吳凡松，彭永臻?
( 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 1500 90)

　　摘　要：討論了強(qiáng)化生物除磷(EBPR)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中泥齡的確定以及除磷效果與有機(jī)物濃度的關(guān)系，對(duì)不同水平的除磷目標(biāo)給出了相應(yīng)的單元組成。?
　　關(guān)鍵詞：EBPR；設(shè)計(jì)；好氧泥齡；厭氧泥齡；BOD₅/ΔP；除磷目標(biāo)
　　中圖分類號(hào)：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)08-0056-03

　　隨著我國(guó)新的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)的頒布實(shí)施，強(qiáng)化生物除磷技術(shù)(Enhanced Biological Phosphorus Removal，簡(jiǎn)稱EBPR)在新建污水處理廠工程中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。由于新標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)出水TP要求高，再加上生物除磷技術(shù)復(fù)雜，因此它往往成為污水處理廠設(shè)計(jì)與運(yùn)行的難點(diǎn)。
　　有關(guān)生物除磷的機(jī)理，目前比較一致的看法是聚磷菌(PAO)獨(dú)特的代謝活動(dòng)完成了磷從液態(tài)(污水)到固態(tài)(污泥)的轉(zhuǎn)化。普通活性污泥中磷含量為1.5%～2.0%(P/VSS)，而PAO能將污泥中的磷含量提高到5%～7%，因而生物除磷要求創(chuàng)造適合PAO生長(zhǎng)的環(huán)境，從而使PAO群體增殖。在工藝上通過在好氧段前設(shè)置厭氧段(空間上，如A/O除磷工藝；時(shí)序上，如SBR工藝) 使PAO獲得選擇性增長(zhǎng)。PAO獲得選擇性優(yōu)勢(shì)的原因是在厭氧段大量吸收進(jìn)水中揮發(fā)性脂肪酸 (VFAs)，并在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為聚β羥基丁酸(Polyhydroxybutyrate，簡(jiǎn)稱PHB)，使得它在好 氧段無需同其他異養(yǎng)菌爭(zhēng)奪水中殘留的有機(jī)物。

1 泥齡設(shè)計(jì)

1.1 好氧泥齡
　　作為一種異養(yǎng)菌，PAO存在的一個(gè)必要條件就是要滿足其生長(zhǎng)所需的最小泥齡。由于PAO是在好氧條件下生長(zhǎng)繁殖，故此處的最小泥齡指的是好氧泥齡。PAO的生長(zhǎng)速率介于其他異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌(硝化菌)之間，因此其生長(zhǎng)所需的最小泥齡也介于兩者之間。目前設(shè)計(jì)中PAO好氧所需的最小泥齡一般按經(jīng)驗(yàn)選用。圖1表示了PAO及硝化菌生長(zhǎng)所需的最小泥齡與溫度的關(guān)系，設(shè)計(jì)中除了考慮最小泥齡外還應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)，其值一般取1.5。

　　之所以在圖1中列出硝化菌生長(zhǎng)所需的最小泥齡是因?yàn)橄趸磻?yīng)會(huì)對(duì)PAO生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。若在好氧段發(fā)生硝化反應(yīng)，硝酸鹽會(huì)隨著回流污泥進(jìn)入?yún)捬醵危沟梅聪趸?xì)菌同PAO爭(zhēng)奪VFAs，從而破壞了PAO的選擇性優(yōu)勢(shì)。另外，回流到厭氧段的硝酸鹽還會(huì) 干擾發(fā)酵反應(yīng)，因?yàn)榉聪趸?xì)菌在厭氧條件下會(huì)直接利用易降解有機(jī)物(1mgNO₃-N回流到厭氧段大約有6mgCOD被消耗掉)，從而破壞了其通過發(fā)酵反應(yīng)轉(zhuǎn)化為VFAs的過程。因此，當(dāng)好氧段發(fā)生硝化反應(yīng)時(shí)確定厭氧段泥齡應(yīng)考慮到由此引起的有機(jī)物的額外需求。從圖1可以看出，當(dāng)溫度較低時(shí)PAO和硝化菌生長(zhǎng)所需的最小泥齡相差較大，設(shè)計(jì)或運(yùn)行時(shí)很容易使系統(tǒng)滿足PAO生長(zhǎng)而抑制硝化菌的生長(zhǎng)，但隨著溫度的升高兩者逐漸接近(＞25℃時(shí)兩者相等)。VIP、UCT工藝由于能去除回流液中的NO₃-N而使PAO具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　在滿足最小泥齡的情況下系統(tǒng)的除磷效率會(huì)隨著泥齡的增加而降低，這是由于：①泥齡增大導(dǎo)致產(chǎn)泥率降低，從而使通過排除剩余污泥去除的磷數(shù)量減少；②PAO為維持其 生命活動(dòng)而分解聚磷導(dǎo)致了磷的二次釋放。因此，生物除磷系統(tǒng)在滿足PAO生長(zhǎng)所需的條件下應(yīng)選用較短的泥齡。?
1.2 厭氧泥齡
　　PAO在厭氧段完成VFAs的吸附、轉(zhuǎn)移以及體內(nèi)磷的釋放。它在好氧段吸收磷的數(shù)量與其在厭氧段吸附VFAs的數(shù)量密切相關(guān)。若進(jìn)水中有大量VFAs存在，則PAO對(duì)VFAs的吸附可迅速完成，此時(shí)厭氧段需要較小的泥齡;而如果進(jìn)水中僅有一部分VFAs，則需要有機(jī)物在厭氧段進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)生VFAs，由于發(fā)酵反應(yīng)速度慢，因此發(fā)酵反應(yīng)將成為厭氧段泥齡大小的控制因素。在20℃時(shí)若進(jìn)水中存在所需要的VFAs，則厭氧泥齡可短至0.5d；若進(jìn)水中不含有VFAs，但含有的易降解有機(jī)物通過發(fā)酵反應(yīng)足以產(chǎn)生所需要的VFAs，則厭氧泥齡大約為1.5d(20℃)；若進(jìn)水中含有部分VFAs(仍需要部分發(fā)酵)則泥齡為0.5～1.5d。另一方面，若易降解物質(zhì)數(shù)量不足，則慢速降解有機(jī)物尚需先水解，然后再通過發(fā)酵反應(yīng)生成VFAs，此時(shí)的厭氧泥齡更長(zhǎng)(2.5～3d)。此時(shí)，若能把發(fā)酵產(chǎn)物(如初沉污泥發(fā)酵產(chǎn)物)投入到厭氧池，則會(huì)改善除磷效果。
　　城市污水可根據(jù)進(jìn)水COD濃度來確定厭氧段MLSS數(shù)量與系統(tǒng)總的MLSS數(shù)量之比(表1)。在MLSS濃度統(tǒng)一的情況下該數(shù)量比為厭氧泥齡和系統(tǒng)總泥齡之比。

表1 厭氧段生物量所占比例與進(jìn)水COD的關(guān)系 進(jìn)水COD(mg/L) 厭氧段MLSS數(shù)量占系統(tǒng)總的MLSS比例 ＜400 0.20～0.25 400～700 0.15～0.20 ＞700 0.10～0.15

2 除磷效果與有機(jī)物的關(guān)系

　　除磷效果與COD/TP、BOD₅/TP及SBOD₅/TP的值有關(guān)，同時(shí)它又隨工藝不同而變化。生物除磷所需最少有機(jī)物的概念引出了碳(有機(jī)物)限制污水和磷限制污水。碳限制污水是指水中有機(jī)物數(shù)量不足以去除所有磷，結(jié)果出水中磷濃度高，其濃度由相應(yīng)進(jìn)水中磷濃度和有機(jī)物濃度確定。磷限制污水是指污水中有機(jī)物含量大于除磷所需有機(jī)物數(shù)量，此時(shí)出水中磷濃度很低。所以當(dāng)需要得到良好的出水水質(zhì)時(shí)，原水水質(zhì)屬磷限制 的污水是所期望的。
　　通過對(duì)碳限制污水的認(rèn)識(shí)給出了各種不同的EBPR工藝所需有機(jī)物同ΔP的比例。該比例是在碳限制條件下通過試驗(yàn)和實(shí)際工程確定的，同時(shí)它也表明了系統(tǒng)的除磷能力。最常用的比例是BOD₅同去除磷的比例(BOD₅/ΔP)，其計(jì)算公式為：
　　　　　　　　　BOD₅／ΔP=進(jìn)水中BOD₅／進(jìn)水TP-出水溶解性P?
　　公式中使用出水溶解磷是因?yàn)槌鏊蓄w粒性磷通常是從二沉池中流出，它是二沉池效率的函數(shù)，而與生物過程無關(guān)。表2提供了各種生物除磷工藝所需典型BOD₅、COD與ΔP的比值。?

表2 EBPR工藝所需BOD₅和COD與Δ P的比值 EBPR工藝 BOD₅/ΔP(mgBOD₅/mgP) COD/ΔP(mgCOD/mgP) 高效除P工藝(如無硝A/O化、VIP、UCT) 15～20 26～34 中等效率除P工藝(如帶硝化A/O和A2/O) 20～25 34～43 低效率除P工藝(如氧化溝) ＞25 ＞43

　　從表2可以看出，當(dāng)BOD₅/ΔP值較小時(shí)需要效率高的除磷工藝，因?yàn)檫@類工藝去除單位磷需要較少的有機(jī)物。高效除磷工藝之所以效率高是因?yàn)闆]有NO₃-N回流到厭氧池，或者是因?yàn)樗鼪]有產(chǎn)生(如無硝化A/O)，或者是因?yàn)镹O₃-N被去除(如VIP工藝)。低效 率除磷工藝如五段Bardenpho工藝、延時(shí)曝氣工藝(氧化溝工藝)，除磷效率低的重要原因是它們的泥齡較長(zhǎng)。?

3 出水中溶解性磷的估算

　　出水中顆粒性磷可根據(jù)污泥中含磷量和出水SS進(jìn)行估算，而對(duì)于溶解性磷，可采用如下的方法進(jìn)行估算。
　　已知進(jìn)水中BOD₅=150 mg/L，TP=7mg/L，采用A/O除磷工藝。冬季時(shí)無硝化發(fā)生，所需BOD₅/ΔP值為15～20(表2)，為安全取?BOD₅/ΔP=20，則去除磷的數(shù)量ΔP=BOD₅/20=7.5mg/L＞7.0mg/L。該計(jì)算顯示冬季時(shí)出水溶解性磷較低。夏季時(shí)即使采用較短泥齡，好氧段也會(huì)發(fā)生硝化反應(yīng)，此時(shí)所需?BOD₅/ΔP值為20～25(表2)，取BOD₅/ΔP=25，則去除磷的數(shù)量ΔP=BOD₅/25=6.0 mg/L，相對(duì)于進(jìn)水7.0mg/L尚有部分溶解性磷存在于出水中。?

4 出水SS

　　出水SS對(duì)顆粒性磷的影響見圖2。

　　由圖2可見，當(dāng)出水SS＞20mg/L時(shí)大量磷出現(xiàn)在出水中。而二沉池一般無法使出水SS穩(wěn)定在10mg/L之下，因此增加深度處理措施以進(jìn)一步去除二級(jí)出水中的SS是最終去 除磷的重要手段。?

5 污泥處理系統(tǒng)

　　生物除磷系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥在濃縮池和污泥貯池中長(zhǎng)時(shí)間停留會(huì)引起磷的二次釋放，若同初沉污泥一起濃縮，則初沉污泥中的有機(jī)物會(huì)加速磷的釋放速度。資料顯示，某污水廠把初沉污泥同剩余污泥集中進(jìn)行重力濃縮，結(jié)果上清液中磷濃度達(dá)到100 mg/L。此時(shí)，應(yīng)把初沉污泥和剩余污泥分別濃縮。另外，為減少剩余污泥的濃縮時(shí)間應(yīng)優(yōu)先使用機(jī)械濃縮，貯泥池中應(yīng)設(shè)置攪拌或曝氣設(shè)施以避免出現(xiàn)厭氧狀態(tài)。污泥的厭氧消化會(huì)使污泥中的磷最大程度地釋放出來，但大部分釋放的磷并沒有進(jìn)入上清液，而是生成了一類沉淀物。?

6 除磷目標(biāo)與系統(tǒng)組成

　　圖3表示生物除磷工藝基本單元構(gòu)成。一般情況下，該構(gòu)成可使出水TP＜2.0mg/L，要想進(jìn)一步降低TP的濃度需增加一些處理單元，詳見表3。

表3 出水TP與單元構(gòu)成 出水TP(mg/L) 單元構(gòu)成 2.0 如圖3所示 1.0 增加:在二沉池前加藥 0.5 增加:①在二沉池前加藥；?②在二沉池后增加過濾單元 0.2 增加:①在二沉池前加藥；?②在二沉池后增加過濾單元；③過濾前加藥

7 結(jié)論

　　① 對(duì)生物除磷系統(tǒng)，好氧泥齡的選擇既要滿足聚磷菌的生長(zhǎng)要求，又要盡可能避免硝化反應(yīng)的發(fā)生。
　?、?厭氧段泥齡與進(jìn)水水質(zhì)有關(guān)，可根據(jù)所需的厭氧泥齡與系統(tǒng)總泥齡的比例計(jì)算。
　?、?有機(jī)物對(duì)生物除磷影響較大，設(shè)計(jì)中可根據(jù)進(jìn)水BOD₅/ΔP、COD/ΔP確定合理的生物除磷工藝。
　?、?出水TP會(huì)隨著出水SS的增大而增大，通過去除出水SS以進(jìn)一步降低出水磷濃度。
　?、?對(duì)不同水平的除磷目標(biāo)需選擇不同的單元組成。

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　　收稿日期：2002-04-15