市政污水厂工艺优化运行管理（五十四）

市政污水厂工艺优化运行管理（五十四）

随着社会经济的快速发展、城市化进程的加速和人民生活水平的提升，市政污水排放总量持续攀升，其中氮、磷等营养物质的污染问题日益凸显，已成为水环境管理的核心挑战之一。氮和磷是生命体必需的营养元素，但其过量排入天然水体，会直接导致水体富营养化，引发藻类疯长、水华爆发、水体黑臭、水生生物栖息地退化等一系列严重的环境问题。鉴于此，市政污水处理厂的运行目标，已从传统的有机物去除（以COD/BOD为指标）扩展至高效、稳定地脱氮除磷。

为应对这一挑战，中国不仅在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中对氮磷设限，更在《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中明确了严格的排放要求。许多经济发达或水环境敏感地区，更是出台了远高于国家标准的地方性标准，部分区域要求出水总氮（TN）不高于10mg/L，总磷（TP）不高于0.3mg/L。这一高标准对现有污水厂的工艺能力、运行调控精度和整体管理水平构成了巨大考验，促使行业内不断探索和实践更多元、更精细的氮磷去除技术与优化管理策略。公众号《治污者说》的优化系列从第三十五篇开始一直到五十三篇，围绕除磷脱氮进行系统性地总结和分析市政污水厂除磷脱氮的工艺原理、核心控制指标、常见问题、优化措施及未来发展趋势，为污水厂的氮磷的稳定达标和提质增效提供一定的理论指导与实践参考。这一周公众号将对公众号这28篇关于脱氮除磷的文章进行全方面的一个整理和汇总，帮助大家更深入的了解污水厂脱氮除磷的工艺优化管理的内容。

二、氮磷去除的基本原理

市政污水厂的脱氮除磷主要依赖于活性污泥中特定功能微生物菌群的协同代谢作用，通过在反应器中构建精准的厌氧、缺氧、好氧环境序列，引导这些微生物完成对氮和磷的转化与去除 。

1.生物脱氮机理 生物脱氮是一个多步骤的生化反应链，主要包括氨化、硝化和反硝化三个核心环节。

氨化作用 (Ammonification)：污水中复杂的有机氮化合物在异养菌的作用下，被水解和分解，最终转化为易于后续处理的氨氮（NH??-N）。

硝化作用 (Nitrification)：这是一个严格好氧的过程，由自养型的硝化细菌完成。首先，亚硝化单胞菌（AOB）等细菌在充足的溶解氧条件下，将氨氮氧化为亚硝态氮（NO??-N）；随后，硝化杆菌（NOB）等细菌将亚硝态氮进一步氧化为硝态氮（NO??-N）。该过程对温度、pH和溶解氧浓度非常敏感。

 

反硝化作用 (Denitrification)：在缺氧（Anoxic，即DO浓度极低但存在硝态氮）条件下，兼性反硝化菌以污水中的有机物（碳源）作为电子供体，将硝态氮和亚硝态氮还原成无害的氮气（N?），从而逸出水体，实现氮的最终去除。

2.生物除磷机理 (EBPR) 生物除磷（Enhanced Biological Phosphorus Removal, EBPR）的核心是利用聚磷菌（PAOs）的特殊代谢机制。该过程主要分为两个阶段：

厌氧释磷：在严格厌氧（Anaerobic，即无溶解氧也无硝态氮）环境下，聚磷菌分解自身储存的多聚磷酸盐（Poly-P）以获取能量，并将磷释放到水体中。同时，它们利用释放的能量吸收和储存污水中易于降解的有机物，如挥发性脂肪酸（VFAs），并将其转化为聚羟基脂肪酸酯（PHA）储存在体内。

 

好氧吸磷：随后，在好氧条件下，聚磷菌利用体内储存的PHA作为能量和碳源，进行快速增殖，并以远超自身代谢需求的量从水体中吸收磷，以多聚磷酸盐的形式储存在细胞内。这一“过量吸磷”现象是生物除磷的关键。最终，通过排放富含磷的剩余污泥，实现磷从污水系统中的去除。

3.化学除磷机理：化学除磷是通过向污水中投加铁盐（如三氯化铁、硫酸亚铁）、铝盐（如硫酸铝、聚合氯化铝）或石灰等化学药剂，使其与溶解性的磷酸盐（PO???）发生反应，形成不溶于水的沉淀物，再通过沉淀或过滤等方式从水中分离，达到除磷目的。

三、主流氮磷同步去除工艺及其特点

基于上述原理，工程实践中发展出了多种主流生物脱氮除磷工艺，各有其适用场景和优缺点。

A?/O（厌氧-缺氧-好氧）工艺：这是国内大中型污水厂应用最广泛的工艺之一。它通过设置厌氧、缺氧、好氧三个功能区，能够较为理想地实现同步脱氮除磷。该工艺流程紧凑、技术成熟、适应性强。其运行成功的关键在于精确控制各功能区的环境条件，特别是保证厌氧区的严格厌氧状态和缺氧区的充足碳源供给。

MBR（膜生物反应器）工艺：MBR工艺在传统活性污泥法的生化反应段之后，采用膜组件替代二沉池进行固液分离。其核心优势在于能够维持极高的污泥浓度（MLSS）和更长的污泥龄（SRT），从而提升了处理效率和硝化效果，且出水水质极佳、稳定，占地面积小。但需要注意的是，MBR的本质是分离方式的革新，其生物脱氮除磷机理与传统工艺一致。其缺点是运行成本（主要是膜更换和能耗）相对较高，且膜污染是运行中的核心难题。此外，由于其排泥量较低，可能在一定程度上削弱通过排放剩余污泥来除磷的能力。

 

AO（缺氧-好氧）工艺：该工艺结构简单，投资成本较低，主要用于脱氮 。其缺点是除磷效果有限，且对进水碳源依赖度高，内回流携带的溶解氧容易对缺氧区的反硝化过程产生抑制。

SBR（序批式反应器）工艺：SBR工艺在一个反应池内，通过时间上的序列控制，分阶段实现厌氧、缺氧、好氧、沉淀、撇水等功能 。其运行方式非常灵活，可以根据水质变化调整各阶段时长，尤其适合中小型污水厂或水质水量波动较大的场景，但对自动化控制和管理水平的要求较高。

氧化沟工艺：氧化沟通常具有较长的水力停留时间（HRT）和较低的有机负荷，通过循环流动的沟渠和可调控的曝气设备，在空间上形成好氧和缺氧区，实现硝化和反硝化。其优点是抗冲击负荷能力强，运行稳定，适合处理大水量的污水。

四、核心运行控制指标与精细化优化策略

无论是哪种工艺，其高效稳定运行都离不开对一系列核心参数的精准控制。优化管理的核心在于围绕功能菌群的生境需求，进行多参数的协同调控。

1.碳源管理 碳源是反硝化菌和聚磷菌的“食粮”，其有效性直接决定了脱氮除磷的成败。

核心指标：进水可生化性，通常用BOD?/TN比值来衡量，该比值应不低于2.86：1。很多时候，仅关注总COD会产生误判，因为部分难降解COD无法被微生物有效利用。碳源不足会直接削弱反硝化效率，同时，未被充分利用的硝酸盐随回流进入厌氧段，会与聚磷菌竞争碳源，严重抑制磷的释放。

优化策略：

内源碳源挖掘：通过优化进水分配，避免碳源在前端被过早消耗 。此外，可以利用初沉污泥或部分剩余污泥进行侧流发酵，产生易于利用的VFAs，回补到生化系统前端。

外加碳源投加：在进水碳源严重不足时，必须投加外部碳源，如甲醇、乙酸（或乙酸钠）、乙酸钠、葡萄糖、复合碳源等。投加策略应力求精确，结合在线监测数据（如氨氮、硝态氮），采用多点、分时、按需投加的方式，以提高碳源利用效率并降低药剂成本。

2.溶解氧（DO）精细化控制 DO是调控不同功能区环境的核心杠杆，其控制精度至关重要。

 

?核心指标：

厌氧段：DO应严格控制在 <0.2 mg/L 。任何微量的DO或随回流带入的NO??-N都会破坏严格厌氧环境，干扰聚磷菌的释磷过程。

缺氧段：DO应控制在 <0.5 mg/L，以确保反硝化作用的顺利进行。

好氧段：DO通常需维持在2.0-3.0 mg/L，以保证硝化作用的效率。但过高的DO（过曝）不仅浪费能源，还会导致污泥解体，并增加内回流液中的DO含量，干扰缺氧区。

?优化策略：

曝气方式优化：采用分区曝气、间歇曝气等方式，使曝气供给与需氧量精准匹配。在好氧段末端设置“消氧区”，以降低进入内回流系统的污泥中的DO含量。

动态调节：根据在线DO、氨氮等数据，通过变频器自动调节鼓风机风量，实现曝气的自动化、精细化控制。在进水碳氮比较低时，可适当将好氧段DO降低至1.5 mg/L甚至1.0 mg/L左右，以节省碳源用于反硝化。

3.污泥龄（SRT）与污泥浓度（MLSS）管理 SRT和MLSS是维持系统中功能微生物种群稳定性的关键。

?核心指标：

SRT：由于硝化菌世代周期长，系统需要足够长的SRT（一般为10-20天）来防止其流失。A?/O工艺的SRT通常控制在10-15天，而MBR工艺可将SRT延长至15-30天甚至更长，以强化硝化效果。然而，SRT并非越长越好，过长的SRT会导致污泥老化、活性降低，并可能促使与聚磷菌竞争的聚糖菌（GAOs）增殖，从而恶化除磷效果。

MLSS：A?/O工艺的MLSS一般在3000-5000 mg/L，MBR工艺则可高达8000-12000 mg/L。过高的MLSS会增加曝气系统的氧传递阻力，降低曝气效率，并加速MBR的膜污染。

优化策略：

动态调控：应定期监测污泥沉降比（SVI）等指标，评估污泥性状，并根据处理效果和水温动态调整排泥量来控制SRT。

季节性调整：冬季水温低，硝化速率下降，应适当延长SRT（如18-25天）并提高MLSS，以保证硝化效果。夏季水温高，微生物活性强，可适当缩短SRT，以抑制丝状菌过度繁殖，并控制污泥老化。

4.回流比与水力条件

回流比：内回流比（从好氧区末端回流至缺氧区前端）是保证缺氧区有充足硝酸盐供给的关键，一般控制在100%-200%，有时可根据需要提高至300%。需精确控制，避免因回流比过大而将过多DO带入缺氧区和厌氧区。

水力停留时间(HRT)：需保证各功能区有足够的反应时间。A?/O工艺总HRT一般为18-24小时，而MBR由于MLSS很高，可适当缩短HRT。在汛期等水量冲击下，应通过调蓄池或旁路分流等措施，减缓对生化系统的冲击。

五、新兴与深度处理技术展望

为满足日益严苛的排放标准和可持续发展的要求，一系列新兴及深度处理技术应运而生。

厌氧氨氧化 (Anammox)：这项革命性技术能在缺氧条件下，利用特定的Anammox菌直接将氨氮和亚硝态氮转化为氮气。其巨大优势在于无需有机碳源、曝气量大幅减少（节省超过60%的能耗）、污泥产量极低。它特别适用于处理高氨氮、低C/N的废水（如污泥消化液），但菌种培养周期长且对环境条件敏感。

膜曝气生物膜反应器 (MABR)：MABR通过中空纤维膜直接向附着生长的生物膜供氧，氧气由内向外扩散，而基质由外向内扩散，形成独特的浓度梯度，从而在极薄的生物膜内实现同步硝化反硝化（SND）。其能耗极低，曝气效率极高。

硫自养反硝化 (SAD)：该技术利用硫化物作为电子供体进行反硝化，无需有机碳源，非常适合深度脱氮或低C/N废水的处理。

深度处理技术组合：对于有超高排放标准要求的场景，常采用组合工艺。例如，在生化处理后，增设反硝化深床滤池，它兼具过滤和深度脱氮功能。此外，离子交换、吸附、纳滤和反渗透等物理化学方法也可用于深度处理，特别是为了生产高品质再生水。

六、综合管理策略与发展趋势

成功的氮磷去除不仅是技术的堆砌，更是精细化、科学化管理的体现。

1.综合管理策略

?数据驱动的智慧运营：摒弃单纯依赖经验的模式，转向以数据为核心的决策。在厌氧、缺氧、好氧各段关键位置布设DO、ORP、氨氮、硝态氮、总磷等在线监测仪表，实现对工艺过程的实时监控和动态调控。

?制度化的运维管理：建立并严格执行日、周、月度巡检制度，明确各岗位职。同时，必须制定针对碳源中断、设备故障、恶劣天气、膜污染加剧等突发状况的应急预案。

?持续的人员培训：定期组织运行人员学习新技术、新工艺和典型故障案例，不断提升团队的专业技能和应急处理能力。

2.行业发展趋势

?智慧化与自动化：基于物联网、大数据和人工智能（AI）模型的预测性控制系统将成为主流，实现从“被动响应”到“主动预判”的转变，实时优化运行参数。

?低碳与能源化：以Anammox、MABR等为代表的低能耗技术将得到更广泛应用，降低污水处理的碳足迹。

?工艺组合化与资源化：根据不同水质和排放要求，灵活组合生物、化学及物化技术将成为常态。同时，从污泥中回收磷等资源并加以利用，将是实现污水处理可持续发展的重要方向。

 市政污水厂的除磷脱氮是一项复杂的系统工程，不存在一成不变的“万能公式”。其成功与否，深度依赖于对核心生化原理的深刻理解、对多项运行参数的精准协同控制，以及应对现场各种变化的灵活应变能力。无论是传统的A?/O工艺还是先进的MBR工艺，其稳定运行的基石始终是为功能微生物菌群创造并维持一个稳定、平衡且具有竞争优势的生存环境。在此基础上，通过对碳源、溶解氧、污泥龄、回流比等关键参数进行综合优化，并辅以严格的在线监测和科学的运维管理体系，才能在确保出水水质稳定达标的同时，实现能耗、药耗与总体运行成本的最佳平衡。这不仅是工艺技术的优化，更是一次深刻的管理理念升级。