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摘 要：本文介绍了生物法除磷的机理，分析了城市污水处理生物除磷系统中影响出水总磷达标的几个主要因素；通过优化与加强污泥泥龄、DO、出水SS的调控以及内碳源的利用来提高生物除磷的效率；同时介绍了提升出水总磷指标的原则和技术措施。
关键词：城市污水 生物除磷 影响因素 提标技改
1、项目研究背景
目前，水体富营养化现象备受人们关注，它所导致的水质恶化，严重影响了人们的生产和生活。富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河流等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖；水体溶解氧下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。研究表明，磷是多数水体富营养化的决定性因素，因此控制磷的浓度尤为重要，污水厂尾水中的磷含量必须达标才能排放。为此，我国制定并严格执行的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）明确要求，在2006年1月1日以后所有新建、扩建的污水处理厂的尾水综合排放按照一级A的标准执行，即TP≤0.5mg/L，而原先执行的一级B标准的TP≤1.0mg/L。因而，深入研究废水除磷技术，控制磷的排放，是目前亟待解决的问题。
2、生物法除磷原理与影响因素
生物除磷技术于80年代在欧洲得到了广泛的使用。它是一种利用微生物的生理活动（新陈代谢），将磷从污水中转移到污泥细胞中，从而达到去除磷的技术。其原理是基于聚磷菌在厌氧条件下释放磷及在好氧条件下摄取磷的原理，通过好氧-厌氧的交替运行来实现除磷的方法。具体的生物除磷过程为：在厌氧条件，兼性细菌聚磷菌受到抑制，它必须吸收污水中的有机碳源（溶解性BOD的转化产物，即低分子挥发性有机酸﹙VFAs））来维持生存，并在细胞内将有机物转化为胞内碳能源储存物聚-β-羥基丁酸酯（PHB）/聚羥基戊酸（PHV）储存起来，该过程所需的能量正是来自于聚磷的水解以及细胞内糖的酵解，从而完成磷的厌氧释放。而在好氧条件下，聚磷菌的活力得到恢复，它利用PHB/PHV的氧化代谢产生的能量吸收超出自身生长所需的几倍的磷，并以聚磷酸盐的形式储存，再随着剩余污泥一起排出，从而实现磷的去除。
2.1进水有机物对生物除磷的影响
污水中有机物的可生物降解性能对生物除磷过程的影响至为重要。生物除磷工艺中厌氧段有机基质的含量、种类及其与微生物营养物之间的比例关系（主要就指BOD5/TP）是影响聚磷菌释磷及摄磷效果的一个重要因素。厌氧段中的有机基质的种类中，聚磷菌将优先吸收相对分子量较小的低脂肪酸类物质。碳作为微生物生长需要量最大的营养元素，在脱氮除磷系统中，碳源大致上消耗于降磷、反硝化和异养菌的正常代谢方面。在生物除磷脱氮工艺中，由于厌氧区的释磷消耗大量的易生物降解的有机物，这不可避免地影响缺氧区反硝化过程的进行。城市污水中COD的数量是十分有限的，所以在城市污水除磷脱氮系统中的释磷和反硝化之间，存在着因碳源不足而引发的竞争性矛盾。
2.2泥龄对生物除磷的影响
生物除磷主要是通过排剩余污泥而达到去磷的目的。因此，剩余污泥的多少将对除磷效果产生影响；泥龄越长，污泥含磷量越低，去除单位质量的磷需消耗较多的BOD。而有机质的不足还会使污泥发生“自溶“现象，致使磷的溶解及排泥量减少而导致除磷效果降低。泥龄长短主要取决于处理系统的脱氮要求(主要是否需要进行硝化)，如果系统有硝化要求则系统的好氧泥龄的确定受硝化控制。但硝化菌所需的最短好氧泥龄大于聚磷菌所需的最短好氧泥龄。若硝化并非系统的处理目标则应缩短泥龄足以防止硝化作用的发生，使回流污泥中无硝酸盐氮，以确保系统的除磷效果。泥龄与BOD5/TP值之间存在密切关系，泥龄太短则聚磷菌难以生长繁殖，泥龄太长则除磷效果下降。试验表明，在A/O系统中，泥龄在2.2-3.6d时除磷效果最好；但一旦泥龄超过3.6d后则因发生硝化作用而使除磷效果急剧下降。
以上可见，长泥龄导致生物除磷系统产泥量减少，则通过排泥而去除的磷量也减少；长好氧泥龄导致有机物的氧化相对完全，但污泥活性降低使好氧区对磷的吸收率下降，活性污泥混合液的含磷量减少；长泥龄导致因衰减反应造成磷的二次释放，使出水含磷增加；长泥龄导致活性污泥的凝聚性、吸附性下降。
2.3系统回流液中硝酸盐氮的影响
生物除磷系统中，由于NO3-N通过污泥回流进入厌氧段发生反硝化可消耗可溶性BOD，影响磷的释放，因而影响好氧段磷的过量摄取，降低了除磷效果。因为微生物利用硝态氮作为最终电子受体进行厌氧呼吸获得更多的能量，也就不会有低分子脂肪酸的产生。即使进水中存在这样的低分子脂肪酸，硝态酸作为异养微生物的最终电子受体，也会导致乙酸盐等低分子有机物的消耗。结果贮磷微生物几乎得不到所需要的乙酸盐类低分子脂肪酸，严重影响了聚磷菌的释磷效率。根据我国目前污水处理的现状，宜从消除回流污泥中的硝酸盐对生物除磷的不利影响着手，根据除磷要求考虑反硝化程度。要提高系统的反硝化程度以减少污泥回流液中硝酸盐的含量，从而有效地消除硝酸盐氮对厌氧段的不利影响。
2.4溶解氧的影响
曝气池内，当DO＞0.5mg/L时，便可发生吸磷现象，再提高DO，吸磷速率并无明显提高。为使聚磷生物利用好养代谢所释放的能量充分吸磷，并保证废水混合液达到一定的硝化效果，曝气池DO一般控制在2mg/L左右。在厌氧反应期内，要保持绝对的厌养条件，聚磷菌才能进行磷的有效释放，像硝酸盐氮、亚硝酸盐氮这样一类的化合态氧也应尽量减少存在。
3、城市污水处理厂出水总磷提标改造原则
3.1先优化运行，后工程措施
应先考虑优化运行。采取优化运行措施后，出水水质指标仍然不能满足要求时，再进行工程改造措施。
3.2先内部碳源，后外部碳源
进水碳源不足时，应首先挖掘内部碳源。当内部碳源开发利用之后，出水氮磷仍然不能满足要求时，再采取补充外加碳源措施。
3.3先生物除磷，后化學除磷 应充分发挥生物除磷功能。当采用生物除磷之后仍然不能满足要求时，可采取化学除磷方法。
4、城市污水处理厂出水总磷提标改造措施
4.1优化运行管理
(1)调控污泥泥龄。在不影响硝化的前提下，利用剩余污泥的排放，控制系统的泥龄，结合溶解氧浓度的控制，形成有利于生物除磷和污泥沉降性能改善的环境條件，尽量提高剩余污泥中的含磷量。以除磷为目的的生物除磷工艺的污泥龄一般应控制在3.5-7d；综合除磷脱氮的工艺，应考虑冬季低温脱氮的影响，污泥龄宜采用15-20d。
⑵ 调控DO。要维持好氧段的溶解氧在合理水平，消除内外回流中溶解氧过高造成的缺氧区和厌氧区氧化还原电位的提高，从而保证进水中碳源有效用于除磷脱氮。厌氧段的do应在0.2mg/l以下聚磷菌才能充分的释磷，从而更好的在好氧段吸磷。在好氧条件下吸收的磷是厌氧条件下放出的磷的11倍之多。好氧段的do一般控制在1.5mg/l-2.5mg/l之间，因为过度曝气会氧化细胞内的聚羟基脂肪酸，易造成生物除磷能力下降；而过低则会发生沉淀池厌氧释磷。
4.2辅助措施
⑴ 投加碳源。生物法除磷对废水中有机物浓度依赖性强，进水中的BOD5/TP比值低于15时将影响除磷效果。此时可适当投加碳源，投加量可根据两者实际进水的比值计算。常用的外加碳源有甲醇、乙酸、乙酸盐、酒业废水和食品加工废水等。
⑵ 化学除磷。通过投加化学药剂，使污水中的磷转化为不溶性的磷酸盐沉淀，然后通过固液分离转移到污泥中，以此来达到除磷目的。磷的化学沉淀分为4个步骤：沉淀反应、凝聚作用、絮凝作用、固液分离。按工艺流程中，药剂投加点的不同，磷酸盐沉淀工艺有前置沉淀、协同沉淀和后置沉淀3种类型。常用的化学药剂有聚合氯化铝、氯化铁等。
⑶ 增设出水过滤设施。根据出水的标准，需进一步去除SS（或化学除磷）时，应设置过滤设施。各污水厂可结合自身的条件和特点选择砂滤、转盘过滤器、滤布过滤器或微滤膜过滤器。
5、结论
生物除磷技术能对原有污水生化设备合理利用，同时能去除有机物，且运行费用低；但其除磷的效率易随进水水质（有机物浓度，磷的含量）及其它因素（泥龄、NO3--N、DO、SS）的影响而波动。因此优化生物除磷系统的运行管理，提升生物除磷的技术水平，增加化学除磷等辅助设施；对提高城市污水出水总磷标准，稳定出水总磷指标有着至关重大的作用。
关键词：城市污水 生物除磷 影响因素 提标技改
1、项目研究背景
目前，水体富营养化现象备受人们关注，它所导致的水质恶化，严重影响了人们的生产和生活。富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河流等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖；水体溶解氧下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。研究表明，磷是多数水体富营养化的决定性因素，因此控制磷的浓度尤为重要，污水厂尾水中的磷含量必须达标才能排放。为此，我国制定并严格执行的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）明确要求，在2006年1月1日以后所有新建、扩建的污水处理厂的尾水综合排放按照一级A的标准执行，即TP≤0.5mg/L，而原先执行的一级B标准的TP≤1.0mg/L。因而，深入研究废水除磷技术，控制磷的排放，是目前亟待解决的问题。
2、生物法除磷原理与影响因素
生物除磷技术于80年代在欧洲得到了广泛的使用。它是一种利用微生物的生理活动（新陈代谢），将磷从污水中转移到污泥细胞中，从而达到去除磷的技术。其原理是基于聚磷菌在厌氧条件下释放磷及在好氧条件下摄取磷的原理，通过好氧-厌氧的交替运行来实现除磷的方法。具体的生物除磷过程为：在厌氧条件，兼性细菌聚磷菌受到抑制，它必须吸收污水中的有机碳源（溶解性BOD的转化产物，即低分子挥发性有机酸﹙VFAs））来维持生存，并在细胞内将有机物转化为胞内碳能源储存物聚-β-羥基丁酸酯（PHB）/聚羥基戊酸（PHV）储存起来，该过程所需的能量正是来自于聚磷的水解以及细胞内糖的酵解，从而完成磷的厌氧释放。而在好氧条件下，聚磷菌的活力得到恢复，它利用PHB/PHV的氧化代谢产生的能量吸收超出自身生长所需的几倍的磷，并以聚磷酸盐的形式储存，再随着剩余污泥一起排出，从而实现磷的去除。
2.1进水有机物对生物除磷的影响
污水中有机物的可生物降解性能对生物除磷过程的影响至为重要。生物除磷工艺中厌氧段有机基质的含量、种类及其与微生物营养物之间的比例关系（主要就指BOD5/TP）是影响聚磷菌释磷及摄磷效果的一个重要因素。厌氧段中的有机基质的种类中，聚磷菌将优先吸收相对分子量较小的低脂肪酸类物质。碳作为微生物生长需要量最大的营养元素，在脱氮除磷系统中，碳源大致上消耗于降磷、反硝化和异养菌的正常代谢方面。在生物除磷脱氮工艺中，由于厌氧区的释磷消耗大量的易生物降解的有机物，这不可避免地影响缺氧区反硝化过程的进行。城市污水中COD的数量是十分有限的，所以在城市污水除磷脱氮系统中的释磷和反硝化之间，存在着因碳源不足而引发的竞争性矛盾。
2.2泥龄对生物除磷的影响
生物除磷主要是通过排剩余污泥而达到去磷的目的。因此，剩余污泥的多少将对除磷效果产生影响；泥龄越长，污泥含磷量越低，去除单位质量的磷需消耗较多的BOD。而有机质的不足还会使污泥发生“自溶“现象，致使磷的溶解及排泥量减少而导致除磷效果降低。泥龄长短主要取决于处理系统的脱氮要求(主要是否需要进行硝化)，如果系统有硝化要求则系统的好氧泥龄的确定受硝化控制。但硝化菌所需的最短好氧泥龄大于聚磷菌所需的最短好氧泥龄。若硝化并非系统的处理目标则应缩短泥龄足以防止硝化作用的发生，使回流污泥中无硝酸盐氮，以确保系统的除磷效果。泥龄与BOD5/TP值之间存在密切关系，泥龄太短则聚磷菌难以生长繁殖，泥龄太长则除磷效果下降。试验表明，在A/O系统中，泥龄在2.2-3.6d时除磷效果最好；但一旦泥龄超过3.6d后则因发生硝化作用而使除磷效果急剧下降。
以上可见，长泥龄导致生物除磷系统产泥量减少，则通过排泥而去除的磷量也减少；长好氧泥龄导致有机物的氧化相对完全，但污泥活性降低使好氧区对磷的吸收率下降，活性污泥混合液的含磷量减少；长泥龄导致因衰减反应造成磷的二次释放，使出水含磷增加；长泥龄导致活性污泥的凝聚性、吸附性下降。
2.3系统回流液中硝酸盐氮的影响
生物除磷系统中，由于NO3-N通过污泥回流进入厌氧段发生反硝化可消耗可溶性BOD，影响磷的释放，因而影响好氧段磷的过量摄取，降低了除磷效果。因为微生物利用硝态氮作为最终电子受体进行厌氧呼吸获得更多的能量，也就不会有低分子脂肪酸的产生。即使进水中存在这样的低分子脂肪酸，硝态酸作为异养微生物的最终电子受体，也会导致乙酸盐等低分子有机物的消耗。结果贮磷微生物几乎得不到所需要的乙酸盐类低分子脂肪酸，严重影响了聚磷菌的释磷效率。根据我国目前污水处理的现状，宜从消除回流污泥中的硝酸盐对生物除磷的不利影响着手，根据除磷要求考虑反硝化程度。要提高系统的反硝化程度以减少污泥回流液中硝酸盐的含量，从而有效地消除硝酸盐氮对厌氧段的不利影响。
2.4溶解氧的影响
曝气池内，当DO＞0.5mg/L时，便可发生吸磷现象，再提高DO，吸磷速率并无明显提高。为使聚磷生物利用好养代谢所释放的能量充分吸磷，并保证废水混合液达到一定的硝化效果，曝气池DO一般控制在2mg/L左右。在厌氧反应期内，要保持绝对的厌养条件，聚磷菌才能进行磷的有效释放，像硝酸盐氮、亚硝酸盐氮这样一类的化合态氧也应尽量减少存在。
3、城市污水处理厂出水总磷提标改造原则
3.1先优化运行，后工程措施
应先考虑优化运行。采取优化运行措施后，出水水质指标仍然不能满足要求时，再进行工程改造措施。
3.2先内部碳源，后外部碳源
进水碳源不足时，应首先挖掘内部碳源。当内部碳源开发利用之后，出水氮磷仍然不能满足要求时，再采取补充外加碳源措施。
3.3先生物除磷，后化學除磷 应充分发挥生物除磷功能。当采用生物除磷之后仍然不能满足要求时，可采取化学除磷方法。
4、城市污水处理厂出水总磷提标改造措施
4.1优化运行管理
(1)调控污泥泥龄。在不影响硝化的前提下，利用剩余污泥的排放，控制系统的泥龄，结合溶解氧浓度的控制，形成有利于生物除磷和污泥沉降性能改善的环境條件，尽量提高剩余污泥中的含磷量。以除磷为目的的生物除磷工艺的污泥龄一般应控制在3.5-7d；综合除磷脱氮的工艺，应考虑冬季低温脱氮的影响，污泥龄宜采用15-20d。
⑵ 调控DO。要维持好氧段的溶解氧在合理水平，消除内外回流中溶解氧过高造成的缺氧区和厌氧区氧化还原电位的提高，从而保证进水中碳源有效用于除磷脱氮。厌氧段的do应在0.2mg/l以下聚磷菌才能充分的释磷，从而更好的在好氧段吸磷。在好氧条件下吸收的磷是厌氧条件下放出的磷的11倍之多。好氧段的do一般控制在1.5mg/l-2.5mg/l之间，因为过度曝气会氧化细胞内的聚羟基脂肪酸，易造成生物除磷能力下降；而过低则会发生沉淀池厌氧释磷。
4.2辅助措施
⑴ 投加碳源。生物法除磷对废水中有机物浓度依赖性强，进水中的BOD5/TP比值低于15时将影响除磷效果。此时可适当投加碳源，投加量可根据两者实际进水的比值计算。常用的外加碳源有甲醇、乙酸、乙酸盐、酒业废水和食品加工废水等。
⑵ 化学除磷。通过投加化学药剂，使污水中的磷转化为不溶性的磷酸盐沉淀，然后通过固液分离转移到污泥中，以此来达到除磷目的。磷的化学沉淀分为4个步骤：沉淀反应、凝聚作用、絮凝作用、固液分离。按工艺流程中，药剂投加点的不同，磷酸盐沉淀工艺有前置沉淀、协同沉淀和后置沉淀3种类型。常用的化学药剂有聚合氯化铝、氯化铁等。
⑶ 增设出水过滤设施。根据出水的标准，需进一步去除SS（或化学除磷）时，应设置过滤设施。各污水厂可结合自身的条件和特点选择砂滤、转盘过滤器、滤布过滤器或微滤膜过滤器。
5、结论
生物除磷技术能对原有污水生化设备合理利用，同时能去除有机物，且运行费用低；但其除磷的效率易随进水水质（有机物浓度，磷的含量）及其它因素（泥龄、NO3--N、DO、SS）的影响而波动。因此优化生物除磷系统的运行管理，提升生物除磷的技术水平，增加化学除磷等辅助设施；对提高城市污水出水总磷标准，稳定出水总磷指标有着至关重大的作用。