城市污水处理保证除磷脱氮效果的关键

陈荣光
大连开发区排水管理有限公司，辽宁 大连 116600

　　摘 要： 生产运行实践证明，合理控制A段、O段溶解氧量，保持较高的BOD负荷，可以大大提高A/O法生物除磷工艺的除磷效果。
　　关键词： 除磷； 溶解氧； BOD负荷

1 前言

　　从七十年代中期人们发现并开始研究污水除磷工艺技术以来，已有大量关于除磷机理的研究论文发表，国内外也已有众多的污水处理厂采用各种除磷工艺技术在运行。有的污水处理厂在实际运行中除磷效果较好，也有的污水处理厂在实际运行中除磷效果不尽人意。因不了解除磷效果不好的污水处理厂的具体情况 ，在这里不妄加评论。下面只就大连开发区水质净化一厂在实际运行中除磷效果较好的关键进行探讨，仅供参考。
　　大连开发区水质净化一厂二级处理除磷情况见表2。

表2　 进出水TP月平均值（单位：mg/L）

2 大连开发区水质净化一厂基本情况

　　 大连开发区水质净化一厂日处理污水设计能力为8万立方米，工艺流程如下：

　　共有A/O池四座(1^#—4^#)，以3^#、4^#A/O池为例：
　　A段：24.4(长)×7(宽)×5.7(深)×2=1946米³
　　O段：28.0(长)×8(宽)×5.7(深)×3=3831米³
　　3^#、4^#系统日处理污水能力5万米³，污水在A段停留时间为1小时15分，在O段停留时间为2时30分，总停留时间为3小时45分左右。为避免外来空气带入A段，A/O池采取液下进水，A段采用液下搅拌器。
　　3^#、4^#A/O池A段和O段DO及MLSS见表1。

表1 （单位：mg/L）

　　 大连开发区水质净化一厂的出水TP一般都在0.5mg/L以下，而脱水后的污泥中P（以P₂O₅计）的含量近10%。

3　A/O　法除磷的机理

　　A/O法除磷的机理大家公认的是聚磷菌先在 A/O池的A段处于无氧状态，在此状态下，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机物贮于细胞内作为营养源，同时将细胞内已有的聚合磷酸盐以PO₄^-3-P的形式释放于水中。而在有氧状态下，聚磷菌将细胞内存在的有机物质进行氧化分解产生能量，这时能将 污 水 中 的PO₄^-3 -P超量吸收于细胞内，又以聚磷酸盐的形式贮存在细胞内，这些磷最终以污泥的形式排出，从而达到从污水中去除磷的目的。

4　污水中除磷的影响因素

4.1　溶解氧（DO）的影响
　　溶解氧的影响包括两方面。首先必须在厌氧区中控制严格的厌氧条件，这直接关系到聚磷菌的生长状况、释磷能力及利用有机基质合成PHB的能力。由于DO的存在，一方面DO将作为最终电子受体而抑制厌氧菌的发酵产酸作用，妨碍磷的释放；另一方面会耗尽能快速降解有机基质，从而减少了聚磷菌所需的脂肪酸产生量，造成生物除磷效果差。其次是在好氧区中要供给足够的溶解氧，以满足聚磷菌对其储存的PHB进行降解，释放足够的能量供其过量摄磷之需，有效地吸收废水中的磷。一般厌氧段的DO应严格控制在0.2mg/L以下，而好氧段的溶解氧控制在2.0mg/L左右。
　　我厂的实践证明，如果在绝氧区（A段）DO符合要求，细胞内磷释放情况好，同时在好氧区（O段）DO符合要求，则细胞吸收磷的情况就好，也就是说在 A段必须大量释放磷的情况下，才能在 O段过量吸收磷，从而达到从污水中很好的除磷效果，这一点对于除磷特别重要。我厂有一个实际情况可以证明：1999年8月3日因鼓风机系统出现故障，只能开一台鼓风机，3^#、4^#A/O池O段DO只有0.2mg/L，结果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日鼓风机系统恢复正常，开两台鼓风机供气，3^#、4^#A/O池O段DO≥2.5mg/L，3^#、4^#二沉池出水TP检不出。这一实际情况非常有力地说明聚磷菌在绝氧条件下大量释放磷，在供氧充足时就会大量吸收磷。我厂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之间。
　　在这里需要特别强调指出的是：
　　在O段DO一定要保证＞2.0mg/L，这一点除对保证聚磷菌过量摄磷特别重要外（否则吸收磷就大大减少），还有更为重要的一点是防止在二沉池及以后流程中聚磷菌体内的磷因DO不够而释放出来。如果只注意在A/O池中除掉磷，而不关注对聚磷菌摄磷以后的保护，就会发生厌氧释放磷，就会前功尽弃，导致二沉池出水含磷浓度高，或二沉池排出来的污泥中所含磷在以后的流程中释放出来。上述观点有些资料已经提到，但有的厂在实际运行中并未给予足够重视，而只过份考虑节电，A/O池O段出水DO尽量低,又加之污泥在二沉池停留时间过长，造成二沉池内缺氧，使“吃饱”了磷的聚磷菌在缺氧状态下将体内的磷又释放出来。大连开发区水质净化一厂，污泥在二沉池内停留时间是2小时30分左右，经检测二沉池内污泥TP高达23.00mg/L，如果这些磷不保护好（用足够的DO）而释放出来，势必造成二沉池出水含磷量过高。
4.2　BOD的影响

5．BOD负荷和有机物性质

　　废水生物除磷工艺中，厌氧段有机基质的种类、含量及其与微生物营养物质的比值(BOD₅/TP)是影响除磷效果的重要因素。不同的有机物为基质时，磷的厌氧释放和好氧摄取是不同的。根据生物除磷原理，分子量较小的易降解的有机物(如低级脂肪酸类物质)易于被聚磷菌利用，将其体内储存的多聚磷酸盐分解释放出磷，诱导磷释放的能力较强，而高分子难降解的有机物诱导释磷的能力较弱。厌氧阶段磷的释放越充分，好氧阶段磷的摄取量就越大。另一方面，聚磷菌在厌氧段释放磷所产生的能量，主要用于其吸收进水中低分子有机基质合成PHB储存在体内，以作为其在厌氧条件压抑环境下生存的基础。因此，进水中是否含有足够的有机基质提供给聚磷菌合成PHB，是关系到聚磷菌在厌氧条件下能否顺利生存的重要因素。一般认为，进水中BOD₅/TP要大于15，才能保证聚磷菌有着足够的基质需求而获得良好的除磷效果。为此，有时可以采用部分进水和省去初沉池的方法，来获得除磷所需要的BOD负荷。
　　首先是BOD负荷（F/M），它是A/O法生物除磷工艺的一个关键参数。A/O法除磷工艺中起主要作用的是聚磷菌，而聚磷菌大多为不动菌属，其生理活性较弱，只能摄取有机物中极易分解的部分，通俗地讲即只能吃“极其可口”的食物，例如乙酸等挥发性脂肪酸，对于BOD₅中的大部分有机物，例如固态的BOD₅部分、胶态的BOD₅部分，聚磷菌是难以吸收的，甚至对已溶解的葡萄糖，聚磷菌也都“懒”得摄取。因此，有机物尤其是低分子有机物是激发聚磷菌同化作用的必备条件，A/O生物除磷工艺应保持较高的BOD负荷。有文献报道，通过试验确定：BOD负荷在0.21～0.50kg·BOD₅/kg·MLSS·d之间时，磷的去除和有机物的去除都达到了较好的效果；BOD负荷在0.20kg·BOD₅/kg·MLSS·d以下时，除磷效果有所下降；BOD负荷在0.10kg·BOD₅/kg·MLSS·d时，除磷效果极差。这一试验结果也验证了上述理论。在我厂的实际运行中，BOD负荷控制0.3～0.5kg· BOD₅/kg· MLSS· d之间，除磷效果较好，二级出水TP基本在0.50mg/L以下。
　　1998年五至七月，我厂连续三个月二级出水TP较高，超过0.50mg/L，但其它监测项目均正常达标，我们采取了调整曝气量、控制回流比等调控方式，但效果均不明显，经过反复分析研究，我们认为是由于进水BOD₅较低或者进水BOD₅中溶解性BOD₅（亦称SBOD₅）较低，造成BOD负荷过低，聚磷菌不能充分进行同化作用，降低了对磷的摄取能力。于是，我们决定超越初沉池，以保证A/O池内具有足够的营养物供给聚磷菌。这样调整的效果非常好，TP很快就降到0.50mg/L以下。具体数据见表3、表4。

表3　 超越初沉池前BOD₅及TP监测数据

表4　 超越初沉池后BOD₅及TP监测数据

　　在超越初沉池的运行中，不一定要完全超越，一般情况下可以部分超越，应根据进水BOD和曝气池中的污泥浓度以及二沉池出水的TP来综合考虑，并兼顾到剩余污泥的排放量。
　　其次是BOD₅ /TP。一般认为，要保证除磷效果，应控制进入厌氧段的污水中BOD₅ /TP大于20，以保证聚磷菌对磷的有效释放。如能测得溶解性BOD₅（或称滤过性BOD₅），简称SBOD₅，使SBOD₅/TP大于20，则运行控制将更加准确合理，除磷效果将更为理想。
4.3 氧化态氮（NO^-n-N）的影响
　　硝态氮包括硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，其存在同样也会消耗有机基质而抑制聚磷菌对磷的释放，从而影响在好氧条件下聚磷菌对磷的吸收。另一方面硝态氮的存在会被部分生物聚磷菌(气单胞菌)利用作为电子受体进行反硝化，从而影响其以发酵中间产物作为电子受体进行发酵产酸，从而抑制了聚磷菌的释磷和摄磷能力及PHB的合成能力。
　　A/O法除磷的前提是聚磷菌在厌氧段内大量地释放磷，然后进入好氧段才能超量摄取磷，但是厌氧段中氧化态氮的存在会抑制聚磷菌的同化作用，其原因是氧化态氮可以激发回流污泥中脱氮菌的活力，而脱氮菌具有较高的繁殖速度和同化多种基质的能力，导致聚磷菌得不到足够的营养物而不能充分释放磷，也就无法在好氧段大量吸收磷。因此氧化态氮的存在将严重影响系统的除磷效果。但是在生产实际中不可避免地要有一些氧化态氮进入厌氧段，只是要尽量控制其进入量，有文献报道厌氧区内氧化态氮的浓度低于1.5mg/L时，对磷的释放影响较小。
4.4 污泥龄（SRT）的影响
　　由于生物脱磷系统主要是通过排除剩余污泥去除磷的，因此剩余污泥量的多少将决定系统的脱磷效果。而泥龄的长短对污泥的摄磷作用及剩余污泥的排放量有着直接的影响。一般来说，泥龄越短，污泥含磷量越高，排放的剩余污泥量也越多，越可以取得较好的脱磷效果。短的泥龄还有利于好氧段控制硝化作用的发生而利于厌氧段的充分释磷，因此，仅以除磷为目的的污水处理系统中，一般宜采用较短的泥龄。但过短的泥龄会影响出水的BOD₅和COD，若泥龄过短可能会使出水的BOD₅和COD达不到要求。资料表明，以除磷为目的的生物处理工艺污泥龄一般控制在3.5～7d。
　　另外，一般来说厌氧区的停留时间越长，除磷效果越好。但过长的停留时间，并不会太多地提高除磷效果，且会有利于丝状菌的生长，使污泥的沉淀性能恶化，因此厌氧段的停留时间不宜过长。剩余污泥的处理方法也会对系统的除磷效果产生影响，因为污泥浓缩池中呈厌氧状态会造成聚磷菌的释磷，使浓缩池上清液和污泥脱水液中含有高浓度的磷，因此有必要采取合适的污泥处理方法，避免磷的重新释放。
　　A/O法除磷是通过将富含磷的剩余污泥排除到系统外而实现的，而且也是生物除磷的唯一途径，只有维持较高的剩余污泥排放量才能保证系统的除磷效果，这样系统的泥龄也不得不相应地降低。因此A/O法除磷系统要求较低的泥龄，一般认为SRT应在7～10天之间，也有人认为SRT在3天左右时，系统仍能维持比较好的除磷效率，故最佳值为4～5天。如果SRT过高，剩余污泥排放量较小，污泥“夹带”排出系统的磷的总量不多，系统的除磷效率就会大大降低，同时，聚磷菌多为短泥龄微生物，SRT较高时，污泥的活性和沉降性能均会下降；但SRT也不能过低，这会导致混合液污泥大量流失，对降解BOD₅和除磷反而不利，所以降低系统的SRT，必须以保证BOD₅的有效去除为前提。
　　我厂实际运行中，SRT一般控制在7天左右，除磷效果较好。另据报道，美国的Hyperion污水处理厂在摄氏22～24度时，SRT可降低至3.1天，而出水的磷仅为0.4mg/L。可见SRT的一般范围不是绝对的，应根据进水水质、BOD₅（或SBOD₅）/TP的值、系统的MLSS值的波动做相应的调整，总的应着眼于总除磷量。
4.5 回流比（R）的影响
　　前已述及，A/O工艺保证除磷效果的极为重要的一点，就是使系统污泥在曝气池中“携带”足够的溶解氧进入二沉池，其目的就是为了防止污泥在二沉池中因厌氧而释放磷，但如果不能快速排泥，二沉池内泥层太厚，再高的DO也无法保证污泥不厌氧释磷，因此，A/O系统的回流比不宜太低，应保持足够的回流比，尽快将二沉池内的污泥排出。但过高的回流比会增加回流系统和曝气系统的能源消耗，且会缩短污泥在曝气池内的实际停留时间，影响BOD₅和P的去除效果。如何在保证快速排泥的前提下，尽量降低回流比，需在实际运行中反复摸索。一般认为，R在50~70%的范围内即可。我厂的污泥回流比基本上控制在50%左右。
4.6 水力停留时间（HRT）的影响
　　对于运行良好的城市污水生物脱氮除磷系统来说，一般释磷和吸磷分别需要1.5～2.5小时和2.0～3.0小时。总体来看，似乎释磷过程更为重要一些，因此，我们对污水在厌氧段的停留时间更为关注，厌氧段的HRT太短，将不能保证磷的有效释放，而且污泥中的兼性酸化菌不能充分地将污水中的大分子有机物分解为可供聚磷菌摄取的低级脂肪酸，也会影响磷的释放；HRT太长，也没有必要，既增加基建投资和运行费用，还可能产生一些副作用。总之，释磷和吸磷是相互关联的两个过程，聚磷菌只有经过充分的厌氧释磷才能在好氧段更好地吸磷，也只有吸磷良好的聚磷菌才会在厌氧段超量地释磷，调控得当会形成一个良性循环。我厂在实际运行中摸索得到的数据是：厌氧段HRT为1小时15分～1小时45分，好氧段HRT为2小时～3小时10分较为合适。
4.7 pH的影响
　　pH对磷的释放和吸收具有不同的影响。pH值偏低时，有利于聚磷菌对聚磷酸的水解，磷的释放速率和释放量较大；试验证明pH值在6～8的范围内时，磷的厌氧释放比较稳定。pH值偏高时，有利于磷的吸收，其吸收速率和吸收量较大。pH值低于6.5时生物除磷的效果会大大下降。综合考虑，曝气池混合液的pH值应控制在6.5～8.0的范围内。我厂进水的pH值始终稳定在此范围内未发现pH对除磷产生影响。
4.8　温度的影响
　　温度对除磷效果的影响不如对生物脱氮过程的影响那么明显，因为在高温、中温、低温条件下，有不同的菌群都具有生物脱磷的能力，但低温运行时厌氧区的停留时间要更长一些，以保证发酵作用的完成及基质的吸收。实验表明在5～30℃的范围内，都可以得到很好的除磷效果。
　　我们测定了1998年各月份的水温，对照出水水质，未发现污水温度的变化影响除磷工艺的正常运行。水温记录见表5。

表5 1998年各月份污水温度（摄氏度）

5　结论

　　从污水中除磷说难也难，说容易也容易。只要抓住诸多影响除磷因素中的关键因素，从污水中除磷也就不是一件很难的事情了。从我厂多年除磷实践来看，在诸多影响除磷的因素中，从其重要程度的排列来看，我们认为 A/O池的DO是最重要的，即在A/O池的A段必须保持小于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。另外要特别注意对“吃饱了磷”的摄磷菌的保护，以免这些磷在A/O池以后的流程中因缺氧而释放出来。其次是BOD负荷（F/M），它是A/O法生物除磷工艺的一个关键参数，A/O生物除磷工艺应保持较高的BOD负荷。再就是把富含磷的污泥尽快排出去，也就是说泥龄要短，但是要兼顾除氮所需的泥龄。

作者简介：陈荣光（1945年生），男，大连开发区排水管理有限公司高级工程师，主要从事污水处理技术工作。
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