污水處理廠長期低負荷運行對污水生物除磷有何影響？

對于國內(nèi)新建的大部分具有脫氮除磷功能的城市污水處理廠，由于短期內(nèi)進入污水處理廠的水量或水質(zhì)遠低于設(shè)計處理能力而使其生化處理單元的污泥有機負荷遠低于設(shè)計值，污水處理廠長期處于低負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，通常表現(xiàn)為生物除磷功能喪失。

生物除磷的效率和穩(wěn)定性受多種因素影響。據(jù)報道某些城市污水處理廠在降雨后或周末經(jīng)常發(fā)生周期性的生物除磷效率下降，這可能是由于處理系統(tǒng)負荷過低造成的，但到底是由于除磷菌受到抑制還是進水COD濃度較低尚不清楚，而Ternmink等人則認為是由于聚磷菌細胞內(nèi)的PHB部分或全部消失引起的。

1、試驗方法

1.1 裝置

試驗在某污水處理廠進行，該廠一期工程采用UCT工藝，設(shè)計處理能力為8萬m3/d(2/3為工業(yè)廢水、1/3為生活污水)，生化反應(yīng)池總停留時間為21h，非曝氣容積比為0.35，污泥回流比為70%～1-00%，好氧混合液回流比為1-00%～200%，缺氧混合液回流比為1-00%。小試系統(tǒng)模擬生產(chǎn)運行工藝，反應(yīng)池容積為77.4L,理論水力停留時間達18h，流程如圖1所示。

1.2 廢水水質(zhì)及分析方法

以該污水處理廠實際進水為研究對象，其水質(zhì)見表1(指標(biāo)分析按照標(biāo)準方法進行)。

2、結(jié)果與討論

通過長期的生產(chǎn)運行發(fā)現(xiàn)該污水處理廠出水中除磷超標(biāo)外,其余指標(biāo)均可接近或達到《污水綜合排放標(biāo)準》(GB 8978—1996)中的一級標(biāo)準，其出水水質(zhì)見表2。

為探究造成出水中磷超標(biāo)的原因,在污水處理廠的生化反應(yīng)池內(nèi)分別取樣測定NH3-N、NO3-N、PO43--P含量，其變化過程見圖2。

圖2生產(chǎn)系統(tǒng)生化反應(yīng)過程由于該污水處理廠實際進水量僅為設(shè)計處理水量的1/2，因此其生化反應(yīng)理論水力停留時間達42h，但由于污泥回流、好氧混合液回流、缺氧混合液回流的影響，實際水力停留時間僅為9.8h，所以在此以進水在生化反應(yīng)池內(nèi)的實際水力停留時間作為生化反應(yīng)歷時。

以同期進行的小試為平行對比，其生化反應(yīng)的理論水力停留時間為18h，實際水力停留時間為5.25h，非曝氣容積比為0.5,缺氧區(qū)占非曝氣容積的2/3，其他參數(shù)與生產(chǎn)工藝完全相同，NH3-N、NO3-N、PO43--P含量的變化過程見圖3。

由圖2可知，該污水處理廠生產(chǎn)系統(tǒng)處于低負荷運行狀態(tài)，其污泥有機負荷為0.106kgCOD/(kgMLSS˙d)。在厭氧區(qū)由缺氧混合液回流所攜帶的NO3-N利用進水中的易降解有機物進行反硝化，同時聚磷菌利用易降解有機物進行厭氧釋磷(在厭氧反應(yīng)結(jié)束時釋磷量僅為3mg/L)。

由厭氧區(qū)轉(zhuǎn)入缺氧區(qū)后由于回流污泥及好氧混合液回流的稀釋作用使PO43--P下降到6.4mg/L,而由回流污泥及好氧混合液回流所攜帶的NO3-N在此進行反硝化反應(yīng),至缺氧結(jié)束時反硝化反應(yīng)尚未進行***(剩余NO3-N為1.4mg/L)，在此階段PO43--P略有下降。

由缺氧區(qū)進入好氧區(qū)后在有機物氧化的同時進行硝化反應(yīng)使NH3-N濃度迅速下降，但隨著反應(yīng)的進行硝化速率降低，NO3-N濃度伴隨硝化反應(yīng)的進行而不斷上升，NO3-N的增加量與NH3-N的減少量基本呈對應(yīng)關(guān)系，而PO43--P并未出現(xiàn)明顯的下降，也就是說聚磷菌在好氧條件下并未進行大量的吸磷反應(yīng)，這與厭氧條件下釋磷量較少有關(guān)。

由圖3可知，小試系統(tǒng)污泥有機負荷為0.222kgCOD/(kgMLSS˙d)，此時在厭氧區(qū)聚磷菌利用進水中的易降解有機物進行厭氧釋磷(釋磷量達13mg/L)。由厭氧區(qū)轉(zhuǎn)入缺氧區(qū)后同樣由于回流污泥及好氧混合液回流的稀釋作用使PO43--P下降到11.5mg/L,隨后聚磷菌利用由回流污泥及好氧混合液回流所攜帶的NO3-N進行吸磷,同時進行反硝化反應(yīng)。由缺氧區(qū)進入好氧區(qū)后聚磷菌繼續(xù)進行吸磷反應(yīng)直至反應(yīng)結(jié)束(PO43--P接近于零)，在此階段有機物氧化與硝化反應(yīng)進行得也較***。

對比圖2、3可知，相同工藝的兩個反應(yīng)系統(tǒng)在不同負荷條件下除磷能力迥異，其主要是低負荷運行導(dǎo)致的好氧延時曝氣使細胞內(nèi)的儲存物質(zhì)(特別是PHB)發(fā)生變化，而使PHB被部分或全部消耗掉的原故，而細胞內(nèi)的糖原(Glycogen)在好氧條件下的轉(zhuǎn)化因受PHB數(shù)量減少的影響而降低，由于糖原的減少進而影響到厭氧條件下磷的釋放及對揮發(fā)性脂肪酸的吸收，PHB的合成亦進一步減少，總之由于生物除磷在好氧條件下的吸磷速率和吸磷量受細胞內(nèi)PHB含量的影響，PHB的減少導(dǎo)致磷吸收速率和吸磷量的下降，使聚磷菌無法有效地吸收細胞外的磷酸鹽合成聚磷，周而復(fù)始導(dǎo)致生物除磷能力喪失。

3、結(jié)論與建議

現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗與小試對比結(jié)果表明，長期低負荷運行是導(dǎo)致生物除磷效率下降的主要原因。在低負荷運行條件下的好氧延時曝氣使聚磷菌細胞內(nèi)的PHB含量下降，導(dǎo)致磷吸收速率和吸磷量的下降，從而使聚磷菌無法有效地吸收細胞外的磷酸鹽合成聚磷，最終導(dǎo)致生物除磷能力喪失。

由于延時曝氣對生物除磷會產(chǎn)生不利影響，所以在城市污水處理廠應(yīng)適當(dāng)控制曝氣量、有效地調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)，這樣不僅可以節(jié)省能量、降低運行費用，而且進一步保證了生物處理系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，同時可為好氧同步反硝化創(chuàng)造良好的環(huán)境條件，降低回流系統(tǒng)攜帶的NOx-N(硝態(tài)氮)量，減少前置反硝化的碳源消耗，降低聚磷菌與反硝化菌對碳源的競爭，為聚磷菌提供充足的碳源以保證生物除磷對碳源的需求，最終提高了生物除磷的效率。