市政污水处理厂生物除磷运行效能与机理分析

莫凤光

（江西华竹新材料科技有限公司，江西 赣州 342108）

引言

市政污水处理厂进行污水处理时需要通过除磷来防止水的富氧化，污水除磷主要通过生物除磷或化学除磷两种方式进行，但是化学除磷需要向污水中投放大量的化学原料，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现象对污水进行除磷处理。生物除磷的效能决定了污水处理除磷的效能，所以采取更加高效的生物除磷能够更好地降低污水中磷的含量，提升污水处理的质量。

1 生物除磷的原理和工艺

聚磷菌具有在好氧条件下吸收磷和在厌氧条件下释放磷的特点，所以污水处理充分利用了聚磷菌的特点，将聚磷菌投入到好氧条件下的废水中，使其将废水中的磷酸盐摄入到细胞内，再通过聚合磷酸盐的方式进行存储，然后通过二沉池使含磷污泥沉淀，最后排出污泥实现除磷的目的[1]。在这一过程中会将一部分污泥返回至厌氧条件的废水中。在厌氧条件下，聚磷菌会通过释放磷来获取能量并吸收废水中的小分子有机物，将其转化为PHB存储在体内，然后再次进入好氧条件下的废水进行磷的吸收，增强了除磷效能[2]，所以生物除磷的效能与细菌数量的增加率和剩余污泥的产率呈正相关。生物除磷原理如图1所示。

图1 废水生物除磷原理及过程图

市政污水处理厂的生物除磷工艺主要包括A2/0工艺和氧化沟工艺。其中A2/0工艺是以A/0工艺为基础增加了一个缺氧段，这种方式能够将好氧区中的混合液回流到缺氧区进行反硝化脱氮处理，使除磷和脱碳更好地结合，有效缩小了曝气区的体积[3]，但是这样会导致系统排放的剩余污泥中的聚磷菌多数没有经历过放磷及吸收磷的过程，这样会对整个系统的除磷效率产生影响，同时还会通过提升回流量的方式降低回流污泥中硝酸盐的含量，增大整个系统的耗电量。而氧化沟工艺则充分利用了其工艺特点，在空间上形成缺氧好氧相互变化的情况，以实现硝化、反硝化和生物除磷的效果。这种工艺会比一般工艺节能10%～20%，但是采用该工艺进行大水量或高负荷污水处理需要更大的占地面积。

2 生物除磷效能的影响因素分析

生物除磷的效能整体上受到聚磷菌数量的增加率与剩余污泥产率的影响，具体来说，其受到溶解氧、硝酸盐含量、温度、pH值、BOD5负荷和有机物质以及泥龄等6个方面的影响[4]。（1）溶解氧：首先是好氧区需要具有充足的溶解氧，才能让聚磷菌对储存的PHB更好地降解，从而更好地吸收废水中的磷，所以好氧段的溶解氧需要控制在2.0 mg/L以上。其次是厌氧区需要严格控制厌氧环境来保证聚磷菌的生长、释磷能力和通过有机物合成PNH的能力。（2）硝酸盐含量：硝态氮会消耗废水中的有机物质，对聚磷菌释放磷产生抑制效果，从而影响了聚磷酸在好氧环境下吸收磷的效果。同时聚磷菌会以硝态氮作为电子受体进行反硝化反应，这样会抑制聚磷菌的释放和摄磷能力以及PBH的合成能力。（3）温度：聚磷酸进行生物除磷最好的温度环境是5～30 ℃。（4）pH值：当废水的pH值为6～8时，聚磷菌释放磷的效果最为稳定。（5）BOD5负荷和有机物质：只有整个系统废水进水的BOD5/TP＞15，才能使聚磷菌的除磷效果达到最佳，所以可以采用部分进水或跨越初沉池的方式来使BOD5满足需求[5]。（6）泥龄：生物除磷过程中需要将泥龄控制在3.5～7 d范围内。

3 不同工艺条件下生物除磷的效能和机理分析

3.1 材料与方法

3.1.1 样点调研与采样

本研究将对A2/0工艺、氧化沟工艺、改良氧化沟工艺的生物除磷效能进行分析，选取了3家不同生物除磷工艺的市政污水处理厂作为研究对象，通过实地考察的方式获取污水处理厂的基本运行参数；从污水处理厂好氧段末端获取活性污泥样品，样品量为8.0 L，通过保温存储箱带回实验室，并保存在4 ℃的环境内；选取污水处理较为稳定的时间节点进行取样，降低不稳定因素对实验的干扰。本次实验取样时间为2021年6～12月。

3.1.2 批试实验研究

本研究在采样后的12 h内进行污泥活性除磷批试实验。实验中将反应温度控制为20±1.0 ℃，然后将2.0 L活性污泥进行4 h的曝气处理，曝气流速控制为200 L/m3·min，使活性污泥适应实验环境。完成曝气后，采用合成废水置换污泥上清液，合成废水的成分为360 mg/L的乙酸钠、90 mg/L的七水硫酸镁、10.57 mg/L的氯化钙以及0.3 mL/L的微量溶液。每升微量溶液中含有1.5 g六水三氯化铁、0.15 g硼酸、0.03 g五水硫酸铜0.18 g碘化钾、0.12 g一水氯化锰、0.06 g二水钼酸钠、0.12 g七水硫酸锌、0.15 g六水氯化钴以及10 g EDTA 。然后将废水的pH调整至7.0±0.1，置入2.5 L的SBR反应器中，反应器如图2所示。向装置中以150 L/m3·min的速度匀速通入N2，使活性污泥处于厌氧环境下，时间控制为2.5 h，然后将活性污泥分为两份，一份以150 L/m3·min的速度匀速冲入N2进行缺氧批试实验，另一份以300 L/m3·min的速度匀速冲入空气进行好氧批试实验，实验反应时间均为2 h。实验期间定期进行实验样品的采集。缺氧实验开始时加入20 mL的31 mg/L的硝酸钠溶液，随后在100 min的时间内匀速加入100 mL的31 g/mL的硝酸钠溶液。

图2 实验装置

3.1.3 荧光原位杂交实验

实验过程中通过16srRNA-EUBMIX探针（EUB338、EUB338-Ⅱ和EUB338-Ⅲ）和Cy5标记表征所有细菌；然后用PAOMIX探针（PAO462、PAO651和PAO846）和6-FAM标记表征聚磷功能细菌（PAOs）；通过GAOMIX探针（GAO431、GAO989和GB-G2）和Cy3标记表征聚糖竞争细菌（GAOs）。完成污泥样品杂交后，通过激光扫描共聚显微镜对10个随机不同视野进行拍照，并通过MATLAB软件进行图像分析，计算出10个不同视野中PAOs和GAOs占细菌总量的比值，并计算平均值。

3.1.4 指标分析

本研究通过钼锑抗分光度法进行磷酸盐（PO43-P）指标分析；采用过酸性硫酸钾预处理－钼锑抗分光度法进行总磷（TP）指标分析；采用气相色谱法进行VFAs指标分析。

3.2 结果

3.2.1 污水处理厂调研结果

污水处理厂调研数据如表1所示，三个污水处理厂的出水TP浓度均小于1.0 mg/L，符合一级B标准。同时三个污水厂的除磷效率分别为72.7%、46.7%和78.3%，可见三种工艺的生物除磷效率存在明显差异，导致除磷效率存在差异的原因可能与废水中的TP含量有关。同时进水中VAFs的含量也存在较大差异，采用A2/0工艺和氧化沟工艺的污水处理厂的VAFs含量较低，这会导致不能满足厌氧环境聚磷菌释放磷过程中所需的碳源，从而导致生物除磷的效率变差[6]。同时三种污水处理工艺中生活污水的比例存在较大差异，且均需设置前置反硝化池，这样会为硝化菌和好氧菌的生长提供优势条件，从而与PAOs争夺碳源，影响聚磷菌除磷的效能。同时泥龄存在偏高的情况，不利于生物除磷。

表1 污水处理厂概况及进出水水质基本指标

3.2.2 批试实验除磷性能研究

厌氧阶段活性污泥生物除磷动力学参数如表2所示。三个污水处理厂的乙酸吸收速率为23 mg/g·h、14.7 mg/g·h和27.3 mg/g·h，与相关研究数据9.0～21.9 mg/g·h基本相同。厌氧生物释磷速率分别为2.4 mg/g·h、1.1 mg/g·h和0.2 mg/g·h，远低于相关研究数据13.1 mg/g·h，这可能与污水处理进水中TP/VAFs偏低有关，污水中没有足够的磷元素对PAOs聚磷进行补充。三个污水处理厂的P/HAc分别为0.13、0.11和0.03，但是理论中pH为7时，厌氧P/HAc值应该是0.57或0.50。而实际值低于理论值，说明活性污泥中的竞争菌的数量可能较多，从而导致其与PAOs进行碳源竞争，这对生物除磷效能会产生影响。在好氧阶段，好氧生物聚磷速率分别为1.8 mg/g·h、2.3 mg/g·h和0.7 mg/g·h，远低于相关研究数据9.1 mg/g·h，说明三个污水处理厂的好氧生物聚磷效率偏低，导致生物除磷效率不高，这可能是因为活性污泥中聚磷菌的数量相对较低所导致[7]。在缺氧阶段，缺氧生物聚磷效率分别为1.8 mg/g·h、0.9 mg/g·h和0 mg/g·h，这说明采用A2/0工艺和氧化沟工艺的污水处理厂存在缺氧聚磷的情况，说明在活性污泥中存在一定的反硝化聚磷菌。

表2 污水厂活性污泥厌氧－缺氧－好氧生物除磷批试实验动力学参数 单位：mg/g·h

PAOs和GAOs群落分析：本研究通过荧光原位杂交法对三种工艺污水处理厂活性污泥的PAOs和GAOs群落进行了分析，三种工艺污水处理厂的PAOs和GAOs群落分别为2.1%/2.0%、6.2%/1.9%和2.1%/4.8%。这个数据说明污水处理厂生物除磷中聚磷菌的菌群比例偏低，这样会导致生物除磷的效果受到影响。

4 结论

本文对三个采取不同生物除磷工艺的污水处理厂的生物除磷进行了调查研究和实验分析，得出以下结论：（1）三个污水处理厂出水TP含量均符合污水排放标准，但是这与进水TP含量较低有关，同时生物除磷效果较差，这是因为进水中VAFs的含量较低，无法有效维持生物除磷的碳源需求。（2）在批试实验中，三个污水处理厂的厌氧－缺氧－好氧的磷吸收率均较低，这是由于活性污泥中聚磷菌的种群比例较低所导致。（3）三个污水处理厂均没有设置前置反硝化池，所以可以考虑增加前置反硝化池的设置，同时需要适当增加废水中VAFs的含量，以提升聚磷菌的聚磷效果。