一、什么是生物除磷？

污水生物除磷就是人為創(chuàng)造生物超量除磷過程，實現(xiàn)可控的除磷效果。整個過程必須通過創(chuàng)造厭氧與好氧交替環(huán)節(jié)利用聚磷菌的作用來實現(xiàn)生物除磷過程。

根據(jù)霍爾米(Holmers) 提出的化學式，活性污泥的組成是C118 H170O51N17P，由此可知，C: N: P=46 : 8: 1。如果廢水中N、P的含量低于此值，則需另行從外部投加，如等于此值，則在理論上應當是能夠全部攝取而加以去除的。

生物除磷利用一種被稱為聚磷菌(也稱為除磷菌、磷細菌等)的細菌在厭氧條件下能充分釋放其細胞體內(nèi)的聚合磷酸鹽(該過程稱為厭氧釋磷)，而在好氧條件下又能超過其生理需要從水中吸收磷 (該過程稱為好氧吸磷)，并將其轉化為細胞體內(nèi)的聚合磷酸鹽，從而形成富含磷的生物污泥，通過沉淀從系統(tǒng)中排出這種富磷污泥，達到從廢水中除磷的效果。

二、生物除磷機理

聚磷菌也叫做攝磷菌、除磷菌，是傳統(tǒng)活性污泥工藝中一類特殊的細菌，在好氧狀態(tài)下能超量地將污水中的磷吸入體內(nèi)，使體內(nèi)的含磷量超過一般細菌體內(nèi)的含磷量的數(shù)倍，這類細菌被廣泛地用于生物除磷。

1、厭氧條件下釋磷

在沒有溶解氧或硝態(tài)氮存在的條件下，兼性細菌通過發(fā)酵作用將可溶性BOD5轉化為低分子揮發(fā)性有機酸VFA。聚磷菌吸收這些發(fā)酵產(chǎn)物或來自原污水的VFA，并將其運送到細胞內(nèi)，同化成胞內(nèi)碳能源儲存物質PHB，所需的能力來源于聚磷的水解以及細胞內(nèi)糖的酵解，并導致磷酸鹽的釋放。

2、好氧條件下攝磷

好氧條件下，聚磷菌的活力得到恢復，并以聚磷的形式存儲超過生長所需的磷量，通過PHB的氧化代謝產(chǎn)生能量，用于磷的吸收和聚磷的合成，能量以聚磷酸高能鍵的形式捕集存儲，磷酸鹽從水中被去除。

3、富磷污泥的排放

產(chǎn)生的富磷污泥通過剩余污泥的形式排放，從而將磷去除。從能量角度來看，聚磷菌在無氧條件下釋放磷獲取能量以吸收廢水中溶解性有機物，在好氧狀態(tài)下降解吸收溶解性有機物獲取能量以吸收磷。

除磷的關鍵是厭氧區(qū)的設置，聚磷菌能在短暫的厭氧條件下，由于非聚磷菌吸收低分子基質并快速同化和儲存這些發(fā)酵產(chǎn)物，即厭氧區(qū)為聚磷菌提供了競爭優(yōu)勢。

這樣一來，能吸收大量磷的聚磷菌就能在處理系統(tǒng)中得到選擇性增殖，并可通過排除高含磷量的剩余污泥達到除磷的目的。這種選擇性增殖的另一好處是抑制了絲狀菌的增殖，避免了產(chǎn)生沉淀性能較差的污泥的可能，因此厭氧/好氧生物除磷工藝一般不會出現(xiàn)污泥膨脹。

三、生物除磷的影響因素

生物除磷中通過聚磷菌在厭氧狀態(tài)下釋放磷，在好氧狀態(tài)下過量地攝取磷。經(jīng)過排放富磷剩余污泥而除磷，其影響聚磷菌代謝的影響因素包括：溫度、pH值、厭氧池DO、厭氧池硝態(tài)氮、泥齡、CP比、RBCOD含量、糖原、HRT等。

1、溫度

溫度對除磷效果的影響不如對生物脫氮過程的影響那么明顯，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度變化不是十分大時，生物除磷都能成功運行。試驗表明，生物除磷的溫度宜大于10℃，因為聚磷菌在低溫時生長速度會減慢。

2、pH值

在pH在6.5一8.0時，聚磷微生物的含磷量和吸磷率保持穩(wěn)定，當pH值低于6.5時，吸磷率急劇下降。當pH值突然降低，無論在好氧區(qū)還是厭氧區(qū)磷的濃度都急劇上升，pH降低的幅度越大釋放量越大，這說明pH降低引起的磷釋放不是聚磷菌本身對pH變化的生理生化反應，而是一種純化學的“酸溶”效應，而且pH下降引起的厭氧釋放量越大，則好氧吸磷能力越低，這說明pH下降引起的釋放是破壞性的，無效的。pH升高時則出現(xiàn)磷的輕微吸收。

3、溶解氧

每毫克分子氧可消耗易生物降解的COD1.14mg,致使聚磷生物的生長受到抑制，難以達到預計的除磷效果。厭氧區(qū)要保持較低的溶解氧值以更利于厭氧菌的發(fā)酵產(chǎn)酸，進而使聚磷菌更好的釋磷，另外，較少的溶解氧更有利予減少易降解有機質的消耗，進而使聚磷菌合成更多的PHB。

而在好氧區(qū)需要較多的溶解氧，以更利于聚磷菌分解儲存的PHB類物質獲得能量來吸收污水中的溶解性磷酸鹽合成細胞聚磷。厭氧區(qū)的DO控制在0.3mg/l以下，好氧區(qū)DO控制在2mg/l以上，方可確保厭氧釋磷好氧吸磷的順利進行。

4、厭氧池硝態(tài)氮

厭氧區(qū)硝態(tài)氮存在消耗有機基質而抑制PAO對磷的釋放，從而影響在好氧條件下聚磷菌對磷的吸收。另一方面，硝態(tài)氮的存在會被氣單胞菌屬利用作為電子受體進行反硝化，從而影響其以發(fā)酵中間產(chǎn)物作為電子受體進行發(fā)酵產(chǎn)酸，從而抑制PAO的釋磷和攝磷能力及PHB的合成能力。每毫克硝酸鹽氮可消耗易生物降解的COD2.86mg，致使厭氧釋磷受到抑制，一般控制在1.5mg/l以下。

5、泥齡

由于生物除磷系統(tǒng)主要通過排出剩余污泥實現(xiàn)除磷，因此剩余污泥量的多少決定系統(tǒng)的除磷效果，而泥齡長短對剩余污泥的排放量和污泥對磷的攝取作用有直接的影響。污泥齡越小，除磷效果越佳。這是因為降低污泥齡，可增加剩余污泥的排放量及系統(tǒng)中的除磷量，從而削減二沉池出水中磷的含量。但對于同時除磷脫氮的生物處理工藝而言，為了滿足硝化和反硝化細菌的生長要求，污泥齡往往控制得較大，這是除磷效果難以令人滿意的原因。一般以除磷為目的的生物處理系統(tǒng)的泥齡控制在3.5~7d。

6、COD/TP

污水生物除磷工藝中，厭氧段有機基質的種類、含量及微生物所需營養(yǎng)物質與污水中含磷的比值是影響除磷效果的重要因素。不同的有機物為基質時，磷的厭氧釋放和好氧攝取效果是不同的。分子量較小的易降解有機物（如揮發(fā)性脂肪酸類等）容易被聚磷菌利用，將其體內(nèi)儲存的多聚磷酸鹽分解釋放出磷，誘導磷釋放的能力較強，而高分子難降解有機物誘導聚磷菌釋磷能力就較差。厭氧階段磷的釋放越充分，好氧階段磷的攝取量就越大。另外，聚磷菌在厭氧階段釋磷所產(chǎn)生的能量，主要用于其吸收低分子有機基質以作為厭氧條件下生存的基礎。因此，進水中是否含有足夠的有機質，是關系到聚磷菌能否在厭氧條件下順利生存的重要因素。一般認為，進水中COD/TP要大于15，才能保證聚磷菌有足夠的基質，從而獲得理想的除磷效果。

7、RBCOD（易降解COD）

研究表明，當以乙酸、丙酸和甲酸等易降解碳源作為釋磷基質時，磷的釋放速率較大，其釋放速率與基質的濃度無關，僅與活性污泥的濃度和微生物的組成有關，該類基質導致的磷的釋放可用零級反應方程式表示。而其他類有機物要被聚磷菌利用，必須轉化成此類小分子的易降解碳源，聚磷菌才能利用其代謝。

8、糖原

糖原是由多個葡萄糖組成的帶分枝的大分子多糖，是胞內(nèi)糖的貯存形式。如上圖所示聚磷菌中糖原在好氧環(huán)境下形成，儲存能量在厭氧環(huán)境下代謝形成為PHAs的合成的原料NADH并為聚磷菌代謝提供能量。所以在延遲曝氣或者過氧化的情況下，除磷效果會很差，因為過量曝氣會在好氧環(huán)境下消耗一部分聚磷菌體內(nèi)的糖原，導致厭氧時形成PHAs的原料NADH的不足。

9、 HRT

對于運行良好的城市污水生物脫氮除磷系統(tǒng)來說，一般釋磷和吸磷分別需要1.5～2.5小時和2.0～3.0小時。總體來看，似乎釋磷過程更為重要一些，因此，我們對污水在厭氧段的停留時間更為關注，厭氧段的HRT太短，將不能保證磷的有效釋放，而且污泥中的兼性酸化菌不能充分地將污水中的大分子有機物分解為可供聚磷菌攝取的低級脂肪酸，也會影響磷的釋放；HRT太長，也沒有必要，既增加基建投資和運行費用，還可能產(chǎn)生一些副作用。總之，釋磷和吸磷是相互關聯(lián)的兩個過程，聚磷菌只有經(jīng)過充分的厭氧釋磷才能在好氧段更好地吸磷，也只有吸磷良好的聚磷菌才會在厭氧段超量地釋磷，調(diào)控得當會形成一個良性循環(huán)。我廠在實際運行中摸索得到的數(shù)據(jù)是：厭氧段HRT為1小時15分～1小時45分，好氧段HRT為2小時～3小時10分較為合適。

10、回流比（R）

A/O工藝保證除磷效果的極為重要的一點，就是使系統(tǒng)污泥在曝氣池中“攜帶”足夠的溶解氧進入二沉池，其目的就是為了防止污泥在二沉池中因厭氧而釋放磷，但如果不能快速排泥，二沉池內(nèi)泥層太厚，再高的DO也無法保證污泥不厭氧釋磷，因此，A/O系統(tǒng)的回流比不宜太低，應保持足夠的回流比，盡快將二沉池內(nèi)的污泥排出。但過高的回流比會增加回流系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)的能源消耗，且會縮短污泥在曝氣池內(nèi)的實際停留時間，影響B(tài)OD5和P的去除效果。如何在保證快速排泥的前提下，盡量降低回流比，需在實際運行中反復摸索。一般認為，R在50~70%的范圍內(nèi)即可。

四、常見生物除磷工藝

廢水生物除磷工藝一般由兩個過程組成，即厭氧釋磷和好氧攝磷兩個過程。目前應用的生物除磷工藝主要有在生物除磷基本原理基礎上發(fā)展起來的弗斯特利普(Phostrip)除磷工藝、厭氧-好氧(An/O) 工藝等除磷工藝。

1、弗斯特利普除磷工藝

弗斯特利普(Phostrip)  除磷工藝是將生物除磷與化學除磷相結合的一種工藝，即在傳統(tǒng)活性污泥過程的污泥回流管線上增設厭氧釋磷池和混合反應池，采用生物和化學相結合的方法提高除磷效果。該工藝以生物除磷為主體，以化學除磷輔助去除厭氧釋磷后的上清液中的磷酸鹽，可以保證釋磷后的污泥主要用于對進水中的磷酸鹽進行吸收，因此可以達到更高的除磷效果。其工藝流程如圖所示。

該工藝各設備單元的功能：

①含磷廢水進入曝氣池，同步進入曝氣池的還有由除磷池回流的脫磷但含有聚磷菌的污泥。曝氣池的功能是:使聚磷菌過量地攝取磷，去除有機物(BOD 或COD)，還可能出現(xiàn)硝化作用。

②從曝氣池流出的混合液(污泥含磷，廢水已經(jīng)除磷)進人沉淀池I，在這里進行泥水分離，含磷污泥沉淀，已除磷的上清液作為處理水而排放。

③含磷污泥進入除磷池，除磷池應保持厭氧狀態(tài)，即DO≈0，NOㄨˉ≈0，含磷污泥在這里釋放磷，并投加沖洗水，使磷充分釋放，已釋放磷的污泥沉于池底，并回流至曝氣池，再次用于吸收廢水中的磷。含磷上清液從上部流出進入混合池。

④含磷上清液進入混合池，同步向混合池投加石灰乳，經(jīng)混合后進人攪拌反應池，使磷與石灰反應，形成磷酸鈣[Ca3 (PO4)2]固體物質。此系用化學法除磷。

⑤沉淀池Ⅱ為混凝沉淀池，經(jīng)過混凝反應形成的磷酸鈣固體物質在這里與上清液分離。已除磷的上清液回流進人曝氣池，而含有大量Ca3(PO4)2的污泥排出，這種含有高濃度PO3-的污泥宜用作肥料。

弗斯特利普除磷工藝已有很多應用實例。其主要特征有:

①生物除磷與化學除磷相結合，除磷效果良好，處理水中含磷量一般都低于1mg/L。

②產(chǎn)生的剩余污泥中含磷量比較高，約為2.1%～7.1%，污泥回流應經(jīng)過除磷池。

③與完全的化學除磷法相比，所需的石灰用量比較低，一般介于21～31.8mg/[Ca(OH)2·m3]。

④活性污泥的SVI值<100mL/g，污泥易于沉淀、濃縮、脫水，污泥肥分高，絲狀菌難于增殖，污泥不膨脹，且易于濃縮脫水。

⑤可以根據(jù)BOD/P的比值來靈活調(diào)節(jié)回流污泥與混凝污泥的比例。

⑥流程復雜，運行管理比較復雜，由于投加石灰乳，致使運行費用也有所提高，基建費用高。

⑦沉淀池I的底部可能形成缺氧狀態(tài)而產(chǎn)生釋放磷的現(xiàn)象，因此，應當及時排泥和回流。

2、厭氧-好氧活性污泥除磷工藝

厭氧-好氧活性污泥組合工藝( anaerobic/oxic,An/O)是直接在生物除磷基本原理的基礎上設計出來的，其工藝流程如圖所示。

前段為厭氧池，城市污水和回流污泥進入該池，并借助水下推進式攪拌器的作用使其混合。回流污泥中的聚磷酸在厭氧池可吸收去除一部分有機物，同時釋放出大量磷。然后混合液流人后段好氧池，污水中的有機物在其中得到氧化分解，同時聚磷菌將變本加厲，超量地攝取污水中的磷，然后通過排放高磷剩余污泥而使污水中的磷得到去除。好氧池在良好的運行狀況下，剩余污泥中磷的含量在2.5%以上。

A/O生物除磷工藝的主要特點:

①工藝流程簡單。

②厭氧池在前、好氧池在后，有利于抑制絲狀菌的生長。混合液的SVI小于100，污泥易沉淀，不易發(fā)生污泥膨脹，并能減輕好氧池的有機負荷。

③在反應池內(nèi)，水力停留時間較短，一般厭氧池的水力停留時間為1～2h，好氧池的水力停留時間為2～4h，總共為3～6h。厭氧池/好氧池的水力停留時間之比一般為1 : (2～3)。

④剩余活性污泥含磷率高，一般為2.5%以上，故污泥肥效好。

⑤除磷率難以進一步提高。當污水BOD濃度不高或含磷量高時，則P/BOD5比值高，剩余污泥產(chǎn)量低，使除磷率難以提高。

⑥當污泥在沉淀池內(nèi)停留時間較長時，則聚磷菌會在厭氧狀態(tài)下產(chǎn)生磷的釋放，從而降低該工藝的除磷率，所以應注意及時排泥和使污泥回流。

A/O生物除磷工藝的缺點：

①除磷率難以進一步提高，因為微生物對磷的吸收即便是過量吸收，也是有一定限度的，特別是當進水BOD值不高或廢水中含磷量較高，即P/BOD值高時，由于污泥的產(chǎn)量低，將更是如此。

②在沉淀池內(nèi)容易產(chǎn)生磷的釋放，特別是當污泥在沉淀池內(nèi)停留時間較長時更是如此，應注意及時排泥和回流。