污水除磷技术方法及发展趋势：原理、应用与展望

污水除磷技术方法及发展趋势：原理、应用与展望

废水除磷方法及原理研究进展

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废水除磷方法及原理研究进展

1 2

魏双琴，刘源

（1. 天津；2. 中国

（北京环境保护产业协会）

摘要：介绍了各种常用的污水除磷技术及原理，并针对不同情况提出了一些建议。

为废水除磷提供参考和选择依据

讨论了除磷技术的发展趋势。

关键词：废水除磷；废水处理；除磷工艺；除磷技术

中图分类号：X703 文献编号：A文章编号

编号：1006-5377(2010)10-0028-07

大量含磷生活污水和工业废水排入河流、湖泊和海洋，增加了（例如

例如将需氧细菌置于厌氧条件下），并呈现所谓的抑制

增加水体的营养负荷，从而导致藻类和水生生物

在此状态下，多磷酸盐可以分解并释放能量，供细菌

植物生长异常，即水体富营养化。磷过量也会严重

细菌中的多磷酸盐逐渐消失。

危害海洋环境，造成赤潮。

相反，它以可溶性单磷酸盐的形式排泄到体外环境中。

废水除磷的方法已有20多年的历史，主要有：生物法

将相同的细菌再次放入营养丰富的培养基中，并提供

方法、化学沉淀、物理吸附、膜技术和土壤处理

当它获得氧气后，就会在体内重复上述磷的积累过程（以

本文将介绍目前常用的除磷方法的原理和工艺过程。

可以简化好氧和厌氧条件下细菌吸收和释放磷的过程。

以下反应公式用于描述

展示：

～ +ATP ← →

ADP+ ～ ～

1 生物除磷 （3）渗透压平衡

1.1 生物除磷机理 当细菌需要积累

大量磷酸盐以多磷酸盐的形式储存

1.1.1 多聚磷酸盐的定义是降低细胞内

渗透压的作用是明显的。

多磷酸盐或聚集无机磷酸盐可定义为一定数量的 PO43- 基团。

（4）调节能量代谢

五价磷化合物，其中基团通过氧桥相互连接。它们可分为 3 种

储存多聚磷酸盐对于调节细菌细胞的内部能量非常有利。

类别：1）环状多磷酸盐或偏磷酸盐，分子式MPO，M

当水平过高时，细菌不仅会积聚部分

3n

此类型最常见的化合物是三偏磷酸盐或四磷酸盐。

并减少游离磷酸盐的量以调节新陈代谢

偏磷酸盐；2）线性聚磷酸盐，其分子式为M3+PO，这些比率。

当需要的时候，就可以释放。

3n

无支链结构的长度范围从n = 2（焦磷酸盐）到n = 104（不溶性结构1.1.3

磷酸盐积累细菌

3) 交联磷酸盐（也称为过磷酸盐），其中磷酸盐基团与相邻的

实践中观察到活性污泥中磷酸盐的大量积累

磷酸基团共用3个氧原子。化学现象，沉淀

这个假设很难解释，因为二氧化碳

1.1.2 多磷酸盐对pH值的影响导致磷酸

根据钙沉淀假说，磷酸盐的出现

（1）微生物磷库沉淀出来的样品pH值最低。

最终会相当高。前一种假设是磷酸盐

聚磷酸盐水解生成可溶性正磷酸盐，可被微生物利用产生盐沉淀。

问题在于，沉淀效果和pH值升高的程度在理论上是矛盾的。

需要长期繁殖和同化合成细胞。

从水中去除磷是一个生物过程。

（2）能量库指的是上述第二个假设。因此，

过量的磷积累通常被认为是

当积累大量多磷酸盐的细菌暴露于不利的环境条件时，

物理现象。

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研究

研究进展 29

（1）不动杆菌-莫拉菌属能生物降解有机物

有氧呼吸会消耗氧气，即使没有

Fuhs 等对超除磷污水厂污泥进行了实验，利用亚甲蓝

可生物降解的有机物，微生物的内源呼吸作用也会

将污泥与异染颗粒染色，发现一类细胞的大小和形状很容易识别。

DO下降很快，可见厌氧区溶解氧是影响生物去除的因素。

其他细菌富含异染颗粒（富含磷酸盐的颗粒）。这些细菌被鉴定为磷

其中一个因素是由于微生物的有氧呼吸会消耗一部分

不动杆菌可以在污水污泥中形成微菌落，它使用某些类似胶囊的机制

产酸细菌可利用的底物大大减少。

操作时尽量避免接触氧气。

进入厌氧区。

（2）其他聚磷细菌

（3）NO 和 NO

三十二

等人采用上述方法对南非的除磷污泥进行了试验研究。

与溶解氧类似，当NO3-和NO2-存在于厌氧区时，

实验发现，不动杆菌并不是污水污泥中唯一的聚磷细菌，因为

影响生物除磷的途径有两种：1）产酸细菌可以利用NO3-作为

对污泥中不动杆菌数量及磷含量进行测定，结果表明不动杆菌

最终的电子受体氧化有机底物，从而抑制产酸细菌的厌氧活性。

芽孢杆菌只能去除系统中5%~16%的磷。

产生挥发性脂肪酸；2）反硝化细菌利用NO2-

在复杂的污泥微生物菌群中，不动杆菌是唯一

反硝化作用在消耗易生物降解的有机物的同时，也参与了

积累磷的细菌数量仅占1%至10%。

抑制多磷酸盐细菌的厌氧磷释放。

例如气单胞菌和假单胞菌可占15%至20%，革兰氏阳性菌

生活污水中通常不含有NO3-，只有一些特殊的工业废水

高达20%～60%，且其量随厌氧停留时间的增加而增加。

因此，厌氧区NO - 和NO - 主要为

三十二

等人还报道了大量

在高负载系统中，

假单胞菌和气单胞菌。他们使用以乙酸为主要成分的培养浆

龄期短，不会发生硝化作用，所以不存在NO3-问题。

从基部分离出聚磷菌，其中不动杆菌-莫拉氏菌属含磷。

在同时去除氮磷过程中，由于硝化和反硝化反应的发生，

最高量可占干重的5%～13%。此外还有假单胞菌，需注射

注意减少和避免NO3-对厌氧环境的干扰。

磷含量占干重的3.3％，而非聚磷菌仅占干重的1.5％。

水质和其他环境因素

～1.7%。诺卡氏菌和假单胞菌中发现了多聚磷酸盐颗粒。

（1）有机质浓度及有效性

本研究从除磷污泥中分离出假单胞菌A菌株，并证实

进水具有吸收、释放磷的能力，并在TKN/COD值以下积累过量的磷[1]。

当该值介于0.10和0.13之间时，需要精心管理以去除磷。

1.2影响生物除磷的因素TKN/COD值>0.14

任何生物除磷工艺都很难取得良好的效果。

1.2.1厌氧生物环境的除磷效果。此外，

并研究了废水TBOD/TP值与除磷效果的关系。

在生物除磷系统中，最重要的是厌氧区的建立和维持。

研究发现，保持严格的厌氧条件，使出水可溶性磷在好氧区内释放，从而提高后续值

最好在20点到30点之间做。

磷的吸收去除效果。（2）温度

（1）氧化还原电位和温度对微生物去除的影响

磷的影响较小。据报道，生物除磷

氧化还原电位（ORP）是

当温度低至10℃时，污泥对磷的吸收和释放速率低于

是该阶段“厌氧抑制”程度的参数。研究发现，当ORP高时，磷的释放量较少。

然而，只要水力停留时间大于其最小临界值，系统

当ORP下降150mV后，污泥中的多磷酸盐细菌开始释放磷。

效果还是和温度高的时候一样的。

在实验中，他们发现当硝化完成时，ORP突然下降，然后

（3）pH值

磷开始释放，ORP曲线上可能出现“拐点”。

生物除磷系统适用的pH范围与常规生物处理相似。

（2）溶解氧相同，呈中性、弱碱性，

生活污水的pH值一般都在这个范围内。

由于氧气是一种容易接受的最终电子受体，只要氧气存在，

pH值超出此范围的工业废水需要先进行调节[2]。

兼性厌氧菌不会自动开始发酵，不会产生脂肪。

1.2.3 工艺设计及操作参数

相反，当有少量的氧时，就足以诱导磷的释放。

（1）泥龄

这会导致先前释放磷的污泥吸收磷。

除磷系统泥龄会影响污泥的磷含量和剩余污泥的排放。

混合液和回流污泥中通常含有氧气。

泥龄越长，泥中磷含量越高。

随后污泥中的好氧细菌或兼氧细菌立即利用溶解的磷

量越低，去除单位重量磷所消耗的 BOD 越多，污泥龄

中国

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长度越短，污泥的磷含量越高，但污泥产量越高。

（3）流程

通过排放剩余污泥，可以去除更多的磷。南非

在其开创性的脱硝工艺中，

（2）污泥沉降性能也非常好

除磷效果。

由于生物除磷系统中污泥含磷较高，如果污泥沉降性能差

试验过程中，氮去除率为90%～95%，磷去除率达到97%。

二沉池固液分离不好，会造成污泥溢流、泥

（4）流程

除磷效果受到明显影响，其原因有：1）污泥在厌氧区停留时间较长。

此工艺是为了提高除磷效果。

时间过长会诱发丝状菌的生长，造成污泥膨胀；2）第二艺术

通过在第一缺氧区之前添加厌氧发酵区进行了改进。

沉淀池内局部污泥发生反硝化作用，产生氮气，并逐渐形成小

污水或初次沉淀池出水与厌氧池中的回流污泥混合。

气泡附着在污泥絮体上，使它们漂浮，然后随流出物溢出。

该池进行反硝化，将硝酸氮还原为氮气，并去除BOD和氨氮

（3）剩余污泥氧化吸磷处理

第二个缺氧池提供

污泥通常在处置前进行浓缩。如果采用传统的重力浓缩，浓缩后的污泥

提供足够的停留时间以进一步去除残留

缩水池内污泥平均停留时间为1至2.5小时。

第二个好氧池为混合液提供短时间曝气，以防止

受体被微生物消耗后，变成厌氧菌，磷酸盐积累菌会在厌氧条件下释放磷。

二沉池处于厌氧状态。

这导致浓缩污泥上清液和污泥脱水液中的磷浓度极高。

反硝化，回流污泥中不会有NO3-或NO2-。该工艺在美国被广泛应用

[6]

转移的水流回处理厂的前端，增加了系统的磷负荷。

在国内也称之为改良技术。

应尽量避免污泥在浓缩和储存过程中磷的释放[3]。（5）

UCT 流程

1.3生物除磷主要过程为上述过程

在此过程中，污泥直接返回厌氧

（1）A/O工艺区，回流污泥非常

很难保证不含任何硝酸盐和亚硝酸盐

20世纪70年代中期，美国开始对活性污泥中的酸盐进行控制。

这会对厌氧区产生不利影响。

在扩展工艺基础上，开发了与反硝化工艺类似的A/O脱氮技术。

反硝化细菌会带走除磷细菌所需的有机物。

这是最简单的生物除磷方法。

UCT工艺是将沉淀池中的污泥返回至

或者将初沉池出水与厌氧池回流污泥混合。

到缺氧区，然后混合液从缺氧区返回到厌氧区。

该过程不需要硝化反应。一般来说，当厌氧区和好氧区

在缺氧区，反硝化作用完成，缺氧区中的硝酸盐

当水力停留时间为0.5～1h和1～3h时,可获得较好的浓缩效果。

混合液由缺氧区回流至厌氧区。

[4] 该地区的硝酸盐浓度也非常

低，从而保证了厌氧区的合理利用

去除磷和有机物的效果

2. 厌氧条件。因此，UCT 工艺是

最广泛使用的

（2）A/O工艺

2[7]

普通A/O工艺是在A/O工艺的基础上增加了一项缺料去除工艺。

磷化工艺。

好氧区混合液回流至缺氧区。

（6）SBR工艺

厌氧、缺氧和有氧环境及不同功能

该工艺是由美国人在 20 世纪 70 年代开发的。

微生物菌群能有机配合，起到除磷、除氮的双重功能。

活性污泥系统类型、活性污泥曝气、沉淀、出水、

该工艺具有较强的抗冲击负荷能力和水力停留时间。

排放和污泥回流在同一个池子里完成，这一过程对于自动化来说非常重要。

当进水总磷为10mg/L左右时，除要求

很高，随着自动控制技术和计算机技术的发展，SBR

[5] 2艺术近年来发展迅速。

SBR法的优点有：1）

磷率一般为85%～90%，张波等在此基础上，

2）管理简单；2）降低建设成本，减少

占地面积；3）抗冲击荷载能力；4）

该工艺在反向厌氧/缺氧环境中运行，并与传统的A/O工艺相结合。

2 2 可抑制丝状真菌的扩张；5）

除磷效果良好[8]。

结果表明:倒置A/O工艺效果优于常规A/O工艺。

出水TN和TP分别高出10％和9％，COD去除能力相当。（7）

技术

原因是厌氧区位于缺氧区之后，优先进行反硝化。

该过程是生物除磷和化学除磷的结合。

碳源，既提高了缺氧区的反硝化速率，又避免了回流去除。

除磷工艺，其主流部分是常规活性污泥曝气池。

污泥中硝酸盐对厌氧区的不利影响。

部分污泥流（约占进水流量的 10% 至 20%）被转移

2. 污泥进入专门的厌氧池

氧气池一般停留时间为8至12个小时。

倒置A/O工艺厌氧区的厌氧程度更加充分，从而强化

微生物对磷的吸收能力过强。

磷释放到池中，除磷后的污泥返回

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研究进展 31

曝气池继续吸收磷，含磷上清液进入化学沉淀池，然后

为了去除水中的磷，通常使用膜生物反应器。

用石灰沉淀除磷，石灰用量取决于废水

2.3 膜技术除磷的局限性

碱度。除磷在污泥回流路径中完成。工艺流程

从经济角度考虑，单一膜技术难以实现除磷。

其优点是与单纯化学除磷工艺相比，可以大大减少废水中磷的用量

与膜分离技术相比，膜技术的缺点不仅在于经济

药剂投加量及化学污泥量均可降至1mg/L以下。

生物技术可以使生物体不断生长，膜

它也不受进水BOD浓度的影响[9]。

因此，无论是除磷还是磷回收，

（8）其他生物除磷膜技术仅适用于

特定的磷化合物、特定的废水源，这是

目前国内外许多专家学者已开始研究改进方法和新

膜除磷（磷回收）技术存在难以克服的应用障碍。

除磷工艺已取得诸多成果。罗固元，重庆建筑大学

因此在大多数除磷领域中必须采用膜技术与生物方法相结合。

[10][11]

等采用组合间歇曝气系统PIAS进行了除磷试验。

取得较高的经济效益。

结果表明，PIAS 系统能够实现高

除磷、除氮、去除有机物的效果。3化学

沉淀除磷

3.1 化学沉淀法除磷

原因

2 膜技术除磷基础知识及化学除磷

其原理主要分为：沉淀反应、混凝

2.1膜技术除磷优势：絮凝、固化