MSBR工艺除磷——以武鸣污水处理厂为例

许 谦，贝德光，陈程程，罗 莹

(广西绿城水务股份有限公司, 广西南宁 530031)

武鸣污水处理厂是南宁市东盟经济开发区唯一的污水处理厂，于2010年正式投产，主要收集武鸣县城和南宁—东盟经济开发区的污水，一期工程设计处理规模为5×104m3/d，设计出水水质达到《城市污水排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准(TP<0.5 mg/L)，是南宁市最早要求达到一级A标准的生活污水处理厂。随着污水管网的不断完善，进水各污染物浓度的不断提高，进水TP由建成之初的1.5 mg/L增加至4.3 mg/L，需采取措施提高TP的削减率。

1 工艺简介

武鸣污水处理厂一级处理单元主要由进水泵房、粗格栅、提升泵房、细格栅、曝气沉砂池构成， 二级处理单元需采用改良型SBR工艺(modified sequencing batch reactor，MSBR)，共计2组，每组污水处理量为2.5×104m3/d；采用ABF滤池为深度处理单元，共2组，每组污水处理量为2.5×104m3/d。MSBR工艺如图1所示。

图1 MSBR工艺流程Fig.1 Process Flow of MSBR

2 现状调查及数据分析

对进水数据、运行数据、除磷药剂投加情况这三方面进行调查。

2.1 进水数据调查及分析

武鸣污水处理厂进水污染物浓度设计值及2017年1月—12月进出水污染物浓度(平均值，未投加化学药剂)如表1所示。

表1 主要进水污染物设计值及2017年进出水污染物浓度Tab.1 Design Values of Main Influent Pollutants and Concentration of Influent and Effluent Pollutants in 2017

2.2 运行数据调查

污水处理厂日常运行的DO、MLSS、SV30如表2所示。活性污泥参数如表2所示：

表2 活性污泥参数Tab.2 Parameters of Activated Sludge

2.3 除磷药剂的投加情况调查

化学除磷药剂主要采用工业级PAC(GB/T 22627—2008，固体，溶解稀释后投加，Al2O3有效含量为24%)，设计投加点在MSBR池的1#、7#序批池进水端。经实际调查，工业级PAC溶解后产生大量泥垢，淤堵在溶解池及投加管道中，且效果有限，不适合用作除磷药剂。淤堵情况如图2所示。

图2 工业级PAC结垢图Fig.2 Diagram of Industrial Grade PAC Scale

此外，原设计投加点没有很好的水力混合条件，投加的金属混凝剂不能与污水进行急剧、快速的混合，直接影响混凝沉淀效果[4]。

3 试验研究及生产实践

从现状调查来看，现阶段武鸣污水处理厂主要存在的问题有进水基质偏低、污泥泥龄偏长、除磷药剂选择不当、投加点设置不合理。针对这些问题，主要考虑从提高生化除磷效率和改进化学辅助除磷工艺2个方面解决。

3.1 提高生化除磷效率

表3 排泥后的生物除磷效果Tab.3 Effect of Biological Removal of Phosphorus after Sludge Discharge

由表3可知，生化除磷效率较排泥前有明显提高，削减率上升21%，说明通过排出剩余污泥来降低MLSS浓度，从而达到缩短活性污泥泥龄的目的，是有明显效果的。

3.2 化学除磷及数据分析

一般来讲，出水TP达到一级A排放标准，在生物除磷的同时，需要辅以化学除磷的手段[5]。考虑到化学除磷对正磷酸盐的削减率最高，在化学除磷之前可以对污水处理厂进、出水正磷酸盐进行检测，并通过小试试验确定投加药剂的种类及投加量，选取具有良好絮凝沉淀效果的工艺段作为投加点。

3.2.1 污水厂进水及出水可溶性正磷酸盐的检测

可溶性正磷酸盐的削减机理为混凝剂金属离子与磷酸根生成磷酸盐沉淀，如式(1)。

(1)

颗粒态磷的削减机理为混凝的吸附架桥和网捕卷扫作用[5]。因此，在进行小试试验前，连续对进厂及出厂水的溶解性正磷酸盐占比进行分析(未投药剂)，结果如表4所示。

表4 武鸣污水处理厂溶解性正磷酸盐分析Tab.4 Analysis of Dissolved Orthophosphate in Wuming WWTP

由表4可知，武鸣污水处理厂进水的溶解性正磷酸盐占比在70%左右，出水占比更高，在80%左右。因此，采用混凝法进行化学除磷是合适的。

3.2.2 通过小试试验重新确定混凝除磷药剂

选取聚合氯化铝(饮用水级PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、硫酸铝这3种常见药剂作为混凝剂，PAC有效Al2O3≥28%、PFS有效Fe3+含量≥19%、硫酸铝有效Al2O3≥15%，并选用曝气池混合液作为试验原水(MLSS=3 100 mg/L)。

(1)投加量计算及试验方法

混凝剂中金属离子物质的量n(M)与污水中TP物质的量n(P)的比值理论上为1。实际应用中，投加的混凝剂并不能完全与磷 反应，n(M)/n(P)(即投加系数β)通常为2～3[5]。参考南宁市其他污水处理厂β取值，本试验取β=2。选用PAC、PFS、硫酸铝进行小试试验，投加量计算如下：PAC∶Al=2×(2-0.5)× 27/31=2.6 mg/L；换算为Al2O3的量=2.6×102/54=4.9 mg/L，PAC的Al2O3含量为29%，则PAC投加量为17 mg/L；同理，计算PFS投加量为28.42 mg/L，硫酸铝投加量为32.6 mg/L。

(2)试验结果

试验结果如表5所示。

表5 混凝剂除磷效率分析Tab.5 Analysis of Coagulant for Phosphorus Removal Efficiency

由表5可知，3种除磷药剂的TP削减率分别为56%、57.23%及30.82%，PAC和PFS的TP削减率相当，硫酸铝的TP削减率最低。下一步主要选取PAC及PFS，确定投加至一级A标准所需的大致药剂量，结果如表6所示。

由表6可知，随着混凝剂投加量的增加，PAC和PFS对TP的削减率增加，至50 mg/L时候，TP可以达到一级A标准，PAC的削减率略高于PFS的削减率。以武鸣污水处理厂日处理量5万t计，日需PFS粉剂为2.5 t，1 900元/t，则日花费为4 750元，折合0.095元/t；PAC粉剂日需也为2.5 t，2 900元/t，则日花费为7 250元，折合0.145元/t。从价格成本上看，PFS优于PAC，考虑到铁盐混凝剂存在腐蚀设备的问题，长期投加，对MBSR位于污水处理构筑物中的设备可能不利，且铁盐投加量控制不好，易使水体显色，造成出水色度超标。综上，选取PAC(饮用水级)作为除磷药剂，淘汰原使用的PAC(工业级，有效Al2O3≥23%，易结垢，图2)，相较于工业级PAC，饮用水级PAC溶解度好，不结垢，可以彻底解决管道结垢、淤堵及溶解池沉积的问题，且Al2O3含量高(有效Al2O3≥29%)，比较符合实际需求。

表6 PAC及PFS投加量分析Tab.6 Analysis of PAC and PFS Dosages

3.2.3 投加点及投加效果

化学药剂投加方式主要有3种，为前置投加、同步投加及后置投加。前置投加的投加点一般设置在沉砂池或初沉池的进水渠(管)；同步投加的投加点一般设置在曝气池的进水端、出水端或二次沉淀池进水端；后置投加的投加点一般设置在二次沉淀池出水端或之后的絮凝沉淀池、气浮池或增设的三级处理设施[6]。前置投加在除磷的过程中可能会削减相当量的有机物，造成进水碳源的流失，从而影响后续工艺对氮、磷的削减[6]，因此，主要考虑同步投加及后置投加的方式，并在此基础上研究采用同步投加与后置投加相结合的多点投加方式。

(1)同步投加。同步投加主要选取曝气池的进水端、出水端进行投加实践，曝气池进水端投加效果如表7所示。

表7 曝气池进水端投加PAC效果Tab.7 Effect of PAC Dosing on Water Inlet of Aeration Tank

在曝气池进水端进行投加PAC实践，除磷效果较差。主要原因为6#曝气池进水端虽然有利于混凝剂与水体的混合，但在曝气池的水力停留时间较长(约6.5 h)，絮体不易形成，甚至形成后破碎难以重组[4]，从而影响TP的削减效果。

在曝气池出水端投加PAC的效果如表8所示。

表8 曝气池出水端投加PAC效果Tab.8 Effect of PAC Dosing on Water Outlet of Aeration Tank

在曝气池出水端投加PAC的效果良好，可以稳定达到一级A出水标准。在该点投加，药剂与污水经过短时间混合后，进入后续的序批池，序批池有良好的沉淀效果，为TP的削减创造了较好的条件。

总的来说，在曝气池投加PAC可以稳定达到一级A标准，但同步投加会受到MLSS浓度的明显影响[6]，MLSS越高，除磷药剂的消耗量越大。主要原因：一是污水中的高MLSS不利于生物除磷；二是较高的MLSS浓度会消耗掉一部分的除磷药剂，高药耗对污水处理厂的运行是不利的。

(2)后置投加。由于滤池前未单独设置絮凝沉淀单元，考虑到MSBR出水为跌落式出水，跌落高度约0.5 m，具有较好的水力混合效果，将投加点设置于出水堰处。投加效果如表9所示。

表9 MSBR出水端投加PAC效果Tab.9 Effect of PAC Dosing on Water Outlet of MSBR

采用后置投加的方式，出水TP只能降至0.55 mg/L左右，增加投药量效果也不明显。经过研究分析，其主要原因是出水堰至滤池进水端距离较短，絮凝时间仅为2 min，达不到形成较大絮体需要的时间，且滤砂较薄(15 cm)，截留絮体能力不强，较小的絮体可以穿透滤砂，从而影响除磷效果。取出滤后水水样，经过一段时间静置后，烧杯底层仍能发现细小絮体不断形成(图3)。因此，后置投加效果有限，后置投加投药量在5～10 mg/L时发生絮体穿透的情况较少。

图3 滤后水的絮体Fig.3 Flocs of Filtered Water

(3)多点投加。针对同步投加药耗较高及后置投加不能完全满足TP削减的要求，考虑采用同步投加与后置投加结合起来的多点投加方式进行生产实践。多点投加效果如表10所示。

由表10可知，在采用多点投加方式后，总耗药量有了明显的降低，同时保证了出水TP的稳定达标。可以认为，多点投加是比较适合武鸣污水处理厂现阶段除磷要求的投加方式，总投加量在10～20 mg/L。

4 总结和建议

(1)污水处理厂采用化学辅助除磷前，应先考虑提高生物除磷的效率，最大程度地利用生物除磷，在不投加碳源的前提下，可以通过多排泥减少MLSS浓度来降低污泥泥龄，从而提高TP的削减率。

表10 多点投加效果Tab.10 Effect of Multipoint Dosing

(2)在选用除磷药剂时，应选用易采购到的混凝剂进行小试试验，优选出除磷效率高的药剂。小试试验不能确定投加量，主要是因为实际生产中的MLSS和生物除磷效率是不断变化的。小试试验的目的主要是确定一个投加的基准值作为参考。

(3)当选择采用同步投加的方式时，应在保证其他污染物达标排放的基础上，尽量减少MLSS浓度，以提高生物除磷效率与降低药耗。在长期的生产实践中发现，经过一段时间的投加，药耗量会有所下降(MLSS及进水污染物浓度均无较大变化)，原因是活性污泥在不断回流的过程中，将没有反应完全的药剂回流到工艺前端进一步反应，提高了药剂的利用率。同步投加对生化系统的污染物削减率有一定的影响，产泥量是几种除磷方式中最多的[6]。在单独采用同步投加时，未采用同步投加前，月产泥量约在490 t/月，采用同步投加后，月产泥量增至627～693 t/月，增加了20%～30%。此外，含PAC的剩余污泥对好氧堆肥会产生一定的影响，采用好氧堆肥为污泥处理手段的地区应引起重视。

(4)混凝沉淀的效果是影响后置除磷的关键。后置除磷应有合适的混合强度和足够的絮凝沉淀时间才能高效地将TP削减，如后置除磷构筑物只设置滤池，一般不宜投加PAM[5]。

(5)新建或提标改造的污水处理厂，要求出水TP浓度达到一级A标准时，建议在在二级处理工艺的基础上，增设除磷的三级处理设施，除磷方式应以后置投加为主[7]。

(6)不少污水处理厂选择PAC粉剂作为除磷药剂，虽然粉剂具有有效成分高、运输成本低的特点，但使用效果会受到溶解方式、溶解度的影响。不同浓度溶液的除磷效果不同，且不耐存放。一般污水处理厂除磷药剂的投加量较大，人工成本较液体PAC自动投加要高。因此，在有条件的污水处理厂，建议采用液体除磷药剂。