合建式一體化氧化溝生物除磷研究

彎軍英

（凱膜過濾技術(上海)有限公司，上海201700）

1 生物除磷機理

污水生物除磷就是利用活性污泥的超量磷吸收現(xiàn)象，即微生物吸收的磷量超過其正常生長所需量。通過人工強化措施，如合理設計、改進污水處理系統(tǒng)或改變運行方式，創(chuàng)造微生物超量吸磷的環(huán)境。使這種能超量吸磷的微生物在處理系統(tǒng)的基質(zhì)競爭中取得優(yōu)勢，從而利用基質(zhì)，從污水中超量吸磷，將污水中的磷轉移到菌體細胞內(nèi)。然后通過及時排泥，將這種富磷污泥從系統(tǒng)中排掉，從而達到除磷的目的[2]。

2 除磷概述

目前所有生物除磷工藝都含有厭氧部分和好氧部分，合建式一體化氧化溝工藝也不例外。某污水處理廠就是在側渠式一體化氧化溝的基礎上前置厭氧生物選擇器（厭氧池），實現(xiàn)除磷[3]。流程如下：

圖1 合建式一體化氧化溝工藝流程

其生物除磷工藝過程為，城鎮(zhèn)生活污水經(jīng)一級處理后，首先進入?yún)捬鯀^(qū)。在厭氧區(qū)，兼性細菌將溶解性BOD轉化成低分子發(fā)酵產(chǎn)物（VFAs），而聚磷菌分解其體內(nèi)的聚磷酸鹽并加以釋放，并利用此過程中產(chǎn)生的能量，攝取污水中原有的揮發(fā)性脂肪酸和這些兼性細菌的發(fā)酵產(chǎn)物，合成碳能源貯存物（PHB/PHV）。經(jīng)過厭氧階段，磷從菌體內(nèi)釋放到液相中。然后污水進入缺氧區(qū)，在缺氧區(qū)情況較復雜。有的聚磷菌具有反硝化功能，能利用硝酸鹽作為最終電子受體，通過與好氧狀態(tài)下類似的途徑分解有機物，產(chǎn)生大量的能量用于吸收磷酸鹽和合成聚磷。而那些不具備反硝化能力的聚磷菌則可以釋放磷。因此在缺氧區(qū)是凈吸收還是凈釋放，取決于這兩種聚磷菌的比例和活性，同時也取決于基質(zhì)的性質(zhì)和濃度以及反硝化菌的濃度等多種因素。

好氧吸磷受厭氧釋磷影響，厭氧釋磷是好氧吸磷的前提。若在厭氧區(qū)聚磷菌沒有經(jīng)過充分的釋磷，污水進入好氧區(qū)后，聚磷菌的吸磷就不完全，除磷率就會受到影響。污水經(jīng)過缺氧區(qū)后，聚磷菌隨同含磷高的污水進入好氧區(qū)，在好氧區(qū)聚磷菌氧化代謝PHB/PHV產(chǎn)生能量，用于磷的吸收和聚磷的合成。經(jīng)過好氧階段，磷酸鹽從液相中轉移到污泥中。然后從好氧區(qū)排掉這些富磷剩余污泥，系統(tǒng)就實現(xiàn)了除磷。側溝固液分離器中的污泥通過自動回流，依次進入好氧區(qū)、缺氧區(qū)、厭氧區(qū)，進行重新釋磷、吸磷[4]。由于吸磷遠大于釋磷，且這種回流污泥不斷更新，所以污水每循環(huán)一次，液相中的磷就會減少一次。只要好氧區(qū)及時排泥，系統(tǒng)中的磷就總會減少。該廠磷的具體去除情況見下表。

表1 四川某污水處理廠進出污水中磷的情況

3 除磷優(yōu)勢

合建式一體化氧化溝工藝具備氧化溝工藝的所有優(yōu)點，同時它還有自己獨特的技術經(jīng)濟優(yōu)勢。與其它脫氮除磷工藝相比，在除磷方面它具有較大的優(yōu)勢。

3.1節(jié)能效果明顯，污泥回流所消耗的能量占整個系統(tǒng)能耗很大一部分，但對一體化氧化溝工藝來說不存在這個問題，因為它實現(xiàn)了污泥的無泵自動回流。側溝固液分離器中的污泥一旦沉淀下來，這種沉淀污泥立即被好氧區(qū)中的流動混合液沖刷，帶入缺氧區(qū)，后回流至厭氧區(qū)[5]。污泥回流及時且更新很快，對除磷極為有利。無論從能耗還是從回流方式來看，它都較A2/O、UCT、Carrousel氧化溝等除磷工藝有優(yōu)勢。

3.2分離效率高，合建式一體化氧化溝工藝采用側溝式固液分離器進行泥水分離，這種固液分離器與傳統(tǒng)的二沉池相比有較高的分離效率，因而出水中SS較傳統(tǒng)二沉池出水低。SS濃度的高低直接關系到出水中TP的濃度。一般認為出水SS超過10mg/l，磷一般較難達標。某污水處理廠出水SS均值達7.8mg/l。

3.3回流污泥直接從好氧區(qū)回流至厭氧區(qū)，若系統(tǒng)硝化作用不好，就會隨回流污泥將硝酸鹽大量帶入?yún)捬鯀^(qū)，NO-3就影響厭氧條件下聚磷菌釋磷。而合建式一體化氧化溝工藝解決了這個問題，它的回流污泥是從缺氧區(qū)至厭氧區(qū)。這樣一來，硝態(tài)氮在缺氧區(qū)已經(jīng)過充分或部分反硝化，污水再進入?yún)捬鯀^(qū)，NO-3對除磷的影響就減弱了。這一點較A2/O工藝具有較大的優(yōu)勢。

上述負荷階躍變化工況下的仿真結果說明核動力裝置主要參數(shù)瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)指標滿足該工況下的驗收準則，控制系統(tǒng)達到了預期的設計效果.

3.4側溝水力停留時間短，一般約為30min，不會出現(xiàn)A2/O工藝中容易在二沉池內(nèi)釋磷的現(xiàn)象，較好地增強了除磷效果。

4 除磷存在的不足

在除磷方面，雖然合建式一體化氧化溝工藝具有上述優(yōu)勢，但它也不是十全十美的脫氮除磷工藝，因為它也遇到了所有同步脫氮除磷工藝遇到的難題，如DO、NO-3、污泥濃度、泥齡等問題[6]。經(jīng)過大量的研究和分析，綜合起來說，在除磷方面，它存在以下不足，以某污水處理廠為例進行說明。

4.1要求提高進水有機物濃度，磷濃度的高低主要取決于系統(tǒng)中除磷所需要的發(fā)酵基質(zhì)的可獲得量與必須去除的磷量的比值。此污水廠處理的污水基本上是經(jīng)化糞池處理后的生活污水，進水BOD均值為73.2mg/l。有一部分有機物已經(jīng)發(fā)生沉淀和降解，使得可快速生物降解有機物含量降低，有機物濃度偏低，從而BOD/TP比值偏低。按照在厭氧區(qū)每釋放1mg磷需吸收7.5mg揮發(fā)性有機酸的試驗結果，這種污水水質(zhì)顯然不能滿足釋磷要求。

在進水有機物濃度偏低的情況下，厭氧區(qū)存在硝態(tài)氮，進一步減少了供聚磷菌利用的基質(zhì)。NO-3進入?yún)捬鯀^(qū)，反硝化菌就會與聚磷菌競爭，多數(shù)聚磷菌由于沒有運動性，增殖緩慢，競爭能力低，在與反硝化菌競爭基質(zhì)時處于劣勢地位。若進水中含有低分子揮發(fā)性脂肪酸，反硝化菌就會優(yōu)先利用這類基質(zhì)，即使進水中不含有這類基質(zhì)，NO-3的存在也會妨礙發(fā)酵作用的進行。因為微生物利用NO-3作為最終電子受體進行厭氧呼吸能獲得更多的能量，所以不會有低分子脂肪酸產(chǎn)生。而聚磷菌卻偏偏只能利用這類基質(zhì)合成PHB，這類基質(zhì)的減少，使得沒有足夠的“原料”供聚磷菌合成PHB，從而合成的PHB不足。這樣在好氧區(qū)，聚磷菌沒有足夠的能量用以吸收液相中的溶解性磷，從而影響磷的去除。

4.2要求采用短泥齡。磷是通過排泥實現(xiàn)的，這就要求盡可能采用短的泥齡來增加剩余污泥排放量。聚磷菌多為短世代微生物，可以在較短的泥齡下正常生長，因此在較短泥齡下運行時，可獲得較高的除磷率。而該污水處理廠的泥齡是25d，這種長泥齡，污泥含磷量低，去除單位重量的磷需消耗較多的BOD，在原本有機物濃度偏低的水質(zhì)下，這顯得更為不利。此外，長的泥齡還會由于有機質(zhì)的不足而使活性污泥處于內(nèi)源呼吸，聚磷菌自身會發(fā)生群體性衰減死亡和溶解，致使排泥量減少。同時溶解的磷重新釋放到液相中，這種釋放屬于無效釋放，無效釋放的磷不能再次被吸收。另外，這種長泥齡還會導致系統(tǒng)內(nèi)糖原累積、非聚磷菌的增長，使除磷率大幅度降低。但泥齡太短，不利于硝化，這是所有同步脫氮除磷工藝遇到的難題。

4.3要求加高污泥濃度，一般來說高污泥濃度有利于生物除磷。某污水處理廠由于污水濃度低，致使生物系統(tǒng)的污泥濃度較低。特別在厭氧區(qū)，由于回流的是混合液，污泥濃度較二沉池中的剩余污泥低。而且回流經(jīng)缺氧區(qū)再到厭氧區(qū)，在回流過程中，污泥不斷被稀釋，回流至厭氧區(qū)的污泥濃度已經(jīng)很低。因此好氧區(qū)內(nèi)污泥量遠多于厭氧區(qū)，雖有利于硝化和吸磷，但磷的釋放量減少，最終影響系統(tǒng)對TP的去除。同時并不是所有污泥都回流到厭氧區(qū)，也就是說由于存在這種內(nèi)循環(huán)，系統(tǒng)回流污泥中只少部分經(jīng)歷完整的釋磷、吸磷過程，其余則基本上未經(jīng)厭氧狀態(tài)而直接由缺氧區(qū)又進入好氧區(qū)，這不利于磷的吸收。

4.4該污水處理廠采用重力濃縮法處理剩余污泥，濃縮池的停留時間為12h。由于濃縮池中呈厭氧狀態(tài)而造成聚磷菌的釋磷，使?jié)饪s池上清液和污泥脫水液中含有高濃度的磷。這部分水回流到處理系統(tǒng)，會增加處理過程的磷負荷，降低BOD/TP比值，而且這部分釋放的磷是無效釋放的磷，在整個工藝過程中循環(huán)，不會被重新吸收，去除。

5 改善措施

針對上述除磷存在的問題，對合建式一體化氧化溝工藝提出以下改善措施：

5.1為提高BOD/TP比值，工藝盡量不采用曝氣沉砂池；可采用部分進水的方式，讓少部分進水進入預反硝化區(qū)，其余則進入?yún)捬鯀^(qū)；盡量避免磷從泥線返回水線；減少進入?yún)捬鯀^(qū)的硝態(tài)氮量。

5.2為減小硝態(tài)氮的影響，采用降低硝化液回流量的方式來降低缺氧區(qū)硝態(tài)氮負荷，從而降低進入?yún)捬鯀^(qū)的硝態(tài)氮量，需要在好氧區(qū)與缺氧區(qū)之間設置一個循環(huán)控制閥門；厭氧池前可設置一個缺氧/厭氧調(diào)節(jié)池，進一步降低硝態(tài)氮進入?yún)捬鯀^(qū)的量；可設置在線監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控出水中的NO-3-N、NH+4-N，根據(jù)其含量控制曝氣量，以盡量避免NO-3-N回流到厭氧區(qū)。

5.3為控制厭氧區(qū)污泥濃度，可在厭氧區(qū)后面設置一個沉淀區(qū)，通過合理設計沉淀區(qū)泥斗和污泥通道，使污泥向厭氧區(qū)自沉，在節(jié)省能耗的條件下，提高厭氧區(qū)污泥濃度，從而提高磷的去除量。同時可根據(jù)情況，把沉淀區(qū)的部分污泥引入缺氧區(qū)或好氧區(qū)，調(diào)節(jié)厭氧區(qū)與缺氧區(qū)、厭氧區(qū)與好氧區(qū)間的污泥量比例，從而使脫氮效果和除磷效果都較佳。

5.4為避免磷從泥線返回水線，處理剩余污泥時采用氣浮濃縮池或濃縮脫水一體化設備，或在污泥濃縮過程中，向污泥中投加一定量的混凝劑。

5.5設計污泥停留時間時，綜合考慮脫氮和除磷，在兼顧脫氮的前提下，盡量選擇短泥齡。

6 結論

某污水處理廠生物除磷存在的以上不足，也在其它同步脫氮除磷工藝中存在。這些不足可通過改進工藝或改善內(nèi)部系統(tǒng)等措施改進。目前國內(nèi)外圍繞同步脫氮除磷工藝存在的問題，不斷完善工藝，出現(xiàn)了不少新的改進工藝。由鄧榮森教授指導的課題組也在積極地改進合建式一體化氧化溝工藝除磷方面存在的不足。

綜上所述，生產(chǎn)性合建式一體化氧化溝工藝雖然出水TP不能達標，但在除磷方面，具有其它脫氮除磷工藝不能相比的技術經(jīng)濟優(yōu)勢。它除磷存在的不足，其它脫氮除磷工藝也存在，它的這種不足通過改善內(nèi)部系統(tǒng)、改進技術設備可以解決?？梢灶A測改進后的合建式一體化氧化溝工藝將有更好的發(fā)展前途，在處理中小城市生活污水方面將具有更強的市場競爭力。

［1］鄧榮森，肖海文，等.四川省城市污水處理示范工程—一體化氧化溝［J］.給水排水，2001，27（4）：1-4.

［2］鄭興燦，等.污水脫氮除磷技術［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

［3］馮生華，等.污水生物除磷的糖控制（CHC）工藝［J］.中國給水排水，1999，15（2）：2-21.

［4］劉俊新，等.生物膜與活性污泥結合工藝脫氮除磷研究［J］.中國給水排水，2000，16（12）：1-5.

［5］張波，高廷耀，等.生物脫氮除磷工藝厭氧/缺氧環(huán)境倒置效應［J］.中國給水排水，1997，13（3）：7-10.

［6］李勇，呂炳南，等.改進A2/O法的設想［J］.中國給水排水，2001，17（8）：31-33.

［7］陳欣燕，等.從微生物學探討生物除磷脫氮機理［J］.中國給水排水，1996，12（5）32-33.