【污水處理工藝】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(xiàn)并開始研究污水除磷工藝技術(shù)以來，已有大量關(guān)于除磷機(jī)理的研究論文發(fā)表，國(guó)內(nèi)外也已有眾多的污水處理廠采用各種除磷工藝技術(shù)在運(yùn)行。有的污水處理廠在實(shí)際運(yùn)行中除磷效果較好，也有的污水處理廠在實(shí)際運(yùn)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(píng)論。下面只就大連開發(fā)區(qū)水質(zhì)凈化一廠在實(shí)際運(yùn)行中除磷效果較好的關(guān)鍵進(jìn)行探討，僅供參考。
大連開發(fā)區(qū)水質(zhì)凈化一廠二級(jí)處理除磷情況見表2。
| 表2 進(jìn)出水TP月平均值（單位：mg/L） |
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2 大連開發(fā)區(qū)水質(zhì)凈化一廠基本情況
大連開發(fā)區(qū)水質(zhì)凈化一廠日處理污水設(shè)計(jì)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—→排海—→
↑ ↓
└———污泥―→濃縮―→脫水―→外運(yùn)
↓
干燥
共有A/O池四座(1#—4#)，以3#、4#A/O池為例：
A段：24.4(長(zhǎng))×7(寬)×5.7(深)×2=1946米3
O段：28.0(長(zhǎng))×8(寬)×5.7(深)×3=3831米3
3#、4#系統(tǒng)日處理污水能力5萬(wàn)米3，污水在A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見下表。
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大連開發(fā)區(qū)水質(zhì)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(jì)）的含量近10%。
3 A/O法除磷的機(jī)理
A/O法除磷的機(jī)理大家公認(rèn)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(jī)物貯于細(xì)胞內(nèi)作為營(yíng)養(yǎng)源，同時(shí)將細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞內(nèi)存在的有機(jī)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(xì)胞內(nèi)，又以聚磷酸鹽的形式貯存在細(xì)胞內(nèi)，這些磷最終以污泥的形式排出，從而達(dá)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(yán)格的厭氧條件，這直接關(guān)系到聚磷菌的生長(zhǎng)狀況、釋磷能力及利用有機(jī)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(jī)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(qū)中要供給足夠的溶解氧，以滿足聚磷菌對(duì)其儲(chǔ)存的PHB進(jìn)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(yīng)嚴(yán)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(shí)踐證明，如果在絕氧區(qū)（A段）DO符合要求，細(xì)胞內(nèi)磷釋放情況好，同時(shí)在好氧區(qū)（O段）DO符合要求，則細(xì)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(dá)到從污水中很好的除磷效果，這一點(diǎn)對(duì)于除磷特別重要。我廠有一個(gè)實(shí)際情況可以證明：1999年8月3日因鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，只能開一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，3#、4#A/O池O段DO只有0.2mg/L，結(jié)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(jī)系統(tǒng)恢復(fù)正常，開兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)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(qiáng)調(diào)指出的是：
在O段DO一定要保證＞2.0mg/L，這一點(diǎn)除對(duì)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(diǎn)是防止在二沉池及以后流程中聚磷菌體內(nèi)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(guān)注對(duì)聚磷菌攝磷以后的保護(hù)，就會(huì)發(fā)生厭氧釋放磷，就會(huì)前功盡棄，導(dǎo)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(diǎn)有些資料已經(jīng)提到，但有的廠在實(shí)際運(yùn)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(shí)間過長(zhǎng)，造成二沉池內(nèi)缺氧，使“吃飽”了磷的聚磷菌在缺氧狀態(tài)下將體內(nèi)的磷又釋放出來。大連開發(fā)區(qū)水質(zhì)凈化一廠，污泥在二沉池內(nèi)停留時(shí)間是2小時(shí)30分左右，經(jīng)檢測(cè)二沉池內(nèi)污泥TP高達(dá)23.00mg/L，如果這些磷不保護(hù)好（用足夠的DO）而釋放出來，勢(shì)必造成二沉池出水含磷量過高。
4.2 BOD的影響
5．BOD負(fù)荷和有機(jī)物性質(zhì)
廢水生物除磷工藝中，厭氧段有機(jī)基質(zhì)的種類、含量及其與微生物營(yíng)養(yǎng)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(jī)物為基質(zhì)時(shí)，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(jī)物(如低級(jí)脂肪酸類物質(zhì))易于被聚磷菌利用，將其體內(nèi)儲(chǔ)存的多聚磷酸鹽分解釋放出磷，誘導(dǎo)磷釋放的能力較強(qiáng)，而高分子難降解的有機(jī)物誘導(dǎo)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(jī)基質(zhì)合成PHB儲(chǔ)存在體內(nèi)，以作為其在厭氧條件壓抑環(huán)境下生存的基礎(chǔ)。因此，進(jìn)水中是否含有足夠的有機(jī)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(rèn)為，進(jìn)水中BOD5/TP要大于15，才能保證聚磷菌有著足夠的基質(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，來獲得除磷所需要的BOD負(fù)荷。
首先是BOD負(fù)荷（F/M），它是A/O法生物除磷工藝的一個(gè)關(guān)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(dòng)菌屬，其生理活性較弱，只能攝取有機(jī)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(duì)于BOD5中的大部分有機(jī)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(duì)已溶解的葡萄糖，聚磷菌也都“懶”得攝取。因此，有機(jī)物尤其是低分子有機(jī)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(yīng)保持較高的BOD負(fù)荷。有文獻(xiàn)報(bào)道，通過試驗(yàn)確定：BOD負(fù)荷在0.21～0.50kg·BOD5/kg·MLSS·d之間時(shí)，磷的去除和有機(jī)物的去除都達(dá)到了較好的效果；BOD負(fù)荷在0.20kg·BOD5/kg·MLSS·d以下時(shí)，除磷效果有所下降；BOD負(fù)荷在0.10kg·BOD5/kg·MLSS·d時(shí)，除磷效果極差。這一試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了上述理論。在我廠的實(shí)際運(yùn)行中，BOD負(fù)荷控制0.3～0.5kg· BOD5/kg· MLSS· d之間，除磷效果較好，二級(jí)出水TP基本在0.50mg/L以下。
1998年五至七月，我廠連續(xù)三個(gè)月二級(jí)出水TP較高，超過0.50mg/L，但其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均正常達(dá)標(biāo)，我們采取了調(diào)整曝氣量、控制回流比等調(diào)控方式，但效果均不明顯，經(jīng)過反復(fù)分析研究，我們認(rèn)為是由于進(jìn)水BOD5較低或者進(jìn)水BOD5中溶解性BOD5（亦稱SBOD5）較低，造成BOD負(fù)荷過低，聚磷菌不能充分進(jìn)行同化作用，降低了對(duì)磷的攝取能力。于是，我們決定超越初沉池，以保證A/O池內(nèi)具有足夠的營(yíng)養(yǎng)物供給聚磷菌。這樣調(diào)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(cè)數(shù)據(jù) |
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| 表4 超越初沉池后BOD5及TP監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) |
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在超越初沉池的運(yùn)行中，不一定要完全超越，一般情況下可以部分超越，應(yīng)根據(jù)進(jìn)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(rèn)為，要保證除磷效果，應(yīng)控制進(jìn)入?yún)捬醵蔚奈鬯蠦OD5 /TP大于20，以保證聚磷菌對(duì)磷的有效釋放。如能測(cè)得溶解性BOD5（或稱濾過性BOD5），簡(jiǎn)稱SBOD5，使SBOD5 /TP大于20，
則運(yùn)行控制將更加準(zhǔn)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(huì)消耗有機(jī)基質(zhì)而抑制聚磷菌對(duì)磷的釋放，從而影響在好氧條件下聚磷菌對(duì)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(nèi)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(dǎo)致聚磷菌得不到足夠的營(yíng)養(yǎng)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(yán)重影響系統(tǒng)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?yún)捬醵?，只是要盡量控制其進(jìn)入量，有文獻(xiàn)報(bào)道厭氧區(qū)內(nèi)氧化態(tài)氮的濃度低于1.5mg/L時(shí)，對(duì)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(zhǎng)短對(duì)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(huì)影響出水的BOD5和COD，若泥齡過短可能會(huì)使出水的BOD5和COD達(dá)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(shí)間越長(zhǎng)，除磷效果越好。但過長(zhǎng)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(zhǎng)，使污泥的沉淀性能惡化，因此厭氧段的停留時(shí)間不宜過長(zhǎng)。剩余污泥的處理方法也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的除磷效果產(chǎn)生影響，因?yàn)槲勰酀饪s池中呈厭氧狀態(tài)會(huì)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(shí)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(yīng)地降低。因此A/O法除磷系統(tǒng)要求較低的泥齡，一般認(rèn)為SRT應(yīng)在7～10天之間，也有人認(rèn)為SRT在3天左右時(shí)，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(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也不能過低，這會(huì)導(dǎo)致混合液污泥大量流失，對(duì)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(shí)際運(yùn)行中，SRT一般控制在7天左右，除磷效果較好。另?yè)?jù)報(bào)道，美國(guó)的Hyperion污水處理廠在攝氏22～24度時(shí)，SRT可降低至3.1天，而出水的磷僅為0.4mg/L?？梢奡RT的一般范圍不是絕對(duì)的，應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、BOD5（或SBOD5）/TP的值、系統(tǒng)的MLSS值的波動(dòng)做相應(yīng)的調(diào)整，總的應(yīng)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(diǎn)，就是使系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)的回流比不宜太低，應(yīng)保持足夠的回流比，盡快將二沉池內(nèi)的污泥排出。但過高的回流比會(huì)增加回流系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)的能源消耗，且會(huì)縮短污泥在曝氣池內(nèi)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(yùn)行中反復(fù)摸索。一般認(rèn)為，R在50~70%的范圍內(nèi)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(shí)間（HRT）的影響
對(duì)于運(yùn)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(shí)和2.0～3.0小時(shí)。總體來看，似乎釋磷過程更為重要一些，因此，我們對(duì)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(jī)物分解為可供聚磷菌攝取的低級(jí)脂肪酸，也會(huì)影響磷的釋放；HRT太長(zhǎng)，也沒有必要，既增加基建投資和運(yùn)行費(fèi)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)過程，聚磷菌只有經(jīng)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(huì)在厭氧段超量地釋磷，調(diào)控得當(dāng)會(huì)形成一個(gè)良性循環(huán)。我廠在實(shí)際運(yùn)行中摸索得到的數(shù)據(jù)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(duì)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(duì)聚磷酸的水解，磷的釋放速率和釋放量較大；試驗(yàn)證明pH值在6～8的范圍內(nèi)時(shí)，磷的厭氧釋放比較穩(wěn)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(yīng)控制在6.5～8.0的范圍內(nèi)。我廠進(jìn)水的pH值始終穩(wěn)定在此范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)pH對(duì)除磷產(chǎn)生影響。
4.8 溫度的影響
溫度對(duì)除磷效果的影響不如對(duì)生物脫氮過程的影響那么明顯，因?yàn)樵诟邷亍⒅袦?、低溫條件下，有不同的菌群都具有生物脫磷的能力，但低溫運(yùn)行時(shí)厭氧區(qū)的停留時(shí)間要更長(zhǎng)一些，以保證發(fā)酵作用的完成及基質(zhì)的吸收。實(shí)驗(yàn)表明在5～30℃的范圍內(nèi)，都可以得到很好的除磷效果。
我們測(cè)定了1998年各月份的水溫，對(duì)照出水水質(zhì)，未發(fā)現(xiàn)污水溫度的變化影響除磷工藝的正常運(yùn)行。水溫記錄見表5。
| 表5 1998年各月份污水溫度（攝氏度） |
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5 結(jié)論
從污水中除磷說難也難，說容易也容易。只要抓住諸多影響除磷因素中的關(guān)鍵因素，從污水中除磷也就不是一件很難的事情了。從我廠多年除磷實(shí)踐來看，在諸多影響除磷的因素中，從其重要程度的排列來看，我們認(rèn)為 A/O池的DO是最重要的，即在A/O池的A段必須保持小于0.2mg/L的DO，如果DO大于0.2mg/L，除磷效果必然下降。在O段如果DO小于2.0mg/L，即使在A段DO小于0.2mg/L，除磷效果也必然不行。如果在A段DO大于0.2mg/L，在O段DO又小于2.0mg/L，那除磷效果就更不行了。另外要特別注意對(duì)“吃飽了磷”的攝磷菌的保護(hù)，以免這些磷在A/O池以后的流程中因缺氧而釋放出來。其次是BOD負(fù)荷（F/M），它是A/O法生物除磷工藝的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，A/O生物除磷工藝應(yīng)保持較高的BOD負(fù)荷。再就是把富含磷的污泥盡快排出去，也就是說泥齡要短，但是要兼顧除氮所需的泥齡。
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