市政污水處理廠生物除磷運(yùn)行效能與機(jī)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(jìn)行污水處理時(shí)需要通過(guò)除磷來(lái)防止水的富氧化，污水除磷主要通過(guò)生物除磷或化學(xué)除磷兩種方式進(jìn)行，但是化學(xué)除磷需要向污水中投放大量的化學(xué)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(duì)污水進(jìn)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(diǎn)，所以污水處理充分利用了聚磷菌的特點(diǎn)，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(xì)胞內(nèi)，再通過(guò)聚合磷酸鹽的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，然后通過(guò)二沉池使含磷污泥沉淀，最后排出污泥實(shí)現(xiàn)除磷的目的[1]。在這一過(guò)程中會(huì)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(huì)通過(guò)釋放磷來(lái)獲取能量并吸收廢水中的小分子有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為PHB存儲(chǔ)在體內(nèi)，然后再次進(jìn)入好氧條件下的廢水進(jìn)行磷的吸收，增強(qiáng)了除磷效能[2]，所以生物除磷的效能與細(xì)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(guò)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(gè)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(jìn)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)排放的剩余污泥中的聚磷菌多數(shù)沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)放磷及吸收磷的過(guò)程，這樣會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的除磷效率產(chǎn)生影響，同時(shí)還會(huì)通過(guò)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(gè)系統(tǒng)的耗電量。而氧化溝工藝則充分利用了其工藝特點(diǎn)，在空間上形成缺氧好氧相互變化的情況，以實(shí)現(xiàn)硝化、反硝化和生物除磷的效果。這種工藝會(huì)比一般工藝節(jié)能10%～20%，但是采用該工藝進(jìn)行大水量或高負(fù)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(lái)說(shuō)，其受到溶解氧、硝酸鹽含量、溫度、pH值、BOD5負(fù)荷和有機(jī)物質(zhì)以及泥齡等6個(gè)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(duì)儲(chǔ)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(yán)格控制厭氧環(huán)境來(lái)保證聚磷菌的生長(zhǎng)、釋磷能力和通過(guò)有機(jī)物合成PNH的能力。（2）硝酸鹽含量：硝態(tài)氮會(huì)消耗廢水中的有機(jī)物質(zhì)，對(duì)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(shí)聚磷菌會(huì)以硝態(tài)氮作為電子受體進(jìn)行反硝化反應(yīng)，這樣會(huì)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(jìn)行生物除磷最好的溫度環(huán)境是5～30 ℃。（4）pH值：當(dāng)廢水的pH值為6～8時(shí)，聚磷菌釋放磷的效果最為穩(wěn)定。（5）BOD5負(fù)荷和有機(jī)物質(zhì)：只有整個(gè)系統(tǒng)廢水進(jìn)水的BOD5/TP＞15，才能使聚磷菌的除磷效果達(dá)到最佳，所以可以采用部分進(jìn)水或跨越初沉池的方式來(lái)使BOD5滿足需求[5]。（6）泥齡：生物除磷過(guò)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(jī)理分析

3.1 材料與方法

3.1.1 樣點(diǎn)調(diào)研與采樣

本研究將對(duì)A2/0工藝、氧化溝工藝、改良氧化溝工藝的生物除磷效能進(jìn)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(duì)象，通過(guò)實(shí)地考察的方式獲取污水處理廠的基本運(yùn)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(guò)保溫存儲(chǔ)箱帶回實(shí)驗(yàn)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(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行取樣，降低不穩(wěn)定因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。本次實(shí)驗(yàn)取樣時(shí)間為2021年6～12月。

3.1.2 批試實(shí)驗(yàn)研究

本研究在采樣后的12 h內(nèi)進(jìn)行污泥活性除磷批試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中將反應(yīng)溫度控制為20±1.0 ℃，然后將2.0 L活性污泥進(jìn)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(yīng)實(shí)驗(yàn)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(yīng)器中，反應(yīng)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(shí)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?zèng)_入N2進(jìn)行缺氧批試實(shí)驗(yàn)，另一份以300 L/m3·min的速度勻速?zèng)_入空氣進(jìn)行好氧批試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間均為2 h。實(shí)驗(yàn)期間定期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣品的采集。缺氧實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)加入20 mL的31 mg/L的硝酸鈉溶液，隨后在100 min的時(shí)間內(nèi)勻速加入100 mL的31 g/mL的硝酸鈉溶液。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

3.1.3 熒光原位雜交實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)16srRNA-EUBMIX探針（EUB338、EUB338-Ⅱ和EUB338-Ⅲ）和Cy5標(biāo)記表征所有細(xì)菌；然后用PAOMIX探針（PAO462、PAO651和PAO846）和6-FAM標(biāo)記表征聚磷功能細(xì)菌（PAOs）；通過(guò)GAOMIX探針（GAO431、GAO989和GB-G2）和Cy3標(biāo)記表征聚糖競(jìng)爭(zhēng)細(xì)菌（GAOs）。完成污泥樣品雜交后，通過(guò)激光掃描共聚顯微鏡對(duì)10個(gè)隨機(jī)不同視野進(jìn)行拍照，并通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行圖像分析，計(jì)算出10個(gè)不同視野中PAOs和GAOs占細(xì)菌總量的比值，并計(jì)算平均值。

3.1.4 指標(biāo)分析

本研究通過(guò)鉬銻抗分光度法進(jìn)行磷酸鹽（PO43-P）指標(biāo)分析；采用過(guò)酸性硫酸鉀預(yù)處理－鉬銻抗分光度法進(jìn)行總磷（TP）指標(biāo)分析；采用氣相色譜法進(jìn)行VFAs指標(biāo)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(gè)污水處理廠的出水TP濃度均小于1.0 mg/L，符合一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)三個(gè)污水廠的除磷效率分別為72.7%、46.7%和78.3%，可見(jiàn)三種工藝的生物除磷效率存在明顯差異，導(dǎo)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(shí)進(jìn)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(huì)導(dǎo)致不能滿足厭氧環(huán)境聚磷菌釋放磷過(guò)程中所需的碳源，從而導(dǎo)致生物除磷的效率變差[6]。同時(shí)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(huì)為硝化菌和好氧菌的生長(zhǎng)提供優(yōu)勢(shì)條件，從而與PAOs爭(zhēng)奪碳源，影響聚磷菌除磷的效能。同時(shí)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(jìn)出水水質(zhì)基本指標(biāo)

3.2.2 批試實(shí)驗(yàn)除磷性能研究

厭氧階段活性污泥生物除磷動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表2所示。三個(gè)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(yuǎn)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(jìn)水中TP/VAFs偏低有關(guān)，污水中沒(méi)有足夠的磷元素對(duì)PAOs聚磷進(jìn)行補(bǔ)充。三個(gè)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(shí)，厭氧P/HAc值應(yīng)該是0.57或0.50。而實(shí)際值低于理論值，說(shuō)明活性污泥中的競(jìng)爭(zhēng)菌的數(shù)量可能較多，從而導(dǎo)致其與PAOs進(jìn)行碳源競(jìng)爭(zhēng)，這對(duì)生物除磷效能會(huì)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(yuǎn)低于相關(guān)研究數(shù)據(jù)9.1 mg/g·h，說(shuō)明三個(gè)污水處理廠的好氧生物聚磷效率偏低，導(dǎo)致生物除磷效率不高，這可能是因?yàn)榛钚晕勰嘀芯哿拙臄?shù)量相對(duì)較低所導(dǎo)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(shuō)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(shuō)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(shí)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)參數(shù) 單位：mg/g·h

PAOs和GAOs群落分析：本研究通過(guò)熒光原位雜交法對(duì)三種工藝污水處理廠活性污泥的PAOs和GAOs群落進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)說(shuō)明污水處理廠生物除磷中聚磷菌的菌群比例偏低，這樣會(huì)導(dǎo)致生物除磷的效果受到影響。

4 結(jié)論

本文對(duì)三個(gè)采取不同生物除磷工藝的污水處理廠的生物除磷進(jìn)行了調(diào)查研究和實(shí)驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：（1）三個(gè)污水處理廠出水TP含量均符合污水排放標(biāo)準(zhǔn)，但是這與進(jìn)水TP含量較低有關(guān)，同時(shí)生物除磷效果較差，這是因?yàn)檫M(jìn)水中VAFs的含量較低，無(wú)法有效維持生物除磷的碳源需求。（2）在批試實(shí)驗(yàn)中，三個(gè)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(dǎo)致。（3）三個(gè)污水處理廠均沒(méi)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(shí)需要適當(dāng)增加廢水中VAFs的含量，以提升聚磷菌的聚磷效果。