污水除磷技术方法及原理介绍，探讨除磷技术发展趋势

污水除磷技术方法及原理介绍，探讨除磷技术发展趋势

28 中国环保产业 2010.10 废水除磷方法与原理研究进展 摘要：介绍了废水常用的各种除磷技术及原理，为不同条件下废水除磷提供参考和选择依据，并探讨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 中库分库号：X703 文献标识码：A 文章编号：1006-5377(2010)10-0028-07 大量含磷的生活污水和工业废水排入河流、湖泊和海洋，增加了水体的营养物负荷，从而造成水体藻类和水生植物的异常繁殖，即水体富营养化。磷超标还会严重危害海洋环境，引发赤潮。除磷技术的研究和应用已有20多年的历史。 废水除磷的方法主要有：生物法、化学沉淀法、物理吸附法、膜技术处理法和土壤处理法等。本文将阐述常用除磷方法的原理、过程及其发展情况。 生物除磷 1.1 生物除磷机理 1.1.1 聚磷酸盐的定义 聚磷酸盐或聚集态无机磷酸盐可定义为若干个PO基团通过氧桥相互连接在一起的五价磷化合物。可分为三类：1）环状聚磷酸盐或偏磷酸盐，分子式M，为一价阳离子，该类化合物最常见的是三偏磷酸盐或四偏磷酸盐；2）线状聚磷酸盐，分子式M=3n，这些无支链结构的链长从n=2（焦磷酸盐）到n=10（不溶性结晶性聚磷酸盐）； 3)交联磷酸盐（也称过磷酸盐），其中磷酸基与相邻的磷酸基共享3个氧原子。

1.1.2 多聚磷酸盐的作用（1）微生物的磷库多聚磷酸盐水解生成可溶性正磷酸盐，可供微生物的生长、繁殖、同化和合成利用。当积累了大量多聚磷酸盐的细菌被置于不利的环境条件下（例如将需氧菌置于厌氧条件下），处于所谓抑制状态时，多聚磷酸盐便可分解，同时释放出能量，为细菌提供维持其在不利环境下生命的需要。此时，细菌体内的多聚磷酸盐便逐渐消失，以可溶性单磷酸盐的形式排入外界环境中。如果将这样的细菌再次置于营养丰富的培养基中，并提供充足的氧气，它们就会在体内重复上述磷的积累过程（一个需能量的过程）。 细菌在好氧和厌氧条件下对磷的吸收与释放过程，可用下面的反应式简单地表示： (3)渗透压平衡 当细菌需要积累大量的磷酸盐，并以多聚磷酸盐的形式贮存时，降低细菌细胞内渗透压的作用是显而易见的。 (4)调节能量代谢 储存多聚磷酸盐对调节细菌细胞内的能量很有帮助，当代谢水平过高时，细菌不仅通过合成多聚磷酸盐积累部分能量，而且会减少游离磷酸盐的量，以调节代谢速率，在需要时再释放出来。 1.1.3聚磷菌 实践观察到的活性污泥中磷酸盐大量积累的化学现象，很难用沉淀假说来解释，因为按照上述CO2去除引起pH上升并发生磷酸钙沉淀的假说，有​​磷酸盐沉淀的样品中的pH最终会相当高。 前一种假说存在磷酸盐沉淀效果与pH升高程度在理论上不一致的问题。

因此一般认为废水中磷的去除是一个生物过程，即上面提到的第二种假说。因此一般认为磷过度积累是一种生物现象。29 中国 2010.10 (1) 不动杆菌-莫拉氏菌群 Fuhs 等对过量除磷废水处理厂的污泥进行实验，用亚甲蓝对污泥进行异染颗粒染色，发现异染颗粒(聚磷酸盐颗粒)中富含细菌，这些细菌的细胞大小和形状容易识别，经鉴定为不动杆菌，它们能在污泥中形成微菌落，并被某种荚膜状物质结合在一起。 (2) 其他聚磷菌 Fuhs 等采用上述方法对南非的除磷污泥进行实验，发现不动杆菌并不是污泥中唯一的聚磷菌，因为对污泥中不动杆菌的数量及其磷含量进行了测定，结果表明不动杆菌只去除了系统中5%～16%的磷。Fuhs等也认为在复杂的污泥微生物菌群中，不动杆菌只是其中一种具有聚磷能力的细菌，数量仅占1%～10%，其它聚磷菌如气单胞菌、假单胞菌可占15%～20%，革兰氏阳性菌最高可占20%～60%，且其数量随厌氧停留时间的增加而增加。Zhang等也报道了其除磷污泥中存在大量的假单胞菌和气单胞菌。

他们利用以乙酸为主要成分的培养基，分离出聚磷菌，其中不动杆菌-莫拉氏菌的含磷量最高，可占干重的5%～13%。此外还有假单胞菌，其含磷量占干重的3.3%，而非聚磷菌的含磷量仅为干重的1.5%～1.7%。还发现诺卡氏菌和假单胞菌中存在多聚磷酸盐颗粒。本研究从除磷污泥中分离出假单胞菌A菌株，证实其具有吸收、释放磷的能力，能积累过量的磷。 1.2影响生物除磷的因素1.2.1厌氧生物环境在生物除磷系统中，最重要的是在厌氧区创造和维持严格的厌氧条件，以诱导磷的释放，并提高随后的（1）好氧区氧化还原电位。氧化还原电位（ORP）是用来定量反映厌氧段“厌氧抑制”程度的参数。张建军等研究发现磷的释放与ORP有关，当ORP下降150mV后，污泥中的聚磷菌就开始释放磷。他们在实验中发现，当硝化完成时，ORP突然下降，随即开始磷的释放，ORP曲线出现“拐点”。 （2）溶解氧由于氧是容易接受的最终电子受体，只要有氧存在，兼性厌氧菌就不会自动开始其发酵，不会产生脂肪酸，也不会诱导磷的释放。相反，当有少量的氧存在时，就足以引起先前释放磷的污泥吸收磷。进入厌氧区的污水、回流混合液和回流污泥中往往含有氧气。当污泥与污水混合时，污泥中的好氧细菌或兼性好氧细菌立即利用溶解的可生物降解有机物进行有氧呼吸，把氧气消耗殆尽。即使没有溶解的可生物降解有机物，微生物的内源呼吸也会引起DO很快下降。

由此可见，厌氧区溶解氧是影响生物除磷的因素之一，因为微生物的有氧呼吸要消耗一部分有机基质，大大减少了产酸菌可利用的基质，因此在运行过程中应尽量避免氧气作为最终电子受体，氧化有机基质，从而抑制产酸菌的厌氧发酵和挥发性脂肪酸的生成；2）反硝化细菌利用NO，只有一些特殊的工业废水中才可能含有NO，这主要由回流混合液或回流污泥带来。在高负荷系统中，泥龄较短，不会发生硝化作用，因此不会产生NO问题。因此，在同时脱氮除磷时，由于硝化和反硝化反应的发生，需要减少和避免NO对厌氧环境的干扰。 1.2.2 水质与其他环境因素有机物浓度及有效性当进水TKN/COD值为0.1时,反硝化完全,除磷效果良好。当TKN/COD值为0.10～0.13时,需精心管理才能除磷。当TKN/COD值为0.14时,任何生物除磷工艺都难以达到良好的除磷效果。另外,也有人调查过废水的TBOD/TP值与除磷效果的关系,发现为使出水中可溶性磷为1mg/L,进水TBOD/TP值应在20～30之间。 (2)温度温度对微生物除磷影响不大。 据报道，当生物除磷系统温度低至10左右时，虽然污泥对磷的吸收和释放速率较高温时有所降低，但只要水力停留时间大于其最小临界值，系统的除磷效果仍与高温时相同。

(3)pH值生物除磷系统适宜的pH范围与常规生物处理相同，为中性、微碱性，生活污水的pH通常在此范围内，对于pH在此范围之外的工业废水，需先进行调整。1.2.3工艺设计与运行参数除磷系统泥龄会影响污泥的磷含量和剩余污泥的排放量，从而影响系统的除磷效果。泥龄越长，污泥的磷含量越低，去除每单位重量的磷需要更多的BOD。泥龄越短，污泥的磷含量越高，但污泥产率越高，这样通过剩余污泥的排放去除的磷就越多。 （2）污泥沉降性能由于生物除磷系统中污泥含磷量较高，如果污泥沉降性能差，将会导致二沉池中固液分离不良，造成污泥溢流，明显影响除磷效果。其原因有：1）污泥在厌氧区停留时间过长，会诱发丝状菌的生长，导致污泥膨胀；2）二沉池局部污泥发生反硝化，产氮，逐渐形成小气泡附着在污泥絮体上，使其上浮并随出水溢出。 （3）剩余污泥的处理污泥在处置前，往往要经过浓缩，若采用传统重力浓缩，浓缩池中污泥平均停留时间为1～2.5小时，此时所有潜在的最终电子受体都被微生物消耗，变为厌氧状态。 聚磷菌在厌氧条件下会释放磷，导致浓缩污泥上清液和污泥脱水液中磷浓度极高，这部分水回流至处理厂前端，增加系统的磷负荷。

因此在污泥浓缩和储存过程中应尽力避免磷的释放。1.3生物除磷的主要工艺 (1)A/O工艺 20世纪70年代中期，美国在控制活性污泥膨胀的基础上，发展了类似于反硝化工艺的A/O工艺，这是目前最简单的生物除磷方法。原污水或初沉池出水与回流污泥在厌氧池中混合，此过程不需进行硝化反应。一般来说，当厌氧区与好氧区的水力停留时间分别为0.5～1h和1～3h时，可获得较好的去除磷和有机物的效果。A/O工艺 常见的A/O工艺是在A/O工艺的基础上增加缺氧区，将好氧区的混合液回流至缺氧区。 这样，厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件和不同功能的微生物菌群有机地配合，起到除磷和脱氮的双重作用。该工艺具有耐冲击负荷强、水力停留时间长、运行稳定的特点。当进水中总磷在10mg/L左右时，磷的去除率一般在85%～90%。张波等对A/O工艺进行了对比，结果表明，倒置A/O工艺出水TN和TP分别高10%和9%，而COD去除能力相当。其原因是厌氧区放在缺氧区之后，反硝化先获得碳源，不仅提高了缺氧区的反硝化速率，而且避免了回流污泥中的硝酸盐对厌氧区的不利影响。

这样的布置使倒置A/O工艺厌氧区的厌氧程度更加充分，从而强化了微生物对过量磷的吸收能力。 （3）工艺在南非首创的反硝化工艺中，有时发现也有很好的除磷效果，他在以生活污水为进水的小试验中，氮去除率为90%～95%，磷去除率达97%。 （4）工艺该工艺是为了提高除磷效果而对工艺做出的改进，在第一缺氧区前增加厌氧发酵区。原污水或初沉池出水与厌氧池的回流污泥混合。在第一缺氧池中进行反硝化，将硝酸氮还原为氮气，并去除BOD。氨氮的氧化和磷的吸收均在第一好氧池中完成。 第二组缺氧池提供充足的停留时间，通过混合液的内源呼吸进一步去除残留的硝酸盐氮。第二组好氧池为混合液提供短时间的曝气，防止二沉池处于厌氧状态。由于在两组缺氧池中完成了彻底的反硝化，因此回流污泥中不会出现NO。该工艺在美国又称为改进工艺（5）UCT工艺。在上述工艺流程中，污泥直接回流至厌氧区，很难保证回流污泥中不含有任何硝酸盐和亚硝酸盐，对厌氧区会带来不利影响。在厌氧区会发生反硝化作用，反硝化细菌会夺取除磷细菌所需的有机物，影响处理效率。

UCT工艺是将沉淀池的回流污泥回流到缺氧区，再将缺氧区的混合液回流到厌氧区。由于反硝化在缺氧区完成，因此缺氧区的硝酸盐浓度很低，当混合液由缺氧区回流到厌氧区时，厌氧区的硝酸盐浓度也很低，从而保证了厌氧区理想的厌氧条件。因此UCT工艺是目前各国应用最广泛的生物除磷工艺。 （6）SBR工艺 该工艺是美国20世纪70年代开发的一种间歇式活性污泥系统，活性污泥的曝气、沉淀、出水、排放和污泥回流均在同一池内完成。该工艺对自动化要求较高，随着自动控制技术和计算机技术的发展，SBR工艺近年来得到较快的发展。 SBR法的优点有：1）操作管理简单；2）建设费用较低，占地少；3）耐冲击负荷；4）能抑制丝状菌的扩张；5）除磷、脱氮效果好（7）该工艺是生物、化学除磷方法相结合的除磷工艺。该工艺的主流部分为常规的活性污泥曝气池，一部分回流污泥（约占进水流量的10%～20%）分流至专门的厌氧池，污泥在厌氧池中通常停留8～12小时。