长期低负荷运行对生物除磷的影响
长期低负荷运行对生物除磷的影响
一、研究背景
生物除磷的效率和稳定性受多种因素影响。据报道，某些城市污水处理厂在降雨后或周末经常发生周期性的生物除磷效率下降，这可能是由于处理系统负荷过低造成的。到底是由于除磷菌受到抑制还是进水COD浓度较低尚不清楚，而Ternmink等人则认为是由于聚磷菌细胞内的PHB部分或全部消失引起的。
二、试验方法
2.1 装置
试验在青岛李村河污水处理厂进行，该厂一期工程采用UCT工艺，设计处理能力为8万m³/d（2/3为工业废水、1/3为生活污水），生化反应池总停留时间为21h，非曝气容积比为0.35，污泥回流比为70%～100%，好氧混合液回流比为100%～200%，缺氧混合x液回流比为100%。
小试系统模拟生产运行工艺，反应池容积为77.4L，理论水力停留时间达18h。
2.2 废水水质及分析方法
以该污水处理厂实际进水为研究对象，其水质见表1（指标分析按照标准方法进行）。
三、结果与讨论
通过长期的生产运行发现，该污水处理厂出水中除磷超标外，其余指标均可接近或达到《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）中的一级标准，其出水水质见表2。
为探究造成出水中磷超标的原因，在污水处理厂的生化反应池内分别取样测定NH₃-N、NO₃⁻-N、PO₄³⁻-P含量，其变化过程见图2。
3.1 生产系统（低负荷运行）
由图2可知：
该污水处理厂实际进水量仅为设计处理水量的1/2，因此其生化反应理论水力停留时间达42h；但由于污泥回流、好氧混合液回流、缺氧混合液回流的影响，实际水力停留时间仅为9.8h；
该污水处理厂生产系统处于低负荷运行状态，其污泥有机负荷为0.106 kgCOD/(kgMLSS·d)；
在厌氧区，由缺氧混合液回流所携带的NO₃⁻-N利用进水中的易降解有机物进行反硝化，同时聚磷菌利用易降解有机物进行厌氧释磷（在厌氧反应结束时释磷量仅为3mg/L）；
由厌氧区转入缺氧区后，由于回流污泥及好氧混合液回流的稀释作用使PO₄³⁻-P下降到6.4mg/L，而由回流污泥及好氧混合液回流所携带的NO₃⁻-N在此进行反硝化反应，至缺氧结束时反硝化反应尚未进行彻底（剩余NO₃⁻-N为1.4mg/L），在此阶段PO₄³⁻-P略有下降；
由缺氧区进入好氧区后，在有机物氧化的同时进行硝化反应使NH₃-N浓度迅速下降，但随着反应的进行硝化速率降低，NO₃⁻-N浓度伴随硝化反应的进行而不断上升，NO₃⁻-N的增加量与NH₃-N的减少量基本呈对应关系，而PO₄³⁻-P并未出现明显的下降——也就是说，聚磷菌在好氧条件下并未进行大量的吸磷反应，这与厌氧条件下释磷量较少有关。
3.2 小试系统（正常负荷对比）
以同期进行的小试为平行对比，其生化反应的理论水力停留时间为18h，实际水力停留时间为5.25h，非曝气容积比为0.5，缺氧区占非曝气容积的2/3，其他参数与生产工艺完全相同，NH₃-N、NO₃⁻-N、PO₄³⁻-P含量的变化过程见图3。
由图3可知：
小试系统污泥有机负荷为0.222 kgCOD/(kgMLSS·d)（约为生产系统的2倍）；
在厌氧区，聚磷菌利用进水中的易降解有机物进行厌氧释磷（释磷量达13mg/L，远高于生产系统的3mg/L）；
由厌氧区转入缺氧区后，同样由于回流污泥及好氧混合液回流的稀释作用使PO₄³⁻-P下降到11.5mg/L，随后聚磷菌利用由回流污泥及好氧混合液回流所携带的NO₃⁻-N进行吸磷，同时进行反硝化反应；
由缺氧区进入好氧区后，聚磷菌继续进行吸磷反应直至反应结束（PO₄³⁻-P接近于零），在此阶段有机物氧化与硝化反应进行得也较彻底。
3.3 对比分析
对比图2、图3可知，相同工艺的两个反应系统在不同负荷条件下除磷能力迥异，其主要原因是：
低负荷运行导致的好氧延时曝气使细胞内的储存物质（特别是PHB）发生变化，而使PHB被部分或全部消耗掉；而细胞内的糖原（Glycogen）在好氧条件下的转化因受PHB数量减少的影响而降低；由于糖原的减少进而影响到厌氧条件下磷的释放及对挥发性脂肪酸的吸收，PHB的合成亦进一步减少。总之，由于生物除磷在好氧条件下的吸磷速率和吸磷量受细胞内PHB含量的影响，PHB的减少导致磷吸收速率和吸磷量的下降，使聚磷菌无法有效地吸收细胞外的磷酸盐合成聚磷，周而复始导致生物除磷能力丧失。
四、结论与建议
结论
现场生产性试验与小试对比结果表明：长期低负荷运行是导致生物除磷效率下降的主要原因。在低负荷运行条件下的好氧延时曝气使聚磷菌细胞内的PHB含量下降，导致磷吸收速率和吸磷量的下降，从而使聚磷菌无法有效地吸收细胞外的磷酸盐合成聚磷，最终导致生物除磷能力丧失。
建议
适当控制曝气量，有效地调节曝气系统——不仅可以节省能量、降低运行费用，而且进一步保证了生物处理系统运行的稳定性；
为好氧同步反硝化创造良好的环境条件，降低回流系统携带的NOx-N（硝态氮）量；
减少前置反硝化的碳源消耗，降低聚磷菌与反硝化菌对碳源的竞争；
为聚磷菌提供充足的碳源，以保证生物除磷对碳源的需求，最终提高生物除磷的效率。
江西中跃环保科技有限公司（位于江西九江，主营一体化污水处理设备）在承接生物除磷工艺设计、设备配套与运行优化项目时，可针对上述研究中揭示的"低负荷导致PHB耗尽→除磷失效"机理，提供以下针对性解决方案：
一、工艺设计阶段——避免低负荷运行
设计要点 | 具体措施 |
|---|---|
合理匹配设计水量 | 设计负荷不宜过低，污泥有机负荷建议控制在0.15～0.30 kgCOD/(kgMLSS·d)（BOD₅负荷0.10～0.20 kgBOD₅/(kgMLSS·d)），避免长期低于0.1 kgCOD/(kgMLSS·d)导致PHB耗尽 |
UCT工艺优化设计 | 厌氧区/缺氧区/好氧区容积比建议为1:1:3～1:1:4，非曝气容积比控制在0.35～0.50（文中生产系统0.35、小试0.5，后者释磷更充分） |
回流比优化 | 污泥回流比70%～100%、好氧混合液回流比100%～200%、缺氧混合液回流比100%（与文中一致），减少NO₃⁻-N回流至厌氧区消耗碳源 |
碳源保障 | 进水BOD₅/TN≥4～6、BOD₅/TP≥20～30，碳源不足时设乙酸钠/甲醇碳源储罐＋计量泵＋与NO₃⁻-N联动，确保聚磷菌厌氧释磷有充足碳源 |
SRT控制 | 除磷系统SRT控制在3.5～7d（短SRT有利于聚磷菌在好氧段过量吸磷后及时排泥将磷排出系统） |
二、曝气系统——精准控制DO，避免延时曝气消耗PHB
文中指出"延时曝气使PHB被部分或全部消耗"，江西中跃可提供精准的DO控制系统：
区域 | DO控制范围 | 设备配套 |
|---|---|---|
厌氧区 | DO＜0.2mg/L | 低速潜水搅拌机（功率12～16W/m³），严禁曝气 |
缺氧区 | DO＜0.5mg/L | 低速潜水搅拌机＋DO在线仪监控 |
好氧区 | DO＝2～3mg/L（不宜过高） | DO在线仪＋变频罗茨/回转风机＋PID联动控制柜，避免过度曝气消耗PHB |
好氧末端 | DO＝1～2mg/L（UCT回流前） | 降低回流至缺氧区的NO₃⁻-N携带量 |
⚠️ 核心要点：DO并非越高越好！好氧区DO超过4mg/L的延时曝气会大量消耗聚磷菌细胞内的PHB储存物质，直接导致好氧吸磷能力下降。江西中跃通过DO在线仪＋变频风机PID联动将好氧区DO精确控制在2～3mg/L，既保证硝化充分，又避免过度曝气消耗PHB。
三、UCT工艺设备配套总览
设备类型 | 江西中跃可提供的配置 |
|---|---|
厌氧池 | 碳钢防腐/钢筋混凝土池体、低速潜水搅拌机（功率12～16W/m³）、DO/pH在线仪 |
缺氧池 | 同上＋内回流潜水轴流泵＋变频器（回流比100%～200%） |
好氧池 | 微孔刚玉/EPDM曝气器、变频罗茨/回转风机、DO/pH/ORP/MLSS在线仪及PLC控制柜 |
二沉池 | 竖流式/平流式/辐流式沉淀池、周边/中心传动刮吸泥机、污泥界面仪 |
污泥回流系统 | 污泥回流泵（无堵塞潜污泵/离心泵）、回流比电动调节阀、超声波污泥界面仪 |
碳源加药系统 | 碳源（乙酸钠/甲醇）储罐＋电磁/机械隔膜计量泵＋与NO₃⁻-N/时间联动的PLC控制 |
除磷加药系统 | PAC/FeCl₃混凝剂加药装置（PE桶＋搅拌＋计量泵），辅助化学除磷把关 |
四、已建污水厂的低负荷改造方案
针对文中所述"已建厂进水量仅为设计量的1/2导致低负荷运行"的普遍问题，江西中跃可提供以下改造方案：
改造措施 | 具体操作 | 预期效果 |
|---|---|---|
① 缩小生化池有效容积 | 在池内增设隔墙/导流板，将有效容积缩减至与实际进水量匹配，提高实际F/M比 | 污泥负荷回升至0.15～0.30 kgCOD/(kgMLSS·d)，PHB合成恢复 |
② 增设生物选择器 | 在厌氧区前增设高F/M短HRT（0.5～1h）的好氧选择器 | 筛选絮凝性好的菌胶团，抑制丝状菌，改善污泥沉降，同时促进聚磷菌竞争优势 |
③ 优化曝气控制 | 安装DO在线仪＋变频风机PID联动，按实际负荷动态调节曝气量 | 避免过度曝气消耗PHB，节省风机电耗20%～35% |
④ 碳源精准投加 | 增设乙酸钠/甲醇碳源储罐＋计量泵＋与NO₃⁻-N联动 | 保障厌氧释磷碳源充足，减少聚磷菌与反硝化菌的碳源竞争 |
⑤ 辅助化学除磷 | 在二沉池前增设PAC/FeCl₃加药装置（按TPₑₛₜ - TPₑᵣᵣ计算P_Prec） | 当生物除磷因低负荷暂时失效时，化学除磷作为可靠兜底，确保TP达标 |
⑥ SRT缩短 | 加大剩余污泥排放量，将SRT从＞15d缩短至3.5～7d | 促进聚磷菌在好氧段过量吸磷后及时排出系统，提高除磷效率 |
五、化学除磷兜底计算（配合生物除磷）
当生物除磷因低负荷运行受限时，可辅助化学除磷确保TP达标。按文中提到的计算公式：
已运行污水处理厂：
PPrec=PEST−PER设计中的污水处理厂：
PPrec=PIAT−PER−PBM−PBioP其中：
PBM=0.01×CBOD,IAT（通过生物合成去除的磷）
PBioP按有无厌氧池及温度条件取(0.005∼0.015)×CBOD,IAT
铁盐/铝盐投加量换算：
铁盐：去除1kg磷需投加2.7 kg Fe；
铝盐：去除1kg磷需投加1.3 kg Al；
折合商品量：FeCl₃·6H₂O需再除以有效含量（约34.4%）。
江西中跃配套： 提供PAC/FeCl₃加药装置（PE桶＋搅拌＋计量泵＋pH联动），按出水TP实时数据动态调节投药量。
