富磷污泥上清液酵母菌强化磷酸铵镁结晶处理
水环境中磷浓度超标会导致水体富营养化，严重威胁水环境生态安全。同时，磷作为一种不可再生资源，全球储备量日益减少。因此，去除废水中的磷并进行磷资源回收成为解决水体富营养化和缓解磷资源紧张的有效途径。
污泥浓缩池是A2/O工艺中的重要处理单元，其产生的富磷上清液回流至系统进水井是造成工艺进水磷负荷过高、除磷效能下降的主要原因之一。因此，降低富磷上清液中的磷浓度并有效回收磷资源具有重要意义。目前，生物法和结晶法是回收除磷的常用方法。生物法运行管理方便，成本相对较低，但剩余污泥磷含量不高，无法有效回收磷资源。结晶法是目前磷回收的研究热点，其中磷酸铵镁（MAP）结晶法因具有除磷效率高、结晶速度快、晶体沉淀性好等优势而备受关注。但化学结晶对初始磷浓度要求较高，需要投加大量化学药剂，设备复杂，且运行成本较高，在实际应用中存在诸多限制。近年来，部分学者将生物法与化学结晶法相结合，形成生物-结晶耦合除磷工艺，可有效解决生物法除磷效率较低及结晶法化学药剂投加量高等问题，同时可以突破化学结晶需要高磷浓度的限制。课题组前期研究表明，部分酵母菌表现出良好的除磷效果与明显的磷结晶诱导效应。为此，以A2/O污泥浓缩池富磷上清液为处理对象，利用酵母菌的富磷特性，将酵母菌与MAP结晶相结合，构建酵母菌-MAP结晶除磷新体系，探究pH、氮磷比（N/P）、镁磷比（Mg/P）、反应时间和搅拌强度等参数的影响，分析结晶产物的形貌及晶型，揭示结晶产物回收价值，以期为进一步推动生物-结晶耦合除磷技术的应用提供参考。
1、试验材料和方法
1.1 试验菌株及模拟废水水质
试验所用酵母菌为前期课题组在交替厌氧-好氧生物滤池系统中分离纯化的Trichosporonsp.BZ菌株，细胞呈短棒状，产分生孢子，菌落呈半透明、白色椭圆形、干燥黏稠。
模拟废水按照A2/O工艺污泥浓缩池富磷上清液配制，其COD为450mg/L、PO43--P为60mg/L。
1.2 试验方法
试验均在无菌条件下1000mL锥形瓶中进行。将酵母菌以体积分数为5%接种至模拟废水中，在28℃恒温箱中振荡培养8h，控制菌液浓度为1.03×1010CFU/mL，然后在搅拌强度为200r/min下，调整pH到设定值后加入一定量Mg2+，开始计时，分别在0、2、4、6、8、10、15、30、60min时取样，部分水样直接测定浊度，部分水样经过0.45µm水系滤膜过滤后测定NH4+-N和PO43--P浓度。
采用单因素试验探究了pH、Mg/P、N/P、反应时间、搅拌强度对酵母菌-MAP结晶体系处理富磷上清液效能的影响。试验过程中使用1mol/L的HCl或NaOH溶液将pH调节至9.0~11.0，保持废水中磷浓度为60mg/L，调节MgCl2和NH4Cl投量控制Mg/P和N/P为1.0~3.0，控制反应时间为0~60min，使用搅拌仪控制搅拌强度为100~500r/min，以此确定酵母菌-MAP结晶体系的最优操作参数。
1.3 分析项目及方法
pH：pH计；浊度：哈希2100AN浊度仪；PO43--P浓度：钼锑抗分光光度法；NH4+-N浓度：纳氏试剂光度法；结晶产物形貌及晶型：扫描电子显微镜能谱仪（SEM-EDS）和X射线衍射仪（XRD）。
2、结果与讨论
2.1 水质条件对除磷效能的影响
MAP结晶反应化学方程式如下：Mg2++NH4++PO43-+6H2O=MgNH4PO4・6H2O（1）其中，NH4+、Mg2+、PO43-含量直接影响MAP结晶过程，不同工艺的最优n（Mg）∶n（N）∶n（P）值也不同，因此不能以n（Mg）∶n（N）∶n（P）=1∶1∶1作为结晶工艺有效比例，且pH决定NH4+-N、PO43--P在溶液中的存在形式，影响反应的化学平衡。由此可见，探究pH、Mg/P及N/P对酵母菌-MAP结晶体系去除PO43--P的影响具有重要意义。此外，反应溶液浊度变化也可间接反映结晶效果的好坏。因此，同时测定了浊度的变化情况。
2.1.1 pH的影响
不同pH下酵母菌强化MAP结晶体系处理富磷上清液的效果见图1。随着pH的增大，NH4+-N和PO43--P的去除率呈先上升后下降的趋势。当pH由9.0增大到9.5时，NH4+-N和PO43--P的去除率分别从43.01%、88.73%升高到48.20%、93.53%；pH继续增大至10.0时，NH4+-N和PO43--P浓度分别降低至42.43、2.33mg/L，去除率分别为47.73%和96.11%；继续提高溶液pH，PO43--P去除率略有下降，而NH4+-N去除率显著降低。这是由于随着pH增大，H+浓度降低，平衡右移，结晶速率加快，促进了NH4+-N和PO43--P浓度降低，去除率升高；但当废水pH>10.0时OH增多，会产生Mg（OH）2沉淀，致使Mg2+浓度下降，同时NH4+-N也会转换为NH3，进而导致NH4+-N和PO43--P去除效果变差。刘晨等在研究不同晶种对MAP除磷效能的影响时发现，以活化石英砂为晶种的除磷率最高，达到80.97%。而本研究中，最优PO43--P去除率能够达到96.11%。这可能是由于酵母菌表面对磷元素的富集更有利于晶体形成，且菌体表面的静电作用更容易吸附溶液中的离子，进而提高系统除磷效能。由图1还可知，体系的浊度随pH的增加，呈先上升后逐渐下降的变化趋势，说明溶液中颗粒沉淀逐渐减少，结晶效果较好。因此，综合考虑NH4+-N和PO43--P的去除效果以及浊度变化，确定反应最佳pH为10.0。
2.1.2 Mg/P的影响
Mg/P对酵母菌强化MAP结晶体系处理富磷上清液的影响如图2所示。随着Mg/P的提高，NH4+-N和PO43--P的去除率先上升后保持平稳。当Mg/P从1.0增至1.5时，NH4+-N和PO43--P的去除率分别从49.50%和85.34%增加到51.52%和96.39%；当Mg/P为2.0时，NH4+-N和PO43--P的去除率分别为52.15%和97.45%，溶液中的NH4+-N和PO43--P浓度分别为28.71、1.86mg/L；随着Mg/P的继续增大，NH4+-N和PO43--P的去除率基本保持不变。由图2还可知，反应体系的浊度随Mg/P的增加，呈现出持续降低的趋势。当Mg/P增大至2.0后，浊度基本稳定在2.00NTU。Mg/P是影响MAP结晶反应平衡的关键因子，Mg/P提高即Mg2+浓度增加有利于Mg2+与PO43--P、NH4+-N接触碰撞，促进MAP结晶的生成，从而提高对NH4+-N和PO43--P的去除效能。但是Mg/P过高可能导致Mg（OH）2等沉淀生成，不利于MAP结晶的进行。综上，确定最优Mg/P为2.0。
2.1.3 N/P的影响
N/P对酵母菌强化MAP结晶体系处理富磷上清液的影响如图3所示。由图3可见，PO43--P去除率随N/P的增加呈逐步上升的趋势。N/P由1.0增加到2.0时，PO43--P去除率从85.70%升高至97.14%，PO43--P浓度降低至1.71mg/L；随N/P继续增加至3.0时，PO43--P去除率增长缓慢，增幅仅为1.03%。反应溶液中的浊度随N/P的增加呈逐渐降低的趋势。当N/P=2.0时浊度降至1.95NTU，继续提高N/P，则浊度基本趋于稳定。这是因为当NH4+-N浓度较低时，无法满足MAP结晶反应的需要，随着N/P的提升，NH4+-N浓度增加，促进了MAP结晶反应向右进行，但由于其他影响因子的限制，当N/P>2.0时，MAP结晶除磷效能增幅并不明显，由此确定酵母菌-MAP结晶除磷的最佳N/P为2.0。
2.2 反应条件对除磷效能的影响
2.2.1 反应时间的影响
研究表明，反应时间与晶体的形成和增长有关，适当的反应时间会影响晶体结构，但反应时间过长会导致成本过高。因此，考察了反应时间对MAP结晶除磷效能的影响，结果如图4所示。
NH4+-N和PO43--P的去除率呈先上升后稳定的趋势，浊度呈先持续降低后轻微上升的趋势。反应开始2min后，NH4+-N和PO43--P浓度分别降至58.01、39.53mg/L；随着反应的进行，NH4+-N和PO43--P的去除率持续升高，反应10min时分别达到42.84%和89.48%；当反应时间继续增加到30min时，NH4+-N和PO43--P的去除率分别增大到47.17%和94.84%，继续增加反应时间到60min，两者的去除率基本保持不变。此外，浊度随反应持续下降，在30min时降到最低，为1.23NTU，延长反应时间浊度并未发生明显变化，说明在30min时MAP结晶反应基本完成，晶体生长良好，沉淀效果显著，继续增加反应时间对强化结晶除磷效能无明显作用，因此选定30min为最佳反应时间。
2.2.2 搅拌强度的影响
探究了搅拌强度对酵母菌强化MAP结晶体系处理富磷上清液的影响，结果见图5。
从图5可以看出，随着搅拌强度的增加，NH4+-N和PO43--P的去除率先升高然后基本保持稳定。当搅拌强度为100、200、300r/min时，PO43--P的去除率分别为83.59%、96.17%和97.17%，而NH4+-N的去除率较低，分别为36.34%、51.94%、51.76%。继续增大搅拌强度，NH4+-N和PO43--P去除率基本保持不变。由图5还可发现，反应体系的浊度随搅拌强度的增加呈先降低后小幅度上升的趋势，当搅拌强度为300r/min时，达到最低值1.53NTU。这是因为MAP晶体具有一定韧性，在一定范围内增大搅拌强度，可以使结晶离子得到充分接触而不会导致晶体破碎，从而有利于晶体生成，提高NH4+-N和PO43--P的去除率及晶体沉降性能；继续提高搅拌强度，NH4+-N和PO43--P去除效果变化较小，浊度反而增加，说明当搅拌强度过大时，晶体颗粒间碰撞加剧，晶体碎裂导致浊度升高，因此确定最佳搅拌强度为300r/min。
2.3 酵母菌强化MAP结晶产物分析
2.3.1 SEM-EDS分析
利用SEM对酵母菌强化MAP结晶前后的菌株与结晶产物的形貌进行了分析，结果见图6。酵母菌Trichosporonsp.BZ为短棒状，且表面有褶皱，这可能是酵母菌分泌的胞外聚合物（EPS）脱水后形成的，见图6（a）。图6（b）显示，反应2min后酵母菌表面存在较多的点状颗粒，可能是酵母菌表面吸附的PO43--P和Mg2+开始形成小的MAP晶体。图6（c）、（d）为反应30min后，酵母菌与MAP结晶混合物的形貌。从图6（c）可知反应后菌体数量明显减少，且混合物尺寸较大，可达5µm以上，这可能是由于酵母菌菌体被结晶产物包裹在内部形成结晶混合物；图6（d）表明，在酵母菌-MAP结晶体系中形成的结晶产物呈长方体状，且形状较为均匀。
EDS分析显示，结晶前C、N、O、Na、Mg、P、S、K、Fe的原子百分比分别为67.16%、8.73%、22.34%、0.40%、0、0.80%、0.20%、0.10%、0.26%，结晶后为47.01%、5.76%、40.50%、0.79%、2.40%、3.21%、0.33%、0、0，即酵母菌表面主要由C、N、O三种元素组成。反应前后体系中P含量变化较大，原子百分比由结晶前的0.80%升至结晶后的3.21%。而Mg元素的原子百分比在结晶反应完成后也大幅升高。反应结束后Mg/P原子比为0.75，略小于MAP中的Mg/P原子比，这可能是由于部分磷以其他形式存在于酵母菌胞内或EPS中。
2.3.2 XRD分析
利用XRD对结晶产物进行分析，发现酵母菌强化MAP结晶产物的特征图谱与MAP标准图谱匹配度较好。此外，在图谱中还存在其他较弱衍射峰，与Mg（OH）2晶体的标准图谱相吻合，说明结晶产物中主要是MAP晶体，还存在少量Mg（OH）2晶体。
3、结论
①酵母菌强化MAP结晶除磷体系能够有效处理初始磷浓度为60mg/L的A2/O污泥浓缩池富磷上清液模拟废水，对PO43--P的去除率可以达到97.14%，出水PO43--P浓度低至1.71mg/L，能显著降低富磷上清液回流对主流工艺的磷负荷冲击。
②水质（pH、Mg/P、N/P）以及反应条件（反应时间、搅拌强度）对酵母菌强化MAP结晶除磷体系的效能影响较大，最优参数如下：pH=10.0、N/P=2.0、Mg/P=2.0、反应时间为30min、搅拌强度为300r/min。
③酵母菌对PO43-和Mg2+的吸附作用，促使菌体周围形成富磷区域，进而以酵母菌为晶核形成MAP结晶产物，实现对磷的同步去除与回收。（来源：济南大学土木建筑学院，山东省功能材料水质净化工程技术研究中心，济南大学水利与环境学院）