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对废水除磷的效果进行了分析。化学沉淀除磷技术主要是使磷变成不溶性固体沉淀物并从废水中分离出来的除磷方法。化学沉淀除磷反应可以用下面的反应式来表示，从反应平衡式可以看出，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。生物除磷技术是使磷以溶解状态被微生物吸收，与微生物融为一体，并随微生物从污水中分离出来的除磷方法。它利用聚磷酸盐菌（PAB）等细菌从外界吸收超过其生理需要的磷，并以聚合形式储存在体内，形成高磷污泥，排出系统，实现废水的有效除磷。

文章通过对化学除磷和生物除磷技术的工艺流程和特点进行分析，得出化学沉淀法在一定条件下可以达到良好的除磷效果，但化学药剂消耗量大，工艺相对复杂，运行成本高，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、分散化发展趋势明显。应大力开发和研制适合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，但具有在固体和溶解体之间循环转化的能力。化学沉淀除磷是将磷制成不溶性固体沉淀物，从废水中分离出来，从而除去磷的方法。化学沉淀除磷反应可用下列反应式表示。从反应平衡式可以看出，增加方程式左边钙的浓度，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、铝等对除磷也十分有效。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。用三价铁离子除磷时，理论上形成磷酸盐沉淀所需的Fe3+与PO43-的质量比为1:1；用亚铁离子除磷时，此比例为3:2。用铁除磷的效率还取决于pH值；对于三价铁离子，最适宜的pH值为4.5-5.0，对于亚铁离子则为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混凝沉淀相结合的方法，称为强化初级处理。当磷是受纳水体富营养化的限制因素，且有机物负荷不大（如排入湖泊和水库）时，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

化学沉淀剂往往投加在曝气池进水中，有的投加在曝气池或回流污泥中；有的投加在曝气池出水中。化学混凝沉淀除磷与二沉池活性污泥沉淀同时发生，称为同步化学沉淀。此法可采用最廉价的沉淀剂硫酸亚铁，除磷效率可达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后，可采用Fe(II)、Fe(III)、Al(III)盐，并控制适宜的pH值，可以达到较高的磷去除效率，即90%～95%。

2.1.2.4 后续联系人筛选

后续接触过滤工艺通常接在后化学沉淀之后，一般与预化学沉淀、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，使最终出水磷达到很低的浓度：第一步除磷中磷大部分被去除，出水一般含磷0.8mg/L。采用微滤膜（MF）或超滤膜（VF）组件替代絮凝接触工艺过滤，可获得更高的出水水质和更高的除磷效率，在合适的铁、铝盐投加量下，透过液磷含量小于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，运行费用较高，且产生的化学污泥需进一步处理，否则可能造成二次污染，因此该技术很少单独采用。

2.2生物除磷技术

生物除磷是使磷以溶解状态被微生物吸收，与微生物成为一体，并随微生物从污水中分离出来的除磷方法。它利用聚磷菌（PAB）等细菌从外界吸收超过其生理需要的磷，并以聚集态储存在体内，形成高磷污泥，排出系统，从而有效去除废水中的磷。

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和结构组成，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，其中厌氧池处于污泥回流的侧流；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系列以及活性污泥系统的运行改进，基本上都具有除磷、脱氮功能的系统。

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，厌氧池并不处于污水流的主流，而是处于回流污泥的侧流。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，且大部分磷以石灰污泥形式沉淀去除，因此污泥的处理处置不像高磷剩余污泥那么复杂。但该工艺对操作人员的技术水平要求较高，石灰储存及配制系统也存在不少问题。

2.2.1.2 巴登福特法

该工艺自1973年提出以来，系统在MLE工艺的好氧池后增加了一个厌氧池，成为四段工艺（如下图所示）。在四段工艺的前端再增加一个厌氧池，便成为五段工艺。四段工艺中，磷的吸收主要在第二好氧池中完成，第一好氧池也兼具吸收磷的功能，但不是主要的，第一好氧池的主要功能是去除BOD，而第二好氧池的主要功能是吸收磷。该工艺的主要优点是每个反应重复两次以上，每个反应单元各司其职并兼顾其他功能，除磷效果好，但工艺复杂，反应器单元多，操作繁琐，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。其具体运行过程为：进水进入厌氧段，聚磷菌释放磷，进入缺氧段，聚磷菌继续释放磷，同时异养反硝化菌将硝酸盐硝化，还原为氮气逸出水面，进入好氧段，聚磷菌吸收大量的磷，同时由于自养硝化菌的作用，将氨氮硝化为硝酸盐混合液返回厌氧段在二沉池中重复上述过程，污泥沉降回流至出水。在反复的厌氧-缺氧-好氧过程中完成了除磷、脱氮，提高了磷、氮的去除率。 A2/O法的优点是除磷脱氮效果较好，不需要投药，厌氧段和缺氧段只需缓慢搅拌，因此运行成本较低。但该工艺对污泥的增长有一定的限制，所以除磷效果很难提高。另外，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，脱氮效果不好，脱氮效果好时，除磷效果不好。目前，国内外普遍采用的是A2/O工艺。

2.2.1.4 序批式反应器（SBR）

序批式反应器（又称序批反应器）的整个处理过程实际上是在一个反应​​器中进行的，该工艺通过对注水、反应、沉淀、排泥、闲置五个阶段的程序化自动控制，实现废水的生化处理。SBR工艺的整个运行过程是通过自动控制装置完成。其最大的运行特点是在原污水流入反应器的过程中，可根据不同的废水水质和工艺要求，采用灵活的曝气方式以及注水、反应时间，实现不同的处理效果。由于其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工艺不仅能容易地实现好氧、缺氧、厌氧状态交替变化的环境条件，而且在好氧条件下，还容易地增加曝气量、反应时间和污泥龄，以强化硝化反应和除磷细菌过量吸磷的顺利完成； 还可方便地在缺氧条件下加入原污水或提高污水浓度，提供有机碳作为电子供体，使反硝化过程更快完成；还可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，原来只能在A2/O工艺中完成的复杂的除磷脱氮过程，在SBR工艺中仅需单个反应器的一个运行周期即可完成。

2.3 生物除磷新技术进展

随着处理厂出水中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（2003年7月1日实施的2002版《城镇污水污染物排放标准》中对此标准进行了放宽）。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，很难达到如此低的出水磷浓度。为此，人们对开发新型生物除磷技术进行了大量的深入研究。

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

由于聚磷菌在厌氧释磷过程中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对其中的硝酸盐进行反硝化，再将反硝化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进行反硝化和吸磷，这样可以明显提高整个处理系统的除磷、脱氮效率，节省曝气供氧的能耗。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，再进入厌氧池。设有预缺氧池的回流污泥处理系统的系统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

生物膜是污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、复合到污水处理的其他工艺中，形成了各种复合型生物膜反应器，如活性污泥-生物膜反应器、序批式生物膜反应器等。序批式生物膜反应器是将生物膜引入SBR反应器的一种新型复合型生物膜反应器。本工艺可使用的生物膜载体有软质纤维填料、聚乙烯填料及活性炭等。SBR法本身具有良好的除磷效果，由于生物膜的存在，微生物的种类和数量大大增加了生物食物链的长度，能够存活世代时间较长的微生物增加了序批式生物膜反应器的处理能力，进一步加强了净化功能，并具有污泥沉降性能好、耐冲击负荷、操作管理简便、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，采用缺氧-好氧两级连续运行方式，能有效去除废水中的有机物和总氮，同时还能去除磷。其除磷机理主要是其生物膜载体填料，生物膜在其表面结膜后，由表面到内部存在溶解氧梯度，依次处于好氧、缺氧、厌氧状态，使得每个附着有生物膜的载体成为一个微型生物反应器，进入其中的污染物可发生好氧、缺氧和厌氧反应，从而进行硝化、反硝化和生物除磷过程，达到较高的脱氮除磷效率。

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。该工艺最大的改进是在反应池前端增加了选择段，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，聚磷菌有利繁殖，为高效除磷创造了条件。实践证明，这是迄今为止SBR工艺除磷脱氮效果最好的一种。

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，这一观点已得到普遍的认可和接受。近年来许多研究发现，除了在好氧环境下能吸收磷的PAO菌外，另一种兼性厌氧反硝化菌——PB也能在缺氧环境（无O2、有NO3-存在）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。这种新的生物除磷途径将反硝化反硝化和生物除磷有机地结合在一起，可以节省能源和资源。反硝化除磷可分别节省50%和30%的COD和O2消耗，并相应减少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）技术是受到广泛关注的技术，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会出现EBPR失效的情况，影响除磷效果。因此应深入研究导致EBPR失效的因素，对现有工艺进行改造，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，民营中小企业大量涌现，污水处理设施小型化、分散化发展趋势明显，应大力开发研制适合城镇实际情况的废水除磷工艺，对水环境保护将具有十分重要的意义。如SBR除磷工艺、人工湿地除磷技术等均具有小型化、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

系统的除磷能力通常用BOD与除磷量的比值（BOD/ΔP）来表示，BOD/ΔP=BOD进水/（TP进水-TP出水）。一般来说，BOD/ΔP值越小，工艺的除磷能力越强。开发BOD/ΔP值小的除磷工艺，实际上消耗的有机碳源也少，而有机碳源就是能源（资源）。因此，开发BOD/ΔP值小的废水处理工艺，也是废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添加一些外界因素，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。如添加电场或磁场，在一定的操作条件下探索新的除磷工艺。

第 2 章总结

（1）化学沉淀法在一定条件下可以达到良好的除磷效果，但消耗药剂量大，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，可以显著提高整个处理系统的除磷脱氮效率，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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