一、什么是生物除磷？
1、什么是生物除磷？
污水生物除磷是人为创造生物过量除磷过程，达到可控的除磷效果，整个过程必须通过创造厌氧、好氧交替环节，利用聚磷菌的作用实现生物除磷。
根据Holm（）提出的化学式，活性污泥的组成为C118，由此可知C：N：P=46：8：1。如果废水中的N、P含量低于此值，则需要从外部添加，如果等于此值，理论上应该能够完全被吸收去除。
生物除磷是利用一类称为聚磷酸盐细菌（又称除磷菌、磷菌等）的细菌，这种细菌在厌氧条件下能将其细胞内的聚磷酸盐充分释放出来（这一过程称为厌氧释磷），而在好氧条件下能从水中吸收超过其生理需要量的磷（这一过程称为好氧吸磷），并在细胞内转化为聚磷酸盐，从而形成富磷的生物污泥，这种富磷污泥经沉淀排出系统，达到去除废水中磷的效果。
2 生物除磷机理
聚磷菌又称吸磷菌、除磷菌，是传统活性污泥法中一类特殊的细菌，在好氧条件下，能将污水中过量的磷吸收到体内，使其体内含磷量比一般细菌高出数倍，该类细菌在生物除磷中应用十分广泛。
1. 厌氧条件下磷的释放
在缺乏溶解氧或硝酸盐氮的情况下，兼性细菌通过发酵将可溶性BOD5转化为低分子挥发性有机酸VFA。多磷酸盐细菌从原污水中吸收这些发酵产物或VFA并运输到细胞内，同化为细胞内的碳能储存物质PHB。所需的能力来自于多磷酸盐的水解和细胞内糖的发酵，从而导致磷酸盐的释放。
2. 有氧条件下的磷吸收
在有氧条件下，聚磷酸盐菌恢复活性，将生长所需磷以外的部分以聚磷酸盐形式储存，通过PHB的氧化代谢产生能量，用于磷的吸收和聚磷酸盐的合成，能量被捕获并以高能键的形式储存在聚磷酸盐中，磷酸盐从水中除去。
3. 富磷污泥的排放
产生的富磷污泥以剩余污泥的形式排出，从而达到除磷的目的。从能量角度看，聚磷菌在厌氧条件下释放磷获得能量吸收废水中的溶解性有机物，在好氧条件下降解吸收溶解性有机物获得能量吸收磷。
除磷的关键是厌氧区的设置，聚磷菌在短时间厌氧条件下，能够吸收低分子底物，并快速同化和储存这些发酵产物，也就是说厌氧区为聚磷菌提供了竞争优势。
这样，能够吸收大量磷的聚磷菌就可以在处理系统中选择性增殖，通过去除磷含量高的剩余污泥，达到除磷的目的。这种选择性增殖的另一个好处是抑制了丝状菌的增殖，避免了产生沉淀性能差的污泥的可能性。因此，在厌氧/好氧生物除磷工艺中，一般不会发生污泥膨胀。
3、影响生物除磷的因素
生物除磷中，磷在厌氧条件下被聚磷菌释放，过量的磷在好氧条件下被吸收。通过排出富磷的剩余污泥实现磷的去除。影响聚磷菌代谢的因素包括：温度、pH值、厌氧池DO、厌氧池硝酸盐氮、泥龄、CP比、RBCOD含量、糖原、HRT等。
1.温度
温度对除磷的影响不如对生物反硝化的影响明显，在一定的温度范围内，当温度变化不是很大时，生物除磷就能顺利运行。实验表明，生物除磷的温度应大于10℃，因为在低温下，聚磷菌的生长速度会减慢。
2. pH值
pH在6.5～8.0之间时，聚磷微生物的磷含量和磷吸收率保持稳定。当pH值低于6.5时，磷吸收率急剧下降。当pH值突然下降时，好氧区和厌氧区磷浓度均急剧上升。pH值下降幅度越大，释放量越大。这说明pH值下降引起的磷释放不是聚磷菌自身对pH值变化的生理生化反应，而是一种纯化学的“酸溶”作用。而且pH值下降引起的厌氧释放量越大，好氧磷吸收能力越低。这说明pH值下降引起的释放是破坏性的、无效的。pH值上升时，对磷的吸收作用微弱。
3.溶解氧
每毫克分子氧可消耗1.14毫克可生物降解的COD，对聚磷生物的生长有抑制作用，难以达到预期的除磷效果。厌氧区应维持较低的溶解氧值，以利于厌氧菌的发酵产酸，从而使聚磷菌更好地释放磷。另外，较少的溶解氧更有利于减少易降解有机物的消耗，从而使聚磷菌合成更多的PHB。
好氧区需要较多的溶解氧以利于聚磷菌分解PHB物质获得能量吸收污水中的可溶性磷酸盐合成细胞聚磷酸盐。厌氧区DO控制在0.3mg/l以下，好氧区DO控制在2mg/l以上，以保证厌氧释磷和好氧吸磷的顺利进行。
4、厌氧池硝酸盐氮
厌氧区硝酸盐氮的存在会消耗有机底物，抑制PAO释放磷，从而影响好氧条件下聚磷菌对磷的吸收。另一方面，硝酸盐氮的存在会被气单胞菌作为电子受体进行反硝化，影响其利用发酵中间体作为电子受体进行发酵产酸，进而抑制PAO的释磷吸磷能力和PHB的合成能力。每毫克硝酸盐氮可消耗2.86毫克可生物降解的COD，导致厌氧磷释放受到抑制，一般控制在1.5毫克/升以下。
5. 泥龄
由于生物除磷系统主要通过排出剩余污泥来实现除磷，剩余污泥的量决定了系统的除磷效果，而泥龄的长短对剩余污泥的排出量和污泥对磷的吸收量有直接的影响。泥龄越年轻，除磷效果越好。这是因为降低泥龄可以增加剩余污泥的排出量和系统除磷量，从而降低二沉池出水中的磷含量。但对于同时除磷和反硝化的生物处理工艺，为了满足硝化和反硝化细菌的生长要求，泥龄往往控制得比较大，这也是除磷效果难以令人满意的原因。一般以除磷为目的的生物处理系统泥龄控制在3.5~7d。
6. 化学需氧量/总磷
污水生物除磷过程中，厌氧阶段有机底物的种类、含量以及微生物所需营养物与污水中磷的配比是影响除磷效果的重要因素。当以不同的有机物为底物时，磷的厌氧释放和好氧吸收有所不同。分子量较小的易降解有机物(如挥发性脂肪酸等)易被聚磷菌利用，分解其体内贮存的聚磷酸盐释放磷，诱导磷释放能力强，而分子量大的难降解有机物诱导聚磷菌释放磷的能力较差。厌氧阶段磷释放得越充分，好氧阶段磷的摄入量就越大。另外，聚磷菌在厌氧阶段产生的能量主要用于吸收低分子有机底物，作为厌氧条件下生存的基础。 因此进水中是否含有足够的有机物是关系到聚磷菌在厌氧条件下能否顺利生存的重要因素，一般认为进水中COD/TP必须大于15才能保证聚磷菌有足够的底物，获得理想的除磷效果。
7.RBCOD（易降解COD）
研究表明，当使用乙酸、丙酸、甲酸等易降解碳源作为释磷底物时，磷的释放速率较高。释放速率与底物的浓度无关，只与活性污泥浓度和微生物组成有关。该类底物引起的磷释放可用零级反应方程表示。其他类型的有机物必须转化为这种小分子易降解碳源，才能被聚磷菌代谢利用。
8. 糖原
糖原是由多个葡萄糖组成的支链大分子多糖，是细胞内糖的储存形式。如上图所示，糖原在好氧条件下在聚磷菌中形成，储存的能量在厌氧条件下代谢形成PHA的原料NADH，为聚磷菌的代谢提供能量。因此在延迟曝气或过氧化的情况下，除磷效果会很差，因为过度曝气会消耗好氧条件下聚磷菌中的部分糖原，导致厌氧条件下形成PHA的原料NADH不足。
9. 激素替代疗法
对于一个运行良好的城市污水生物脱氮除磷系统来说，一般磷的释放和磷的吸收分别需要1.5～2.5小时和2.0～3.0小时。总体来看，似乎磷的释放过程更为重要。因此，我们更加关注污水在厌氧段的停留时间。如果厌氧段HRT过短，不能保证磷的有效释放，污泥中的兼性酸化菌不能充分将污水中的大分子有机物分解成可被聚磷菌吸收的低级脂肪酸，也会影响磷的释放；如果HRT过长，则没有必要，这会增加基建投资和运行费用，还可能产生一些副作用。总之，磷的释放和磷的吸收是两个相互联系的过程。 聚磷菌只有在厌氧释磷充分后，好氧段才能更好的吸磷，也只有吸磷好的聚磷菌才会在厌氧段释放过多的磷。适当调控，会形成良性循环。我厂实际运行中得到的数据是：厌氧段HRT为1小时15分钟~1小时45分钟，好氧段HRT为2小时~3小时10分钟。
10.回流比（R）
A/O工艺保证除磷的一个极其重要的点就是让系统污泥在曝气池中“携带”足够的溶解氧进入二沉池，目的是为了防止污泥在二沉池中因厌氧状态而释放磷。但如果不能快速排出污泥，二沉池中的泥层过厚，无论DO有多高，也不能保证污泥不会厌氧释放磷。因此A/O系统的回流比不宜过低，应保持足够的回流比，以尽快排出二沉池中的污泥。但过高的回流比会增加回流系统和曝气系统的能耗，并会缩短污泥在曝气池中的实际停留时间，影响BOD5和P的去除效果。如何在保证快速排泥的同时尽量减少回流比，需要在实际操作中反复探索。 一般认为R可在50~70%范围内。
4 常见的生物除磷工艺
废水生物除磷过程一般由厌氧释磷和好氧吸磷两个过程组成，目前采用的生物除磷工艺主要有在生物除磷基本原理基础上发展起来的除磷工艺和厌氧-好氧（An/O）工艺。
1.第一层除磷工艺
（）除磷工艺是生物除磷与化学除磷相结合的工艺，即在传统活性污泥工艺的污泥回流管道上增加厌氧释磷池和混合反应池，采用生物和化学相结合的方法提高除磷效果。此工艺以生物除磷为主，以化学除磷辅助去除厌氧释磷后上清液中的磷酸盐。可以保证释磷后的污泥主要用于吸收进水中的磷酸盐，因此可以达到较高的除磷效果。工艺流程如图所示。
本工序各设备单元的作用：
①含磷废水进入曝气池，从除磷池返回的已除磷但含有聚磷菌的污泥也同时进入曝气池。曝气池的作用是使聚磷菌吸收过量的磷，去除有机物（BOD或COD），还可能引起硝化作用。
②从曝气池流出的混合液（污泥含磷，废水已进行除磷处理）进入沉淀池I，在沉淀池中实现泥水分离，含磷污泥沉淀，除磷后的上清液作为处理水排放。
③含磷污泥进入除磷池，除磷池应保持厌氧状态，即DO≈0、NOㄨˉ≈0。含磷污泥在此释放磷，加入冲洗水使磷充分释放。释放完磷的污泥沉至池底，流回曝气池，再次吸收废水中的磷。含磷上清液从顶部流出，进入混合池。
④含磷上清液进入混合槽，同时向混合槽中加入石灰乳，混合均匀后进入搅拌反应槽与磷、石灰发生反应，生成磷酸钙[Ca3(PO4)2]固体物质。此为化学除磷法。
⑤沉淀池Ⅱ为混凝沉淀池，在此将混凝反应生成的磷酸钙固体与上清液分离，除磷后的上清液回流至曝气池，而含有大量Ca3(PO4)2的污泥则被排出，这种含PO3-浓度较高的污泥适合作为肥料使用。
除磷工艺已在很多应用中得到应用。其主要特点是：
①生物除磷与化学除磷相结合，除磷效果良好，处理水中磷含量一般小于1mg/L。
②产生的剩余污泥中磷含量较高，约为2.1%～7.1%，污泥回流需经过除磷池。
③与完全化学除磷法相比，所需石灰用量较低，一般在21～31.8 mg/[Ca(OH)2·m3]之间。
④活性污泥的SVI值
⑤可根据BOD/P比值灵活调整回流污泥与混凝污泥的比例。
⑥工艺流程复杂，操作管理相对复杂，由于加入石灰乳，也增加了运行费用，基建费用较高。
⑦沉淀池I底部可能形成缺氧状态，释放磷，应及时排出污泥、回流。
2.厌氧-好氧活性污泥除磷工艺
厌氧—好氧活性污泥组合工艺（An/oxic，An/O）是直接依据生物除磷的基本原理设计的，其工艺流程如图所示。
前段为厌氧池，城市污水和回流污泥进入厌氧池，在水下推进搅拌器的帮助下进行混合。回流污泥中的多聚磷酸可以吸收去除厌氧池中部分有机物，同时释放出大量的磷。混合液随后流入后段的好氧池，污水中的有机物在好氧池中被氧化分解。同时，多聚磷酸菌会变得更加活跃，吸收污水中过量的磷，然后通过排出高磷的剩余污泥来去除污水中的磷。好氧池在良好运行状态下，剩余污泥中的磷含量在2.5%以上。
A/O生物除磷工艺主要特点：
①工艺简单。
②厌氧池置于前，好氧池置于后，有利于抑制丝状菌的生长，混合液SVI小于100，污泥易沉降，不易发生污泥膨胀，可减轻好氧池的有机负荷。
③反应池中水力停留时间短。一般厌氧池水力停留时间为1～2小时，好氧池水力停留时间为2～4小时，共计3～6小时。厌氧池与好氧池水力停留时间之比一般为1：(2～3)。
④剩余活性污泥含磷量较高，一般在2.5%以上，因此污泥施肥效果好。
⑤除磷率难以进一步提高。当污水BOD浓度不高或磷含量较高时，P/BOD5比值较高，剩余污泥产量低，除磷率难以提高。
⑥当污泥在沉淀池中停留时间较长时，聚磷菌在厌氧条件下会释放磷，从而降低该工艺的磷去除率，因此应注意污泥的及时排放和回流。
A/O生物除磷工艺的缺点：
①由于微生物对磷的吸收即使过量也是有限的，特别是当进水BOD值不高或废水中磷含量较高，即P/BOD值较高时，由于污泥产量低，使磷的去除率难以进一步提高。
②沉淀池中易释放磷，特别是污泥在沉淀池中停留时间较长时，应注意及时排泥和回流。