污水處理生物脫氮除磷影響因素及對策的研究

李子鋒

（澳門科技大學(xué)環(huán)境研究院，澳門 528200）

洗滌劑、化學(xué)和化學(xué)物質(zhì)的應(yīng)用，使得水體中氮磷元素含量超標(biāo)，這是導(dǎo)致富營養(yǎng)化的主要原因，會對水環(huán)境中生物的生長造成抑制，出現(xiàn)嚴(yán)重的惡臭或者變黑等現(xiàn)象。加強(qiáng)對污水的有效處理，是環(huán)保型社會建設(shè)中的主要工作，能夠?yàn)楣I(yè)的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件，優(yōu)化人類的生存環(huán)境。生物脫氮除磷在處理效率和去除率等方面都具有明顯的優(yōu)勢，主要是針對污水中的氮磷元素進(jìn)行高效去除，使水體生態(tài)環(huán)境得到快速恢復(fù)。然而，該技術(shù)也容易受到外界因素的影響，導(dǎo)致脫氮除磷效果不佳。應(yīng)該創(chuàng)造良好的工藝環(huán)境，全面識別和處理不利因素，充分發(fā)揮生物脫氮除磷技術(shù)優(yōu)勢。

1 污水處理生物脫氮除磷的原理

1.1 生物脫氮原理

生物脫氮處理涉及氨化反應(yīng)、硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)和同化反應(yīng)等。有機(jī)氮在異養(yǎng)型細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，發(fā)生氨化反應(yīng)，同時(shí)在自養(yǎng)型亞硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，再向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，發(fā)送硝化反應(yīng)。亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮會由于反硝化菌的作用轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮，使得氮元素得到有效處理，發(fā)生反硝化反應(yīng)[1]。亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)是硝化中的兩個(gè)不同階段，反硝化反應(yīng)需要在厭氧條件下進(jìn)行。如果污水中的有機(jī)物含量較高，那么好氧異養(yǎng)菌對于營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的競爭要弱于自養(yǎng)硝化菌。

1.2 生物除磷原理

生物除磷涉及聚磷菌的吸磷和釋磷過程。發(fā)酵產(chǎn)酸菌的生長和繁殖需要在厭氧環(huán)境下進(jìn)行，有機(jī)物在其作用下轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物揮發(fā)性脂肪酸，即VFA，滿足聚磷處理要求。有機(jī)態(tài)磷會在聚磷菌的作用下轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)磷，在釋磷過程中產(chǎn)生大量ATP。因此，溶劑性有機(jī)質(zhì)可以通過聚磷菌進(jìn)入細(xì)胞，并以有機(jī)顆粒的形式存在[2]。聚磷菌的攝磷能力會受到自身對PHB合成能力的影響，相較于厭氧環(huán)境中的釋磷量而言，細(xì)胞對磷的攝取量較大，完成污泥排放后達(dá)到除磷的目的。

2 污水處理生物脫氮除磷的影響因素

2.1 生物脫氮的影響因素

溶解氧含量會對生物脫氮處理工藝成效造成直接影響。硝化反應(yīng)中的溶解氧含量不能低于0.5～0.7 mg/L，一般需要超過2.0 mg/L。在反硝化反應(yīng)當(dāng)中，需要創(chuàng)造一個(gè)缺氧環(huán)境滿足反硝化菌的繁殖需求，因此溶解氧含量要更低，通常不能超過0.5 mg/L。溫度也會影響脫氮效果，在硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)中，適宜溫度分別為5～40℃和20～40℃之間，在實(shí)踐中通常設(shè)置為20～30℃和15℃左右。對于溫度的嚴(yán)格掌控，可以有效促進(jìn)硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)速度的提升。相較于異養(yǎng)菌而言，硝化菌的生存率不高，因此其繁殖能力會受到有機(jī)碳含量的影響。為了確保硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行，應(yīng)該確保BOD5含量在20 mg/L以內(nèi)，防止?jié)舛冗^高而造成抑制。在反硝化反應(yīng)當(dāng)中，則應(yīng)該確保有機(jī)碳含量的豐富性，以保障良好的反硝化效果。硝酸菌和亞硝酸菌對于pH值的需求也存在一定的差異性，前者需要控制在6.5～7.5之間，后者則需要控制在8.0～8.4之間。此外，在反硝化反應(yīng)中，也要確保pH在6.5～7.5之間。為了防止對反應(yīng)速率造成限制，pH值不能超出9.6，同時(shí)也不能低于6.0.硝化菌具有很長的世代時(shí)間，因此需要控制合理的泥齡時(shí)間，通常不能低于10 d，這是增強(qiáng)硝化菌群整體性能的關(guān)鍵[3]。此外，硝化菌的生長和繁殖容易受到有毒有害物質(zhì)的干擾，包括了有機(jī)化合物、重金屬和復(fù)合陰離子等，降低其氧化能力，抑制新陳代謝。硝化反應(yīng)也會由于氨氮濃度的提升而受到抑制反應(yīng)速度。

2.2 生物除磷的影響因素

厭氧環(huán)境是保障釋磷區(qū)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，因此應(yīng)該對溶解氧含量加以控制，通常不能超過0.2 mg/L。而在吸磷中則需要大量的溶解氧以保障良好的反應(yīng)效果，因此溶解氧含量不能低于2.0 mg/L。在除磷工藝中，最佳溫度為5～30℃，溫度會對好樣吸磷和厭氧釋磷產(chǎn)生直接影響，通常情況下為了確保良好的吸磷深速度，則需要控制溫度在15～20℃之間。7～8為生物除磷中的合理pH值范圍，細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能會由于較低的pH值而受到干擾。在聚磷菌的水解和釋放中需要依靠VFA作為碳源，氣單胞菌會受到硝態(tài)氮的影響，導(dǎo)致無法獲得充足的VFA。同時(shí)，隨著硝態(tài)氮的增多，反硝化反應(yīng)加劇，導(dǎo)致碳源有機(jī)物含量減少，抑制了厭氧釋磷過程。一般情況下，在生物除磷工藝中應(yīng)該控制硝態(tài)氮濃度不超過1.5 mg/L。除磷效果會由于有機(jī)負(fù)荷的增大而改善，進(jìn)水中BOD5/TP應(yīng)該在20以上。厭氧釋磷也會受到有機(jī)質(zhì)的影響，為了體現(xiàn)聚磷菌的除磷效果，應(yīng)該對分子量進(jìn)行控制。此外，泥齡也會對生物除磷產(chǎn)生影響，應(yīng)該適當(dāng)縮短泥齡，以提高污泥排放量，增強(qiáng)除磷效果。泥齡最短不能低于3.5 d，最長不能超過7.0 d[4]。

3 污水處理生物脫氮除磷的對策

3.1 調(diào)整運(yùn)行條件

為了獲得良好的脫氮除磷效果，應(yīng)該對工藝運(yùn)行條件進(jìn)行合理控制，包括了溶解氧含量和溫度、pH值等，使其群落結(jié)構(gòu)得到有效改善，增強(qiáng)微生物的活性。如果COD/TKN在10以內(nèi)，那么碳氮比的降低會導(dǎo)致脫氮效果下降，隨著COD/TP的增大，除磷效果得到增強(qiáng)。如果COD/TP超過60，那么對于總磷的去除效果會降低。通常需要控制工藝溫度在15℃以上，增強(qiáng)脫氮除磷成效，溫度過低容易導(dǎo)致PAOs含量增多。在控制溫度的基礎(chǔ)上，使混合液回流增大或者適當(dāng)提升溶解氧的含量，可以提升脫氮的速率。在進(jìn)水TN不高于30 mg/L的情況下，溫度超過15℃后不需要控制回流[5]。較低的溫度不僅會對脫硝效率產(chǎn)生影響，而且容易造成生物泡沫。

3.2 優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)

合理優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)可以提高脫氮除磷的實(shí)際效果，在傳統(tǒng)硝化反硝化處理工藝中，可以有效處理碳氮比較高的污水，而采用短程硝化反硝化處理工藝時(shí)，則對碳氮比處于中等水平的污水處理效果較好，采用主流厭氧氨氧化處理工藝時(shí)，適用于較低碳氮比的污水處理。在實(shí)踐工作當(dāng)中，改良A2/O工藝、倒置A2/O工藝和MSBR工藝等得到廣泛應(yīng)用，有助于碳源的合理分配，同時(shí)獲得了良好的處理效果，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的碳源競爭現(xiàn)象。運(yùn)用A2/O-MBR處理工藝時(shí)，硝化細(xì)菌可以通過生物膜進(jìn)行有效固定處理，聚磷菌和反硝化細(xì)菌獲得了良好的生長環(huán)境。兩點(diǎn)進(jìn)水倒置A2/O-MBR工藝的應(yīng)用，可以針對污水中的NH3-N和COD等進(jìn)行有效去除，滿足了相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，真正提高了出水水質(zhì)[6]。

3.3 強(qiáng)化脫氮除磷

有效強(qiáng)化脫氮除磷工藝也是提升處理效率的關(guān)鍵，有助于控制污水處理成本，實(shí)現(xiàn)環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益的有效平衡。首先，應(yīng)該對碳源進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充，比如乙酸、甲醇、乙酸鈉等，尤其是當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)提升碳源的補(bǔ)充量，以滿足微生物的生長和繁殖需求，獲得良好的脫氮除磷效果。填料的應(yīng)用也是改善處理工藝的有效措施，主要是對生物膜的性能加以強(qiáng)化，應(yīng)該明確微生物的功能分區(qū)特點(diǎn)。當(dāng)BOD5/TN超過5時(shí)，SBBR反應(yīng)器中異養(yǎng)硝化菌的生長狀況較好，有利于氨氮元素的去除，除磷效率也得到了明顯提升[7]。此外，化學(xué)除磷藥劑的應(yīng)用，也可以使總磷含量得到控制，包括了三氯化鐵和聚合氯化鋁等。

3.4 引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)

引進(jìn)先進(jìn)處理工藝可以有效補(bǔ)充傳統(tǒng)處理工藝。比如雙污泥反誘導(dǎo)結(jié)晶工藝的應(yīng)用，不僅能夠使碳源不足問題得到處理，而且融合了化學(xué)處理和生物處理的優(yōu)勢，磷的回收利用率較高。短程硝化反硝化新技術(shù)也逐漸得到推廣應(yīng)用，能夠解決傳統(tǒng)AO法和A2O法反硝化處理的效率低下和成本較高等問題。此外，Anammox工藝的應(yīng)用效果也較好，氧氣供應(yīng)量大大下降，電子供體可以選擇氨。

4 結(jié)論

生物脫氮除磷技術(shù)是提高污水處理效果的關(guān)鍵，能夠改善出水水質(zhì)，改善自然環(huán)境，符合綠色化發(fā)展的理念要求。生物脫氮除磷涉及硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)和生物釋磷、吸磷等，因此其處理工藝具有一定的復(fù)雜性，應(yīng)該加強(qiáng)對每一個(gè)環(huán)節(jié)的把控，提高脫氮除磷效率。溫度、溶解氧含量、泥齡和pH值等，都會對生物脫氮除磷的應(yīng)用產(chǎn)生影響，應(yīng)該根據(jù)最佳條件進(jìn)行控制。此外，還要通過調(diào)整運(yùn)行條件、優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化脫氮除磷和引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)等途徑，降低外界不良因素對生物脫氮除磷的影響。