城市污水處理保證除磷脫氮效果的關鍵

1  前言

    從七十年代中期人們發(fā)現(xiàn)并開始研究污水除磷工藝技術以來，已有大量關于除磷機理的研究論文發(fā)表，國內外也已有眾多的污水處理廠采用各種除磷工藝技術在運行。有的污水處理廠在實際運行中除磷效果較好，也有的污水處理廠在實際運行中除磷效果不盡人意。因不了解除磷效果不好的污水處理廠的具體情況 ，在這里不妄加評論。下面只就大連開發(fā)區(qū)水質凈化一廠在實際運行中除磷效果較好的關鍵進行探討，僅供參考。

大連開發(fā)區(qū)水質凈化一廠二級處理除磷情況見表2。

表2  進出水TP月平均值（單位：mg/L）

2  大連開發(fā)區(qū)水質凈化一廠基本情況

    大連開發(fā)區(qū)水質凈化一廠日處理污水設計能力為8萬立方米，工藝流程如下：

污水—→沉砂池—→初沉池—→A/O池→二沉池—→排海—→

                                 ↑       ↓              

                                 └———污泥―→濃縮―→脫水―→外運

                                                           ↓

                                                          干燥

    共有A/O池四座(1^#—4^#)，以3^#、4^#A/O池為例：

    A段：24.4(長)×7(寬)×5.7(深)×2=1946米³

    O段：28.0(長)×8(寬)×5.7(深)×3=3831米³

    3^#、4^#系統(tǒng)日處理污水能力5萬米³，污水在A段停留時間為1小時15分，在O段停留時間為2時30分，總停留時間為3小時45分左右。為避免外來空氣帶入A段，A/O池采取液下進水，A段采用液下攪拌器。

    3^#、4^#A/O池A段和O段DO及MLSS見表1。

表1 （單位：mg/L）

大連開發(fā)區(qū)水質凈化一廠的出水TP一般都在0.5mg/L以下，而脫水后的污泥中P（以P₂O₅計）的含量近10%。

3  A/O法除磷的機理

 A/O法除磷的機理大家公認的是聚磷菌先在 A/O池的A段處于無氧狀態(tài)，在此狀態(tài)下，聚磷菌吸收污水中含有的乙醇、甲酸、乙酸、丙酸等易生物降解的有機物貯于細胞內作為營養(yǎng)源，同時將細胞內已有的聚合磷酸鹽以PO₄^-3-P的形式釋放于水中。而在有氧狀態(tài)下，聚磷菌將細胞內存在的有機物質進行氧化分解產生能量，這時能將 污 水 中 的PO₄^-3 -P超量吸收于細胞內，又以聚磷酸鹽的形式貯存在細胞內，這些磷最終以污泥的形式排出，從而達到從污水中去除磷的目的。

4  污水中除磷的影響因素：

4.1 溶解氧（DO）的影響：

溶解氧的影響包括兩方面。首先必須在厭氧區(qū)中控制嚴格的厭氧條件，這直接關系到聚磷菌的生長狀況、釋磷能力及利用有機基質合成PHB的能力。由于DO的存在，一方面DO將作為最終電子受體而抑制厭氧菌的發(fā)酵產酸作用，妨礙磷的釋放；另一方面會耗盡能快速降解有機基質，從而減少了聚磷菌所需的脂肪酸產生量，造成生物除磷效果差。其次是在好氧區(qū)中要供給足夠的溶解氧，以滿足聚磷菌對其儲存的PHB進行降解，釋放足夠的能量供其過量攝磷之需，有效地吸收廢水中的磷。一般厭氧段的DO應嚴格控制在0.2mg/L以下，而好氧段的溶解氧控制在2.0mg/L左右。

我廠的實踐證明，如果在絕氧區(qū)（A段）DO符合要求，細胞內磷釋放情況好，同時在好氧區(qū)（O段）DO符合要求，則細胞吸收磷的情況就好，也就是說在 A段必須大量釋放磷的情況下，才能在 O段過量吸收磷，從而達到從污水中很好的除磷效果，這一點對于除磷特別重要。我廠有一個實際情況可以證明：1999年8月3日因鼓風機系統(tǒng)出現(xiàn)故障，只能開一臺鼓風機，3^#、4^#A/O池O段DO只有0.2mg/L，結果3^#二沉池出水TP是5.61mg/L，4^#二沉池出水TP是3.63mg/L。8月4日鼓風機系統(tǒng)恢復正常，開兩臺鼓風機供氣， 3^#、4^#A/O池O段DO≥2.5mg/L，3^#、4^#二沉池出水TP檢不出。這一實際情況非常有力地說明聚磷菌在絕氧條件下大量釋放磷，在供氧充足時就會大量吸收磷。我廠A/O池A段的溶解氧一般都在0.2mg/L以下，O段的溶解氧一般控制在2.0-3.0mg/L之間。

在這里需要特別強調指出的是：

在O段DO一定要保證＞2.0mg/L，這一點除對保證聚磷菌過量攝磷特別重要外（否則吸收磷就大大減少），還有更為重要的一點是防止在二沉池及以后流程中聚磷菌體內的磷因DO不夠而釋放出來。如果只注意在A/O池中除掉磷，而不關注對聚磷菌攝磷以后的保護，就會發(fā)生厭氧釋放磷，就會前功盡棄，導致二沉池出水含磷濃度高，或二沉池排出來的污泥中所含磷在以后的流程中釋放出來。上述觀點有些資料已經提到，但有的廠在實際運行中并未給予足夠重視，而只過份考慮節(jié)電，A/O池O段出水DO盡量低,又加之污泥在二沉池停留時間過長，造成二沉池內缺氧，使“吃飽”了磷的聚磷菌在缺氧狀態(tài)下將體內的磷又釋放出來。大連開發(fā)區(qū)水質凈化一廠，污泥在二沉池內停留時間是2小時30分左右，經檢測二沉池內污泥TP高達23.00mg/L，如果這些磷不保護好（用足夠的DO）而釋放出來，勢必造成二沉池出水含磷量過高。

4.2  BOD的影響

5．BOD負荷和有機物性質

廢水生物除磷工藝中，厭氧段有機基質的種類、含量及其與微生物營養(yǎng)物質的比值(BOD₅/TP)是影響除磷效果的重要因素。不同的有機物為基質時，磷的厭氧釋放和好氧攝取是不同的。根據(jù)生物除磷原理，分子量較小的易降解的有機物(如低級脂肪酸類物質)易于被聚磷菌利用，將其體內儲存的多聚磷酸鹽分解釋放出磷，誘導磷釋放的能力較強，而高分子難降解的有機物誘導釋磷的能力較弱。厭氧階段磷的釋放越充分，好氧階段磷的攝取量就越大。另一方面，聚磷菌在厭氧段釋放磷所產生的能量，主要用于其吸收進水中低分子有機基質合成PHB儲存在體內，以作為其在厭氧條件壓抑環(huán)境下生存的基礎。因此，進水中是否含有足夠的有機基質提供給聚磷菌合成PHB，是關系到聚磷菌在厭氧條件下能否順利生存的重要因素。一般認為，進水中BOD₅/TP要大于15，才能保證聚磷菌有著足夠的基質需求而獲得良好的除磷效果。為此，有時可以采用部分進水和省去初沉池的方法，來獲得除磷所需要的BOD負荷。

首先是BOD負荷（F/M），它是A/O法生物除磷工藝的一個關鍵參數(shù)。A/O法除磷工藝中起主要作用的是聚磷菌，而聚磷菌大多為不動菌屬，其生理活性較弱，只能攝取有機物中極易分解的部分，通俗地講即只能吃“極其可口”的食物，例如乙酸等揮發(fā)性脂肪酸，對于BOD₅中的大部分有機物，例如固態(tài)的BOD₅部分、膠態(tài)的BOD₅部分，聚磷菌是難以吸收的，甚至對已溶解的葡萄糖，聚磷菌也都“懶”得攝取。因此，有機物尤其是低分子有機物是激發(fā)聚磷菌同化作用的必備條件，A/O生物除磷工藝應保持較高的BOD負荷。有文獻報道，通過試驗確定：BOD負荷在0.21～0.50kg·BOD₅/kg·MLSS·d之間時，磷的去除和有機物的去除都達到了較好的效果；BOD負荷在0.20kg·BOD₅/kg·MLSS·d以下時，除磷效果有所下降；BOD負荷在0.10kg·BOD₅/kg·MLSS·d時，除磷效果極差。這一試驗結果也驗證了上述理論。在我廠的實際運行中，BOD負荷控制0.3～0.5kg· BOD₅/kg· MLSS· d之間，除磷效果較好，二級出水TP基本在0.50mg/L以下。

1998年五至七月，我廠連續(xù)三個月二級出水TP較高，超過0.50mg/L，但其它監(jiān)測項目均正常達標，我們采取了調整曝氣量、控制回流比等調控方式，但效果均不明顯，經過反復分析研究，我們認為是由于進水BOD₅較低或者進水BOD₅中溶解性BOD₅（亦稱SBOD₅）較低，造成BOD負荷過低，聚磷菌不能充分進行同化作用，降低了對磷的攝取能力。于是，我們決定超越初沉池，以保證A/O池內具有足夠的營養(yǎng)物供給聚磷菌。這樣調整的效果非常好，TP很快就降到0.50mg/L以下。具體數(shù)據(jù)見表3、表4。

表3  超越初沉池前BOD₅及TP監(jiān)測數(shù)據(jù)

表4  超越初沉池后BOD₅及TP監(jiān)測數(shù)據(jù)

在超越初沉池的運行中，不一定要完全超越，一般情況下可以部分超越，應根據(jù)進水BOD和曝氣池中的污泥濃度以及二沉池出水的TP來綜合考慮，并兼顧到剩余污泥的排放量。

其次是BOD₅ /TP。一般認為，要保證除磷效果，應控制進入厭氧段的污水中BOD₅ /TP大于20，以保證聚磷菌對磷的有效釋放。如能測得溶解性BOD₅（或稱濾過性BOD₅），簡稱SBOD₅，使SBOD₅ /TP大于20，

則運行控制將更加準確合理，除磷效果將更為理想。

4.3  氧化態(tài)氮（NO^-n-N）的影響

2．厭氧區(qū)硝態(tài)氮

硝態(tài)氮包括硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，其存在同樣也會消耗有機基質而抑制聚磷菌對磷的釋放，從而影響在好氧條件下聚磷菌對磷的吸收。另一方面硝態(tài)氮的存在會被部分生物聚磷菌(氣單胞菌)利用作為電子受體進行反硝化，從而影響其以發(fā)酵中間產物作為電子受體進行發(fā)酵產酸，從而抑制了聚磷菌的釋磷和攝磷能力及PHB的合成能力。

A/O法除磷的前提是聚磷菌在厭氧段內大量地釋放磷，然后進入好氧段才能超量攝取磷，但是厭氧段中氧化態(tài)氮的存在會抑制聚磷菌的同化作用，其原因是氧化態(tài)氮可以激發(fā)回流污泥中脫氮菌的活力，而脫氮菌具有較高的繁殖速度和同化多種基質的能力，導致聚磷菌得不到足夠的營養(yǎng)物而不能充分釋放磷，也就無法在好氧段大量吸收磷。因此氧化態(tài)氮的存在將嚴重影響系統(tǒng)的除磷效果。但是在生產實際中不可避免地要有一些氧化態(tài)氮進入厭氧段，只是要盡量控制其進入量，有文獻報道厭氧區(qū)內氧化態(tài)氮的濃度低于1.5mg/L時，對磷的釋放影響較小。

4.4  污泥齡（SRT）的影響

由于生物脫磷系統(tǒng)主要是通過排除剩余污泥去除磷的，因此剩余污泥量的多少將決定系統(tǒng)的脫磷效果。而泥齡的長短對污泥的攝磷作用及剩余污泥的排放量有著直接的影響。一般來說，泥齡越短，污泥含磷量越高，排放的剩余污泥量也越多，越可以取得較好的脫磷效果。短的泥齡還有利于好氧段控制硝化作用的發(fā)生而利于厭氧段的充分釋磷，因此，僅以除磷為目的的污水處理系統(tǒng)中，一般宜采用較短的泥齡。但過短的泥齡會影響出水的BOD₅和COD，若泥齡過短可能會使出水的BOD₅和COD達不到要求。資料表明，以除磷為目的的生物處理工藝污泥齡一般控制在3.5～7d。

另外，一般來說厭氧區(qū)的停留時間越長，除磷效果越好。但過長的停留時間，并不會太多地提高除磷效果，且會有利于絲狀菌的生長，使污泥的沉淀性能惡化，因此厭氧段的停留時間不宜過長。剩余污泥的處理方法也會對系統(tǒng)的除磷效果產生影響，因為污泥濃縮池中呈厭氧狀態(tài)會造成聚磷菌的釋磷，使?jié)饪s池上清液和污泥脫水液中含有高濃度的磷，因此有必要采取合適的污泥處理方法，避免磷的重新釋放。

A/O法除磷是通過將富含磷的剩余污泥排除到系統(tǒng)外而實現(xiàn)的，而且也是生物除磷的唯一途徑，只有維持較高的剩余污泥排放量才能保證系統(tǒng)的除磷效果，這樣系統(tǒng)的泥齡也不得不相應地降低。因此A/O法除磷系統(tǒng)要求較低的泥齡，一般認為SRT應在7～10天之間，也有人認為SRT在3天左右時，系統(tǒng)仍能維持比較好的除磷效率，故最佳值為4～5天。如果SRT過高，剩余污泥排放量較小，污泥“夾帶”排出系統(tǒng)的磷的總量不多，系統(tǒng)的除磷效率就會大大降低，同時，聚磷菌多為短泥齡微生物，SRT較高時，污泥的活性和沉降性能均會下降；但SRT也不能過低，這會導致混合液污泥大量流失，對降解BOD₅和除磷反而不利，所以降低系統(tǒng)的SRT，必須以保證BOD₅的有效去除為前提。

我廠實際運行中，SRT一般控制在7天左右，除磷效果較好。另據(jù)報道，美國的Hyperion污水處理廠在攝氏22～24度時，SRT可降低至3.1天，而出水的磷僅為0.4mg/L�？梢奡RT的一般范圍不是絕對的，應根據(jù)進水水質、BOD₅（或SBOD₅）/TP的值、系統(tǒng)的MLSS值的波動做相應的調整，總的應著眼于總除磷量。

4.5  回流比（R）的影響

前已述及，A/O工藝保證除磷效果的極為重要的一點，就是使系統(tǒng)污泥在曝氣池中“攜帶”足夠的溶解氧進入二沉池，其目的就是為了防止污泥在二沉池中因厭氧而釋放磷，但如果不能快速排泥，二沉池內泥層太厚，再高的DO也無法保證污泥不厭氧釋磷，因此，A/O系統(tǒng)的回流比不宜太低，應保持足夠的回流比，盡快將二沉池內的污泥排出。但過高的回流比會增加回流系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)的能源消耗，且會縮短污泥在曝氣池內的實際停留時間，影響B(tài)OD₅和P的去除效果。如何在保證快速排泥的前提下，盡量降低回流比，需在實際運行中反復摸索。一般認為，R在50~70%的范圍內即可。我廠的污泥回流比基本上控制在50%左右。

4.6  水力停留時間（HRT）的影響

對于運行良好的城市污水生物脫氮除磷系統(tǒng)來說，一般釋磷和吸磷分別需要1.5～2.5小時和2.0～3.0小時�？傮w來看，似乎釋磷過程更為重要一些，因此，我們對污水在厭氧段的停留時間更為關注，厭氧段的HRT太短，將不能保證磷的有效釋放，而且污泥中的兼性酸化菌不能充分地將污水中的大分子有機物分解為可供聚磷菌攝取的低級脂肪酸，也會影響磷的釋放；HRT太長，也沒有必要，既增加基建投資和運行費用，還可能產生一些副作用�？傊�，釋磷和吸磷是相互關聯(lián)的兩個過程，聚磷菌只有經過充分的厭氧釋磷才能在好氧段更好地吸磷，也只有吸磷良好的聚磷菌才會在厭氧段超量地釋磷，調控得當會形成一個良性循環(huán)。我廠在實際運行中摸索得到的數(shù)據(jù)是：厭氧段HRT為1小時15分～1小時45分，好氧段HRT為2小時～3小時10分較為合適。

4.7  pH的影響

pH對磷的釋放和吸收具有不同的影響。pH值偏低時，有利于聚磷菌對聚磷酸的水解，磷的釋放速率和釋放量較大；試驗證明pH值在6～8的范圍內時，磷的厭氧釋放比較穩(wěn)定。pH值偏高時，有利于磷的吸收，其吸收速率和吸收量較大。pH值低于6.5時生物除磷的效果會大大下降。綜合考慮，曝氣池混合液的pH值應控制在6.5～8.0的范圍內。我廠進水的pH值始終穩(wěn)定在此范圍內未發(fā)現(xiàn)pH對除磷產生影響。