污水生物脱氮除磷工艺优化技术综述

2021-09-10鲍任兵高廷杨万年红雷培树镇祥华

净水技术 2021年9期

鲍任兵，高廷杨,宫玲，徐健，万年红，雷培树，镇祥华

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010；2.楚雄市城乡建设投资集团有限公司，云南楚雄 675099；3.武汉市城市排水发展有限公司，湖北武汉 430070)

随着城市经济的持续发展、人口增长和人民生活水平的不断提高，污水处理厂排放标准逐步提高已成为必然趋势。目前，全国共有53.2%的污水处理厂执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，随着重点流域的进一步提标改造，各地相继在一级A标准的基础上提出了更为严格的排放限值，甚至要求提升至类地表水环境质量标准Ⅳ类或Ⅲ类水体标准。

氮、磷是引起水质超标的主要污染物，也是当前污水处理的热点和难点。高排放标准的实施，对新建污水厂的工艺设计提出了新的要求，如无锡新区要求出厂水达到TN≤5 mg/L、TP≤0.2 mg/L，更是对现有污水厂的提标改造带来了艰巨的挑战。AAO工艺是污水处理厂氮、磷去除的主流工艺，以浙江省为例，在实施改造的污水厂中，AAO工艺占50%以上[1]。然而，传统AAO工艺因其有机负荷、泥龄以及碳源需求上的矛盾和竞争，加之目前普遍存在的污水厂进水水质浓度低、碳氮比(BOD∶TKN)低、无机悬浮物浓度高的特点，以及工业废水中难降解有机物的存在，大大增加了处理难度，难以实现碳、氮、磷的同步高效去除。

本文旨在通过分析污水处理厂进水条件，梳理限制氮、磷去除的关键影响因素，分析硝化、反硝化及厌氧释磷等主要处理过程的存在难题，从参数调整、运行优化及池型改造等方面，总结不同进水水质条件及排放要求下的推荐工艺形式及技改思路，深度挖掘污水处理厂二级生化处理的污染物削减潜能，为污水处理厂脱氮除磷工艺优化提供技术指导。

1 进水碳源影响及优化方式

1.1 进水碳源现状

进水SS包含挥发性的SS(VSS)和不可挥发性的SS(FSS)，后者成分基本为无机砂等无法生物降解的悬浮物，因此，可采用FSS/BOD表示进水中无机砂含量。我国城镇污水处理厂进水FSS/BOD呈现逐年上升的趋势，说明污水无机砂含量逐年升高。在污水生化系统中，聚磷菌和反硝化细菌是污水氮、磷去除的主力军，大部分属于化能异养菌，因此，充足的碳源是良好生物脱氮除磷的保障。根据《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)，污水中BOD∶TKN宜大于4，碳磷比(BOD∶TP)宜大于17，对于多数TN排放标准较高的地区，实际运行中BOD∶TKN更是需要达到4～5才能实现高效的脱氮效果。而我国城镇污水厂进水BOD∶TKN呈现逐年下降的趋势，近年来更是持续低于3.5，因此，进水碳源不足已经成为大多数污水厂生物脱氮效果无法稳定达标的一大原因。污水处理厂进水无机砂含量偏高，碳源不足，不仅会对水泵、搅拌机、曝气器等设备造成磨损，降低混合效率和曝气效率，还会对活性污泥生长造成损害，导致生化系统处理能力下降，出水氮、磷超标。

在污水进水COD中，挥发性脂肪酸(VFAs)属于易生物降解的部分，能够快速被反硝化细菌和聚磷菌利用，很大程度提高脱氮除磷效率。根据张强等[2]的研究，在厌氧条件下，聚磷菌能够直接吸收VFAs并释放磷酸盐，而对于淀粉、葡萄糖等大分子有机物，必须先通过水解酸化反应转化为低分子有机物后才能被利用，释磷速率主要取决于有机物的分解速率。因此，为了提高生化系统的脱氮除磷效率，应注重改善进水碳源结构，增加VFAs含量。

1.2 进水碳源优化方式

为了保障进水碳源，一方面需要减少预处理单元对于碳源的无效损耗；另一方面需要改善进水碳源结构，增加可有效利用的碳源(VFAs)含量。

根据杨敏等[3]的研究，污水厂预处理阶段的碳源无效损耗主要原因是跌水复氧，发生在进水提升泵和曝气沉砂池的出水渠道，能够直接导致工艺系统脱氮能力降低8～12 mg/L。减少无效碳源损耗，一方面应尽量减少跌水设施，另一方面尽量阻止跌水区与空气交流。

当污水中VFAs含量较少、无机组分偏高，导致FSS/BOD较高时，设置初沉池虽然可以降低无机含量，但也会去除进水中的VSS，进一步加剧碳源损耗。为了进一步改善进水碳源结构，提高氮、磷去除效率，可采用初沉发酵池系统，提升VFAs含量。商莉莉等[4]通过对比传统初沉池和高负荷初沉发酵池，发现高负荷初沉发酵池出水BOD∶TKN和BOD∶TP分别提高了58.8%和79.7%，反硝化脱氮和厌氧释磷效果大幅提升。

进水CODCr低于200 mg/L时会出现生物除磷碳源不足，虽然有机物浓度升高有助于脱氮除磷，但并不意味着浓度越高越好，当进水CODCr高于400 mg/L时，将会增加出水COD超标的风险[5]。

2 氮、磷去除性能优化方式

2.1 厌氧释磷反应

厌氧区作为释磷反应的主要功能区，良好的释磷效率是保持高效好氧吸磷的前提，因此，厌氧区的反应程度将直接影响生化除磷效果。厌氧区主要依靠聚磷菌实现释磷反应，影响其活性的主要因素有溶解氧、碳源、硝酸盐浓度、污泥龄等。

为保证聚磷菌的有效释磷，厌氧区的溶解氧应低于0.2 mg/L，氧化还原电位(ORP)应低于-150 mV。在此条件下，充足的碳源不仅有利于维持厌氧环境，更能减少回流污泥中的硝酸盐含量，促进释磷反应。当进水碳源结构较差时，可通过增设初沉发酵池改善碳源结构；当碳源严重不足时，可考虑向厌氧区投加碳源。一般情况下，厌氧池VFAs至少为25 mg/L，COD/TP大于40(或VFAs/TP≥4～7)，才有较好的除磷效果。

研究表明[6]，在同等条件下反硝化速率高于释磷速率，反硝化细菌会优先摄取易降解碳源，对聚磷菌产生抑制作用，还会导致污水ORP的升高，形成缺氧环境，使释磷效果降低，当厌氧区硝酸盐>1.0 mg/L时，会显著抑制释磷反应，因此，控制进入厌氧区的硝酸盐至关重要。可见，脱氮与除磷过程相互影响，应首先考虑反硝化脱氮效果的提升，以减少二沉池内的硝酸盐浓度，在脱氮效果差的情况下，生物除磷将难以有效实现。通常情况下，在厌氧区前增设预缺氧区进行反硝化，能够有效降低进入厌氧区的硝酸盐浓度。

污泥龄也是影响聚磷菌生长的重要因素，根据王洪臣等[7]的研究，当泥龄控制在10 d以下时，出水TP<1 mg/L。而硝化细菌却需要较长的泥龄，且受温度影响较大，为了保持高效脱氮下的除磷效果，可考虑15 ℃下控制在10～11 d；20 ℃下控制在8～10 d；25 ℃下控制在5～8 d。

在北方温度较低的情况下，为了提高厌氧区释磷效果，部分污水厂采取向厌氧池投加悬浮填料，可以使大量水解酸化菌附着于填料上，改善碳源结构，提高可生化性，对除磷有一定作用[8]。

目前，多数污水厂采用同步化学除磷辅助生物除磷的方式，使出水TP达标，一般投加至好氧池末端，能够降低建设费用和运行成本，但也会带来很大的风险和难题。通常难以将除磷药剂准确投加至生物池，易导致药剂残留于二沉池，并随回流污泥再次进入生化池，对聚磷菌的生长造成影响，降低其相对丰度，进一步加剧生物除磷性能的下降。

因此，不建议采取在生化池投加除磷药剂的方式，应进一步对厌氧区内的溶解氧、碳源、硝酸盐浓度及污泥龄等进行综合分析及优化，重点提高生物除磷性能。

2.2 缺氧反硝化反应

缺氧区是脱氮的主要功能区，其处理性能将对氮、磷的整体去除效果造成巨大影响。在该区域，经好氧池硝化反应的污水通过混合液回流系统进入缺氧区进行反硝化脱氮，应重点关注碳源、溶解氧和混合液回流的控制。

混合液回流是缺氧反硝化硝酸盐的主要来源，根据理论公式，脱氮效率与混合液回流比及污泥回流比成正比，但并不意味着增加回流比必然能提升脱氮效率。在此过程中应重点关注缺氧区硝酸盐的浓度，通过改变混合液回流比或进水比例，使缺氧段末端硝酸盐在1.0 mg/L左右[7]，否则将超出反硝化能力。王晓莲等[9]通过控制混合液回流比将缺氧区末端出水硝酸盐控制在1～3 mg/L，不仅提升了反硝化效果，还能减少过大的混合液回流造成的能耗浪费。

李激等[10]通过对58座污水厂的反硝化效能进行分析，发现碳源影响占85%以上。因此，保证反硝化碳源的充足性至关重要，当进水碳源不足时，通常采用多点进水系统，分别进入生化池的各缺氧区，实现碳源的充分利用；当碳源严重不足时，可采取外加碳源方式。

在此过程中，应保证混合液回流过程携带的溶解氧浓度不宜过高，否则将造成碳源浪费，且破坏缺氧环境，引发氮、磷去除性能整体恶化。一般来说，缺氧区的溶解氧要求低于0.5 mg/L，对于反硝化过程，应保证溶解氧尽量低才能实现最大的反硝化速率，但由于混合液回流的存在，对于大多数污水厂，能保持溶解氧低于0.5 mg/L已经有很大的难度。为了降低回流液的溶解氧，可在好氧区末端隔出20～30 min的非曝气区，使溶解氧从3.3 mg/L下降到0.6 mg/L以下，然后再回流至缺氧区。周圆等[11]通过降低回流液溶解氧浓度，实现了1.80 mg/L的硝酸盐去除量提升。

在目前对出水TN要求较高的情况下，多数水厂采取延长缺氧段停留时间(HRT)的方式，可以实现出水TN的部分降低，但造成碳源浪费和池容加大。研究表明，反硝化过程存在3个阶段，即快速反硝化、慢速反硝化和内源反硝化，分别以污水中的快速降解碳源、慢速降解碳源以及内源碳源进行反应[11]。当第1阶段快速降解碳源消耗后，第2阶段反硝化速率将会大幅降低，且随水质情况有很大的差异，在此阶段若碳源可生化性较差，反硝化速率甚至会接近0，延长HRT将难以发挥作用，因此，分析缺氧区碳源结构至关重要。

徐巧等[12]通过试验，发现向缺氧区投加悬浮填料也能提高在低温和低碳源条件下的反硝化效果，在15 ℃和C/N为3的条件下，硝酸盐去除率分别提升了9.8%和16.3%。

因此，对于缺氧反硝化，不建议盲目增加混合液回流比和增加HRT，应分析缺氧区内碳源、硝酸盐浓度、回流液溶解氧等关键控制点，采取针对性的优化措施。

2.3 好氧硝化、吸磷、除碳反应

好氧曝气区作为去除COD、硝化和吸磷反应的主要功能区，是污水处理工艺中HRT最长的区域，也是活性污泥工艺的主体，相当于微生物的繁殖车间，其处理性能将直接反映微生物活性和整个污水厂的生产性能。

一般情况，为了好氧菌能够获取足够的氧气，需保持溶解氧在1.5～2.0 mg/L，但目前多数污水厂存在过曝气现象，溶解氧达到5.0～7.0 mg/L。多数原因是设计风量较大，在实际运行中风机无法满足低碳进水条件下的低曝气量条件，造成能耗普遍偏高。

好氧区硝化反应和吸磷反应是氮、磷去除的关键过程，良好的硝化反应是缺氧区反硝化脱氮的前提，而吸磷效果更是能直接影响出水TP。这两个过程主要依靠硝化细菌和聚磷菌完成，其中，聚磷菌较稳定，在溶解氧充足和良好的厌氧释磷条件下可以实现较高的吸磷效果。目前，多数污水厂出水TP超标多是由于污泥沉降性能不好，出现污泥膨胀现象，导致出水SS较高，需要后接高效沉淀池或滤池使TP达标。硝化细菌却对环境较敏感，易受温度和污泥龄的影响，特别是低温条件下硝化反应缓慢，出水氨氮偏高，是多数北方污水厂的运行难题。研究表明，硝化反应所需的温度和污泥龄具有一定的相关性，当温度由15 ℃升高至26 ℃时，污泥龄可从9.5 d降低至4.5 d[7]。

在好氧池投加悬浮填料也可以应对冬季低温条件下硝化速率较低的情况，并形成悬浮污泥-生物膜混合工艺形式，在采取较低的污泥龄下保证除磷效果。研究表明，在污泥龄为5 d下，投加悬浮填料可以达到与传统活性污泥工艺相同的硝化反应程度。

2.4 各反应区关键控制指标

表1为生化池各反应区关键控制点及优化措施，在对二级生化处理进行提标时，应首先关注各反应功能区内的溶解氧、有机物和关键指标等控制因素，采取相应的工艺优化措施，提升氮、磷去除性能。

表1 生化池各反应区关键控制点及优化措施Tab.1 Critical Control Points and Optimization Measures for Each Reaction Zone in Biochemical Tank

3 二级处理工艺优化方案

3.1 二级处理工艺

针对传统AAO工艺的运行难点和处理瓶颈，为提升TN的处理性能，二级处理工艺的优化探索从未停止。目前，主要形成了3种工艺形式：AAO及其改进工艺、改良Bardenpho工艺、多级AO工艺。

(1)AAO及其改进工艺

如图1所示，从传统AAO工艺到倒置AAO、MUCT、改良型AAO(前置缺氧AAO)等工艺，改进的关键点均是通过让二沉池的回流污泥首先经过缺氧区进行预反硝化，减少硝酸盐对厌氧释磷的抑制，同时采取多点进水等方式，实现出水氮、磷去除性能的同步提升。改良型AAO工艺能够优化传统生化池的污染物去除性能，在进水碳源较充足时，稳定实现TN≤15 mg/L、TP≤0.5 mg/L，适用于进水条件较好(CODCr=200～400 mg/L，BOD∶TKN>4)且出水执行一级A标准的生活污水处理厂。多种AAO改进工艺是对传统AAO工艺的运行优化和改进，能够激发一部分原有生化池的处理潜能，但没有突破传统AAO工艺污染物理论去除率的限制，因此，应对水量和水质冲击负荷的能力较弱。

图1 AAO及其改进工艺形式Fig.1 AAO and Modified Process

(2)改良Bardenpho工艺

为了提升传统AAO工艺对TN的处理能力，提高生化池在进水碳源较低下的反硝化效率，出现了改良Bardenpho工艺，如图2所示。通过在传统AAO工艺后端增设反硝化功能单元并投加碳源，提升出水TN去除率。改良Bardenpho工艺能够在传统AAO工艺的基础上进一步激发脱氮潜能，根据田宇心等[13]的研究，在后置缺氧碳源投加、300%内回流、125%外回流下，出水TN能够稳定达到10 mg/L，去除率达到78%，接近理论去除率(80%)；当碳源充足投加后，能继续实现较完全的反硝化，出水TN低于3.2 mg/L，去除率达到90%以上。

图2 改良Bardenpho工艺Fig.2 Modified Bardenpho Process

虽然改良Bardenpho工艺能够取得良好的TN去除效果，但外加碳源无异于增加了污水厂的运行费用，更没有实现进水碳源的充分利用。为保证反硝化效果，满足更低的出水TN要求，需要设置独立的AO脱氮单元，导致生化池占地增加(HRT一般需增加3～5 h，占地增加20%～30%)。针对需要提标改造但没有预留用地的污水厂，可以通过在好氧池内投加填料，形成Bardenpho-MBBR组合工艺，减少好氧池容积，为后置AO池改造提供空间。吴迪等[14]在北方某污水厂原AAO工艺的好氧区改造中，隔出反硝化所需的缺氧区容积，好氧区容积不足的部分则通过投加生物填料补充，在好氧区填充率为40%的情况下，能够实现出水优于国家一级A标准，平均出水TN达到7.4 mg/L，去除率达到85.9%。且改造能够在不停产、不减产的情况下完成，能够稳定应对低温及雨季的冲击负荷，是现有污水厂应对高排放标准提标改造的优选方案。

(3)多级AO工艺

多级AO工艺在不加碳源、无混合液回流的情况下，能保持较高的TN去除性能。如图3所示，多级AO工艺通过设置多个“缺氧-好氧”单元串联，污水经过每个好氧区硝化反应后直接进入下一阶段的缺氧区进行反硝化脱氮。因此，无需混合液回流，也避免向缺氧区带入大量溶解氧，保证了脱氮效率和无效碳源消耗。同时，设置多点进水，为每一段缺氧反硝化提供碳源，能够实现进水碳源的有效利用。

图3 多级AO工艺Fig.3 Multistage AO Processes

多级AO工艺由于AO功能区的交替，有利于增强活性污泥的活性，提高反应池中的污泥浓度，增大生化池容积负荷。因此，所需的池容小于传统AAO工艺和Bardenpho工艺，一般情况下多级AO工艺能比传统AAO工艺节省10%～20%的生化池容积[15]，大大降低建设成本。研究表明，在进水碳源充足的条件下，通过优化多级AO工艺的进水分配，能够达到95%的TN去除率，远高于传统AAO工艺的理论去除率[16]。同时，多级AO工艺对进水碳源利用率较高，能有效应对进水BOD∶TKN低的情况。根据王秋慧等[17]的研究，在实际工程应用中，AO容积比为0.6左右时污染物去除效果最佳，在进水BOD∶TKN>3的情况下，出水TN也能达到一级A标准，去除率达到85%以上。对于进水BOD∶TKN更低的情况，还能够通过调整进水分配比、投加碳源或悬浮填料等方式实现TN的进一步去除。因此，多级AO工艺是现代污水厂应对进水BOD∶TKN低的优选工艺方案。

从理论上分析，多级AO工艺的分段数越多，碳源的利用率就越高，TN的去除率也越高，但通常超过4级后提升效果就会大大减弱，一般采用3～4级AO串联。由于多级AO工艺的分配方式较复杂，分区较多，多个缺氧分区溶解氧控制较难稳定实现，不太适用于现有污水厂的提标改造。

3.2 新兴工艺的探索与研究

为了提升生化池应对进水水量和水质的变化能力，使厌氧、缺氧、好氧区HRT具备一定的灵活调整性，出现了以多点进水、机动可调和消氧回流为关键技术的新兴AAO改进工艺形式，图4为可调式AAO工艺、“七段式”生化组合工艺和曝气缺氧/多级AO工艺[18]3种工艺案例。

图4 新兴AAO改进工艺形式Fig.4 Emergent Modified AAO Process

这些新兴工艺均总结了改良型AAO工艺、改良Bardenpho工艺和多级AO工艺的技术特点和工艺优势，主要关键点：(1)优化多点进水，充分利用进水碳源，减少外碳源的投加；(2)设置可调区，通过控制好氧和缺氧状态以适应不同的进水水质和处理要求，灵活性强；(3)将混合液回流进水点设置在缺氧区或消氧区之后，减少回流液溶解氧含量，保证缺氧环境和碳源的无效损耗；(4)精确曝气和溶解氧控制，避免无效容积。

3.3 二级处理工艺选择方案

表2总结了各工艺形式的特点和应对情况，在新建污水厂或现有污水厂提标改造时，应综合考虑出水水质要求、建设用地及运行成本等，合理选择最佳工艺方案。

表2 二级处理工艺优选方案Tab.2 Optimization of Secondary Treatment Process

对于进水条件好、出水执行一级A排放标准的新建大型城市污水厂，推荐采用改良型AAO工艺，并预留提标改造的空间；对于现有污水厂提标改造要求满足优于一级A的排放标准，特别是出水TN要求低于10 mg/L或8 mg/L时，推荐采用改良Bardenpho工艺，根据情况辅以投加填料；对于出水水质要求较高的新建污水厂，推荐采用多级AO工艺，实现较少占地和运行成本下的高TN去除率。