城镇污水处理厂生物除磷工艺应用及影响因素分析

连剑斌 谭杞安 王 奎

（1广东省清远市嘉清源环保水务有限公司 广东清远 511500 2 清远市清环环保有限公司广东清远 511500 3 清远市排水管理有限公司 广东清远 511500）

引言

生态环境部发布的《2022 中国生态环境状况公报》指出，2022 年全国城镇污水处理厂处理污水为625.8 亿m3，污水处理率达97.9%。污水中含有大量蛋白质、氨氮、脂肪等有机物，以及寄生虫卵等病原微生物,其中氮磷等植物营养物质含量过多会加剧水富营养化污染。而粪便、洗涤剂和工业废水是城市污水中磷的主要来源，常以正磷酸盐、聚磷酸盐、有机磷酸盐等形式溶解于污水中。因此，氮（N）、磷（P）是城镇污水处理厂处理污水需要关注的2 大主要指标。但长期以来，受居民生活习惯等因素影响，我国城镇生活污水中碳-氮比较低，且生化需氧量浓度一般低于200mg/L。城镇居民生活污水处理过程中，除了选择合适的工艺技术，还要充分考虑污水处理厂污水中的磷含量、除磷工艺要求，以及除磷技术的复杂程度等，选择不同的除磷工艺技术。目前，城镇污水处理厂除磷工艺主要有物理法、化学法和生物法。其中，应用较为广泛的为生物法除磷，工艺成熟、操作简便、成本较低。

1 生物除磷工艺机理

磷是评价水质的重要指标，当水体中的磷含量超过0.01mg/L 时，极易出现富营养化。污水中的磷主要以元素磷、正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐等形式溶解于水中。目前，粪便、洗涤剂及某些工业废水是城镇污水中磷的3 种主要来源。而城镇污水处理厂除磷工艺，物理法除磷技术复杂、处理成本高；化学法是最早应用于除磷实践的一种除磷方法，处理费用高，所用药量大，易产生大量化学污泥。因此，目前国内城镇污水处理厂纷纷运用生物法除磷。

常见的生物除磷工艺有A/O 工艺、A2/O 多级多段工艺、A2N-SBR 工艺等，如天津市咸阳路污水处理厂[1]、铜仁市污水处理厂[2]、昆明市污水处理厂[3]等，均选择不同的生物除磷工艺，处理效果良好。

生物除磷就是指在好氧条件下利用聚磷菌大量吸收污泥中磷，并排出污泥，剩余的污泥与污水进入厌氧状态[4]。厌氧条件中发酵产酸菌作用下污水中的有机物转化为乙酸苷，污泥中的聚磷菌在厌氧条件下分解，部分能量供聚磷菌生存，部分能量供聚磷菌吸收，将有机物转化成的乙酸苷转化为聚-β-羟丁酸形态藏于体内，聚磷菌分解为无机磷释放回污水中。进入好氧环境中，体内的聚-β-羟丁酸被聚磷菌好氧分解，释放能量，供聚磷菌增殖，及吸收污水中磷酸盐，并以聚磷形式积累于体内。在运用生物除磷工艺处理生活污水中的磷含量时，由于活性污泥在运行过程中不断增殖，为保证系统持续、高效稳定运行，因此需要及时将运行系统中的活性污泥排出[5]。但排出的活性污泥中含有大量吸收磷的聚磷菌，从而达到除磷效果。生物除磷工艺流程如图1 所示。

图1 生物除磷工艺流程

2 城镇污水处理厂生物除磷工艺应用案例分析

2.1 案例概况

2021 年10 月，某城镇生活污水处理厂建成投入运行。设计日处理生活污水3500m³/d，设计出水标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准（见表1），选用“A2/O+MBR”生物处理工艺技术。污水经格栅、提升泵房、沉砂池后进入曝气池、沉淀池处理，出水段采用曝气生物滤池深度处理工艺，污泥经浓缩池浓缩后脱水[6]，最高允许排放浓度（日均值）见表1。

表1 基本控制项目最高允许排放浓度（日均值）单位：mg/L

2.2 工艺参数

设计水量（Q）3500m³/d，污泥龄（SRT）18.5d；污泥负荷（F/M）=0.12kgBOD5/kgMLSS·d；污泥浓度（MLSS）4200mg/L。溶解氧的厌氧池0.2～0.4mg/L，缺氧池0.5mg/L，好氧池2mg/L以上。停留时间，厌氧池2.5h，缺氧池1.2h，好氧池6.5h。污泥指数（SVI）50～145mg/L，污泥回流比（R）70%～80%

2.3 监测结果

从污水处理厂运行情况来看，排水中的COD、BOD5、TN、NH3-N、SS 等均达标。总磷（TP）较难达标，需要在废水处理过程中持续加入聚铝除磷药剂，但这样会增加污水处理成本。经监测，某污水处理厂运行工艺段各项指标见表2。厌氧池溶解氧监测结果为1.092mg/L，超过限值（0.2mg/L）的4.46 倍，可见TP 较难达标，与厌氧池中溶解氧浓度过高有关，影响了生物除磷工艺效果。此外，生物池内污泥沉降比高，污泥浓度值也很高，其中好氧池污泥沉降比、污泥浓度分别达到了79mg/L、4108mg/L。说明，生物池内污泥龄较长，污泥出现膨胀，发生污泥老化情况。因此，该污水处理厂除磷不达标的又一因素是排泥不够及时。生物池既是除磷工艺构筑物，也是污水脱氮主要构筑物。生物脱氮需将硝化的含大量硝酸盐混合液硝化回流后反硝化反应，因此在生物池中含有大量硝酸根离子和亚硝酸根离子。

表2 某污水处理厂运行工艺段指标监测情况 单位：mg/L

3 城镇污水处理厂生物除磷工艺运行分析及调试

从监测结果来看，厌氧池、缺氧池中溶解氧浓度含量超过了标准限值，且生物池污泥龄较长，是导致污水处理厂出水TP 未达到一级（A）标准的主要原因。为此，需要全面分析并采取相应的调试措施。

3.1 溶解氧

该污水处理厂采用A2/O+MBR 除磷工艺，将收集的城镇污水经调节池，直接进入生物池厌氧段。从设备布设情况看，进水管道布设位置高，生物池水位低，水流出现较为明显的跌水现象，需增设推流器，提升厌氧池、缺氧池内水流速，好氧池布设微孔曝气器，作为充氧设备。因此，为解决厌氧池溶解氧偏高而影响除磷效果，该污水处理厂在确保厌氧池污泥不沉条件下，减小推进器速度，最大限度地减少因推进器旋转而产生的氧气溶解；同时，投加除氧剂，降低厌氧池污水溶解氧浓度。经过7d 调整，厌氧池内不同溶解氧浓度得到了显著降低，除磷效果显见表3。

表3 厌氧池溶解氧调试结果 单位：mg/L

3.2 污泥龄

为维持生物运行系统始终保持较为稳定的运行工况，需要及时排出剩余污泥，根据排出的污泥量特点和规律，计算出生物池中污泥龄。污泥排出量越多，生物池内污泥龄越短，反之则污泥龄越长[7]。为控制该污水处理厂生物池内污泥龄，应加大每天剩余污泥排放量。而A2/O+MBR 工艺的运用，不仅要求实现污水除磷，还要保证生物脱氮处理达到预期效果。因此，最大限度缩短污泥龄时，也要兼顾解决其他污染物指标对污泥龄影响。污泥龄调试情况见表4，污泥龄＜15d 时生物池中的TN、TP 去除率均较高。因此，该污水处理厂将生物池污泥龄确定为15d。

表4 污泥龄调试情况 单位：mg/L

3.3 污泥回流比

增大污泥回流比不仅会降低回流污泥浓度，还能有效稳定悬浮污泥浓度，减少二沉池的沉淀时间，从而更利于防止污水中磷的提前释放。该污水处理厂污泥回流比设计在70%～80%，应适当调节增加污泥回流比，控制在80%～95%左右，防止污水中磷含量的提前释放，增加二沉池容及活性污泥系统动力消耗。

3.4 小结

通过降低生物池中溶解氧，调节污泥龄及停留时间，该污水处理厂出水总磷浓度显著降低，取得了良好的预期效果，总磷去除率达70%。

4 城镇污水处理厂生物除磷工艺影响因素控制措施

4.1 控制生物池溶解氧浓度

厌氧条件下释放磷，好氧条件下磷被吸收而实现去除，可见生物处理工艺应用时的厌氧区、好氧区的溶解氧浓度直接影响除磷效率和除磷量[8]。由于聚磷菌代谢较为缓慢，一般只能吸收低分子有机物好氧菌，因此污水中也要保持一定浓度溶氧量，但溶解氧浓度不宜过高，过高会导致聚磷菌以外的其他异养菌竞争碳源，导致污水处理时释磷不够充分而影响整体除磷效果。因此，在聚磷菌生化作用过程中，要严格控制好厌氧区、好氧区等不同区域溶解氧浓度。从实际调试情况来看，好氧池出水端溶解氧浓度应控制在1.5mg/L～2mg/L，厌氧区溶解氧浓度一般控制在2mg/L 以下，工艺除磷效果较好。

4.2 调节污泥龄

生物除磷工艺中污泥龄是影响除磷效果的又一因素。污泥龄体现了聚磷菌的代谢状态，以及聚磷菌的世代时间[9]。实践表明，污水处理厂污泥龄过长，污泥极易被氧化，使得聚磷菌出现释磷现象，影响除磷工艺效果。此外，污泥龄较长还会滋生大量非聚磷菌，抑制聚磷菌生长，降低除磷效果。而污泥龄越短，聚磷菌体内的聚磷量就会越多，排放出更多的污泥量，且短的污泥龄具有较高活性，体内含磷值也较高，缩短污泥龄可有效提升除磷效果。但污泥龄也不宜过短，必须要满足污泥龄大于世代时间这一要求，以保证污水处理过程中聚磷菌生化反映所需的时间和环境。从本次调试情况看，污泥龄控制在15d 以内，A2/O+MBR 工艺除磷效果更佳。

4.3 调节污泥回流比

污水处理过程中去除N、P、CODcr会产生大量活性污泥，其中污泥回流比会直接影响N、P、CODcr等污染物去除效果。为确保生物除磷工艺较好的去污能力，达到预期去除效果，使其保持较高的污泥浓度。综合考虑该污水处理厂污水处理设备运行参数及实际运行效果，该污水处理厂应保持80%的最佳污泥回流比。

结语

近年来，随着工业化、城市化进程加快，城市人口数量和规模均呈现出较大幅度增长，城市生活污水排放量持续增加，污水中含有大量氮磷化合物，如处理不当直接排放到周边环境会引发水体富营养化，加剧水环境污染。为适应不断增长的污水处理现实需要，市政污水处理厂纷纷进行改扩建，并通过控制溶解氧浓度、调节污泥龄、污泥回流比、水力停留时间和沉淀时间及温度等，有效提升污水处理环境中NH3-H、TP、COD 等指标控制能力。因此，优化生物除磷工艺技术的应用，减少化学药剂的投加，降低污水处理成本，实现微生物扩繁和利用，具有广阔的市场应用前景。