城市污水处理厂脱氮除磷改造

摘要：“十二五”期间，脱氮除磷是污水处理厂升级改造不可忽视的重要问题之一。我国大部分已建成的城市污水处理厂脱氮除磷效果不理想，急需进行升级改造。本文对污水厂脱氮除磷存在的问题及升级改造对策进行了探讨。

关键词：A2O；脱氮除磷；改造

Abstract: In the “12th Five-Year” plan, nitrogen and phosphorus removal, one of the important issues of the upgrade of sewage treatment plant, can not be ignored. The majority of the built urban sewage treatment plants has no ideal effect in nitrogen and phosphorus removal, which is in urgent need of upgrading. This paper will discussthe nitrogen and phosphorus removal of sewage treatment plant and its solutions for updating.

Key words: A2O; nitrogen and phosphorus removal; update

近年来，国家和地方对污水处理厂脱氮除磷的要求越来越严格，“十二五”期间，国家首次将氨氮纳入水污染物总量控制指标体系，明确提出氨氮减排10％的目标，脱氮除磷成为污水处理厂升级改造不可忽视的重要问题之一。目前，我国大部分已建成的污水处理厂脱氮除磷效果不理想，如何对现有工艺进行改造，使其氮磷排放稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级标准，是污水处理厂升级改造所面临的关键问题。

1 生物脱氮除磷基础理论

1.1 生物脱氮

传统的生物脱氮理论认为，污水中含氮化合物在微生物的作用下，相继产生氨化、硝化、反硝化三步反应，从而达到脱氮目的[[[] 张自杰．排水工程下册（第四版）[M]．北京: 中国建筑工业出版社, 2000．],[[] B. Sharma, R.C. Ahlert．Nitrification and Nitrogen Removal[J]．Water Research, 1977, 11:897-925．]]。

在氨化菌的作用下，有机氮分解转化为氨态氮，这一过程称为“氨化反应”。在好氧或厌氧条件下，氨化反应均能进行，一般的异养微生物都能进行高效的氨化反应，在传统活性污泥工艺中，伴随BOD5的去除，95%以上的有机氮会被氨化成氨氮。

在硝化细菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化，首先在亚硝化菌的作用下，氨（NH4+）转化为亚硝态氮（NO2-），亚硝态氮在硝化菌的作用下进一步转化为硝态氮（NO3-）。硝化作用的程度是生物脱氮的关键。亚硝化菌和硝化菌统称为硝化细菌，硝化细菌是化能自养菌，其生理活动不需要有机性营养物质，从CO2获取碳源，从无机物的氧化中获取能量。

反硝化反应是指硝态氮（NO3-）和亚硝态氮（NO2-）在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮（N2）的过程。在溶解氧浓度极低的环境中，这些细菌可利用硝酸或亚硝酸根离子中的氮作电子受体，有机物则作为碳源及电子供体，使得约96%的硝态氮被还原为N2或NxGy，4%的硝态氮可被同化结合为细胞物质。

1.2 生物除磷

废水中磷的存在形态取决于废水的类型，最常见的是磷酸盐（H2PO4-，HPO43-，PO43-）、聚磷酸盐和有机磷。在常规二级污水处理中，有机物的生物降解伴随着微生物菌体的合成，磷作为生物的生长元素也成为生物污泥的组分，从水中去除。污水生物除磷的机理可概述如下[1,[[] 刘瑾, 高廷耀．生物除磷机理的研究[J]．同济大学报, 1995, 23(4):387-392．],[[] Ohn Hagan Brown．A study of methods to release phosphorus from polyphosphate bodies in various microbes[D]．New York: The City University of New York, 2003．]]：

通过排放富磷的剩余污泥可实现磷的去除。厌氧条件下，聚磷菌消耗唐元，将胞内的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外，并从中获取能量，同时将环境中的有机碳源（挥发性脂肪酸VFA）异胞内碳源存贮物（主要为PHB，聚-β-羟基丁酸）的形式贮存。好氧条件下，聚磷菌以O2位电子受体，氧化胞内贮存的PHB，利用产生的能量过量的从环境中摄取磷，以聚磷酸高能键的形式存贮。

一些学者通过分析A2O工艺厌氧池和好氧池中放磷量和吸磷量，发现放磷量越多，吸磷量也越多，总磷的去除效果越好[[[] 郝红元, 郝红英, 王伟．A2O工艺影响因素的研究[J]．给水排水, 2003, 29(4):12-14．]]。可以看出，生物除磷过程的关键之一是厌氧池中磷的释放。

1.3 同步脱氮除磷

根据上述脱氮除磷的基本原理，城市污水处理厂要实现同步脱氮除磷必须提供三个条件：第一，要提供脱氮除磷反应过程所必需的足够的碳源；第二，要提供脱氮除磷反应过程所必需的反应容积；第三，要提供脱氮除磷过程所必需的缺氧、厌氧、好氧环境[[[] 高廷耀, 周增炎．简易改造城市污水厂的脱氮除磷新工艺[J]．同济大学学报, 2000, 28(3):234-237．]]。

2 影响脱氮除磷效果的因素

从国内各地的实践来看，污水处理厂脱氮除磷效果受管网建设、运行管理、设备设施、进水水质及气候条件等多种因素影响。

2.1 管网建设不配套

我国不少污水处理厂污水管网建设不配套，污水处理厂运行负荷率低，运行水平低下、影响实际处理效果[[[] 王阿华．城镇污水处理厂提标改造的若干问题探讨[J]．中国给水排水, 2010, 26(2), 19-22． ]]。现有的污水收集系统多为雨污

合流制，再加上部分管网设施存在缺陷，污水厂进水水质受雨水以及地下水涌入的影响，城镇污水的碳氮比普遍偏低，远达不到欧美国家的碳源浓度，污水厂进水碳源不足导致氮磷去除效果不理想。

2.2 运行管理不到位

目前，我国污水处理厂从业人员专业技能和操作水平良莠不齐，处理设施可调控水平较低，污水处理厂运行管理仍延续以往粗放化、高度定性的模式，不利于氮磷的去除。例如，要做到高效脱氮除磷，需要动态核算脱氮除磷的碳需求是得到满足，在此基础上决定是否需要增加外部碳源。厌氧和缺氧阶段，溶解氧和氧化还原电位两个指标，硝化速率、反硝化速率、吸磷速率、释磷速率都要符合一定的要求，必须认真定时检测；厌氧、缺氧、好氧阶段都要确保足够的停留时间和优化分配。然而目前没有污水处理厂将上述4个速率作为日常工作[[[] 王洪臣．城市污水处理厂运行控制与维护管理[M]．北京: 化学工业出版社, 1997．]]。可见，我国污水厂现有的运行管理水准距离高效脱氮除磷的要求还很遥远。

2.3 设备设施达不到要求

部分早期建设的污水处理厂，包括一些新建的县级污水处理厂，在建设之初只考虑化学需氧量的去除，没有硝化功能，出水氨氮较高。这些污水处理厂的曝气池容积较小，达不到硝化需要的泥龄要求；沉淀池容积偏小，无法适应硝化需要的高污泥浓度；曝气设备的能力及效率较低，达不到硝化所需的供氧量。

另外，部分污水处理厂虽有硝化功能，由于自动控制水平较差，加之运行技术人员缺乏经验，硝化效果的有无很大程度上依赖于自然界春夏秋冬的自然更替，部分污水处理厂提高硝化的效果仅仅是简单地减少排泥或者增加曝气量，远远没有达到优化运行的效果。这样的运行现状不仅使硝化效果无法得到稳定的保证，而且会造成极大的能源浪费。

2.4进水水质及气候条件影响

进水水质和气候条件对城镇污水处理厂脱氮除磷效果有较大的影响[[[] 沈晓南, 谢经良等．污水处理厂运行和管理问答[M]．北京: 化学工业出版社, 2008．]]。我国城镇污水水质水量变化较大、污水碳氮比普遍偏低、进水无机悬浮固体普遍偏高，不利于氮磷的去除；工业废水中的一些有毒物质能够抑制微生物的增殖，降低氮磷去除率；南方地区污水处理厂的进水碱度偏低，而硝化是一个消耗碱度的过程，当污水的碱度较低时，对硝化反应产生抑制作用，严重影响氨氮去除；北方寒冷地区，温度是影响硝化的重要原因，低温情况下硝化菌增殖速率会大大降低，导致出水氨氮升高。

3、升级改造对策

（1）加快管网建设力度

为解决污水厂进水碳源不足的先天难题，首先应完善污水收集管网，加快污水收集系统的建设进度，及时、足量地将污水收集到污水处理厂，以提升进水负荷率；其次，应加大对现有雨污合流系统的改造力度，尽量实现雨污分流，无法实现分流的区域应加大截留倍数，提高污水收集率；再次，应加强管网的养护管理，防止污水外渗或地下水渗入，河网地区污水管网的安全溢流口设置逆止装置，防止河水大量倒灌进污水管网，降低污水碳氮比。

（2）优化现有运行工艺

工艺升级改造并不意味着新工艺、高投入、高能耗，应坚持的基本原则是：尽量不新增建设用地，尽量利用现有设施，投资运行费用合理，运行方式相对灵活，出水连续稳定达标。任何一套污水处理系统实际上都具有较大的优化运营空间，因此应该首先优化现有的运行工艺，而不是一味地增加曝气生物池或者生化池等单元处理，增大投资、增加运行费用[8]。应优先考虑采用A2/O的各种变型工艺，降低改造幅度和难度。然后根据要求，进一步可采用MBBR或IFAS等填料活性污泥工艺。当要求超深度脱氮除磷时，再考虑采用硝化滤池和反硝化滤池工艺。

（3）提高运行调控水平

实践证明，当城镇污水处理厂设备能力和运行参数存在一定可供调节的空间时，可通过提高溶解氧浓度、延长污泥龄、降低污泥负荷等方法强化生物硝化能力；同时还可通过控制溶解氧、投加碳源、加大回流比和延长反硝化时间方法强化反硝化，从而提高系统脱氮效率[[[] 黄忠泉, 陈明．影响小城镇污水处理厂正常运行的因素分析[J]．环境科技, 2010, 23(4), 48-50．]]。例如，为保证足够的碳源且实现成本控制，需动态核算碳源需求量，并优先利用进水中碳源，采用沿池长方向多点可控布水，或采用初沉污泥循环工艺，缓解碳源不足，尽量避免采取外界碳源补充（如外购甲醇）的方式。为此，要大幅提高污水处理厂的可调控水平和智能控制水平，加强对污水处理厂运行人员的技术培训，改变以往“高定性”式的运行，而采取“高定量”管理和监控，从粗放到精细，使得投入和运营都更加经济、高效。