废水除磷技术：化学沉淀与生物除磷的效果分析

废水除磷技术：化学沉淀与生物除磷的效果分析

[关键词] 废水; 除磷技术; 污水处理;

中图分类号：S68 文献标识码：A 文章编号：1009-914X (2015)20-0204-02

本文从化学沉淀除磷技术到生物除磷技术，从不同的角度和过程来分析废水除磷的效果。化学沉淀除磷技术主要涉及化学沉淀。除磷是将废水中的磷变成不溶性固体沉淀物，从而除去磷的方法。化学沉淀除磷反应可以用下面的反应方程式来表示，从反应平衡方程式可以看出，提高方程式左边钙的浓度，可使反应向着溶解状态移动。生物除磷技术是使磷以溶解状态被微生物吸收，与微生物成为一体，并随微生物一起从污水中分离出来的除磷方法。它利用聚磷酸盐菌（PAB）一类细菌从外界吸收过量的磷，超过其生理需要，并以聚合形式储存在体内，形成高磷污泥，排出系统，达到去除废水中磷的效果。

文章对化学除磷技术和生物除磷技术的工艺流程及特点进行分析，认为化学沉淀法在一定条件下可以达到较好的除磷效果，但其消耗的药剂量大，工艺相对复杂，运行速度慢，成本较高，产生的化学污泥需要进一步处理，否则可能造成二次污染；目前民营中小企业数量众多，污水处理设施小型化、分散化趋势明显，应大力发展适应城镇实际情况的污水除磷工艺如SBR除磷工艺、人工湿地除磷技术等，提高整个处理系统的除磷、脱氮效率。

2 除磷技术分析

2.1化学沉淀除磷技术

2.1.1化学沉淀除磷基本原理

磷与氮不同，它不能形成氧化体或还原体而被放逐到大气中，但它具有在固态和溶解态之间相互转化的性质。化学沉淀除磷就是将磷制成不溶性固体沉淀物，从废水中分离出来。化学沉淀除磷的除磷方法可以用下面的反应方程式来表达。从反应平衡方程可以看出，增加方程左边钙的浓度，可使反应向右移动，形成羟基磷灰石沉淀。

5Ca2++3PO43-+OH-=Ca5(PO4)3OH

其他金属离子如铁、铝等对除磷也有很好的效果。在化学沉淀除磷的实际应用中，主要采用铁盐和铝盐作为沉淀剂。当采用正铁离子除磷时，为了形成磷酸盐沉淀，理论上要求Fe3+与PO43-的质量比为1:1；当采用亚铁离子除磷时，这个比例为3:2。用铁除磷的效率还取决于pH值；对于三价铁离子来说最适宜的pH值为4.5-5.0，对于亚铁离子来说则为7.0-8.0。

2.1.2化学沉淀除磷工艺及特点

化学沉淀除磷主要有四种工艺，包括直接或预化学沉淀、同步化学沉淀、后化学沉淀和随后的接触过滤，分别介绍如下：

2.1.2.1 直接或预化学沉淀

在初级沉淀池之前加入化学沉淀，通常在曝气沉淀池中。在一些污水处理厂，采用初级处理与化学凝结沉淀相结合的方法，称为强化初级处理。这是受纳水体富营养化的限制因素，但在有机物负荷不大的情况下，如排入湖泊和水库，这种处理工艺是可行的。预化学沉淀除磷效率为 90%。

2.1.2.2 同时化学沉淀

化学沉淀剂常投加于曝气池进水中，有的情况投加于曝气池或回流污泥中；有的情况投加于曝气池出水中。磷与活性污泥的沉淀在二沉池中同时发生，称为同步化学沉淀。此法可采用最廉价的沉淀剂硫酸亚铁，磷的去除率可达85%～90%。

2.1.2.3 后化学沉淀

在二沉池后的单独絮凝—固/液分离设备进水中投加化学沉淀剂，可采用Fe（II）、Fe（III）、Al（III）盐，并控制适宜的pH值，可达到较高的磷去除效率，即90%～95%。

2.1.2.4 后续联系人筛选

随后的接触过滤工艺通常接着后化学沉淀，通常与预化学沉淀、同步化学沉淀或后化学沉淀串联使用，作为两步除磷法中的第二步，以使最终出水中的磷含量达到很低的浓度：大部分磷在第一步除磷中被去除，出水一般含磷0.8mg/L。采用微滤膜（MF）或超滤膜（VF）组件代替絮凝接触过滤，可以达到更高的出水水质和更高的除磷效率，在适当的铁、铝盐投加量下，透过液的磷含量低于0.1mg/L。

2.1.3化学沉淀除磷特点

化学沉淀法在一定条件下能达到良好的除磷效果，但其消耗化学药剂量大，工艺相对复杂，运行费用高，且产生的化学污泥需进一步处理，否则可能造成二次污染。很少单独采用。

2.2生物除磷技术

生物除磷是磷以溶解状态被微生物吸收，与微生物成为一体，并随微生物从废水中分离出来的除磷方法。它利用聚磷菌（PAB）等细菌去除超出其能力范围的过剩磷。生理上，它从外界吸收磷，以聚合形式储存在体内，形成高磷污泥，然后排出系统，达到去除废水中磷的效果。

2.2.1 常见生物除磷工艺及其特点

根据磷的最终去除方式及结构组成，现有的除磷工艺可分为主流式除磷工艺和侧流式除磷工艺两大类。侧流式工艺以Levin首先提出的工艺为代表。在污泥回流的侧流中；主流式工艺的厌氧池顺着污水流动方向，最终去除的磷通过剩余污泥排出。主流式工艺有多个系列，包括系列化、A/O系列、SBR系列和活性污泥系统运行改进，基本都具有除磷、脱氮的功能。

2.2.1.1 除磷工艺

除磷工艺实质是生物除磷与化学除磷相结合的工艺过程，其工艺流程如图2-1所示。

该工艺将部分回流污泥回流至厌氧池进行除磷和石灰沉淀，厌氧池并不在污水流的主流，而是在回流污泥的侧流中。该工艺的优点是出水总磷浓度小于1mg/L，受进水BOD浓度影响不大，加之大部分磷以石灰污泥形式沉淀去除，因此污泥处理处置不像高磷剩余污泥那么复杂。但该工艺对操作的要求较高，对人员的技术水平要求高，石灰储存及配制系统存在较多问题。

2.2.1.2 巴登福特法

此工艺于1973年提出，该系统在MLE工艺的好氧池后增加厌氧池，成为四级工艺（如下图所示）。在四级工艺的前端增加厌氧池即为五级工艺。四级工艺中磷的吸收主要在第二好氧池中完成，第一好氧池也兼有吸收磷的功能，但不是主要的，第一好氧池的主要功能是去除BOD，而第2个好氧池的主要功能是吸收磷。该工艺主要优点是每个反应重复两次以上，每个反应单元都有其主要功能并同时承担其他功能，除磷效果好，但工艺复杂，反应器单元多，操作复杂，成本高。

2.2.1.3 A2/O法

A2/O法在废水处理工艺中设置了厌氧、缺氧和好氧段，为除磷、脱氮提供了有利条件，具体运行过程为：进水进入厌氧段，聚磷酸盐菌释放磷，进入缺氧阶段，聚磷酸盐菌继续释放磷，而异养反硝化菌则将硝酸盐硝化并还原为氮气逸出水面，进入好氧阶段，聚磷酸盐菌吸收大量的磷，硝化型硝化细菌作用，将氨氮硝化为硝酸盐混合液，然后返回厌氧段在二沉池中重复上述过程，污泥沉淀出来返回出水。在厌氧-缺氧-好氧工艺中，反复进行除磷、脱氮。 A2/O法的优点是除磷脱氮效果好，不需要加药，厌氧、缺氧阶段只需缓慢搅拌，因此运行费用低。对污泥增长有一定的限制，因此很难进一步提高除磷效果。另外，在A2/O工艺中，聚磷菌厌氧释磷、好氧吸磷、硝化菌硝化、反硝化菌反硝化，每个工艺对环境的要求不同，硝酸盐不利于厌氧释磷。这一矛盾使得A2/O工艺的除磷脱氮效果在实际运行中不稳定，除磷效果好时除氮效果不好，除氮效果好时除磷效果不好，应用范围广泛。

2.2.1.4 序批式反应器（SBR）

序批式反应器的整个处理过程实际上是在一个反应​​器内进行的，工艺过程自动控制灌水、反应、沉淀、排泥等。SBR工艺的整个操作是通过自动控制装置完成的，它最大的运行特点是当原污水流入反应器时，可以根据不同的废水水质和工艺要求，采用灵活的曝气方式、灌水量和反应时间，实现不同的处理效果。由于它对运行时间的控制灵活，为实现除磷、脱氮提供了极为有利的条件，SBR工艺不仅能方便地实现好氧、缺氧、厌氧状态交替的环境条件，而且很容易在缺氧条件下，通过增加曝气量、反应时间和污泥龄，来强化硝化反应和除磷菌过量吸磷过程的顺利完成；在缺氧条件下，还可以方便地加入原污水或提高污水浓度，为反硝化过程提供有机碳作为电子供体，较快地完成反硝化过程； 在进水阶段，通过搅拌维持厌氧条件，促使除磷菌充分释放磷，从SBR工艺反应过程可以看出，只有在A2/O工艺中才能完成的复杂的除磷脱氮过程，在SBR工艺中只需单个反应器的一个运行周期就能完成。

2.3 生物除磷新技术进展

随着处理厂出水磷浓度的排放标准日趋严格，我国目前执行的总磷排放标准为0.5mg/L（2002年城镇污水污染物排放标准，2003年7月1日起执行）。常规的生物除磷技术，如厌氧（A/O）、厌氧/缺氧/好氧（A/A/O）活性污泥法等均无法达到如此低的出水磷浓度。为此，人们对新型生物除磷技术的开发进行了大量深入的研究。

2.3.1强化生物除磷技术新成果

近年来人们对强化生物除磷技术进行了大量的研究、开发和实际应用。

2.3.1.1 传统除磷工艺的改进

由于厌氧释磷时聚磷菌容易受到回流污泥混合液中硝酸盐的干扰，因此建议将回流污泥混合液送入缺氧池，使其中的硝酸盐脱氮，然后将脱氮后的回流污泥送入厌氧池进行厌氧释磷。另外，反硝化除磷也需要在缺氧环境下同时进行反硝化和吸磷，这样可以明显提高整个处理过程的效率。系统的除磷脱氮效率还可以节省曝气和供氧的能耗。为此，在一些强化生物除磷系统中，回流污泥先进入预缺氧池，然后再进入厌氧池。设有预缺氧池的回流污泥处理系统的除磷效率明显高于普通A/O系统和A2/O系统。

2.3.1.2 生物膜法除磷分析

生物膜是废水生物处理的主要技术之一，有关学者对生物膜除磷进行了深入细致的研究，近年来生物膜反应器已渗透和复合到其他废水处理工艺中，形成各种不同的反应器。SBR反应器是将生物膜引入SBR反应器的一种新型复合生物膜反应器，该工艺中可使用的生物膜载体有软质纤维填料、聚乙烯填料和活性炭等。SBR法本身具有很好的除磷效果，由于生物膜的存在，微生物的种类和数量大大增加，食物链长、世代周期长的微生物使序批式生物膜反应器的处理能力提高，进一步增强了净化功能，同时具有污泥沉降性能好、耐冲击负荷、操作管理方便、减少污泥膨胀问题等优点。CN工艺是另一种利用生物膜去除废水中磷的工艺。 它采用缺氧-好氧两级连续运行方式，能有效去除有机物和总氮，同时还能去除磷，其除磷机理主要是其生物膜载体填料，其表面结膜后，由表面到内部存在溶解氧梯度，相应地处于好氧、缺氧、厌氧状态，使得附着在生物膜上的每一种载体都成为一个微型生物反应器，污染物可发生好氧、缺氧和厌氧反应，从而进行硝化、反硝化和生物除磷过程，达到相当高的脱氮除磷效率。

2.3.1.3改进型SBR工艺的应用

近年来国内外污水处理技术界对能高效除磷脱氮的改进型SBR进行了大量的研究开发和实际应用。为了提高SBR工艺的除磷脱氮功能，开发了CAST工艺。其最大的改进是在反应池前端增加选择段，污水首先进入选择段，与来自主反应区的混合液（约20%～30%）混合，在厌氧条件下，聚磷菌占优势繁殖，为高效除磷创造了条件。实践证明，这是迄今为止SBR工艺中除磷脱氮效果最好的工艺。

2.3.2反硝化除磷技术进展

生物除磷理论是“聚磷微生物”PAO吸收和释放磷的原理，被普遍认可和接受。近年来许多研究发现，除了PAO菌能在好氧环境中吸收磷外，兼性厌氧反硝化菌PB也能在缺氧（无O2、NO3-）环境中吸收磷。反硝化除磷的发现是生物除磷领域最新的研究成果。该途径将反硝化和生物除磷有机地结合起来，可以节省能源和资源。反硝化和生物除磷分别可以节省50%和30%的COD和O2消耗，减少50%的剩余污泥量。

第一章 生物除磷技术发展方向

目前采用的生物除磷技术存在除磷效果不理想、运行成本高、工艺复杂等缺点，通过分析，笔者认为生物除磷技术的发展应从以下几方面进行。

（1）进一步研究强化生物除磷（EBPR）技术，开发更高效的除磷工艺

强化生物除磷（EBPR）技术是一项应用十分广泛的技术，目前主要的生物除磷工艺都是在其基础上发展起来的，但这些工艺在运行过程中经常出现EBPR失效现象，影响除磷效果。因此应深入研究造成EBPR失效的因素，改造现有工艺，开发稳定高效的除磷工艺。

（2）开发和制造适用于小规模、分散处理的废水除磷工艺

目前，我国城镇化发展迅速，民营中小企业数量众多，污水处理设施小型化、分散化趋势明显。应大力发展和研制适合城镇实际情况的废水除磷工艺，对水环境起到应有的作用。如SBR除磷工艺、人工湿地除磷技术等，就具有小型化、分散化处理的特点，值得重视。

（3）发展节能、节水的废水除磷技术

通常用BOD/ΔP比值（BOD/ΔP）来表示系统的除磷能力。BOD/ΔP=BOD入口/（TP入口-TP出口）。一般来说，BOD/ΔP值越小，除磷工艺越好，除磷能力越强。开发BOD/ΔP值较小的除磷工艺，实际上消耗的有机碳源也较少，而有机碳源就是能源（资源）。因此，开发BOD/ΔP值较小的污水处理工艺，也是污水处理领域可持续发展的体现。

（4）探索外部条件与生物协同相结合的除磷新技术

在现有的除磷工艺中加入一些外界因素，可以改变微生物活动的环境条件，使外界因素与生物产生协同作用，达到更有效的除磷效果。例如加入电场或磁场，可以在一定的操作条件下控制除磷。下一步，探索新的除磷工艺。

第 2 章总结

（1）化学沉淀法在一定条件下能达到良好的除磷效果，但其消耗化学药剂量大，工艺相对复杂，运行费用较高，虽然化工行业采用化学沉淀除磷技术成本过高，但可以保证外排水的水质。

（2）将废水中的硝酸盐反硝化，然后将反硝化后的回流污泥送至厌氧池进行厌氧释磷。另外，反硝化除磷也需要在缺氧环境下同时进行反硝化和反硝化。硝化脱氮，磷被吸收，不仅可以显著提高整个处理系统的除磷、脱氮效率，还可以节省曝气、供氧的能耗。

（3）随着社会的发展，必须突破传统技术，结合外界条件和生物协同作用，探索除磷新技术、新工艺。

参考

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