出明显的时空动态变化。机械测试显示，初始磨损造成16%的质量损失，第7周后PVA解离趋于稳定。沉降速率为205 ± 6 m h-1，表明固液分离迅速。这些发现证明，包埋PAOs为强化磷去除与回收提供了一种稳健且紧凑的方法，从而支持可持续和循环的污水处理实践。

论文解读：基于包埋聚磷菌的磷去除与回收新策略研究

一、研究背景与意义

随着城市化进程的加速，现有污水处理厂的处理能力日益紧张，扩容改造需要大量的资金投入和土地占用。传统污水处理工艺能耗高、药剂消耗大，且产生大量副产物，对运行成本和环境足迹均产生不利影响。在此背景下，工艺强化策略应运而生，通过对现有系统进行改良或将多个过程集成，以降低资本和运行成本、提高生产力并减少废物产生。在生活污水的二级处理中，生物营养物去除（BNR）通常通过活性污泥法（ASP）实现，富集反硝化菌、硝化菌和聚磷菌（PAOs）以去除氮、磷和有机碳。目前已发展的强化策略包括膜生物反应器、膜曝气生物膜、好氧颗粒污泥（AGS）系统以及移动床生物膜反应器中的新型载体等。

微生物包埋技术是一种将完整细胞固定在聚合物凝胶基质中的方法，已在工业生物技术和生物加工领域得到广泛应用。该技术可促进细胞高密度堆积，提高生物过程的体积速率。在污水处理应用中，包埋系统用于强化氮去除已被广泛研究，并已从实验室和中试规模推进到全规模实施和商业化产品。然而，PAOs的包埋用于除磷的研究相对较少。PAOs（如Accumulibacter和Tetrasphaera）负责强化生物除磷（EBPR），其机制包括厌氧条件下消耗有机碳源并释放磷，随后在好氧条件下从污水中摄取磷，在细胞内积累聚磷（poly-P），最终以剩余活性污泥的形式去除。

磷的回收可通过主流回收和侧流回收两种途径实现。主流回收利用PAOs从稀释的城市污水中捕获和浓缩磷的能力，但面临污泥处理量大、磷浓度相对较低等挑战，限制了磷回收的经济可行性。侧流回收针对厌氧消化上清液等更浓缩的水流，虽具有较高溶解性磷浓度优势，但高浓度磷酸盐和其他离子可能导致不受控制的沉淀、设备结垢和堵塞等问题。以往关于PAO包埋的研究多局限于单一培养物或批次条件，且研究周期较短（17-30天），缺乏对长期运行稳定性的深入了解。更重要的是，在包埋系统中将生物除磷与回收策略相结合此前尚未被尝试，尽管磷作为肥料生产的限制性资源，其回收需求日益迫切。

基于上述背景，本研究开发了一种共包埋混合微生物系统，包含PAOs、硝化菌和反硝化菌，在序批式反应器中运行18周，同时评估长期运行下持续的除磷性能、包埋细胞系统中主流磷回收的新方法以及聚合物基质的长期机械稳定性。该研究为微生物包埋系统作为污水处理工艺强化策略提供了新的见解，旨在应对工艺韧性等挑战，同时通过同步磷回收支持循环经济。

二、主要关键技术方法

研究人员从实验室规模生物营养物去除序批式反应器的废弃活性污泥中获取微生物接种物，该污泥此前已通过侧流EBPR工艺连续运行富集了PAOs。采用聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇（PEG）按10:1比例混合制备包埋微珠，通过反复冻融循环形成冷冻凝胶，并在第三循环后浸入单宁酸溶液处理。实验在序批式反应器（SBR）中进行，230 g包埋微珠与700 mL合成废水混合，总工作体积930 mL，在22 ± 3°C下运行130天，执行8小时运行周期，包括3小时缺氧相和4.5小时好氧相。每周进行一次周期研究监测营养物去除性能，并取出微珠进行磷释放和回收的批次测试。微生物群落通过16S rRNA测序分析，机械性能通过质量、直径、沉降速率、压缩模量和PVA解离等指标表征。

三、研究结果

3.1 营养物去除性能

3.1.1 硝化菌、反硝化菌和PAOs的共包埋

第1、5和18周的周期测试表明，包埋后经过初始适应阶段，营养物去除活性逐渐增强。第1周氨氮去除可能用于细胞生长，而后期氨氮去除伴随亚硝酸盐和硝酸盐的产生，表明硝化细菌（包括氨氧化菌（AOBs）和亚硝酸盐氧化菌（NOBs））的恢复和生长，到第18周实现完全硝化。反硝化菌从第1周起即表现活跃，在一小时内实现完全硝酸盐还原，表明包埋过程对其影响极小。经过初始4周适应期后，第4至18周出水水质为亚硝酸盐2.62 ± 2.11 mgNO₂^?-N L^-1、硝酸盐3.55 ± 3.11 mgNO₃^?-N L^-1、氨氮1.54 ± 2.11 mgNH₄⁺-N L^-1、磷0.26 ± 0.18 mgP L^-1、COD 45.75 ± 19.57 mgCOD L^-1。

3.1.2 除磷性能

在18周运行期间，包埋PAOs的磷释放和摄取性能通过周期测试评估。第0至3周，磷释放和摄取极少，出水磷浓度在2.0-4.8 mgP L^-1之间，表明需要4周的启动期才能达到<1 mgP L^-1，使PAOs在包埋程序后恢复并适应微珠内部的新环境。第4周开始，磷释放和摄取明显增加，出水磷降至0.16 mgP L^-1。随后14周，出水磷浓度保持相对稳定，平均0.26 ± 0.18 mgP L^-1，除磷率达95.7 ± 1.8%。值得注意的是，在第14周系统经历13.4 mgP L^-1的意外高磷负荷时，仍能将磷去除至0.54 mgP L^-1。

3.2 磷回收

经过4周启动阶段后，研究人员分离微珠在厌氧条件下启动磷释放以产生高磷液体。初步动力学实验确定最大释放速率为30.4 mgP L^-1 h^-1，COD与磷之比为4.1 mgCOD/mgP，2小时足以实现稳定的最大磷释放。磷回收潜力在释放测试中得到验证，第4周高磷液体浓度达43 mgP L^-1，最大速率30 mgP L^-1 h^-1，至第18周增至96 mgP L^-1，最大速率83 mgP L^-1 h^-1。归一化磷释放与COD消耗之比为0.273 ± 0.048 mgP/mgCOD。质量平衡计算显示表观磷回收效率平均为52.7%。

3.3 微生物群落

通过16S rRNA测序对包埋系统进行系统级分析，鉴定出多个与强化生物除磷相关的菌属，包括Accumulibacter、Tetrasphaera、Micropruina和Defluviicoccus。包埋后群落组成发生显著变化，Accumulibacter相对丰度下降14.2%，而Tetrasphaera和Micropruina分别保持在8.4%和2.8%左右。长期运行中，已知PAO的Tetrasphaera显著增加，被鉴定为GAO的Defluviicoccus也逐渐富集，但18周内除磷性能保持稳定，表明尽管群落结构发生变化，工艺功能得以维持。空间分布分析显示某些菌属优先定殖于外层或内核，Tetrasphaera在外层占主导，而Micropruina和Defluviicoccus在内核相对富集，这与聚合物基质内由底物、营养物和电子受体的扩散梯度驱动的微环境形成一致。Shannon多样性指数和均匀度分别稳定在2.72 ± 0.28和0.54 ± 0.07，表明包埋系统支持多样且动态的微生物群落，同时保持稳定的处理性能。

四、讨论与结论

本研究通过开发共包埋混合微生物系统，在18周内同时实现了稳定的氮磷去除和磷回收。包埋系统达到95.7 ± 1.8%的除磷效率，出水磷浓度低至0.26 ± 0.18 mgP L^-1，并通过诱导释放产生浓度高达96 mgP L^-1的高磷液体，回收速率达83 mgP L^-1 h^-1，表观回收效率52.7%。微生物群落分析揭示了PAOs和GAOs的时空动态变化，表明包埋系统支持多样且动态的微生物群落。机械测试显示微珠在初始磨损后保持稳定，沉降速率205 ± 6 m h^-1表明固液分离迅速。这些发现证明包埋PAOs为强化磷去除与回收提供了一种稳健且紧凑的方法，解决了传统活性污泥法中污泥处理和脱水的挑战，同时通过主流磷回收支持循环经济。该研究为微生物包埋系统作为污水处理工艺强化策略的应用提供了新的见解，展示了其在实现可持续和循环污水处理实践方面的潜力。