生物除磷系统

二、生物除磷系统

磷是生物细胞的重要组成成分，在遗传物质的组成和能量的贮存中都需要磷，动植物和微生物体内的含磷有机物主要是核酸、磷脂、ATP、植酸，这些物质可被微生物分解转化成溶解性无机磷和非溶解性无机磷酸盐。不溶性的无机磷酸盐在产酸微生物作用下可转变为可溶性的无机磷酸盐，而后者可同某些盐基化合物结合，转化成不溶性的钙盐、镁盐、铁盐等，构成生物圈中的磷循环。

磷是藻类生长重要的限制因子。和氮一样，过量的磷输入水体会引起富营养化、水源污染。近年来，由于含磷洗涤剂、农药、化肥的大量使用，水体磷污染日趋严重。

在普通污水生物处理过程中，虽然微生物在除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成ATP等，但只去除污水中19%左右的磷，大部分磷不能去除，而是以磷酸盐的形式随水排出。污水二级处理出水中，磷含量常常超过0.5～1mg/L，直接排放会造成严重危害，因此，必须在水处理过程中设置除磷过程。

1.生物除磷的原理

(1)废水中磷和磷化物的来源和形式

在生活污水中磷化物主要来源于人和动植物、洗涤剂及其他日用品、农药、化肥以及一些工业用途的含磷化合物。

废水中的磷主要是正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐，后两种形式的磷经过水解或生物降解最后都转化为正磷酸盐。磷在废水中有溶解和非溶解的两类形式。

(2)生物除磷的机理

除磷的基本方法是将废水中的磷转化为非溶解态的磷化物或被生物吸收，随剩余污泥排放进而从废水中脱除。

磷是一种对有机生物生活必需的营养元素，它是许多细胞结构和细胞的物质能量循环中不可缺少的微量元素，微生物需要的有机物和氮、磷的比例一般在100∶5∶1。也即每去除100g的有机物，生物同时也能吸收1克的磷。这一吸收过程称为“常规”生物脱磷。

然而，自然界中有一些微生物(聚磷菌，polyphosphate accumulation microorganisms)，当营养丰富时能在体内积累大量的磷，细胞内含有异染的聚磷颗粒，以利环境条件不利时分解取能。这些微生物所摄取的超过其生理需要的磷，可达细胞干重的6%～8%，甚至10%。例如，活性污泥中的一些细菌，如不动细菌属、气单胞菌、棒杆菌、微丝菌等，当生活在营养丰富的环境中，在即将进入对数生长期时，为大量生长做准备，细胞能从外界大量吸收可溶性磷酸盐，在体内合成多聚磷酸盐而积累起来，为下阶段对数生长期合成核酸之需。另外，细菌经过对数生长期而进入静止期时，大部分细胞已停止繁殖，核酸的合成虽已停止，但如果环境中的磷源仍有剩余，细胞又有一定的能量时，仍能从外界吸收磷素，以多聚磷酸盐的形式积累于细胞内，作为储存物质。当细菌处于极为不利的生活条件时，如使好气细菌处于厌氧条件下，积累于体内的多聚磷酸盐就会分解，并释放到环境中，在该过程中同时有能量的释放，以供细菌在不利环境中维持其生存所需，此时菌体内多聚磷酸盐就逐渐消失，而以可溶性单磷酸盐的形式排到体外环境中。如果细菌再次进入营养丰富的好氧环境时，又将重复上述的体内积磷过程。细菌在好氧和厌氧条件下的吸磷和放磷过程，可简单地表示为:

P-P-P——P+ATP

在好氧条件下，聚磷菌从外界环境中大量吸收可溶性的磷酸盐，并在体内转化合成多聚磷酸盐作为储存物质积累起来，而在厌氧条件下，聚磷菌将体内的有机态磷和多聚磷酸盐分解，并以磷酸盐的形式释放到溶液中，产生的ATP用以摄取污水中的乙酸等溶解性低分子有机物，合成聚羟基脂肪酸(polyhydroxyalkanoate，PHA)，如聚β-羟基丁酸(PHB)等(这种现象为“磷释放”)。从厌氧条件进入好氧条件后，聚磷菌则分解体内的PHB作为碳源和能源，使其分解为乙酰CoA，乙酰CoA的大部分进入三羧酸循环和乙醛酸循环，聚磷菌利用循环中产生的大量能量从污水中摄取溶解性的正磷酸盐，然后在体内形成多聚磷酸盐，并加以积累(这种现象为“磷过剩摄取”)。

在好氧条件下，储藏有机物的聚磷菌在有溶解氧和氧化态氮的条件下进行有机物代谢，产生大量的ATP，有一部分ATP供应细胞合成和维持生命活动，有一部分则用于合成多聚磷酸盐积累在细菌细胞体内。在好氧条件下分离增殖的细菌，磷便能随细菌细胞而被排除。聚磷细菌PAOs细胞内的磷含量可高达12%(以细胞干重计)，而普通细菌细胞的磷含量仅为1%～3%。可见，生物聚磷后的细菌分离可有效将废水中的磷酸盐脱除。

生物脱磷就是利用这些微生物在厌氧条件下释放磷和在需氧条件下蓄磷的作用，在厌氧-好氧交替的运行条件下，在生物处理系统中形成高磷污泥，从而将磷从污水中去除。一般的生物处理活性污泥中的磷的含量为2%左右，但在厌氧好氧交替运行的时候，污泥含磷为3%～8%。

所有生物除磷工艺均为活性污泥法的改良，一般是在原有活性污泥工艺的基础上，设置一个厌气阶段，利用聚磷微生物的作用降低出水中的磷含量。这里说的厌氧是没有分子氧也没有氧化态氮(NO_x)，和反硝化的缺氧(只是没有分子氧)不同。生物脱磷的最基本条件是有一个厌氧反应池(没有硝酸盐和溶解氧)，污泥连续地在厌氧和好氧环境中循环，如此可以增加生物污泥中脱磷细菌的比例，在厌氧池中发生磷溶解，在好氧池中发生磷的吸收。

(3)生物除磷系统中的微生物及其特点

聚磷细菌是生物除磷工艺中的主要细菌。从活性污泥中分离出来的聚磷细菌种类很多，其中聚磷能力强、数量占优势的聚磷菌是不动杆菌——莫拉氏菌群、假单胞菌、微丝菌、棒杆菌、诺卡氏菌、气单胞菌和黄杆菌等。有聚磷能力的还有硝化细菌中的亚硝化杆菌、亚硝化球菌、亚硝化叶菌、硝化杆菌、硝化球菌等。不动杆菌属是最早分离到的聚磷菌。

在生物除磷工艺中，还存在发酵产酸菌和异养好氧菌等。大多数聚磷菌一般只能利用低级脂肪酸等小分子的有机物，不能直接利用和分解大分子有机物，而发酵产酸菌能将大分子物质降解为小分子，供聚磷菌用。如果没有发酵型产酸菌的存在，聚磷菌则会因为有机物不足而不能释磷和摄磷。

(4)生物脱磷的基本条件

在厌氧池中磷的溶解是整个生物脱磷的关键。生物脱磷的基本条件归纳为:厌氧反应器中没有氧(非溶解氧如硝酸盐和溶解氧O₂)存在;好氧中有足够的溶解氧;N∶BOD₅＜1∶5，P∶BOD₅＜1∶30;有机酸＞100mg/L;污泥泥龄＞3d;足够多的剩余污泥。

2.生物除磷的影响因素

和生物脱氮一样，生物除磷也有很多限制性因素。

(1)温度

温度对聚磷菌的生长速度有一定影响，但影响不大。因为在高温、中温、低温条件下，有不同的菌群都具有生物除磷的能力，但低温运行时厌氧区停留时间需要更长一些，以保证发酵作用的完成及基质的吸收。有资料显示，在5～30℃的范围内都可得到很好的除磷效果。

(2)pH值

生物除磷合适的pH值为6～8，pH值过高会导致吸磷量的减少，pH值低于6.5时生物除磷的效果会大大降低。

(3)溶解氧

厌氧段溶解氧的控制十分重要，这直接影响聚磷菌的生长状况、释放磷的能力以及利用有机物合成PHB的能力。在好氧段，为最大限度地促进聚磷菌的蓄磷作用，必须有充足的溶解氧。

在生物除磷系统中，溶解氧有两方面的影响:一方面溶解氧将作为最终电子受体而抑制厌氧菌的发酵作用，妨碍磷的释放;另一方面会减少聚磷菌所需的脂肪酸产生量，造成生物除磷效果差。因此，必须严格控制厌氧区的厌氧条件，并在好氧区供给足够的溶解氧。一般厌氧放磷池溶解氧应控制在0.2 mg/L以下，好氧吸磷池溶解氧最好控制在2.0mg/L左右。

(4)C/P比和BOD负荷

生物除磷工艺中，厌氧段有机基质的种类、含量及其与微生物营养的比值(BOD₅/TP)是影响除磷效果的重要因素之一。依据生物除磷原理，分子量较小的易降解的有机物(如低级脂肪酸类物质)易于被聚磷菌利用，诱导磷释放的能力较强，而高分子难降解的有机物诱导释磷的能力较弱。另一方面，聚磷菌在厌氧阶段释放磷所产生的能量，主要用于吸收低分子有机基质合成PHB储存在体内，以作为其在厌氧受胁迫条件下生存的基础。因此，进水中是否含有足够的有机基质提供给聚磷菌合成PHB，是聚磷菌在厌氧条件下能否顺利生存的重要因素。

为了达到较好的除磷效果，进水中的BOD₅/TP值一般应大于15，若处理水中的总磷控制在1mg/L以下，进水的BOD₅/TP值应为20～30。

(5)污泥龄

系统中污泥龄的长短对聚磷菌的摄磷作用和剩余污泥量有直接的影响，从而对除磷效果产生影响。污泥龄过长，污泥会发生自溶，使得聚磷菌吸收的磷又重新回到废水中，污泥中的含磷量就降低，加上排泥量的减少，会导致除磷效果的降低;相反，污泥龄越低，污泥中的含磷量就越高，加上产泥率和剩余污泥排放量的增加，除磷效果越好。短的泥龄还有利于好氧段控制硝化作用的发生而利于厌氧段的充分释磷。因此，仅以除磷为目的的污水处理系统中，一般宜采用较短的泥龄，但过短的泥龄会使出水的BOD₅和COD达不到要求，资料表明，以除磷为目的的生物处理工艺污泥龄一般控制在3.5～7天。

(6)厌氧区硝态氮的含量

亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的存在和还原，会消耗有机基质从而抑制聚磷菌对磷的释放，进而影响在好氧条件下聚磷菌对磷的吸收。此外，一些发酵菌会利用它们作为最终电子受体进行反硝化反应，这样就抑制了有机物发酵产酸的作用，从而影响聚磷菌的释磷和合成PHB的能力。一般控制硝酸盐浓度在0.2 mg/L以下。

除上述控制条件外，废水中也不能含有超过容许的有毒物质。

3.生物除磷的工艺

生物除磷最基本的工艺就是厌氧好氧法(A/O)，这里的A是指没有分子氧和氧化态氮，同脱氮的A/O工艺中的A(没有分子氧但是有氧化态氮)是不同的。实际运用的除磷工艺有:A/O工艺、A/A/O工艺、SBR工艺、改良的UCT工艺、Phoredox工艺、Phostrip工艺、Bardenpho工艺、VIP工艺和AP工艺等。

(1)厌氧-好氧除磷工艺(A/O工艺)

厌氧-好氧除磷工艺即A/O工艺，是最基本的生物除磷工艺。污水首先经过厌氧池，微生物在厌氧条件下释放细胞中的磷，在好氧条件下微生物摄取污水中的磷，其摄取量高于厌氧条件下的释放磷。然后将该富含磷的剩余污泥排除以达到除磷的目的。

值得注意的是，该工艺与缺氧-好氧生物脱氮工艺是不同的，区别在于除磷工艺第一反应器为厌氧池，池内不存在溶解氧，也不存在NO₃^－、SO₄^2－等结合态氧，而在脱氮工艺中，第一反应池为缺氧池，池内不存在溶解氧，但存在NO₃^－等结合态氧。另外，A/O除磷工艺中好氧池混合液不回流。

(2)Phostrip工艺

Phostrip工艺不但能通过排除富含磷的剩余污泥达到除磷的目的，还可利用活性污泥在厌氧池中将磷释放于上清液中，通过去除上清液中的磷而达到除磷的目的。该工艺在回流污泥的分线管上增设一个脱磷池和化学沉淀池而构成的。含磷废水直接进入曝气池，在这里完成除磷去碳;处理后的泥水混合液进入沉淀池进行泥水分离，上清液排出，含磷污泥则进入厌氧池进行磷的充分释放;除磷池中的冲洗水被送入混合池中由化学法除磷，所形成的磷酸钙固体物质在混凝池中被分离出来。

与A/O工艺相比，Phostrip工艺除磷效果较高，处理水中含磷量一般都低于1mg/L，产生的污泥含磷量高，适于作肥料;可以根据BOD/P值灵活地调节回流污泥与混凝污泥的比例，但是该工艺流程复杂，运行管理比较麻烦，建设和运行费用高。

(3)A²/O工艺

A²/O工艺为厌氧-缺氧-好氧工艺的简称，这是一种典型的应用广泛的生物脱氮除磷工艺。

图9-2　A²/O工艺流程

污水首先进入厌氧反应器与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下将部分易生物降解的大分子有机物转化为乙酸，发生氨化反应;聚磷菌在吸收乙酸的同时释放出体内的磷。在缺氧反应器，反硝化菌利用污水中的有机物和经混合液回流而带来的硝酸盐进行反硝化，同时去碳脱氮，在好氧反应器，有机物浓度相当低，有利于自养硝化菌生长繁殖，进行硝化反应，同时聚磷菌过量摄磷，最后，通过沉淀，排出剩余污泥达到除磷的目的。