市政污水處理廠生物除磷運行效能與機理分析

莫鳳光

（江西華竹新材料科技有限公司，江西 贛州 342108）

引言

市政污水處理廠進行污水處理時需要通過除磷來防止水的富氧化，污水除磷主要通過生物除磷或化學除磷兩種方式進行，但是化學除磷需要向污水中投放大量的化學原料，增加了污水除磷的成本；而生物除磷充分利用聚磷菌的超量磷吸收現(xiàn)象對污水進行除磷處理。生物除磷的效能決定了污水處理除磷的效能，所以采取更加高效的生物除磷能夠更好地降低污水中磷的含量，提升污水處理的質(zhì)量。

1 生物除磷的原理和工藝

聚磷菌具有在好氧條件下吸收磷和在厭氧條件下釋放磷的特點，所以污水處理充分利用了聚磷菌的特點，將聚磷菌投入到好氧條件下的廢水中，使其將廢水中的磷酸鹽攝入到細胞內(nèi)，再通過聚合磷酸鹽的方式進行存儲，然后通過二沉池使含磷污泥沉淀，最后排出污泥實現(xiàn)除磷的目的[1]。在這一過程中會將一部分污泥返回至厭氧條件的廢水中。在厭氧條件下，聚磷菌會通過釋放磷來獲取能量并吸收廢水中的小分子有機物，將其轉(zhuǎn)化為PHB存儲在體內(nèi)，然后再次進入好氧條件下的廢水進行磷的吸收，增強了除磷效能[2]，所以生物除磷的效能與細菌數(shù)量的增加率和剩余污泥的產(chǎn)率呈正相關(guān)。生物除磷原理如圖1所示。

圖1 廢水生物除磷原理及過程圖

市政污水處理廠的生物除磷工藝主要包括A2/0工藝和氧化溝工藝。其中A2/0工藝是以A/0工藝為基礎(chǔ)增加了一個缺氧段，這種方式能夠?qū)⒑醚鯀^(qū)中的混合液回流到缺氧區(qū)進行反硝化脫氮處理，使除磷和脫碳更好地結(jié)合，有效縮小了曝氣區(qū)的體積[3]，但是這樣會導致系統(tǒng)排放的剩余污泥中的聚磷菌多數(shù)沒有經(jīng)歷過放磷及吸收磷的過程，這樣會對整個系統(tǒng)的除磷效率產(chǎn)生影響，同時還會通過提升回流量的方式降低回流污泥中硝酸鹽的含量，增大整個系統(tǒng)的耗電量。而氧化溝工藝則充分利用了其工藝特點，在空間上形成缺氧好氧相互變化的情況，以實現(xiàn)硝化、反硝化和生物除磷的效果。這種工藝會比一般工藝節(jié)能10%～20%，但是采用該工藝進行大水量或高負荷污水處理需要更大的占地面積。

2 生物除磷效能的影響因素分析

生物除磷的效能整體上受到聚磷菌數(shù)量的增加率與剩余污泥產(chǎn)率的影響，具體來說，其受到溶解氧、硝酸鹽含量、溫度、pH值、BOD5負荷和有機物質(zhì)以及泥齡等6個方面的影響[4]。（1）溶解氧：首先是好氧區(qū)需要具有充足的溶解氧，才能讓聚磷菌對儲存的PHB更好地降解，從而更好地吸收廢水中的磷，所以好氧段的溶解氧需要控制在2.0 mg/L以上。其次是厭氧區(qū)需要嚴格控制厭氧環(huán)境來保證聚磷菌的生長、釋磷能力和通過有機物合成PNH的能力。（2）硝酸鹽含量：硝態(tài)氮會消耗廢水中的有機物質(zhì)，對聚磷菌釋放磷產(chǎn)生抑制效果，從而影響了聚磷酸在好氧環(huán)境下吸收磷的效果。同時聚磷菌會以硝態(tài)氮作為電子受體進行反硝化反應，這樣會抑制聚磷菌的釋放和攝磷能力以及PBH的合成能力。（3）溫度：聚磷酸進行生物除磷最好的溫度環(huán)境是5～30 ℃。（4）pH值：當廢水的pH值為6～8時，聚磷菌釋放磷的效果最為穩(wěn)定。（5）BOD5負荷和有機物質(zhì)：只有整個系統(tǒng)廢水進水的BOD5/TP＞15，才能使聚磷菌的除磷效果達到最佳，所以可以采用部分進水或跨越初沉池的方式來使BOD5滿足需求[5]。（6）泥齡：生物除磷過程中需要將泥齡控制在3.5～7 d范圍內(nèi)。

3 不同工藝條件下生物除磷的效能和機理分析

3.1 材料與方法

3.1.1 樣點調(diào)研與采樣

本研究將對A2/0工藝、氧化溝工藝、改良氧化溝工藝的生物除磷效能進行分析，選取了3家不同生物除磷工藝的市政污水處理廠作為研究對象，通過實地考察的方式獲取污水處理廠的基本運行參數(shù)；從污水處理廠好氧段末端獲取活性污泥樣品，樣品量為8.0 L，通過保溫存儲箱帶回實驗室，并保存在4 ℃的環(huán)境內(nèi)；選取污水處理較為穩(wěn)定的時間節(jié)點進行取樣，降低不穩(wěn)定因素對實驗的干擾。本次實驗取樣時間為2021年6～12月。

3.1.2 批試實驗研究

本研究在采樣后的12 h內(nèi)進行污泥活性除磷批試實驗。實驗中將反應溫度控制為20±1.0 ℃，然后將2.0 L活性污泥進行4 h的曝氣處理，曝氣流速控制為200 L/m3·min，使活性污泥適應實驗環(huán)境。完成曝氣后，采用合成廢水置換污泥上清液，合成廢水的成分為360 mg/L的乙酸鈉、90 mg/L的七水硫酸鎂、10.57 mg/L的氯化鈣以及0.3 mL/L的微量溶液。每升微量溶液中含有1.5 g六水三氯化鐵、0.15 g硼酸、0.03 g五水硫酸銅0.18 g碘化鉀、0.12 g一水氯化錳、0.06 g二水鉬酸鈉、0.12 g七水硫酸鋅、0.15 g六水氯化鈷以及10 g EDTA 。然后將廢水的pH調(diào)整至7.0±0.1，置入2.5 L的SBR反應器中，反應器如圖2所示。向裝置中以150 L/m3·min的速度勻速通入N2，使活性污泥處于厭氧環(huán)境下，時間控制為2.5 h，然后將活性污泥分為兩份，一份以150 L/m3·min的速度勻速沖入N2進行缺氧批試實驗，另一份以300 L/m3·min的速度勻速沖入空氣進行好氧批試實驗，實驗反應時間均為2 h。實驗期間定期進行實驗樣品的采集。缺氧實驗開始時加入20 mL的31 mg/L的硝酸鈉溶液，隨后在100 min的時間內(nèi)勻速加入100 mL的31 g/mL的硝酸鈉溶液。

圖2 實驗裝置

3.1.3 熒光原位雜交實驗

實驗過程中通過16srRNA-EUBMIX探針（EUB338、EUB338-Ⅱ和EUB338-Ⅲ）和Cy5標記表征所有細菌；然后用PAOMIX探針（PAO462、PAO651和PAO846）和6-FAM標記表征聚磷功能細菌（PAOs）；通過GAOMIX探針（GAO431、GAO989和GB-G2）和Cy3標記表征聚糖競爭細菌（GAOs）。完成污泥樣品雜交后，通過激光掃描共聚顯微鏡對10個隨機不同視野進行拍照，并通過MATLAB軟件進行圖像分析，計算出10個不同視野中PAOs和GAOs占細菌總量的比值，并計算平均值。

3.1.4 指標分析

本研究通過鉬銻抗分光度法進行磷酸鹽（PO43-P）指標分析；采用過酸性硫酸鉀預處理－鉬銻抗分光度法進行總磷（TP）指標分析；采用氣相色譜法進行VFAs指標分析。

3.2 結(jié)果

3.2.1 污水處理廠調(diào)研結(jié)果

污水處理廠調(diào)研數(shù)據(jù)如表1所示，三個污水處理廠的出水TP濃度均小于1.0 mg/L，符合一級B標準。同時三個污水廠的除磷效率分別為72.7%、46.7%和78.3%，可見三種工藝的生物除磷效率存在明顯差異，導致除磷效率存在差異的原因可能與廢水中的TP含量有關(guān)。同時進水中VAFs的含量也存在較大差異，采用A2/0工藝和氧化溝工藝的污水處理廠的VAFs含量較低，這會導致不能滿足厭氧環(huán)境聚磷菌釋放磷過程中所需的碳源，從而導致生物除磷的效率變差[6]。同時三種污水處理工藝中生活污水的比例存在較大差異，且均需設(shè)置前置反硝化池，這樣會為硝化菌和好氧菌的生長提供優(yōu)勢條件，從而與PAOs爭奪碳源，影響聚磷菌除磷的效能。同時泥齡存在偏高的情況，不利于生物除磷。

表1 污水處理廠概況及進出水水質(zhì)基本指標

3.2.2 批試實驗除磷性能研究

厭氧階段活性污泥生物除磷動力學參數(shù)如表2所示。三個污水處理廠的乙酸吸收速率為23 mg/g·h、14.7 mg/g·h和27.3 mg/g·h，與相關(guān)研究數(shù)據(jù)9.0～21.9 mg/g·h基本相同。厭氧生物釋磷速率分別為2.4 mg/g·h、1.1 mg/g·h和0.2 mg/g·h，遠低于相關(guān)研究數(shù)據(jù)13.1 mg/g·h，這可能與污水處理進水中TP/VAFs偏低有關(guān)，污水中沒有足夠的磷元素對PAOs聚磷進行補充。三個污水處理廠的P/HAc分別為0.13、0.11和0.03，但是理論中pH為7時，厭氧P/HAc值應該是0.57或0.50。而實際值低于理論值，說明活性污泥中的競爭菌的數(shù)量可能較多，從而導致其與PAOs進行碳源競爭，這對生物除磷效能會產(chǎn)生影響。在好氧階段，好氧生物聚磷速率分別為1.8 mg/g·h、2.3 mg/g·h和0.7 mg/g·h，遠低于相關(guān)研究數(shù)據(jù)9.1 mg/g·h，說明三個污水處理廠的好氧生物聚磷效率偏低，導致生物除磷效率不高，這可能是因為活性污泥中聚磷菌的數(shù)量相對較低所導致[7]。在缺氧階段，缺氧生物聚磷效率分別為1.8 mg/g·h、0.9 mg/g·h和0 mg/g·h，這說明采用A2/0工藝和氧化溝工藝的污水處理廠存在缺氧聚磷的情況，說明在活性污泥中存在一定的反硝化聚磷菌。

表2 污水廠活性污泥厭氧－缺氧－好氧生物除磷批試實驗動力學參數(shù) 單位：mg/g·h

PAOs和GAOs群落分析：本研究通過熒光原位雜交法對三種工藝污水處理廠活性污泥的PAOs和GAOs群落進行了分析，三種工藝污水處理廠的PAOs和GAOs群落分別為2.1%/2.0%、6.2%/1.9%和2.1%/4.8%。這個數(shù)據(jù)說明污水處理廠生物除磷中聚磷菌的菌群比例偏低，這樣會導致生物除磷的效果受到影響。

4 結(jié)論

本文對三個采取不同生物除磷工藝的污水處理廠的生物除磷進行了調(diào)查研究和實驗分析，得出以下結(jié)論：（1）三個污水處理廠出水TP含量均符合污水排放標準，但是這與進水TP含量較低有關(guān)，同時生物除磷效果較差，這是因為進水中VAFs的含量較低，無法有效維持生物除磷的碳源需求。（2）在批試實驗中，三個污水處理廠的厭氧－缺氧－好氧的磷吸收率均較低，這是由于活性污泥中聚磷菌的種群比例較低所導致。（3）三個污水處理廠均沒有設(shè)置前置反硝化池，所以可以考慮增加前置反硝化池的設(shè)置，同時需要適當增加廢水中VAFs的含量，以提升聚磷菌的聚磷效果。