在实际工程应用中发现，强化生物除磷工艺的除磷效果虽基本满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准的排放要求，但难以保持稳定^[1,2]。随着《水污染防治计划》（水十条）的实施，为进一步满足地表水准Ⅳ类水体中关于TP的排放要求，部分污水处理厂在生物反应池出水的混合液中投加化学除磷剂，形成的含磷化学沉淀物与活性污泥在二沉池中进行共沉淀，采用这种方法在提高出水效率的同时，可省去单独投药的沉淀单元。但是由于实际污水处理厂除磷剂（Fe/P或Al/P比）投加量通常远高于实际的需求量，部分过量的化学除磷剂通过污泥回流进入生物反应池，影响聚磷菌的释磷和吸磷，严重削弱生物除磷功能。金虎等^[3]探讨了化学除磷剂投加前后生物强化工艺除磷性能的影响，但并未深入探究长期投加化学除磷剂的影响。

本文以西安市某城市污水处理厂化学强化生物除磷（AAO）系统为对象，通过对长期投加化学除磷剂的除磷系统进行分析，探讨化学除磷剂对生物除磷系统中功能微生物的影响，并探究化学除磷剂与剩余磷浓度的关系，以期对城市污水处理厂化学强化生物除磷系统高效稳定运行提供参考。

西安市某城市污水处理厂设计规模为50万m³/d，其中一期工程设计规模为25万m³/d，处理工艺为AAO脱氮除磷工艺，主要运行参数有HRT为11h（厌氧、缺氧和好氧停留时间分别为2h、2.6h和6.4h）、SRT为14d、内回流比为100%、外回流比为200%。为进一步满足地表水准Ⅳ类水中TP的排放标准，该厂选择在生物池末端混合液中投加化学除磷剂（主要成分为铁盐）。

试验中常规水质指标的检测按照《水和废水监测分析方法》（第4版）^[4]进行，挥发性脂肪酸（VFAs）采用气相色谱法测定（安捷伦6890N），色谱柱为PE WAX ETR(30m×250μm×0.25μm），检测器为氢火焰离子检测器（FID）。

试验采用间歇试验法，试验的反应瓶为1L的玻璃广口瓶，容器顶部由软木塞密封，并插有进气管、采样管和排气管，进气管与氮气瓶和曝气机相连，根据试验所需环境条件，开启氮气瓶或曝气机，以维持反应瓶中的厌氧或好氧状态。反应瓶中加入磁力搅拌器转子，通过磁力搅拌器使试验中活性污泥处于完全混合状态。试验中将反应瓶置于恒温水浴槽中，便于控制温度。试验装置见图1。

在取样后12h内，进行批式释磷吸磷试验。将1L活性污泥预先曝气2h，使其适应试验环境并充分吸磷。曝气后对活性污泥进行淘洗，此过程中活性污泥的浓度不改变。稍作静置，将上清液置换成预先配置的合成污水。合成污水主要成分为乙酸和氨氮，浓度分别为100 mg/L和15 mg/L,pH=7.2±0.1。本试验总反应时间为7h，其中厌氧3h，好氧4h。分别在以下时间点取样：初始时间点、7、14、20、30、45、60、90、120、150、180 min。并测出相应时间点的磷酸盐浓度和乙酸浓度。试验结束后，取适量的泥水混合物，用称重法测定MLSS和MLVSS，并绘制相应的磷酸盐浓度和乙酸浓度随时间变化关系图，从而计算出活性污泥的最大厌氧释磷速率、最大好氧吸磷速率、最大乙酸吸收速率和吸收单位乙酸的释磷量。

污水处理厂中主要的聚磷菌为Accumulibacter^[5,6]，聚糖菌为Gammaproteobacteria，试验采用荧光原位杂交技术对这两种功能微生物群落结构进行分析，包括探针的制备、样品的预处理、杂交、样品的后处理等，具体操作步骤见Amann等的方法^[7]。表1为本试验FISH分析中所使用的探针及目标微生物（聚磷菌，PAO；聚糖菌，GB；总细菌，EUB）。

杂交后的样品利用激光共聚焦显微镜（TCS SP8，莱卡）来进行观察，并采集图像。每个污泥样品选取30张图像，利用Image-Pro Plus软件处理图像，以计算出目标微生物与总微生物的数量比。

化学强化生物除磷系统污泥中的总磷由三部分构成，第一部分是强化生物除磷过程（EBPR）中所形成的磷，该部分磷以聚磷的形式存在于污泥中聚磷菌（PAO）的细胞中，称POLY-P；第二部分是化学除磷剂中的金属盐（Fe或Al）与水中磷酸盐形成的无机磷沉淀，称CHEM-P；第三部分是构成污泥中所有微生物细胞体所需的有机磷，称CELL-P。各部分磷的测定方法如下：(1) POLY-P，取1L的生物池末段活性污泥，经离心淘洗后将上清液置换成预先配置的合成污水。合成污水主要成分为乙酸，浓度为200mg/L,pH=7.2±0.1。通入氮气，在厌氧条件下反应6h。理论上活性污泥在6h已完全释磷，测定此时磷酸盐浓度即为活性污泥中的POLY-P;(2)化学磷CHEM-P的测定方法如下：取一定量完全释磷试验后的活性污泥，离心淘洗后加入去离子水恢复浓度，用盐酸将pH调至4，在磁力搅拌器上均匀搅拌2h，使活性污泥中以磷酸盐沉淀或羟基络合物形式存在的磷完全溶解释放至混合液中，测定此时混合液中磷酸盐浓度，即为CHEM-P;(3)构成细胞所需的有机磷CELL-P的测定方法如下：取一定量测定CHEM-P后的污泥混合液进行离心淘洗，加纯水恢复浓度后采用梯度稀释，加入5%过硫酸钾混合均匀后进行消解，测定其总磷浓度，取较为适中的样品的磷含量，即为CELL-P。

采用标准烧杯试验法研究化学除磷金属盐投加量与参与磷浓度关系步骤如下：(1)在污水处理厂生物好氧池末端采集污泥混合液样品，采集后的样品放入冰桶运回实验室后测定并调整初始磷浓度；(2)在投加不同含量的化学除磷药剂进行混凝试验；(3)使用磁力搅拌器，首先快速搅拌1 min(300r/min），再慢速搅拌5min(50r/min），然后静止沉淀30min;(4)反应结束后，测定混合液中残留磷浓度。试验过程中通过添加NaHCO₃溶液进行缓冲，以维持混合液pH恒定。

图2为该污水处理厂2018年9月至2019年9月的进出水TP数据。由图2可知，在投加化学除磷剂后，该城市污水处理厂出水总磷基本满足地表水准Ⅳ类水体排放标准，且出水总磷浓度查长期保持稳定，平均值为（0.19±0.05)mg/L。投加化学除磷剂前该污水处理厂出水平均TP为（0.36±0.08)mg/L，可见投加化学除磷剂对改善污水处理厂的出水TP有显著效果。

由于该污水处理厂在生物池末端投加化学除磷剂，化学除磷剂与水中磷酸盐反应生成化学磷沉淀，从而保证最终出水总磷达标。而化学除磷剂的实际投加量往往远大于理论值，因此，一部分过量的化学除磷剂会随回流污泥回流到厌氧池，在厌氧池中与聚磷菌在厌氧释磷过程中所释放的磷酸盐反应生成沉淀，从而影响后续的生物除磷过程。本研究对污水处理厂持续投加化学除磷剂过程中的活性污泥除磷性能进行监测，取生物池末端混合液测定活性污泥释磷吸磷速率。试验过程中磷和乙酸浓度随时间变化的曲线见图3。

由图3可知，在取样点为第50d的测定试验中，随着乙酸浓度的降低，活性污泥不断向水中释放磷酸盐，厌氧末端的释磷量可达到54 mg/L。在厌氧阶段中，活性污泥的释磷速率和乙酸吸收速率逐渐减小，在厌氧末段磷酸盐浓度和乙酸浓度基本不再变化；进入好氧段后，活性污泥以较大的吸磷速率不断吸收水中的磷酸盐，随着试验进行，好氧吸磷速率不断减小，最终磷酸盐浓度基本不再变化。在后3组试验测定中（监测天数分别为150d、250d、350d），活性污泥在厌氧段的最大释磷量逐渐减小，在最后一组试验测定中（监测天数为350d）活性污泥厌氧段最大释磷量降至45mg/L。对比4组试验厌氧段还可发现在后3组试验测定中厌氧段乙酸浓度和磷浓度到达稳定阶段时间也逐渐缩短。

图4是以活性污泥释磷吸磷试验结果计算的动力学参数。由图4可知，随着化学除磷剂持续投加，检测过程中活性污泥的最大厌氧释磷速率、最大好氧吸磷速率均有不同程度的减小。该现象表明在长期投加化学除磷剂的影响下，活性污泥的释磷、吸磷能力大幅降低，活性污泥中的聚磷菌占比在逐步降低，最终甚至有可能使活性污泥逐步丧失除磷能力。图中ΔP/ΔHAC是指活性污泥在厌氧段每消耗1 mg HAc-COD的释磷量^[13]。ΔP/ΔHAC的值随着长期投加化学除磷剂大体上呈减小趋势，表明在消耗同等乙酸的情况下，活性污泥的释磷量在逐渐减小。

利用荧光原位杂交（FISH）技术对该污水处理厂活性污泥的微生物群落进行测定与分析，主要针对功能微生物聚磷菌及其竞争微生物聚糖菌，FISH分析结果见图5。

利用Image-Proplus软件对采集的荧光原位图像进行分析，统计该污水处理厂中PAOs和GAOs数量占总菌的百分比。该污水处理厂活性污泥中聚磷菌占比在第50d、150d、250d、350d的测定中分别为10.22%、8.72%、6.34%、5.05%。由FISH分析结果可知，在长期投加化学除磷剂的影响下，聚磷菌在总菌中的占比逐渐降低；此外，从图5中还可观察到聚磷菌的菌胶团结构也发生了变化，投药初期，聚磷菌呈集合较为紧密的菌胶团形式，随着化学除磷剂的长期投加，聚磷菌的菌胶团变小，结构也变得更加松散。FISH分析结果与活性污泥的除磷性能变化相一致，即由于污泥中聚磷菌份额的减少，导致了活性污泥的最大释磷和吸磷速率也随之减小。

污水处理厂进水中的总磷由化学沉淀、强化生物除磷（聚磷菌）和微生物增殖（非聚磷菌）三者联合贡献。且不论是化学除磷还是生物除磷，污水中磷的最终去向都是污泥，因此在污泥磷组分试验中，各组分的占比在一定程度上可以反映出不同除磷方式对进水总磷的去除贡献占比。本试验中将这三者分别表示为POLY-P（聚磷）、CHEM-P（化学磷）和CELL-P（细胞磷）。

针对该污水处理厂长期投加化学除磷剂这一现象，对剩余污泥进行污泥磷组分分析，结果见图6。

由图6可知，在长期投加化学除磷剂的过程中，污泥中POLY-P（聚磷）的含量逐渐减少，CHEM-P（化学磷）的含量逐渐增加，CELL-P（细胞磷）未看出有显著的趋势变化。该现象表明在投药初期生物除磷承担主要的除磷作用，化学除磷起辅助除磷作用，化学除磷剂对生物除磷影响较小；随着化学除磷剂的长期投加，虽然生物除磷仍旧起主要除磷作用，但由于化学除磷剂对生物除磷系统的影响，生物除磷作用逐渐减弱。即在长期不间断投加化学除磷剂后，污水处理系统可能由生物除磷为主，化学除磷为辅的除磷方式转变为化学除磷占据主导地位的除磷方式，甚至极端情况下会使污水处理系统中的生物除磷能力完全丧失，污水处理厂完全依赖化学除磷剂达到除磷功能。

该污水处理厂在投加化学药除磷剂时，首先药剂加入溶解罐，搅拌均匀，然后投加到反应池末端，在出水渠和配水井进行混凝反应，然后与活性污泥一起在二沉池进行沉淀，化学磷沉淀随剩余污泥排出，达到除磷的目的。对该污水处理厂现场使用的除磷剂进行检测，其中铁离子质量浓度为64.796g/L，铝离子质量浓度仅为6.868g/L，表明该化学除磷剂主要依靠铁盐进行除磷。因此，烧杯试验中化学药剂的投加量以Fe的含量计算。

为获得较为经济合理的化学投药量，本研究通过烧杯试验研究了投药量（Fe/P）与残余磷浓度的关系，pH范围是6.8～7.2，使用活性污泥混合液与试验室配置好的FeCl₃溶液作为除磷药剂进行了混凝试验。试验结果如图7所示。

由图7可见，随着投药量的增加，残余磷浓度降低，除磷效率增大。但整个过程并非线性的关系。为了提高除磷药剂的利用率，获得最佳的投加量，对上图中的试验结果进行拟合分析，投药量与残余磷浓度的关系基本符合下述方程的关系，因此确定金属盐投药量与残余磷浓度数学方程见式（1)^[15]。

式中C_P———残余磷浓度，mol/L;

C_P0———原水磷浓度，mol/L;

C_M———金属离子摩尔量，mol/L;

a、b、c———经验常数；

d———Fe_rPO₄(OH)_3r-3中r值。

当投药量较高时，过量的铁盐会形成氢氧化铁沉淀物，导致Fe/P摩尔比增加。由于无机磷酸盐可与多种金属离子结合形成螯合物、配合物或不溶性盐，因此确定沉淀物的组成就成了磷化学的关键。Stumm和Morgan给出了羟基磷酸铁的通用公式，即Fe_rPO₄(OH)_3r-3^[14]。在本试验中仍然采用该通用公式作为研究的基础。

应用Origin Pro8.0软件对试验数据按照投药量数学公式进行非线性拟合来对公式中的参数进行估计，得出a=2.086 97,b=10.124 6,c=3.930 4,d=1.621 07。由公式可知，在满足准Ⅳ类水的排放标准（TP≤0.3 mg/L）情况下，此时除磷剂的投加量Fe/P(mol/mol）为3.10。依据该污水处理厂日平均进水量、曝气池出水磷含量及投药量计算可得Fe/P(mol/mol）为3.576，略大于经烧杯试验确定的最佳Fe/P(mol/mol），说明该污水处理厂的除磷剂投加量较为合适，从而保证了出水TP浓度稳定达标。

(1）化学除磷剂的投加对改善污水处理厂最终出水总磷浓度有显著效果，出水总磷可稳定达到0.3mg/L以下，满足地表水准Ⅳ类水体TP排放要求。

(2）长期投加化学除磷剂，在一定程度上破坏了活性污泥中聚磷菌的生长环境，导致聚磷菌在总菌中占比由10.22%降至5.05%。聚磷菌菌胶团由紧密变得相对松散，菌胶团变小；活性污泥的释磷吸磷能力下降40%左右，未来甚至有可能完全丧失。

(3）在长期投加化学除磷剂后，污泥中聚磷含量减少10%左右，生物除磷对进水总磷的去除贡献相应减少；而化学磷组分含量增加5%左右，表明化学除磷对总磷的去除贡献逐渐增加。

(4）金属盐投加量（Fe/P）是影响学除磷残余磷浓度的重要因素，Fe/P(mol/mol）与出水磷浓度呈非线性关系。单因素混凝试验结果表明当金属盐投加量（Fe/P）为3.10时，可使污水中残余磷浓度降至0.3mg/L以下。