城鎮污水處理廠生物除磷工藝應用及影響因素分析

連劍斌 譚杞安 王 奎

（1廣東省清遠市嘉清源環保水務有限公司 廣東清遠 511500 2 清遠市清環環保有限公司廣東清遠 511500 3 清遠市排水管理有限公司 廣東清遠 511500）

引言

生態環境部發布的《2022 中國生態環境狀況公報》指出，2022 年全國城鎮污水處理廠處理污水為625.8 億m3，污水處理率達97.9%。污水中含有大量蛋白質、氨氮、脂肪等有機物，以及寄生蟲卵等病原微生物,其中氮磷等植物營養物質含量過多會加劇水富營養化污染。而糞便、洗滌劑和工業廢水是城市污水中磷的主要來源，常以正磷酸鹽、聚磷酸鹽、有機磷酸鹽等形式溶解于污水中。因此，氮（N）、磷（P）是城鎮污水處理廠處理污水需要關注的2 大主要指標。但長期以來，受居民生活習慣等因素影響，我國城鎮生活污水中碳-氮比較低，且生化需氧量濃度一般低于200mg/L。城鎮居民生活污水處理過程中，除了選擇合適的工藝技術，還要充分考慮污水處理廠污水中的磷含量、除磷工藝要求，以及除磷技術的復雜程度等，選擇不同的除磷工藝技術。目前，城鎮污水處理廠除磷工藝主要有物理法、化學法和生物法。其中，應用較為廣泛的為生物法除磷，工藝成熟、操作簡便、成本較低。

1 生物除磷工藝機理

磷是評價水質的重要指標，當水體中的磷含量超過0.01mg/L 時，極易出現富營養化。污水中的磷主要以元素磷、正磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷酸鹽等形式溶解于水中。目前，糞便、洗滌劑及某些工業廢水是城鎮污水中磷的3 種主要來源。而城鎮污水處理廠除磷工藝，物理法除磷技術復雜、處理成本高；化學法是最早應用于除磷實踐的一種除磷方法，處理費用高，所用藥量大，易產生大量化學污泥。因此，目前國內城鎮污水處理廠紛紛運用生物法除磷。

常見的生物除磷工藝有A/O 工藝、A2/O 多級多段工藝、A2N-SBR 工藝等，如天津市咸陽路污水處理廠[1]、銅仁市污水處理廠[2]、昆明市污水處理廠[3]等，均選擇不同的生物除磷工藝，處理效果良好。

生物除磷就是指在好氧條件下利用聚磷菌大量吸收污泥中磷，并排出污泥，剩余的污泥與污水進入厭氧狀態[4]。厭氧條件中發酵產酸菌作用下污水中的有機物轉化為乙酸苷，污泥中的聚磷菌在厭氧條件下分解，部分能量供聚磷菌生存，部分能量供聚磷菌吸收，將有機物轉化成的乙酸苷轉化為聚-β-羥丁酸形態藏于體內，聚磷菌分解為無機磷釋放回污水中。進入好氧環境中，體內的聚-β-羥丁酸被聚磷菌好氧分解，釋放能量，供聚磷菌增殖，及吸收污水中磷酸鹽，并以聚磷形式積累于體內。在運用生物除磷工藝處理生活污水中的磷含量時，由于活性污泥在運行過程中不斷增殖，為保證系統持續、高效穩定運行，因此需要及時將運行系統中的活性污泥排出[5]。但排出的活性污泥中含有大量吸收磷的聚磷菌，從而達到除磷效果。生物除磷工藝流程如圖1 所示。

圖1 生物除磷工藝流程

2 城鎮污水處理廠生物除磷工藝應用案例分析

2.1 案例概況

2021 年10 月，某城鎮生活污水處理廠建成投入運行。設計日處理生活污水3500m3/d，設計出水標準為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準（見表1），選用“A2/O+MBR”生物處理工藝技術。污水經格柵、提升泵房、沉砂池后進入曝氣池、沉淀池處理，出水段采用曝氣生物濾池深度處理工藝，污泥經濃縮池濃縮后脫水[6]，最高允許排放濃度（日均值）見表1。

表1 基本控制項目最高允許排放濃度（日均值）單位：mg/L

2.2 工藝參數

設計水量（Q）3500m3/d，污泥齡（SRT）18.5d；污泥負荷（F/M）=0.12kgBOD5/kgMLSS·d；污泥濃度（MLSS）4200mg/L。溶解氧的厭氧池0.2～0.4mg/L，缺氧池0.5mg/L，好氧池2mg/L以上。停留時間，厭氧池2.5h，缺氧池1.2h，好氧池6.5h。污泥指數（SVI）50～145mg/L，污泥回流比（R）70%～80%

2.3 監測結果

從污水處理廠運行情況來看，排水中的COD、BOD5、TN、NH3-N、SS 等均達標。總磷（TP）較難達標，需要在廢水處理過程中持續加入聚鋁除磷藥劑，但這樣會增加污水處理成本。經監測，某污水處理廠運行工藝段各項指標見表2。厭氧池溶解氧監測結果為1.092mg/L，超過限值（0.2mg/L）的4.46 倍，可見TP 較難達標，與厭氧池中溶解氧濃度過高有關，影響了生物除磷工藝效果。此外，生物池內污泥沉降比高，污泥濃度值也很高，其中好氧池污泥沉降比、污泥濃度分別達到了79mg/L、4108mg/L。說明，生物池內污泥齡較長，污泥出現膨脹，發生污泥老化情況。因此，該污水處理廠除磷不達標的又一因素是排泥不夠及時。生物池既是除磷工藝構筑物，也是污水脫氮主要構筑物。生物脫氮需將硝化的含大量硝酸鹽混合液硝化回流后反硝化反應，因此在生物池中含有大量硝酸根離子和亞硝酸根離子。

表2 某污水處理廠運行工藝段指標監測情況 單位：mg/L

3 城鎮污水處理廠生物除磷工藝運行分析及調試

從監測結果來看，厭氧池、缺氧池中溶解氧濃度含量超過了標準限值，且生物池污泥齡較長，是導致污水處理廠出水TP 未達到一級（A）標準的主要原因。為此，需要全面分析并采取相應的調試措施。

3.1 溶解氧

該污水處理廠采用A2/O+MBR 除磷工藝，將收集的城鎮污水經調節池，直接進入生物池厭氧段。從設備布設情況看，進水管道布設位置高，生物池水位低，水流出現較為明顯的跌水現象，需增設推流器，提升厭氧池、缺氧池內水流速，好氧池布設微孔曝氣器，作為充氧設備。因此，為解決厭氧池溶解氧偏高而影響除磷效果，該污水處理廠在確保厭氧池污泥不沉條件下，減小推進器速度，最大限度地減少因推進器旋轉而產生的氧氣溶解；同時，投加除氧劑，降低厭氧池污水溶解氧濃度。經過7d 調整，厭氧池內不同溶解氧濃度得到了顯著降低，除磷效果顯見表3。

表3 厭氧池溶解氧調試結果 單位：mg/L

3.2 污泥齡

為維持生物運行系統始終保持較為穩定的運行工況，需要及時排出剩余污泥，根據排出的污泥量特點和規律，計算出生物池中污泥齡。污泥排出量越多，生物池內污泥齡越短，反之則污泥齡越長[7]。為控制該污水處理廠生物池內污泥齡，應加大每天剩余污泥排放量。而A2/O+MBR 工藝的運用，不僅要求實現污水除磷，還要保證生物脫氮處理達到預期效果。因此，最大限度縮短污泥齡時，也要兼顧解決其他污染物指標對污泥齡影響。污泥齡調試情況見表4，污泥齡＜15d 時生物池中的TN、TP 去除率均較高。因此，該污水處理廠將生物池污泥齡確定為15d。

表4 污泥齡調試情況 單位：mg/L

3.3 污泥回流比

增大污泥回流比不僅會降低回流污泥濃度，還能有效穩定懸浮污泥濃度，減少二沉池的沉淀時間，從而更利于防止污水中磷的提前釋放。該污水處理廠污泥回流比設計在70%～80%，應適當調節增加污泥回流比，控制在80%～95%左右，防止污水中磷含量的提前釋放，增加二沉池容及活性污泥系統動力消耗。

3.4 小結

通過降低生物池中溶解氧，調節污泥齡及停留時間，該污水處理廠出水總磷濃度顯著降低，取得了良好的預期效果，總磷去除率達70%。

4 城鎮污水處理廠生物除磷工藝影響因素控制措施

4.1 控制生物池溶解氧濃度

厭氧條件下釋放磷，好氧條件下磷被吸收而實現去除，可見生物處理工藝應用時的厭氧區、好氧區的溶解氧濃度直接影響除磷效率和除磷量[8]。由于聚磷菌代謝較為緩慢，一般只能吸收低分子有機物好氧菌，因此污水中也要保持一定濃度溶氧量，但溶解氧濃度不宜過高，過高會導致聚磷菌以外的其他異養菌競爭碳源，導致污水處理時釋磷不夠充分而影響整體除磷效果。因此，在聚磷菌生化作用過程中，要嚴格控制好厭氧區、好氧區等不同區域溶解氧濃度。從實際調試情況來看，好氧池出水端溶解氧濃度應控制在1.5mg/L～2mg/L，厭氧區溶解氧濃度一般控制在2mg/L 以下，工藝除磷效果較好。

4.2 調節污泥齡

生物除磷工藝中污泥齡是影響除磷效果的又一因素。污泥齡體現了聚磷菌的代謝狀態，以及聚磷菌的世代時間[9]。實踐表明，污水處理廠污泥齡過長，污泥極易被氧化，使得聚磷菌出現釋磷現象，影響除磷工藝效果。此外，污泥齡較長還會滋生大量非聚磷菌，抑制聚磷菌生長，降低除磷效果。而污泥齡越短，聚磷菌體內的聚磷量就會越多，排放出更多的污泥量，且短的污泥齡具有較高活性，體內含磷值也較高，縮短污泥齡可有效提升除磷效果。但污泥齡也不宜過短，必須要滿足污泥齡大于世代時間這一要求，以保證污水處理過程中聚磷菌生化反映所需的時間和環境。從本次調試情況看，污泥齡控制在15d 以內，A2/O+MBR 工藝除磷效果更佳。

4.3 調節污泥回流比

污水處理過程中去除N、P、CODcr會產生大量活性污泥，其中污泥回流比會直接影響N、P、CODcr等污染物去除效果。為確保生物除磷工藝較好的去污能力，達到預期去除效果，使其保持較高的污泥濃度。綜合考慮該污水處理廠污水處理設備運行參數及實際運行效果，該污水處理廠應保持80%的最佳污泥回流比。

結語

近年來，隨著工業化、城市化進程加快，城市人口數量和規模均呈現出較大幅度增長，城市生活污水排放量持續增加，污水中含有大量氮磷化合物，如處理不當直接排放到周邊環境會引發水體富營養化，加劇水環境污染。為適應不斷增長的污水處理現實需要，市政污水處理廠紛紛進行改擴建，并通過控制溶解氧濃度、調節污泥齡、污泥回流比、水力停留時間和沉淀時間及溫度等，有效提升污水處理環境中NH3-H、TP、COD 等指標控制能力。因此，優化生物除磷工藝技術的應用，減少化學藥劑的投加，降低污水處理成本，實現微生物擴繁和利用，具有廣闊的市場應用前景。