污水處理技術之生物除磷的原理及6大影響因素

廢水中磷的存在形態取決于廢水的類型，常見的是磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷。生活廢水的含磷量一般在10～15mg/L左右，其中70%是可溶性的。常規二級生物處理的出水中90%左右的磷以磷酸鹽的形式存在。在傳統的活性污泥法中，磷作為微生物正常生長所必需的元素用于微生物菌體的合成，并以生物污泥的形式排出，從而引起磷的去除，能夠獲得10%～30%的除磷效果。在某些情況下，微生物吸收的磷量超過了微生物正常生長所需要的磷量，這就是活性污泥的生物超量除磷現象，廢水生物除磷技術正是利用生物超量除磷的原理而發展起來的。

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(一)生物除磷的原理

根據霍爾米(Holmers)提出的化學式，活性污泥的組成是C118H170O51N17P，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。

生物除磷的基本原理是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，通過沉淀從系統中排出這種富磷污泥，達到從廢水中除磷的效果。

1.在厭氧區內的釋磷過程。在沒有溶解氧和硝態氮存在的厭氧條件下，兼性細菌通過發酵作用將溶解性BOD轉化為揮發性有機酸(VFA)，聚磷菌吸收VFA并進入細胞內，同化合成為胞內碳源的儲存物—聚-β-羥基丁酸鹽(PHB)，所需的能量來源于聚磷菌將其細胞內的有機態磷轉化為無機態磷的反應，并導致磷酸鹽的釋放。

2.在好氧區內的吸磷過程。聚磷菌的活力得到恢復并以聚磷的形態儲存超出生長需要的磷量，通過對PHB的氧化代謝產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儲存起來，磷酸鹽從液相去除。產生的高磷污泥通過剩余污泥的形式得到排放，從而將磷從系統中去除。

(二)生物除磷的影響因素

1.溶解氧。

溶解氧的影響包括兩個方面。首先必須在厭氧區中控制嚴格的厭氧條件，這直接關系到聚磷菌的生長狀況、釋磷能力及利用有機基質合成PHB的能力。由于DO的存在，一方面DO將作為終電子受體而抑制厭氧菌的發酵產酸作用，妨礙磷的釋放;另一方面會耗盡能快速降解的有機基質，從而減少聚磷菌所需的脂肪酸產生量，造成生物除磷效果差。其次是在好氧區中要供給足夠的溶解氧，以滿足聚磷菌對其儲存的PHB進行降解，釋放足夠的能量供其過量攝磷之需，有效地吸收廢水中的磷。一般厭氧段的DO應嚴格控制在0.2mg/L以下，而好氧段的溶解氧控制在2.0mg/L左右。

2.厭氧區硝態氮。

硝態氮包括硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，其存在同樣也會消耗有機基質而抑制聚磷菌對磷的釋放，從而影響在好氧條件下聚磷菌對磷的吸收。另一方面，硝態氮的存在會被部分生物聚磷菌(氣單胞菌)利用作為電子受體進行反硝化，進而影響其以發酵中間產物作為電子受體進行發酵產酸，從而抑制了聚磷菌的釋磷和攝磷能力及PHB的合成能力。

3.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，因為在高溫、中溫、低溫條件下，不同的菌群都具有生物脫磷的能力，但低溫運行時厭氧區的停留時間要更長一些，以保證發酵作用的完成及基質的吸收。在5～30°C的范圍內，都可以得到很好的除磷效果。

4.pH值。

pH值在6～8的范圍內時，磷的厭氧釋放過程比較穩定。pH值低于6.5時生物除磷的效果會大大降低。

5.BOD負荷和有機物性質。

廢水生物除磷工藝中，厭氧段有機基質的種類、含量及其與微生物營養物質的比值(BOD5/TP)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是不同的。

根據生物除磷原理，相對分子質量較小的易降解的有機物(如低級脂肪酸類物質)易于被聚磷菌利用，將其體內儲存的多聚磷酸鹽分解釋放出磷，誘導磷釋放的能力較強，而高分子難降解的有機物誘導釋磷的能力較弱。厭氧階段磷的釋放越充分，好氧階段磷的攝取量就越大。

另一方面，聚磷菌在厭氧段釋放磷所產生的能量，主要用于其吸收進水中低分子有機基質合成PHB儲存在體內，以作為其在厭氧條件壓抑環境下生存的基礎。因此，進水中是否含有足夠的有機基質提供給聚磷菌合成PHB，是關系到聚磷菌在厭氧條件下能否順利生存的重要因素。

一般認為，進水中BOD5/TP要大于15才能保證聚磷菌有足夠的基質需求而獲得良好的除磷效果。為此，有時可以采用部分進水和省去初次沉淀池的方法來獲得除磷所需的BOD負荷。

6.污泥齡。

由于生物脫磷系統主要是通過排除剩余污泥去除磷的，因此剩余污泥量的多少將決定系統的除磷效果。而污泥齡的長短對污泥的攝磷作用及剩余污泥的排放量有著直接的影響。一般來說，污泥齡越短，污泥含磷量越高，排放的剩余污泥量就越多，越可以取得較好的脫磷效果。

短的污泥齡還有利于好氧段控制硝化作用的發生而利于厭氧段充分釋磷，因此，僅以除磷為目的的污水處理系統中，一般宜采用較短的污泥齡。但過短的污泥齡不僅會影響出水的BOD5和COD，甚至會使出水的BOD5和COD達不到要求。以除磷為目的的生物處理工藝，污泥齡一般控制在3.5～7d。

一般來說，厭氧區的停留時間越長，除磷效果越好。但過長的停留時間并不會太多地提高除磷效果，而且會有利于絲狀菌的生長，使污泥的沉淀性能惡化，因此厭氧段的停留時間不宜過長。剩余污泥的處理方法也會對系統的除磷效果產生影響，因為污泥濃縮池中呈厭氧狀態會造成聚磷菌的釋磷，使濃縮池上清液和污泥脫水液中含有高濃度的磷，因此有必要采取合適的污泥處理方法，避免磷的重新釋放。