城市污水處理保證除磷脫氮效果的關(guān)鍵

1  前言

    從七十年代中期人們發(fā)現并開(kāi)始研究污水除磷工藝技術(shù)以來(lái)，已有大量關(guān)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(chǎng)采用各種除磷工藝技術(shù)在運行。有的污水處理廠(chǎng)在實(shí)際運行中除磷效果較好，也有的污水處理廠(chǎng)在實(shí)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(chǎng)的具體情況 ，在這里不妄加評論。下面只就大連開(kāi)發(fā)區水質(zhì)凈化一廠(chǎng)在實(shí)際運行中除磷效果較好的關(guān)鍵進(jìn)行探討，僅供參考。

大連開(kāi)發(fā)區水質(zhì)凈化一廠(chǎng)二級處理除磷情況見(jiàn)表2。

表2  進(jìn)出水TP月平均值（單位：mg/L）

2  大連開(kāi)發(fā)區水質(zhì)凈化一廠(chǎng)基本情況

    大連開(kāi)發(fā)區水質(zhì)凈化一廠(chǎng)日處理污水設計能力為8萬(wàn)立方米，工藝流程如下：

污水—→沉砂池—→初沉池—→A/O池→二沉池—→排�！�

                                 ↑       ↓              

                                 └———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(cháng))×7(寬)×5.7(深)×2=1946米³

    O段：28.0(長(cháng))×8(寬)×5.7(深)×3=3831米³

    3^#、4^#系統日處理污水能力5萬(wàn)米³，污水在A(yíng)段停留時(shí)間為1小時(shí)15分，在O段停留時(shí)間為2時(shí)30分，總停留時(shí)間為3小時(shí)45分左右。為避免外來(lái)空氣帶入A段，A/O池采取液下進(jìn)水，A段采用液下攪拌器。

    3^#、4^#A/O池A段和O段DO及MLSS見(jiàn)表1。

表1 （單位：mg/L）

大連開(kāi)發(fā)區水質(zhì)凈化一廠(chǎng)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(wú)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(yíng)養源，同時(shí)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(zhì)進(jìn)行氧化分解產(chǎn)生能量，這時(shí)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。首先必須在厭氧區中控制嚴格的厭氧條件，這直接關(guān)系到聚磷菌的生長(cháng)狀況、釋磷能力及利用有機基質(zhì)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(chǎn)酸作用，妨礙磷的釋放；另一方面會(huì )耗盡能快速降解有機基質(zhì)，從而減少了聚磷菌所需的脂肪酸產(chǎn)生量，造成生物除磷效果差。其次是在好氧區中要供給足夠的溶解氧，以滿(mǎn)足聚磷菌對其儲存的PHB進(jìn)行降解，釋放足夠的能量供其過(guò)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(chǎng)的實(shí)踐證明，如果在絕氧區（A段）DO符合要求，細胞內磷釋放情況好，同時(shí)在好氧區（O段）DO符合要求，則細胞吸收磷的情況就好，也就是說(shuō)在 A段必須大量釋放磷的情況下，才能在 O段過(guò)量吸收磷，從而達到從污水中很好的除磷效果，這一點(diǎn)對于除磷特別重要。我廠(chǎng)有一個(gè)實(shí)際情況可以證明：1999年8月3日因鼓風(fēng)機系統出現故障，只能開(kāi)一臺鼓風(fēng)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(fēng)機系統恢復正常，開(kāi)兩臺鼓風(fēng)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(shí)際情況非常有力地說(shuō)明聚磷菌在絕氧條件下大量釋放磷，在供氧充足時(shí)就會(huì )大量吸收磷。我廠(chǎng)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(diǎn)除對保證聚磷菌過(guò)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(diǎn)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(lái)。如果只注意在A(yíng)/O池中除掉磷，而不關(guān)注對聚磷菌攝磷以后的保護，就會(huì )發(fā)生厭氧釋放磷，就會(huì )前功盡棄，導致二沉池出水含磷濃度高，或二沉池排出來(lái)的污泥中所含磷在以后的流程中釋放出來(lái)。上述觀(guān)點(diǎn)有些資料已經(jīng)提到，但有的廠(chǎng)在實(shí)際運行中并未給予足夠重視，而只過(guò)份考慮節電，A/O池O段出水DO盡量低,又加之污泥在二沉池停留時(shí)間過(guò)長(cháng)，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(lái)。大連開(kāi)發(fā)區水質(zhì)凈化一廠(chǎng)，污泥在二沉池內停留時(shí)間是2小時(shí)30分左右，經(jīng)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(lái)，勢必造成二沉池出水含磷量過(guò)高。

4.2  BOD的影響

5．BOD負荷和有機物性質(zhì)

廢水生物除磷工藝中，厭氧段有機基質(zhì)的種類(lèi)、含量及其與微生物營(yíng)養物質(zhì)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(zhì)時(shí)，磷的厭氧釋放和好氧攝取是不同的。根據生物除磷原理，分子量較小的易降解的有機物(如低級脂肪酸類(lèi)物質(zhì))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(chǎn)生的能量，主要用于其吸收進(jìn)水中低分子有機基質(zhì)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(jìn)水中是否含有足夠的有機基質(zhì)提供給聚磷菌合成PHB，是關(guān)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(jìn)水中BOD₅/TP要大于15，才能保證聚磷菌有著(zhù)足夠的基質(zhì)需求而獲得良好的除磷效果。為此，有時(shí)可以采用部分進(jìn)水和省去初沉池的方法，來(lái)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(gè)關(guān)鍵參數。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(dòng)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(guò)試驗確定：BOD負荷在0.21～0.50kg·BOD₅/kg·MLSS·d之間時(shí)，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(shí)，除磷效果有所下降；BOD負荷在0.10kg·BOD₅/kg·MLSS·d時(shí)，除磷效果極差。這一試驗結果也驗證了上述理論。在我廠(chǎng)的實(shí)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(chǎng)連續三個(gè)月二級出水TP較高，超過(guò)0.50mg/L，但其它監測項目均正常達標，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(jīng)過(guò)反復分析研究，我們認為是由于進(jìn)水BOD₅較低或者進(jìn)水BOD₅中溶解性BOD₅（亦稱(chēng)SBOD₅）較低，造成BOD負荷過(guò)低，聚磷菌不能充分進(jìn)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(yíng)養物供給聚磷菌。這樣調整的效果非常好，TP很快就降到0.50mg/L以下。具體數據見(jiàn)表3、表4。

表3  超越初沉池前BOD₅及TP監測數據

表4  超越初沉池后BOD₅及TP監測數據

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，應根據進(jìn)水BOD和曝氣池中的污泥濃度以及二沉池出水的TP來(lái)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(jìn)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(chēng)濾過(guò)性BOD₅），簡(jiǎn)稱(chēng)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(huì )消耗有機基質(zhì)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(huì )被部分生物聚磷菌(氣單胞菌)利用作為電子受體進(jìn)行反硝化，從而影響其以發(fā)酵中間產(chǎn)物作為電子受體進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)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(jìn)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(huì )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(zhì)的能力，導致聚磷菌得不到足夠的營(yíng)養物而不能充分釋放磷，也就無(wú)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的除磷效果。但是在生產(chǎn)實(shí)際中不可避免地要有一些氧化態(tài)氮進(jìn)入厭氧段，只是要盡量控制其進(jìn)入量，有文獻報道厭氧區內氧化態(tài)氮的濃度低于1.5mg/L時(shí)，對磷的釋放影響較小。

4.4  污泥齡（SRT）的影響

由于生物脫磷系統主要是通過(guò)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的脫磷效果。而泥齡的長(cháng)短對污泥的攝磷作用及剩余污泥的排放量有著(zhù)直接的影響。一般來(lái)說(shuō)，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中，一般宜采用較短的泥齡。但過(guò)短的泥齡會(huì )影響出水的BOD₅和COD，若泥齡過(guò)短可能會(huì )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(lái)說(shuō)厭氧區的停留時(shí)間越長(cháng)，除磷效果越好。但過(guò)長(cháng)的停留時(shí)間，并不會(huì )太多地提高除磷效果，且會(huì )有利于絲狀菌的生長(cháng)，使污泥的沉淀性能惡化，因此厭氧段的停留時(shí)間不宜過(guò)長(cháng)。剩余污泥的處理方法也會(huì )對系統的除磷效果產(chǎn)生影響，因為污泥濃縮池中呈厭氧狀態(tài)會(huì )造成聚磷菌的釋磷，使濃縮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(guò)將富含磷的剩余污泥排除到系統外而實(shí)現的，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的除磷效果，這樣系統的泥齡也不得不相應地降低。因此A/O法除磷系統要求較低的泥齡，一般認為SRT應在7～10天之間，也有人認為SRT在3天左右時(shí)，系統仍能維持比較好的除磷效率，故最佳值為4～5天。如果SRT過(guò)高，剩余污泥排放量較小，污泥“夾帶”排出系統的磷的總量不多，系統的除磷效率就會(huì )大大降低，同時(shí)，聚磷菌多為短泥齡微生物，SRT較高時(shí)，污泥的活性和沉降性能均會(huì )下降；但SRT也不能過(guò)低，這會(huì )導致混合液污泥大量流失，對降解BOD₅和除磷反而不利，所以降低系統的SRT，必須以保證BOD₅的有效去除為前提。

我廠(chǎng)實(shí)際運行中，SRT一般控制在7天左右，除磷效果較好。另?yè)䦂蟮�，美國的Hyperion污水處理廠(chǎng)在攝氏22～24度時(shí)，SRT可降低至3.1天，而出水的磷僅為0.4mg/L�？梢�(jiàn)SRT的一般范圍不是絕對的，應根據進(jìn)水水質(zhì)、BOD₅（或SBOD₅）/TP的值、系統的MLSS值的波動(dòng)做相應的調整，總的應著(zhù)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(diǎn)，就是使系統污泥在曝氣池中“攜帶”足夠的溶解氧進(jìn)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(wú)法保證污泥不厭氧釋磷，因此，A/O系統的回流比不宜太低，應保持足夠的回流比，盡快將二沉池內的污泥排出。但過(guò)高的回流比會(huì )增加回流系統和曝氣系統的能源消耗，且會(huì )縮短污泥在曝氣池內的實(shí)際停留時(shí)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(shí)際運行中反復摸索。一般認為，R在50~70%的范圍內即可。我廠(chǎng)的污泥回流比基本上控制在50%左右。

4.6  水力停留時(shí)間（HRT）的影響

對于運行良好的城市污水生物脫氮除磷系統來(lái)說(shuō)，一般釋磷和吸磷分別需要1.5～2.5小時(shí)和2.0～3.0小時(shí)�？傮w來(lái)看，似乎釋磷過(guò)程更為重要一些，因此，我們對污水在厭氧段的停留時(shí)間更為關(guān)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(huì )影響磷的釋放；HRT太長(cháng)，也沒(méi)有必要，既增加基建投資和運行費用，還可能產(chǎn)生一些副作用�？傊�，釋磷和吸磷是相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)過(guò)程，聚磷菌只有經(jīng)過(guò)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(huì )在厭氧段超量地釋磷，調控得當會(huì )形成一個(gè)良性循環(huán)。我廠(chǎng)在實(shí)際運行中摸索得到的數據是：厭氧段HRT為1小時(shí)15分～1小時(shí)45分，好氧段HRT為2小時(shí)～3小時(shí)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(shí)，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(shí)，磷的厭氧釋放比較穩定。pH值偏高時(shí)，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(shí)生物除磷的效果會(huì )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(chǎng)進(jìn)水的pH值始終穩定在此范圍內未發(fā)現pH對除磷產(chǎn)生影響。