MSBR工藝除磷——以武鳴污水處理廠為例

許 謙，貝德光，陳程程，羅 瑩

(廣西綠城水務股份有限公司, 廣西南寧 530031)

武鳴污水處理廠是南寧市東盟經濟開發區唯一的污水處理廠，于2010年正式投產，主要收集武鳴縣城和南寧—東盟經濟開發區的污水，一期工程設計處理規模為5×104m3/d，設計出水水質達到《城市污水排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準(TP<0.5 mg/L)，是南寧市最早要求達到一級A標準的生活污水處理廠。隨著污水管網的不斷完善，進水各污染物濃度的不斷提高，進水TP由建成之初的1.5 mg/L增加至4.3 mg/L，需采取措施提高TP的削減率。

1 工藝簡介

武鳴污水處理廠一級處理單元主要由進水泵房、粗格柵、提升泵房、細格柵、曝氣沉砂池構成， 二級處理單元需采用改良型SBR工藝(modified sequencing batch reactor，MSBR)，共計2組，每組污水處理量為2.5×104m3/d；采用ABF濾池為深度處理單元，共2組，每組污水處理量為2.5×104m3/d。MSBR工藝如圖1所示。

圖1 MSBR工藝流程Fig.1 Process Flow of MSBR

2 現狀調查及數據分析

對進水數據、運行數據、除磷藥劑投加情況這三方面進行調查。

2.1 進水數據調查及分析

武鳴污水處理廠進水污染物濃度設計值及2017年1月—12月進出水污染物濃度(平均值，未投加化學藥劑)如表1所示。

表1 主要進水污染物設計值及2017年進出水污染物濃度Tab.1 Design Values of Main Influent Pollutants and Concentration of Influent and Effluent Pollutants in 2017

2.2 運行數據調查

污水處理廠日常運行的DO、MLSS、SV30如表2所示。活性污泥參數如表2所示：

表2 活性污泥參數Tab.2 Parameters of Activated Sludge

2.3 除磷藥劑的投加情況調查

化學除磷藥劑主要采用工業級PAC(GB/T 22627—2008，固體，溶解稀釋后投加，Al2O3有效含量為24%)，設計投加點在MSBR池的1#、7#序批池進水端。經實際調查，工業級PAC溶解后產生大量泥垢，淤堵在溶解池及投加管道中，且效果有限，不適合用作除磷藥劑。淤堵情況如圖2所示。

圖2 工業級PAC結垢圖Fig.2 Diagram of Industrial Grade PAC Scale

此外，原設計投加點沒有很好的水力混合條件，投加的金屬混凝劑不能與污水進行急劇、快速的混合，直接影響混凝沉淀效果[4]。

3 試驗研究及生產實踐

從現狀調查來看，現階段武鳴污水處理廠主要存在的問題有進水基質偏低、污泥泥齡偏長、除磷藥劑選擇不當、投加點設置不合理。針對這些問題，主要考慮從提高生化除磷效率和改進化學輔助除磷工藝2個方面解決。

3.1 提高生化除磷效率

表3 排泥后的生物除磷效果Tab.3 Effect of Biological Removal of Phosphorus after Sludge Discharge

由表3可知，生化除磷效率較排泥前有明顯提高，削減率上升21%，說明通過排出剩余污泥來降低MLSS濃度，從而達到縮短活性污泥泥齡的目的，是有明顯效果的。

3.2 化學除磷及數據分析

一般來講，出水TP達到一級A排放標準，在生物除磷的同時，需要輔以化學除磷的手段[5]。考慮到化學除磷對正磷酸鹽的削減率最高，在化學除磷之前可以對污水處理廠進、出水正磷酸鹽進行檢測，并通過小試試驗確定投加藥劑的種類及投加量，選取具有良好絮凝沉淀效果的工藝段作為投加點。

3.2.1 污水廠進水及出水可溶性正磷酸鹽的檢測

可溶性正磷酸鹽的削減機理為混凝劑金屬離子與磷酸根生成磷酸鹽沉淀，如式(1)。

(1)

顆粒態磷的削減機理為混凝的吸附架橋和網捕卷掃作用[5]。因此，在進行小試試驗前，連續對進廠及出廠水的溶解性正磷酸鹽占比進行分析(未投藥劑)，結果如表4所示。

表4 武鳴污水處理廠溶解性正磷酸鹽分析Tab.4 Analysis of Dissolved Orthophosphate in Wuming WWTP

由表4可知，武鳴污水處理廠進水的溶解性正磷酸鹽占比在70%左右，出水占比更高，在80%左右。因此，采用混凝法進行化學除磷是合適的。

3.2.2 通過小試試驗重新確定混凝除磷藥劑

選取聚合氯化鋁(飲用水級PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)、硫酸鋁這3種常見藥劑作為混凝劑，PAC有效Al2O3≥28%、PFS有效Fe3+含量≥19%、硫酸鋁有效Al2O3≥15%，并選用曝氣池混合液作為試驗原水(MLSS=3 100 mg/L)。

(1)投加量計算及試驗方法

混凝劑中金屬離子物質的量n(M)與污水中TP物質的量n(P)的比值理論上為1。實際應用中，投加的混凝劑并不能完全與磷 反應，n(M)/n(P)(即投加系數β)通常為2～3[5]。參考南寧市其他污水處理廠β取值，本試驗取β=2。選用PAC、PFS、硫酸鋁進行小試試驗，投加量計算如下：PAC∶Al=2×(2-0.5)× 27/31=2.6 mg/L；換算為Al2O3的量=2.6×102/54=4.9 mg/L，PAC的Al2O3含量為29%，則PAC投加量為17 mg/L；同理，計算PFS投加量為28.42 mg/L，硫酸鋁投加量為32.6 mg/L。

(2)試驗結果

試驗結果如表5所示。

表5 混凝劑除磷效率分析Tab.5 Analysis of Coagulant for Phosphorus Removal Efficiency

由表5可知，3種除磷藥劑的TP削減率分別為56%、57.23%及30.82%，PAC和PFS的TP削減率相當，硫酸鋁的TP削減率最低。下一步主要選取PAC及PFS，確定投加至一級A標準所需的大致藥劑量，結果如表6所示。

由表6可知，隨著混凝劑投加量的增加，PAC和PFS對TP的削減率增加，至50 mg/L時候，TP可以達到一級A標準，PAC的削減率略高于PFS的削減率。以武鳴污水處理廠日處理量5萬t計，日需PFS粉劑為2.5 t，1 900元/t，則日花費為4 750元，折合0.095元/t；PAC粉劑日需也為2.5 t，2 900元/t，則日花費為7 250元，折合0.145元/t。從價格成本上看，PFS優于PAC，考慮到鐵鹽混凝劑存在腐蝕設備的問題，長期投加，對MBSR位于污水處理構筑物中的設備可能不利，且鐵鹽投加量控制不好，易使水體顯色，造成出水色度超標。綜上，選取PAC(飲用水級)作為除磷藥劑，淘汰原使用的PAC(工業級，有效Al2O3≥23%，易結垢，圖2)，相較于工業級PAC，飲用水級PAC溶解度好，不結垢，可以徹底解決管道結垢、淤堵及溶解池沉積的問題，且Al2O3含量高(有效Al2O3≥29%)，比較符合實際需求。

表6 PAC及PFS投加量分析Tab.6 Analysis of PAC and PFS Dosages

3.2.3 投加點及投加效果

化學藥劑投加方式主要有3種，為前置投加、同步投加及后置投加。前置投加的投加點一般設置在沉砂池或初沉池的進水渠(管)；同步投加的投加點一般設置在曝氣池的進水端、出水端或二次沉淀池進水端；后置投加的投加點一般設置在二次沉淀池出水端或之后的絮凝沉淀池、氣浮池或增設的三級處理設施[6]。前置投加在除磷的過程中可能會削減相當量的有機物，造成進水碳源的流失，從而影響后續工藝對氮、磷的削減[6]，因此，主要考慮同步投加及后置投加的方式，并在此基礎上研究采用同步投加與后置投加相結合的多點投加方式。

(1)同步投加。同步投加主要選取曝氣池的進水端、出水端進行投加實踐，曝氣池進水端投加效果如表7所示。

表7 曝氣池進水端投加PAC效果Tab.7 Effect of PAC Dosing on Water Inlet of Aeration Tank

在曝氣池進水端進行投加PAC實踐，除磷效果較差。主要原因為6#曝氣池進水端雖然有利于混凝劑與水體的混合，但在曝氣池的水力停留時間較長(約6.5 h)，絮體不易形成，甚至形成后破碎難以重組[4]，從而影響TP的削減效果。

在曝氣池出水端投加PAC的效果如表8所示。

表8 曝氣池出水端投加PAC效果Tab.8 Effect of PAC Dosing on Water Outlet of Aeration Tank

在曝氣池出水端投加PAC的效果良好，可以穩定達到一級A出水標準。在該點投加，藥劑與污水經過短時間混合后，進入后續的序批池，序批池有良好的沉淀效果，為TP的削減創造了較好的條件。

總的來說，在曝氣池投加PAC可以穩定達到一級A標準，但同步投加會受到MLSS濃度的明顯影響[6]，MLSS越高，除磷藥劑的消耗量越大。主要原因：一是污水中的高MLSS不利于生物除磷；二是較高的MLSS濃度會消耗掉一部分的除磷藥劑，高藥耗對污水處理廠的運行是不利的。

(2)后置投加。由于濾池前未單獨設置絮凝沉淀單元，考慮到MSBR出水為跌落式出水，跌落高度約0.5 m，具有較好的水力混合效果，將投加點設置于出水堰處。投加效果如表9所示。

表9 MSBR出水端投加PAC效果Tab.9 Effect of PAC Dosing on Water Outlet of MSBR

采用后置投加的方式，出水TP只能降至0.55 mg/L左右，增加投藥量效果也不明顯。經過研究分析，其主要原因是出水堰至濾池進水端距離較短，絮凝時間僅為2 min，達不到形成較大絮體需要的時間，且濾砂較薄(15 cm)，截留絮體能力不強，較小的絮體可以穿透濾砂，從而影響除磷效果。取出濾后水水樣，經過一段時間靜置后，燒杯底層仍能發現細小絮體不斷形成(圖3)。因此，后置投加效果有限，后置投加投藥量在5～10 mg/L時發生絮體穿透的情況較少。

圖3 濾后水的絮體Fig.3 Flocs of Filtered Water

(3)多點投加。針對同步投加藥耗較高及后置投加不能完全滿足TP削減的要求，考慮采用同步投加與后置投加結合起來的多點投加方式進行生產實踐。多點投加效果如表10所示。

由表10可知，在采用多點投加方式后，總耗藥量有了明顯的降低，同時保證了出水TP的穩定達標。可以認為，多點投加是比較適合武鳴污水處理廠現階段除磷要求的投加方式，總投加量在10～20 mg/L。

4 總結和建議

(1)污水處理廠采用化學輔助除磷前，應先考慮提高生物除磷的效率，最大程度地利用生物除磷，在不投加碳源的前提下，可以通過多排泥減少MLSS濃度來降低污泥泥齡，從而提高TP的削減率。

表10 多點投加效果Tab.10 Effect of Multipoint Dosing

(2)在選用除磷藥劑時，應選用易采購到的混凝劑進行小試試驗，優選出除磷效率高的藥劑。小試試驗不能確定投加量，主要是因為實際生產中的MLSS和生物除磷效率是不斷變化的。小試試驗的目的主要是確定一個投加的基準值作為參考。

(3)當選擇采用同步投加的方式時，應在保證其他污染物達標排放的基礎上，盡量減少MLSS濃度，以提高生物除磷效率與降低藥耗。在長期的生產實踐中發現，經過一段時間的投加，藥耗量會有所下降(MLSS及進水污染物濃度均無較大變化)，原因是活性污泥在不斷回流的過程中，將沒有反應完全的藥劑回流到工藝前端進一步反應，提高了藥劑的利用率。同步投加對生化系統的污染物削減率有一定的影響，產泥量是幾種除磷方式中最多的[6]。在單獨采用同步投加時，未采用同步投加前，月產泥量約在490 t/月，采用同步投加后，月產泥量增至627～693 t/月，增加了20%～30%。此外，含PAC的剩余污泥對好氧堆肥會產生一定的影響，采用好氧堆肥為污泥處理手段的地區應引起重視。

(4)混凝沉淀的效果是影響后置除磷的關鍵。后置除磷應有合適的混合強度和足夠的絮凝沉淀時間才能高效地將TP削減，如后置除磷構筑物只設置濾池，一般不宜投加PAM[5]。

(5)新建或提標改造的污水處理廠，要求出水TP濃度達到一級A標準時，建議在在二級處理工藝的基礎上，增設除磷的三級處理設施，除磷方式應以后置投加為主[7]。

(6)不少污水處理廠選擇PAC粉劑作為除磷藥劑，雖然粉劑具有有效成分高、運輸成本低的特點，但使用效果會受到溶解方式、溶解度的影響。不同濃度溶液的除磷效果不同，且不耐存放。一般污水處理廠除磷藥劑的投加量較大，人工成本較液體PAC自動投加要高。因此，在有條件的污水處理廠，建議采用液體除磷藥劑。