桂林理工大学

详情

EBPR剩余污泥中磷赋存形态与空间分布及其高效释磷研究

申报人：聂俊兮 申报日期：2025-04-30

基本情况

2025年批次
EBPR剩余污泥中磷赋存形态与空间分布及其高效释磷研究 学生申报
创新训练项目
工学
环境科学与工程类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
强化生物除磷（EBPR）剩余污泥中磷的含量达1.5~8%，是仅次于磷矿石的第二大磷源。开展剩余污泥磷资源化利用，不仅能降低水环境磷污染，还可有效缓解磷资源危机。当前剩余污泥磷资源化利用的瓶颈在于磷释放率偏低。本项目从剩余污泥EPS分级提取入手，在准确把握磷赋存形态和空间分布规律基础上，创新性提出两阶段碱化释磷技术，开展释磷效果及机制研究。项目成果有望突破剩余污泥磷释放率偏低的瓶颈，推动EBPR剩余污泥磷资源化利用。
负责人参加了湖南省环保科技项目“城镇污水厂尾水磷资源化利用关键技术研究”（HBKT-2022001）。项目实施期间，于2024.07~2024.08在长沙市星沙城北污水厂进行了现场实验研究，主要负责EBPR污泥的磷形态测试分析，以及酸化/碱化释磷烧杯实验。通过为期2个月的研究工作，积累了丰富的水质测试分析、烧杯实验设计和数据分析处理经验，为本项目的顺利实施奠定了坚实基础。
国家自然科学基金地区项目——污泥高级厌氧消化过程垢结晶及竞争性结合磷酸盐阻垢机制研究
广西科技计划项目——污泥高级厌氧消化过程晶体结垢及竞争阻垢机制研究
导师评价：本研究围绕EBPR剩余污泥的磷赋存形态与高效释放技术展开，研究内容明确、逻辑严谨，技术路线清晰，具有较强的科学性和创新性。学生在课题设计中能够立足于污泥磷资源化的学术前沿，聚焦于磷的赋存形态和高效释放两大关键科学问题，结合当前污泥资源化利用的实际需求，提出创新性解决方案，并通过现代化的分析手段和技术方法，探索磷释放过程中的关键影响机制，展现了较高的科研潜力。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
聂俊兮 环境科学与工程学院 给排水科学与工程 2023 方案制定，理论分析
吴家东 环境科学与工程学院 给排水科学与工程 2023 现场取样，数据分析
陈永明 环境科学与工程学院 给排水科学与工程 2023 释磷实验
唐恒科 环境科学与工程学院 给排水科学与工程 2023 EPS提取实验

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
徐宇峰 环境科学与工程学院 否
李海翔 环境科学与工程学院 否

立项依据

1. 探明EBPR剩余污泥中磷的赋存形态和空间分布规律。
2. 基于磷赋存形态和空间分布规律，建立EBPR剩余污泥高效释磷技术，阐明高效释磷机制。
1. EBPR剩余污泥中磷的赋存形态和空间分布规律研究
（1）剩余污泥EPS的分级提取。根据EPS的空间分布规律及其与细胞结合性能，将EPS分为溶解性EPS、松散结合性EPS和紧密结合性EPS。超声与EDTA联用，开展EPS分级提取，分析超声操作和EDTA投加量对EPS提取率的影响，以及提取操作对细胞活性的影响，并与单独超声和EDTA提取效果进行比较。
（2）剩余污泥中磷赋存形态和空间分布分析。SMT分析、XPS分析和31P NMR联用，分别对EPS分级提取物和微生物细胞内磷的形态进行分析。在此基础上，结合EPS分级提取物中有机质、金属离子测试结果，以及固相污泥SEM-EDS面扫描结果，研究分析磷的赋存形态和空间分布规律。
2. EBPR剩余污泥两阶段碱化释磷研究
（1）两阶段碱化释磷技术研究。基于剩余污泥中磷的赋存形态和空间分布规律，对剩余污泥进行两阶段碱化释磷，其中第一阶段预碱化以EPS溶解为主，第二阶段主碱化为高效释磷为主。通过分析固液两相中EPS含量变化和总磷浓度变化，分别获得预碱化和主碱化的优化操作条件。
（2）两阶段碱化释磷机制研究。研究分析两阶段碱化释磷过程中，液相有机质、金属离子浓度变化规律，以及磷形态和浓度变化规律；结合碱化处理前后固相污泥中磷形态、浓度变化规律和细胞活性变化，探索两阶段碱化释磷机制。
1. 研究意义
磷是农业和工业生产中不可或缺的关键资源，其供应高度依赖于不可再生的磷矿资源。随着全球磷矿储量的快速消耗，资源危机日益显现，而磷资源的回收与循环利用成为应对这一挑战的核心战略。城市污水处理厂产生的EBPR（增强生物除磷）剩余污泥，因其富含磷元素，被视为潜力巨大的“二次磷矿”。然而，污泥中磷的赋存形态复杂，其与有机质、金属离子和微生物细胞的多重结合显著降低了回收效率，现有技术尚无法实现磷的高效回收。因此，探索污泥中磷的赋存规律与空间分布特性，并基于此开发高效释磷技术，既是科学研究的前沿问题，也是推动资源循环利用和实现环境可持续发展的重要突破口。
本研究从多尺度、跨学科的视角，系统揭示了EBPR剩余污泥中磷的赋存形态及空间分布规律，创新性地将污泥中磷的分布特性与高效释放技术相结合，形成了从机理解析到技术应用的完整研究链条。通过EPS（胞外聚合物）的分级提取和磷形态分析，明确磷在溶解性EPS、松散结合性EPS、紧密结合性EPS及微生物细胞内的具体分布模式，为理解污泥中磷的迁移转化行为提供了关键科学依据。在此基础上，提出并优化了两阶段碱化释磷技术，实现了污泥磷资源的高效释放与回收，为污泥处理技术的革新提供了创新解决方案，研究成果为推动污泥资源化利用提供了新范式，对磷资源高效回收及环境工程领域的未来发展具有重要的引领作用。
2. EBPR剩余污泥磷回收
磷是水环境中主要污染物之一，也是导致水体富营养化的主要因素（赵玉婷等，2020）。以此同时，磷又是有限的不可再生资源，在工农业生产中起着不可替代的重要作用（Langhans, et al., 2022）。据预测，到2050年我国将面临磷资源危机，粮食产能将因此降低25%（崔荣国等, 2019）。可见，开展污水中磷的资源化利用，既能降低水环境磷污染，又可有效缓解磷资源危机。
强化生物除磷（EBPR）剩余污泥（以下简称剩余污泥）富集了市政污水中90%以上的磷，磷含量达1.5~8%，被认为是仅次于磷矿石的第二大磷源（Li, et al., 2020）。针对剩余污泥开展磷回收，是污水厂磷回收的主要路径，可供采用的回收方案包括：强化蓝铁矿结晶并磁分离结晶产物（Wijdeveld, et al., 2022）、（水）热处理生成富磷生物炭（Li, et al., 2018）、污泥释磷后金属盐结晶回收（Wu et al., 2020），以及污泥焚烧后磷浸提（Jupp, et al., 2021）等。其中，释磷后金属盐结晶回收由于操作简单、效果稳定和成本低等优势，研究和应用尤为广泛。研究表明，磷一旦释放进入液相，95%以上可被金属盐结晶回收（Ding, et al., 2022），因此，提升剩余污泥磷回收效果的关键在于污泥向液相的高效释磷。
3. EBPR剩余污泥中磷的赋存形态与空间分布规律
剩余污泥释磷过程，涉及到一系列的磷赋存形态和空间分布变化，全面把握剩余污泥中磷的赋存形态和空间分布规律，就成为高效释磷的前提。
与土壤和沉积物环境相比，剩余污泥中磷赋存形态和空间分布相对复杂。首先，剩余污泥中的磷往往以胞内多聚磷（Poly-P）为主，在提取、预处理和测试过程中，容易水解为焦磷（Pyro-P）和正磷（Ortho-P），增加了赋存形态分析难度；其次，剩余污泥中含有大量胞外多聚物（EPS），在EBPR工艺中对磷起到传输、储存和生物累积作用（Long et al., 2017），复杂化了磷的空间分布。尤其值得指出的是，EBPR工艺往往辅以金属盐强化除磷（Wilfert et al., 2018），这进一步复杂化磷的赋存形态与空间分布。Zhang等（2013）发现EPS内的磷形态包括Ortho-P、Pyro-P和Poly-P，占剩余污泥总磷的6.6~10.5%，而经过化学强化除磷后，超过50%的磷以Ortho-P形式出现在EPS中（Zou et al., 2017）。
剩余污泥中的磷，就形态而言可以分为有机磷（OP）、Poly-P、Pyro-P和Ortho-P，其中Ortho-P包括Ca/Fe/Al/Mg-P（Tiwari, et al., 2023）；就空间分布而言，可以分为来自EPS的胞外磷（TPEPS）和来自微生物细胞的胞内磷（TPcells），其中TPEPS根据EPS空间分布又可分为溶解性EPS结合磷（TPS-EPS）、松散性EPS结合磷（TPLB-EP）和紧密性EPS结合磷（TPTB-EPS）（Chen, et al., 2022）。然而，目前仍然缺乏定性与定量相结合的磷赋存形态与空间分布研究，难以用于指导剩余污泥高效释磷。究其原因，在于缺乏统一的EPS分级提取方法。不同的提取方法，对EPS的提取效率不尽一致（Han, et al., 2013），提取操作引起的Poly-P水解、OP降解和细胞自溶程度也不相同。如何最大程度提取EPS，同时最小化细胞自溶和磷形态转化，是探明剩余污泥中磷赋存形态和空间分布规律的关键。
4. EBPR剩余污泥磷释放
国内外就EBPR污泥释磷开展了大量的研究，取得了丰富的成果，厌氧消化释磷（Xu, et al., 2023）、酸化/碱化释磷（Zhang et al., 2021）、超声释磷（Wang, et al., 2010）、化学释磷（表面活性剂、EDTA、阳离子交换树脂（CER））（Ping et al., 2022; Zou et al., 2017; Ding, et al., 2022），以及上述技术的集成，均有中试或生产规模的应用报道。
但实践表明，上述工艺释磷效果仍有待提升。厌氧消化可将几乎所有的OP和Poly-P转化为胞外溶解态Ortho-P（Li et al., 2019），但如果EBPR工艺辅助有金属盐除磷，溶解性Ortho-P经过一系列“吸附-解吸”和“结晶-溶解”平衡后，一部分将以吸附态/沉淀态滞留于污泥中无法释放。酸化/碱化对Ortho-P释放效率高，但对OP/Poly-P降解/水解效果有限，总磷释放率一般不超过40%。超声可以破坏微生物细胞高效释放胞内磷，但EPS对细胞的保护，使得超声所需功率密度高达12 W/mL以上（Wang, et al., 2010），释磷成本过高。表面活性剂和EDTA等通过螯合EPS中的金属离子，能有效解体EPS释放胞外磷，但对胞内磷作用有限（Ping et al., 2022）。
可见，释磷效果受磷形态和空间分布显著影响。首先，不同形态磷均有各自的适宜性释放工艺，单一释磷或单段释磷效果有限；其次，EPS对微生物细胞的保护作用，降低了胞内磷的释放效果（He, et al., 2016）；再次，污泥中磷的“吸附-解吸”和“结晶-溶解”引起的磷形态变化，也可能抑制磷的释放。
申请者在前期研究中发现，超声提取剩余污泥EPS时，超声功率密度存在一个临界值，当超声功率密度小于临界值时，不会导致细胞的破裂和胞内磷的释放，但对EPS的提取效果有限，然而此时投加EDTA可以大幅提升EPS提取率。申请者同时发现，当剩余污泥单独碱化释磷时，即便pH高达12，释磷率仍不足40%，但离心分离释磷液后对污泥进行二次碱化释磷（pH=12），总释磷率可提高至70%左右。受此启发，申请者认为超声与EDTA联用，有望最大程度提取EPS，同时最小化细胞自溶和磷形态转化；两阶段碱化，有望解决磷形态和空间分布对释磷的不利影响。为此，本项目将采用超声与EDTA联用的方法，对剩余污泥进行EPS分级提取，在此基础上研究磷的赋存规律和空间分布；基于剩余污泥中磷的赋存规律和空间分布，对剩余污泥进行两阶段碱化释磷，研究释磷效果和释磷机制。
本项目的创新点与项目特色主要体现在以下两个方面：
1. 低功率密度超声与EDTA联用分级提取剩余污泥EPS
本项目拟采用低功率密度超声与EDTA联用的方法，分级提取剩余污泥中的EPS。其中低功率密度超声有效避免了胞内磷的的释放和水解，EDTA强化了超声对EPS的提取效果，从而在提升EPS提取率同时，有效抑制磷形态和空间分布的变化，为准确把握剩余污泥中磷的赋存形态和空间分布创造条件。
2. 剩余污泥两阶段碱化释磷
为解决现有剩余污泥释磷技术释磷效果容易受磷形态和空间分布影响，适应性不强的问题，本项目创新性提出两阶段碱化释磷方法，通过分阶段操作，将EPS的溶解与污泥释磷分离，寻求各自的优化操作条件，从而实现高效释磷并提升释磷工艺的适应性。
1. 技术路线
本项目将以实验室烧杯实验为主，辅以常规理化检测和31P NMR、XPS、SEM-EDS等现代仪器分析进行。首先采用超声与EDTA联用，分级提取EPS，研究剩余污泥中磷的赋存形态和空间分布规律，然后以磷的赋存形态和空间分布规律为指导，通过烧杯实验对剩余污泥进行两阶段碱化释磷处理，寻求优化的释放方案，探索释磷机制。具体技术路线如图1所示。
图1 项目研究技术路线
2. 实验方案
（1）EBPR剩余污泥的准备
剩余污泥取自污水厂A2O工艺的O段。污泥首先采用25目筛网分离大颗粒杂质，再静置2 h，送实验室于4℃保存。保存时间不超过5 d。
（2）EPS分级提取
污泥首先在4℃下5000 rpm离心分离10 min，离心液即S-EPS提取物。残余固相采用NaCl溶液重悬，之后进行21 kHz超声，超声功率密度和超声时间视实验结果而定。超声结束后4℃下8000 rpm离心分离10 min，离心液即LB-EPS提取物。残余固相采用NaCl溶液再次重悬，之后进行21 kHz超声和EDTA联合处理，超声功率密度、超声时间和EDTA浓度视实验结果而定。超声结束后4℃下12000 rpm离心分离10 min，离心液即TB-EPS提取物，离心固相即微生物细胞。
上述提取物一部分-50℃冷冻干燥，冻干样品-20℃保存，用于31P NMR分析。
（3）磷赋存形态和空间分布分析
分别采用SMT和31P NMR，对EPS提取物和微生物细胞中的磷进行定性和定量分析。明确剩余污泥中磷的赋存形态和空间分布规律。
（4）污泥两阶段碱化
两阶段碱化实验采用烧杯实验。首先采用NaOH与EDTA联用的方法，对污泥进行第一阶段碱化处理，由EPS溶解和磷释放结果，获得优化的碱化pH、EDTA投加量和碱化时间。一阶段碱化结束后，污泥在4℃下2000 rpm离心分离10 min，去掉碱化释磷液，残余固相采用NaCl溶液重悬至初始体积。对重悬体系进行二阶段碱化（单独投加NaOH），获得优化的操作条件和总磷释放率。
（5）常规指标测试分析
pH测定采用上海雷磁PHSJ-3F型pH计电极。磷的测定采用钼酸铵分光光度法。蛋白质的测定采用双缩脲法；多糖的测定采用蒽酮-硫酸比色法；腐殖质的测定采用紫外分光光度法。金属离子的测定采用ICP-MS进行。细胞活性采用激光共聚焦显微镜分析。
（6）液相31P NMR分析
取冻干样品约15 mg，分别采用0.4 mL D2O和0.2 mL 100 mmol/L EDTA再溶解。对微生物细胞的NMR分析，0.2 mL离心上清液只加入0.4 mL D2O。上机分析之前，在上述样品中加入0.2 mL 2 mol/L NaOH溶液。
3. 拟解决的问题
（1）剩余污泥中磷赋存形态和空间分布分析
一直以来，剩余污泥中磷赋存形态和空间分布难以准确获得，关键在于现有的EPS的提取方法，或者对EPS的提取率有限，或者容易导致细胞破裂和胞内磷的释放与水解。本项目采用低功率密度超声与EDTA联用，对EPS进行分级提取，有望最大化EPS提取率，同时最小化细胞破裂和磷形态变化，从而准确获得磷的赋存形态和空间分布。
（2）剩余污泥中磷的高效释放
由于EPS的保护作用，以及磷赋存形态转化可能带来的不利影响，现有释磷技术对剩余污泥的释磷效果有限。本项目采用两阶段碱化释磷方法，通过分阶段操作，将EPS的溶解与污泥释磷分离，破坏EPS对细胞的保护作用，消除磷形态转化的不利影响，有望获得高效的释磷效果。
4. 预期成果
探明EBPR剩余污泥中磷的赋存形态和空间分布规律；建立剩余污泥的高效释磷技术，并阐明技术机制；发表CSCD核心以上论文2~3篇；申报发明专利1~2项。
（六）项目研究进度安排
2025.01~2025.06：文献调研，实验方案的优化与细化，实验材料的准备，相关测试分析条件和剩余污泥现场取样的落实。
2025.07~2025.12：剩余污泥EPS的分级提取实验研究，获得优化的分级提取方法；磷赋存形态和空间分布规律研究；撰写论文1篇。
2026.01~2026.06：两阶段碱化释磷效果研究，工艺操作运行条件的优化；两阶段碱化释磷机制研究；撰写论文1~2篇；参加国内学术会议1次，就项目成果进行交流。
2026.07~2026.12：补充实验，成果总结凝练；申报发明专利1想，撰写结题报告，申请结题。

（六）项目研究进度安排
2025.01~2025.06：文献调研，实验方案的优化与细化，实验材料的准备，相关测试分析条件和剩余污泥现场取样的落实。
2025.07~2025.12：剩余污泥EPS的分级提取实验研究，获得优化的分级提取方法；磷赋存形态和空间分布规律研究；撰写论文1篇。
2026.01~2026.06：两阶段碱化释磷效果研究，工艺操作运行条件的优化；两阶段碱化释磷机制研究；撰写论文1~2篇；参加国内学术会议1次，就项目成果进行交流。
2026.07~2026.12：补充实验，成果总结凝练；申报发明专利1想，撰写结题报告，申请结题。 
1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
负责人参加了湖南省环保科技项目“城镇污水厂尾水磷资源化利用关键技术研究”（HBKT-2022001），主要负责EBPR污泥的磷形态测试分析，以及酸化/碱化释磷烧杯实验。通过为期2个月的研究工作，积累了丰富的水质测试分析、烧杯实验设计和数据分析处理经验，取得的与本项目直接相关的成果包括：
（1）超声与EDTA联用提取EBPR剩余污泥EPS
采用超声与EDTA联用的方法，提取剩余污泥中的EPS，并与单独超声和EDTA的提取效果进行比较。结果表明，EDTA显著提升了超声提取EPS效率，当超声功率密度为2.5 W/mL时，投加15 mL 5%的EDTA，液相DOC浓度增加120%，与15 W/mL单独超声处理效果相当。但是当超声功率密度为15 W/mL时，微生物细胞出现了明显的溶裂现象（图2a），死细胞比例可达15%，而超声功率密度为2.5 W/mL时，微生物细胞没有出现明显的溶裂现象（图2b），死细胞比例约为2%。上述说明，超声与EDTA联用，有望获得最大的EPS提取率，同时避免细胞的溶裂和胞内磷的释放。
图2 EPS提取后剩余污泥激光共聚焦显微图片（a：15 W/mL超声；
b：2.5 W/mL超声+15 mL 5%EDTA）
（2）酸化/碱化对剩余污泥的释磷效果
图3给出了不同pH值下，预浓缩之后EBPR剩余污泥的释磷效果。由图可知，酸化和碱化都能够取得一定的释磷效果，并且酸性/碱性越强，释磷效果越好。由图还可知碱性释磷效果要优于酸性，当pH=12时，释磷率约为25%，接近pH=2时的3倍。碱化释磷效果相对较好，与碱性条件下，EPS的大量释放有关，有机质分析结果也表明，当pH=12时，释磷液中蛋白质、多糖和腐殖质的含量要显著高于pH=2时。无论如何，单独酸化/碱化的释磷率都是偏低的，难以满足实际工程需求。
图3 酸化/碱化对EBPR浓缩剩余污泥的释磷效果（剩余污泥SS=20.75 g/L）
为进一步提高EBPR剩余污泥的释磷率，在单独碱化基础上，开展两步法释磷，包括碱化+酸化、碱化+碱化、碱化+不同功率超声，结果见图4。由图可知，两步碱化的释磷率高达70%，释磷效果显著。分析认为，在第一步碱化中，EPS已经被大部分溶解，因此在第二步碱化时，碱液引起显著的细胞自溶，胞内磷大量释放，释磷率得到大幅提升。
图4 基于碱化的两步法释磷方案释磷效果（剩余污泥SS=20.75 g/L）

指导老师为本项目烧杯实验提供了完备的实验条件，相关测试分析工作绝大部分可以在桂林理工大学环境监测中心完成。31P NMR测试分析工作可以借助科学指南针测试分心平台完成。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 5500.00 4500.00
1. 业务费 8000.00 无 3500.00 4500.00
（1）计算、分析、测试费 2500.00 31P NMR分析 2000.00 500.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 1500.00 参加国内学术会议 1500.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 4000.00 2篇论文版面费 0.00 4000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 2000.00 购买化学药剂和玻璃仪器 2000.00 0.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

版权所有： 南京先极科技有限公司