水環境中磷濃度超標會導致水體富營養化，嚴重威脅水環境生態安全。同時，磷作為一種不可再生資源，全球儲備量日益減少。因此，去除廢水中的磷并進行磷資源回收成為解決水體富營養化和緩解磷資源緊張的有效途徑。
污泥濃縮池是A2/O工藝中的重要處理單元，其產生的富磷上清液回流至系統進水井是造成工藝進水磷負荷過高、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濃度并有效回收磷資源具有重要意義。目前，生物法和結晶法是回收除磷的常用方法。生物法運行管理方便，成本相對較低，但剩余污泥磷含量不高，無法有效回收磷資源。結晶法是目前磷回收的研究熱點，其中磷酸銨鎂（MAP）結晶法因具有除磷效率高、結晶速度快、晶體沉淀性好等優勢而備受關注。但化學結晶對初始磷濃度要求較高，需要投加大量化學藥劑，設備復雜，且運行成本較高，在實際應用中存在諸多限制。近年來，部分學者將生物法與化學結晶法相結合，形成生物-結晶耦合除磷工藝，可有效解決生物法除磷效率較低及結晶法化學藥劑投加量高等問題，同時可以突破化學結晶需要高磷濃度的限制。課題組前期研究表明，部分酵母菌表現出良好的除磷效果與明顯的磷結晶誘導效應。為此，以A2/O污泥濃縮池富磷上清液為處理對象，利用酵母菌的富磷特性，將酵母菌與MAP結晶相結合，構建酵母菌-MAP結晶除磷新體系，探究pH、氮磷比（N/P）、鎂磷比（Mg/P）、反應時間和攪拌強度等參數的影響，分析結晶產物的形貌及晶型，揭示結晶產物回收價值，以期為進一步推動生物-結晶耦合除磷技術的應用提供參考。
1、試驗材料和方法
1.1 試驗菌株及模擬廢水水質
試驗所用酵母菌為前期課題組在交替厭氧-好氧生物濾池系統中分離純化的Trichosporonsp.BZ菌株，細胞呈短棒狀，產分生孢子，菌落呈半透明、白色橢圓形、干燥黏稠。
模擬廢水按照A2/O工藝污泥濃縮池富磷上清液配制，其COD為450mg/L、PO43--P為60mg/L。
1.2 試驗方法
試驗均在無菌條件下1000mL錐形瓶中進行。將酵母菌以體積分數為5%接種至模擬廢水中，在28℃恒溫箱中振蕩培養8h，控制菌液濃度為1.03×1010CFU/mL，然后在攪拌強度為200r/min下，調整pH到設定值后加入一定量Mg2+，開始計時，分別在0、2、4、6、8、10、15、30、60min時取樣，部分水樣直接測定濁度，部分水樣經過0.45µm水系濾膜過濾后測定NH4+-N和PO43--P濃度。
采用單因素試驗探究了pH、Mg/P、N/P、反應時間、攪拌強度對酵母菌-MAP結晶體系處理富磷上清液效能的影響。試驗過程中使用1mol/L的HCl或NaOH溶液將pH調節至9.0~11.0，保持廢水中磷濃度為60mg/L，調節MgCl2和NH4Cl投量控制Mg/P和N/P為1.0~3.0，控制反應時間為0~60min，使用攪拌儀控制攪拌強度為100~500r/min，以此確定酵母菌-MAP結晶體系的最優操作參數。
1.3 分析項目及方法
pH：pH計；濁度：哈希2100AN濁度儀；PO43--P濃度：鉬銻抗分光光度法；NH4+-N濃度：納氏試劑光度法；結晶產物形貌及晶型：掃描電子顯微鏡能譜儀（SEM-EDS）和X射線衍射儀（XRD）。
2、結果與討論
2.1 水質條件對除磷效能的影響
MAP結晶反應化學方程式如下：Mg2++NH4++PO43-+6H2O=MgNH4PO4·6H2O（1）其中，NH4+、Mg2+、PO43-含量直接影響MAP結晶過程，不同工藝的最優n（Mg）∶n（N）∶n（P）值也不同，因此不能以n（Mg）∶n（N）∶n（P）=1∶1∶1作為結晶工藝有效比例，且pH決定NH4+-N、PO43--P在溶液中的存在形式，影響反應的化學平衡。由此可見，探究pH、Mg/P及N/P對酵母菌-MAP結晶體系去除PO43--P的影響具有重要意義。此外，反應溶液濁度變化也可間接反映結晶效果的好壞。因此，同時測定了濁度的變化情況。
2.1.1 pH的影響
不同pH下酵母菌強化MAP結晶體系處理富磷上清液的效果見圖1。隨著pH的增大，NH4+-N和PO43--P的去除率呈先上升后下降的趨勢。當pH由9.0增大到9.5時，NH4+-N和PO43--P的去除率分別從43.01%、88.73%升高到48.20%、93.53%；pH繼續增大至10.0時，NH4+-N和PO43--P濃度分別降低至42.43、2.33mg/L，去除率分別為47.73%和96.11%；繼續提高溶液pH，PO43--P去除率略有下降，而NH4+-N去除率顯著降低。這是由于隨著pH增大，H+濃度降低，平衡右移，結晶速率加快，促進了NH4+-N和PO43--P濃度降低，去除率升高；但當廢水pH>10.0時OH增多，會產生Mg（OH）2沉淀，致使Mg2+濃度下降，同時NH4+-N也會轉換為NH3，進而導致NH4+-N和PO43--P去除效果變差。劉晨等在研究不同晶種對MAP除磷效能的影響時發現，以活化石英砂為晶種的除磷率最高，達到80.97%。而本研究中，最優PO43--P去除率能夠達到96.11%。這可能是由于酵母菌表面對磷元素的富集更有利于晶體形成，且菌體表面的靜電作用更容易吸附溶液中的離子，進而提高系統除磷效能。由圖1還可知，體系的濁度隨pH的增加，呈先上升后逐漸下降的變化趨勢，說明溶液中顆粒沉淀逐漸減少，結晶效果較好。因此，綜合考慮NH4+-N和PO43--P的去除效果以及濁度變化，確定反應最佳pH為10.0。
2.1.2 Mg/P的影響
Mg/P對酵母菌強化MAP結晶體系處理富磷上清液的影響如圖2所示。隨著Mg/P的提高，NH4+-N和PO43--P的去除率先上升后保持平穩。當Mg/P從1.0增至1.5時，NH4+-N和PO43--P的去除率分別從49.50%和85.34%增加到51.52%和96.39%；當Mg/P為2.0時，NH4+-N和PO43--P的去除率分別為52.15%和97.45%，溶液中的NH4+-N和PO43--P濃度分別為28.71、1.86mg/L；隨著Mg/P的繼續增大，NH4+-N和PO43--P的去除率基本保持不變。由圖2還可知，反應體系的濁度隨Mg/P的增加，呈現出持續降低的趨勢。當Mg/P增大至2.0后，濁度基本穩定在2.00NTU。Mg/P是影響MAP結晶反應平衡的關鍵因子，Mg/P提高即Mg2+濃度增加有利于Mg2+與PO43--P、NH4+-N接觸碰撞，促進MAP結晶的生成，從而提高對NH4+-N和PO43--P的去除效能。但是Mg/P過高可能導致Mg（OH）2等沉淀生成，不利于MAP結晶的進行。綜上，確定最優Mg/P為2.0。
2.1.3 N/P的影響
N/P對酵母菌強化MAP結晶體系處理富磷上清液的影響如圖3所示。由圖3可見，PO43--P去除率隨N/P的增加呈逐步上升的趨勢。N/P由1.0增加到2.0時，PO43--P去除率從85.70%升高至97.14%，PO43--P濃度降低至1.71mg/L；隨N/P繼續增加至3.0時，PO43--P去除率增長緩慢，增幅僅為1.03%。反應溶液中的濁度隨N/P的增加呈逐漸降低的趨勢。當N/P=2.0時濁度降至1.95NTU，繼續提高N/P，則濁度基本趨于穩定。這是因為當NH4+-N濃度較低時，無法滿足MAP結晶反應的需要，隨著N/P的提升，NH4+-N濃度增加，促進了MAP結晶反應向右進行，但由于其他影響因子的限制，當N/P>2.0時，MAP結晶除磷效能增幅并不明顯，由此確定酵母菌-MAP結晶除磷的最佳N/P為2.0。
2.2 反應條件對除磷效能的影響
2.2.1 反應時間的影響
研究表明，反應時間與晶體的形成和增長有關，適當的反應時間會影響晶體結構，但反應時間過長會導致成本過高。因此，考察了反應時間對MAP結晶除磷效能的影響，結果如圖4所示。
NH4+-N和PO43--P的去除率呈先上升后穩定的趨勢，濁度呈先持續降低后輕微上升的趨勢。反應開始2min后，NH4+-N和PO43--P濃度分別降至58.01、39.53mg/L；隨著反應的進行，NH4+-N和PO43--P的去除率持續升高，反應10min時分別達到42.84%和89.48%；當反應時間繼續增加到30min時，NH4+-N和PO43--P的去除率分別增大到47.17%和94.84%，繼續增加反應時間到60min，兩者的去除率基本保持不變。此外，濁度隨反應持續下降，在30min時降到最低，為1.23NTU，延長反應時間濁度并未發生明顯變化，說明在30min時MAP結晶反應基本完成，晶體生長良好，沉淀效果顯著，繼續增加反應時間對強化結晶除磷效能無明顯作用，因此選定30min為最佳反應時間。
2.2.2 攪拌強度的影響
探究了攪拌強度對酵母菌強化MAP結晶體系處理富磷上清液的影響，結果見圖5。
從圖5可以看出，隨著攪拌強度的增加，NH4+-N和PO43--P的去除率先升高然后基本保持穩定。當攪拌強度為100、200、300r/min時，PO43--P的去除率分別為83.59%、96.17%和97.17%，而NH4+-N的去除率較低，分別為36.34%、51.94%、51.76%。繼續增大攪拌強度，NH4+-N和PO43--P去除率基本保持不變。由圖5還可發現，反應體系的濁度隨攪拌強度的增加呈先降低后小幅度上升的趨勢，當攪拌強度為300r/min時，達到最低值1.53NTU。這是因為MAP晶體具有一定韌性，在一定范圍內增大攪拌強度，可以使結晶離子得到充分接觸而不會導致晶體破碎，從而有利于晶體生成，提高NH4+-N和PO43--P的去除率及晶體沉降性能；繼續提高攪拌強度，NH4+-N和PO43--P去除效果變化較小，濁度反而增加，說明當攪拌強度過大時，晶體顆粒間碰撞加劇，晶體碎裂導致濁度升高，因此確定最佳攪拌強度為300r/min。
2.3 酵母菌強化MAP結晶產物分析
2.3.1 SEM-EDS分析
利用SEM對酵母菌強化MAP結晶前后的菌株與結晶產物的形貌進行了分析，結果見圖6。酵母菌Trichosporonsp.BZ為短棒狀，且表面有褶皺，這可能是酵母菌分泌的胞外聚合物（EPS）脫水后形成的，見圖6（a）。圖6（b）顯示，反應2min后酵母菌表面存在較多的點狀顆粒，可能是酵母菌表面吸附的PO43--P和Mg2+開始形成小的MAP晶體。圖6（c）、（d）為反應30min后，酵母菌與MAP結晶混合物的形貌。從圖6（c）可知反應后菌體數量明顯減少，且混合物尺寸較大，可達5µm以上，這可能是由于酵母菌菌體被結晶產物包裹在內部形成結晶混合物；圖6（d）表明，在酵母菌-MAP結晶體系中形成的結晶產物呈長方體狀，且形狀較為均勻。
EDS分析顯示，結晶前C、N、O、Na、Mg、P、S、K、Fe的原子百分比分別為67.16%、8.73%、22.34%、0.40%、0、0.80%、0.20%、0.10%、0.26%，結晶后為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三種元素組成。反應前后體系中P含量變化較大，原子百分比由結晶前的0.80%升至結晶后的3.21%。而Mg元素的原子百分比在結晶反應完成后也大幅升高。反應結束后Mg/P原子比為0.75，略小于MAP中的Mg/P原子比，這可能是由于部分磷以其他形式存在于酵母菌胞內或EPS中。
2.3.2 XRD分析
利用XRD對結晶產物進行分析，發現酵母菌強化MAP結晶產物的特征圖譜與MAP標準圖譜匹配度較好。此外，在圖譜中還存在其他較弱衍射峰，與Mg（OH）2晶體的標準圖譜相吻合，說明結晶產物中主要是MAP晶體，還存在少量Mg（OH）2晶體。
3、結論
①酵母菌強化MAP結晶除磷體系能夠有效處理初始磷濃度為60mg/L的A2/O污泥濃縮池富磷上清液模擬廢水，對PO43--P的去除率可以達到97.14%，出水PO43--P濃度低至1.71mg/L，能顯著降低富磷上清液回流對主流工藝的磷負荷沖擊。
②水質（pH、Mg/P、N/P）以及反應條件（反應時間、攪拌強度）對酵母菌強化MAP結晶除磷體系的效能影響較大，最優參數如下：pH=10.0、N/P=2.0、Mg/P=2.0、反應時間為30min、攪拌強度為300r/min。
③酵母菌對PO43-和Mg2+的吸附作用，促使菌體周圍形成富磷區域，進而以酵母菌為晶核形成MAP結晶產物，實現對磷的同步去除與回收。（來源：濟南大學土木建筑學院，山東省功能材料水質凈化工程技術研究中心，濟南大學水利與環境學院）
