城市污水处理厂的生物除磷系统设计

城市污水处理厂的生物除磷系统设计吴凡松，彭永臻　(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)摘要：讨论了强化生物除磷(EBPR)系统设计中泥龄的确定以及除磷效果与有机物浓度的关系，对不同水平的除磷目标给出了相应的单元组成。　关键词：EBPR；设计；好氧泥龄；厌氧泥龄；BOD5/ΔP；除磷目标随着我国新的《污水综合排放标准》(GB8978—1996)的颁布实施，强化生物除磷技术(EnhancedBiologicalPhosphorusRemoval，简称EBPR)在新建污水处理厂工程中获得了日益广泛的应用。由于新标准中对出水TP要求高，再加上生物除磷技术复杂，因此它往往成为污水处理厂设计与运行的难点。有关生物除磷的机理，目前比较一致的看法是聚磷菌(PAO)独特的代谢活动完成了磷从液态(污水)到固态(污泥)的转化。普通活性污泥中磷含量为1.5%～2.0%(P/VSS)，而PAO能将污泥中的磷含量提高到5%～7%，因而生物除磷要求创造适合PAO生长的环境，从而使PAO群体增殖。在工艺上通过在好氧段前设置厌氧段(空间上，如A/O除磷工艺；时序上，如SBR工艺)使PAO获得选择性增长。PAO获得选择性优势的原因是在厌氧段大量吸收进水中挥发性脂肪酸(VFAs)，并在体内转化为聚β羟基丁酸(Polyhydroxybutyrate，简称PHB)，使得它在好氧段无需同其他异养菌争夺水中残留的有机物。1泥龄设计1.1好氧泥龄作为一种异养菌，PAO存在的一个必要条件就是要满足其生长所需的最小泥龄。由于PAO是在好氧条件下生长繁殖，故此处的最小泥龄指的是好氧泥龄。PAO的生长速率介于其他异养菌和自养菌(硝化菌)之间，因此其生长所需的最小泥龄也介于两者之间。目前设计中PAO好氧所需的最小泥龄一般按经验选用。图1表示了PAO及硝化菌生长所需的最小泥龄与温度的关系，设计中除了考虑最小泥龄外还应考虑一定的安全系数，其值一般取1.5。之所以在图1中列出硝化菌生长所需的最小泥龄是因为硝化反应会对PAO生长产生不利影响。若在好氧段发生硝化反应，硝酸盐会随着回流污泥进入厌氧段，使得反硝化细菌同PAO争夺VFAs，从而破坏了PAO的选择性优势。另外，回流到厌氧段的硝酸盐还会干扰发酵反应，因为反硝化细菌在厌氧条件下会直接利用易降解有机物(1mgNO3-N回流到厌氧段大约有6mgCOD被消耗掉)，从而破坏了其通过发酵反应转化为VFAs的过程。因此，当好氧段发生硝化反应时确定厌氧段泥龄应考虑到由此引起的有机物的额外需求。从图1可以看出，当温度较低时PAO和硝化菌生长所需的最小泥龄相差较大，设计或运行时很容易使系统满足PAO生长而抑制硝化菌的生长，但随着温度的升高两者逐渐接近(＞25℃时两者相等)。VIP、UCT工艺由于能去除回流液中的NO3-N而使PAO具有明显的优势。在满足最小泥龄的情况下系统的除磷效率会随着泥龄的增加而降低，这是由于：①泥龄增大导致产泥率降低，从而使通过中国城镇水网排除剩余污泥去除的磷数量减少；②PAO为维持其生命活动而分解聚磷导致了磷的二次释放。因此，生物除磷系统在满足PAO生长所需的条件下应选用较短的泥龄。　1.2厌氧泥龄PAO在厌氧段完成VFAs的吸附、转移以及体内磷的释放。它在好氧段吸收磷的数量与其在厌氧段吸附VFAs的数量密切相关。若进水中有大量VFAs存在，则PAO对VFAs的吸附可迅速完成，此时厌氧段需要较小的泥龄;而如果进水中仅有一部分VFAs，则需要有机物在厌氧段进行发酵反应产生VFAs，由于发酵反应速度慢，因此发酵反应将成为厌氧段泥龄大小的控制因素。在20℃时若进水中存在所需要的VFAs，则厌氧泥龄可短至0.5d；若进水中不含有VFAs，但含有的易降解有机物通过发酵反应足以产生所需要的VFAs，则厌氧泥龄大约为1.5d(20℃)；若进水中含有部分VFAs(仍需要部分发酵)则泥龄为0.5～1.5d。另一方面，若易降解物质数量不足，则慢速降解有机物尚需先水解，然后再通过发酵反应生成VFAs，此时的厌氧泥龄更长(2.5～3d)。此时，若能把发酵产物(如初沉污泥发酵产物)投入到厌氧池，则会改善除磷效果。城市污水可根据进水COD浓度来确定厌氧段MLSS数量与系统总的MLSS数量之比(表1)。在MLSS浓度统一的情况下该数量比为厌氧泥龄和系统总泥龄之比。表1厌氧段生物量所占比例与进水COD的关系进水COD(mg/L)厌氧段MLSS数量占系统总的MLSS比例＜4000.20～0.25400～7000.15～0.20＞7000.10～0.152除磷效果与有机物的关系除磷效果与COD/TP、BOD5/TP及SBOD5/TP的值有关，同时它又随工艺不同而变化。生物除磷所需最少有机物的概念引出了碳(有机物)限制污水和磷限制污水。碳限制污水是指水中有机物数量不足以去除所有磷，结果出水中磷浓度高，其浓度由相应进水中磷浓度和有机物浓度确定。磷限制污水是指污水中有机物含量大于除磷所需有机物数量，此时出水中磷浓度很低。所以当需要得到良好的出水水质时，原水水质属磷限制的污水是所期望的。通过对碳限制污水的认识给出了各种不同的EBPR工艺所需有机物同ΔP的比例。该比例是在碳限制条件下通过试验和实际工程确定的，同时它也表明了系统的除磷能力。最常用的比例是BOD5同去除磷的比例(BOD5/ΔP)，其计算公式为：BOD5／ΔP=进水中BOD5／进水TP-出水溶解性P　公式中使用出水溶解磷是因为出水中颗粒性磷通常是从二沉池中流出，它是二沉池效率的函数，而与生物过程无关。表2提供了各种生物除磷工艺所需典型BOD5、COD与ΔP的比值。　表2EBPR工艺所需BOD5和COD与ΔP的比值EBPR工艺BOD5/ΔP(mgBOD5/mgP)COD/ΔP(mgCOD/mgP)高效除P工艺(如无硝A/O化、VIP、UCT)15～2026～34中等效率除P工艺(如带硝化A/O和A2/O)20～2534～43低效率除P工艺(如氧化沟)＞25＞43可以看出，当BOD5/ΔP值较小时需要效率高的除磷工艺，因为这类工艺去除单位磷需要较少的有机物。高效除磷工艺之所以效率高是因为没有NO3-N回流到厌氧池，或者是因为它没有产生(如无硝化A/O)，或者是因为NO3-N被去除(如VIP工艺)。低效率除磷工艺如五段Bardenpho工艺、延时曝气工艺(氧化沟工艺)，除磷效率低的重要原因是它们的泥龄较长。　3出水中溶解性磷的估算出水中颗粒性磷可根据污泥中含磷量和出水SS进行估算，而对于溶解性磷，可采用如下的方法进行估算。已知进水中BOD5=150mg/L，TP=7mg/L，采用A/O除磷工艺。冬季时无硝化发生，所需BOD5/ΔP值为15～20(表2)，为安全取BOD　5/ΔP=20，则去除磷的数量ΔP=BOD5/20=7.5mg/L＞7.0mg/L。该计算显示冬季时出水溶解性磷较低。夏季时即使采用较短泥龄，好氧段也会发生硝化反应，此时所需BOD　5/ΔP值为20～25(表2)，取BOD5/ΔP=25，则去除磷的数量ΔP=BOD5/25=6.0mg/L，相对于进水7.0mg/L尚有部分溶解性磷存在于出水中。　4出水SS出水SS对颗粒性磷的影响见图2。由图2可见，当出水SS＞20mg/L时大量磷出现在出水中。而二沉池一般无法使出水SS稳定在10mg/L之下，因此增加深度处理措施以进一步去除二级出水中的SS是最终去除磷的重要手段。　5污泥处理系统生物除磷系统产生的剩余污泥在浓缩池和污泥贮池中长时间停留会引起磷的二次释放，若同初沉污泥一起浓缩，则初沉污泥中的有机物会加速磷的释放速度。资料显示，某污水厂把初沉污泥同剩余污泥集中进行重力浓缩，结果上清液中磷浓度达到100mg/L。此时，应把初沉污泥和剩余污泥分别浓缩。另外，为减少剩余污泥的浓缩时间应优先使用机械浓缩，贮泥池中应设置搅拌或曝气设施以避免出现厌氧状态。污泥的厌氧消化会使污泥中的磷最大程度地释放出来，但大部分释放的磷并没有进入上清液，而是生成了一类沉淀物。　6除磷目标与系统组成图3表示生物除磷工艺基本单元构成。一般情况下，该构成可使出水TP＜2.0mg/L，要想进一步降低TP的浓度需增加一些处理单元，详见表3。(mg/L)单元构成2.0如图3所示1.0增加:在二沉池前加药0.5增加:①在二沉池前加药；　②在二沉池后增加过滤单元0.2增加:①在二沉池前加药；　②在二沉池后增加过滤单元；③过滤前加药7结论①对生物除磷系统，好氧泥龄的选择既要满足聚磷菌的生长要求，又要尽可能避免硝化反应的发生。②厌氧段泥龄与进水水质有关，可根据所需的厌氧泥龄与系统总泥龄的比例计算。③有机物对生物除磷影响较大，设计中可根据进水BOD5/ΔP、COD/ΔP确定合理的生物除磷工艺。④出水TP会随着出水SS的增大而增大，通过去除出水SS以进一步降低出水磷浓度。⑤对不同水平的除磷目标需选择不同的单元组成。中国城镇水网