吳凡松，彭永臻?
( 哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱 1500 90)

　　摘　要：討論了強化生物除磷(EBPR)系統設計中泥齡的確定以及除磷效果與有機物濃度的關系，對不同水平的除磷目標給出了相應的單元組成。?
　　關鍵詞：EBPR；設計；好氧泥齡；厭氧泥齡；BOD₅/ΔP；除磷目標
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)08-0056-03

　　隨著我國新的《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)的頒布實施，強化生物除磷技術(Enhanced Biological Phosphorus Removal，簡稱EBPR)在新建污水處理廠工程中獲得了日益廣泛的應用。由于新標準中對出水TP要求高，再加上生物除磷技術復雜，因此它往往成為污水處理廠設計與運行的難點。
　　有關生物除磷的機理，目前比較一致的看法是聚磷菌(PAO)獨特的代謝活動完成了磷從液態(污水)到固態(污泥)的轉化。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造適合PAO生長的環境，從而使PAO群體增殖。在工藝上通過在好氧段前設置厭氧段(空間上，如A/O除磷工藝；時序上，如SBR工藝) 使PAO獲得選擇性增長。PAO獲得選擇性優勢的原因是在厭氧段大量吸收進水中揮發性脂肪酸 (VFAs)，并在體內轉化為聚β羥基丁酸(Polyhydroxybutyrate，簡稱PHB)，使得它在好 氧段無需同其他異養菌爭奪水中殘留的有機物。

1 泥齡設計

1.1 好氧泥齡
　　作為一種異養菌，PAO存在的一個必要條件就是要滿足其生長所需的最小泥齡。由于PAO是在好氧條件下生長繁殖，故此處的最小泥齡指的是好氧泥齡。PAO的生長速率介于其他異養菌和自養菌(硝化菌)之間，因此其生長所需的最小泥齡也介于兩者之間。目前設計中PAO好氧所需的最小泥齡一般按經驗選用。圖1表示了PAO及硝化菌生長所需的最小泥齡與溫度的關系，設計中除了考慮最小泥齡外還應考慮一定的安全系數，其值一般取1.5。

　　之所以在圖1中列出硝化菌生長所需的最小泥齡是因為硝化反應會對PAO生長產生不利影響。若在好氧段發生硝化反應，硝酸鹽會隨著回流污泥進入厭氧段，使得反硝化細菌同PAO爭奪VFAs，從而破壞了PAO的選擇性優勢。另外，回流到厭氧段的硝酸鹽還會 干擾發酵反應，因為反硝化細菌在厭氧條件下會直接利用易降解有機物(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酵反應轉化為VFAs的過程。因此，當好氧段發生硝化反應時確定厭氧段泥齡應考慮到由此引起的有機物的額外需求。從圖1可以看出，當溫度較低時PAO和硝化菌生長所需的最小泥齡相差較大，設計或運行時很容易使系統滿足PAO生長而抑制硝化菌的生長，但隨著溫度的升高兩者逐漸接近(＞25℃時兩者相等)。VIP、UCT工藝由于能去除回流液中的NO₃-N而使PAO具有明顯的優勢。
　　在滿足最小泥齡的情況下系統的除磷效率會隨著泥齡的增加而降低，這是由于：①泥齡增大導致產泥率降低，從而使通過排除剩余污泥去除的磷數量減少；②PAO為維持其 生命活動而分解聚磷導致了磷的二次釋放。因此，生物除磷系統在滿足PAO生長所需的條件下應選用較短的泥齡。?
1.2 厭氧泥齡
　　PAO在厭氧段完成VFAs的吸附、轉移以及體內磷的釋放。它在好氧段吸收磷的數量與其在厭氧段吸附VFAs的數量密切相關。若進水中有大量VFAs存在，則PAO對VFAs的吸附可迅速完成，此時厭氧段需要較小的泥齡;而如果進水中僅有一部分VFAs，則需要有機物在厭氧段進行發酵反應產生VFAs，由于發酵反應速度慢，因此發酵反應將成為厭氧段泥齡大小的控制因素。在20℃時若進水中存在所需要的VFAs，則厭氧泥齡可短至0.5d；若進水中不含有VFAs，但含有的易降解有機物通過發酵反應足以產生所需要的VFAs，則厭氧泥齡大約為1.5d(20℃)；若進水中含有部分VFAs(仍需要部分發酵)則泥齡為0.5～1.5d。另一方面，若易降解物質數量不足，則慢速降解有機物尚需先水解，然后再通過發酵反應生成VFAs，此時的厭氧泥齡更長(2.5～3d)。此時，若能把發酵產物(如初沉污泥發酵產物)投入到厭氧池，則會改善除磷效果。
　　城市污水可根據進水COD濃度來確定厭氧段MLSS數量與系統總的MLSS數量之比(表1)。在MLSS濃度統一的情況下該數量比為厭氧泥齡和系統總泥齡之比。

表1 厭氧段生物量所占比例與進水COD的關系 進水COD(mg/L) 厭氧段MLSS數量占系統總的MLSS比例 ＜400 0.20～0.25 400～700 0.15～0.20 ＞700 0.10～0.15

2 除磷效果與有機物的關系

　　除磷效果與COD/TP、BOD₅/TP及SBOD₅/TP的值有關，同時它又隨工藝不同而變化。生物除磷所需最少有機物的概念引出了碳(有機物)限制污水和磷限制污水。碳限制污水是指水中有機物數量不足以去除所有磷，結果出水中磷濃度高，其濃度由相應進水中磷濃度和有機物濃度確定。磷限制污水是指污水中有機物含量大于除磷所需有機物數量，此時出水中磷濃度很低。所以當需要得到良好的出水水質時，原水水質屬磷限制 的污水是所期望的。
　　通過對碳限制污水的認識給出了各種不同的EBPR工藝所需有機物同ΔP的比例。該比例是在碳限制條件下通過試驗和實際工程確定的，同時它也表明了系統的除磷能力。最常用的比例是BOD₅同去除磷的比例(BOD₅/ΔP)，其計算公式為：
　　　　　　　　　BOD₅／ΔP=進水中BOD₅／進水TP-出水溶解性P?
　　公式中使用出水溶解磷是因為出水中顆粒性磷通常是從二沉池中流出，它是二沉池效率的函數，而與生物過程無關。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BOD₅/ΔP值較小時需要效率高的除磷工藝，因為這類工藝去除單位磷需要較少的有機物。高效除磷工藝之所以效率高是因為沒有NO₃-N回流到厭氧池，或者是因為它沒有產生(如無硝化A/O)，或者是因為NO₃-N被去除(如VIP工藝)。低效 率除磷工藝如五段Bardenpho工藝、延時曝氣工藝(氧化溝工藝)，除磷效率低的重要原因是它們的泥齡較長。?

3 出水中溶解性磷的估算

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

4 出水SS

　　出水SS對顆粒性磷的影響見圖2。

　　由圖2可見，當出水SS＞20mg/L時大量磷出現在出水中。而二沉池一般無法使出水SS穩定在10mg/L之下，因此增加深度處理措施以進一步去除二級出水中的SS是最終去 除磷的重要手段。?

5 污泥處理系統

　　生物除磷系統產生的剩余污泥在濃縮池和污泥貯池中長時間停留會引起磷的二次釋放，若同初沉污泥一起濃縮，則初沉污泥中的有機物會加速磷的釋放速度。資料顯示，某污水廠把初沉污泥同剩余污泥集中進行重力濃縮，結果上清液中磷濃度達到100 mg/L。此時，應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間應優先使用機械濃縮，貯泥池中應設置攪拌或曝氣設施以避免出現厭氧狀態。污泥的厭氧消化會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入上清液，而是生成了一類沉淀物。?

6 除磷目標與系統組成

　　圖3表示生物除磷工藝基本單元構成。一般情況下，該構成可使出水TP＜2.0mg/L，要想進一步降低TP的濃度需增加一些處理單元，詳見表3。

表3 出水TP與單元構成 出水TP(mg/L) 單元構成 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 結論

　　① 對生物除磷系統，好氧泥齡的選擇既要滿足聚磷菌的生長要求，又要盡可能避免硝化反應的發生。
　?、?厭氧段泥齡與進水水質有關，可根據所需的厭氧泥齡與系統總泥齡的比例計算。
　?、?有機物對生物除磷影響較大，設計中可根據進水BOD₅/ΔP、COD/ΔP確定合理的生物除磷工藝。
　?、?出水TP會隨著出水SS的增大而增大，通過去除出水SS以進一步降低出水磷濃度。
　?、?對不同水平的除磷目標需選擇不同的單元組成。

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　　收稿日期：2002-04-15