城市污水除磷技术综述

佟达志

1.引言

1.1城市污水除磷的必要性
　　在静止的或流动缓慢的水体中，如果磷的浓度过高，会造成水体的富营养化，其危害已众所周知，水体的富营养化现象已成为人类所面临的严重的水环境问题之一。国际上的经验表明，城市污水磷含量约占流入地表水体总磷负荷的34%，因此降低城市污水中磷含量是防止水体富营养化的主要途径之一。
　　近年来，国家相继颁布实施的《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）和《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918－2002）规定了非常严格的磷酸盐排放标准，因此城市污水处理厂必须考虑除磷处理。
1.2污水除磷方法分类
　　自上世纪六十年代在大规模污水处理厂发现除磷现象并展开除磷技术研究以来，国际和国内相继取得一些技术成果，并应用于城市污水处理。根据工作机理不同，对磷的去除主要有三种方法：分别是化学除磷、生物除磷、物理除磷。
　　其中化学除磷或化学辅助生物除磷在国外应用比较广泛。例如，美国五大湖地区对磷的排放要求非常严格，这一地区的污水厂一般均采用化学为主或生物为主化学为辅的除磷措施；在丹麦，则是生物除磷辅以化学除磷；在瑞典则以化学除磷为主，几乎没有污水厂采用生物除磷工艺。
　　而国内建设比较早的污水厂都没有除磷措施，1998年1月1日起建设（包括改、扩建）的污水处理厂主要采用生物除磷技术。据对全国范围内一百多座污水处理厂的调查统计，大部分污水厂均采用生物法进行污水除磷，仅有淮阴市四季青污水处理厂和南京市江心洲污水处理厂采用物理沉淀法、唐山西郊污水处理厂和上海奉贤县南桥污水处理厂采用生化法、香港昂船洲污水处理厂采用化学法进行污水处理。

2.污水化学除磷工艺

2.1化学除磷机理
　　化学除磷是通过化学沉析过程完成的，该工艺是将无机金属盐药剂如铁盐、铝盐等或石灰投加到污水中，使其与磷酸盐形成颗粒状、非溶解性的物质。药剂的投加点可以在一沉池或二沉池之前，可以在两处投加，也可以投加到三级处理的澄清池之前。
　　化学沉析过程涉及的是相转移过程，反应方程举例如下式：

　　FeCl3+K3PO4→3KCl+ FePO4↓

　　实际上投加化学药剂后，污水中进行的不仅仅是沉析反应，同时还进行着化学絮凝反应，化学沉析和化学絮凝是有差异的。污水沉析反应可以简单的理解为水中溶解状的物质（大部分是离子状物质）转换为非溶解、颗粒状形式的过程，絮凝则是细小的非溶解状的固体物互相粘结成较大形状的过程，所以絮凝不是相转移过程。
　　在污水净化工艺中，絮凝和沉析都是极为重要的。絮凝是用于改善沉淀池的沉淀效果，而沉析则用于污水中溶解性磷的去除。利用沉析工艺实现相的转换时，应向污水中投加溶解性的金属盐药剂，一方面使溶解性的磷酸盐转换成为非溶解性的磷酸金属盐，同时产生非溶解性的氢氧化物(取决于PH值)；另一方面，随着沉析物的增加及较小的非溶解性固体物聚积成较大的非溶解性固体物，使稳定的胶体脱稳，通过速度梯度或扩散过程使脱稳的胶体互相接触生成絮凝体。最后通过固—液分离步骤，得到净化的污水和固液浓缩物(化学污泥)，达到化学除磷的目的。
2.2化学除磷工艺分类
　　在污水处理中，化学除磷工艺很少单独应用，它一般是与生物处理结合起来使用，以满足污水综合排放标准各项指标要求。按照化学药剂在二级生物处理系统中投加地点不同，化学除磷工艺可分为预沉淀、同时沉淀和后沉淀，另外还有应用于一级强化处理的直接沉淀工艺，以及在预沉淀工艺基础上进一步发展起来的LE工艺。
　　Phostrip工艺与以上几种工艺不同，它的除磷工艺在活性污泥回流的侧流系统中。活性污泥回流的侧流流量通常为进水流量的10-30%。
2.2.1预沉淀
　　预沉淀工艺是将混凝剂投加在沉砂池中，或者初次沉淀池的进水渠(管)中，一般需要设置产生涡流的装置或者供给能量以满足混合的需要，产生的沉析产物(大块状絮凝体)在一次沉淀池中通过沉淀被分离。
　　预沉淀工艺特别适合于现有污水处理厂的改建，因为通过这一工艺步骤不仅可以去除磷，而且可以减少生物处理设施的负荷。常用的药剂主要是铝盐、三价铁盐等，不能采用亚铁盐、石灰。
　　预沉淀工艺流程：

2.2.2同时沉淀
　　同时沉淀是使用最广泛的化学除磷工艺，在国外约占所有化学除磷工艺的50%。其工艺是将混凝剂投加在曝气池出水或二次沉淀池进水中，个别情况也有将药剂投加在曝气池进水或回流污泥渠(管)中。当采用生物转盘工艺时，情况和活性污泥法类似，但对于生物滤池工艺能否将药剂投加在二次沉淀池进水中尚值得探讨。
　　同时沉淀工艺流程：

2.2.3后沉淀
　　后沉淀是将沉析、絮凝以及被絮凝物质的分离在一个与生物设施相分离的设施中进行，因而也就有二段法工艺的说法。一般将沉析药剂投加到二次沉淀池后的一个混合池(M池)中，并在其后设置絮凝池(F池)和沉淀池(或气浮池)。
　　采用气浮池可以比沉淀池更好地去除悬浮物和总磷，但因为需恒定供应空气而运转费用较高。
　　后沉淀工艺流程：

2.2.4 LE低能耗工艺
　　LE工艺是预沉淀工艺的进一步发展，它是化学除磷与后置反硝化脱氮生化处理相结合的工艺。
　　LE工艺流程：

　

2.2.5直接沉淀（一级强化处理）
　　直接沉淀工艺是指污水在经机械格栅和除砂后仅经沉淀处理。
　　直接沉淀工艺流程：

2.3 化学除磷特点
2.3.1五种化学除磷工艺指标分析

除磷工艺

指标 预沉淀 同时沉淀 后沉淀 LE 直接沉淀 总水力停留时间（Hr） 9 11.5 12 12 3～4 混凝剂 宜采用 铝盐、三价铁盐 三价铁盐、亚铁盐、铝盐 铝盐、石灰三价铁盐 铝盐、三价铁盐 铝盐、石灰三价铁盐 不宜采用 亚铁盐、石灰 石灰 亚铁盐 亚铁盐、石灰 亚铁盐 去
除
效
率
％

SS >90% >90% >90% >90% >90% BOD >90% >90% >90% >90% >75% 总磷 >90% >90% >95% >95% >90% 总氮 ≈25% ≈25% ≈25% ≈75% ≈25%

2.3.2化学除磷优点
　　1、除磷效率可靠，具有完整的技术文献和资料。
　　2、药剂投量取决于进水磷浓度和出水要求，除磷过程的控制简单。
　　3、可以采用钢铁厂酸洗废液作为铁盐的来源，此时药剂费用可大幅度降低。
　　4、当采用石灰作混凝剂时，石灰投量取决于进水的碱度，通过pH值控制，与进水的磷浓度无关，还可以同时去除多种重金属。
　　5、投药点在初沉池时，可以降低二级处理工艺的有机物负荷。
　　6、处理厂改造简单、投资不高。
2.3.3化学除磷缺点
　　1、与几乎不投加化学药剂的生物除磷相比，药剂费用高。
　　2、污泥产量明显大于其它除磷工艺，污泥处置费用高。
　　3、产生污泥脱水性能差。
　　4、当采用石灰作混凝剂时，石灰贮存、运输、投加费用高，工作条件较差。

3.生物除磷工艺

3.1生物除磷机理
　　在厌氧条件下，若污水中没有DO或氧化态氮(NO-X)，除磷菌能分解细胞内的聚磷酸盐同时产生ATP，并利用ATP将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，以PHB(聚—β—羟基丁酸)及糖原等有机颗粒的形式储存于细胞内；同时将聚磷酸盐分解所产生的磷酸盐排出细胞外，这时细胞内还会诱导产生相当量的聚磷酸盐激酶。一旦进入好氧环境，除磷菌又可利用PHB氧化分解所释放的能量来摄取污水中的磷，并把所摄取的磷合成聚磷酸盐而储存于细胞内。微生物在增殖过程中，在好氧环境下所摄取的磷比在厌氧环境下所释放的磷多，废水的生物除磷正是利用了微生物的这一过程，将磷从污水中分离出来，并作为剩余污泥排走。
　　采用生物除磷，必须解决四方面的问题：①必须满足除磷菌习性，使生物膜交替处于厌氧、好氧的状态，并使除磷菌成为优势菌属，实现其增殖；②供给必要的有机碳源(由废水提供)；③磷的排出必须是以沉降或脱落污泥的形式，这就要求有足够的曝气强度和选择合适的生物膜载体（对生物膜法而言）；④污泥沉淀后应及时排出系统。
3.2 生物除磷工艺分类
　　在常规活性污泥法中，磷是微生物生长的必需元素之一，伴随着有机物的降解和微生物菌体的形成，也会引起磷的去除。微生物正常生长时，活性污泥含磷量一般为干重的1.5～2.3%，磷的去除率一般为15～21%。
　　在污水生物除磷工艺中，剩余污泥含磷量为干重的3～7%，磷的去除率可达80～95%。
　　按照活性污泥生长方式的不同，生物除磷工艺可以分为悬浮生长型、附着生长型和复合型三大类。
　　悬浮生长型除磷工艺主要有：SBR工艺、A/O工艺、A/A/O工艺、Corrousel氧化沟、UCT工艺、VIP工艺、改良UCT工艺、改良VIP工艺等。
　　附着生长型除磷工艺主要有：
　　1. 生物滤池，包括普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池、厌氧生物滤池、活性生物滤池等；
　　2. 生物转盘，包括好氧RBC、厌氧RBC；
　　3. 淹没式生物滤池；
　　4. 微孔膜生物反应器，等等。
　　复合型除磷工艺主要有：复合式活性污泥膜生物反应器、序批式生物膜反应器、UASB-AF、附着生长塘等。
3.2.1 A/O工艺
　　A/O工艺即厌氧／好氧工艺，它非常类似于普通活性污泥法。在这个工艺中，回流污泥和进水首先通过厌氧区，在这个区域中出现磷的释放。然后混合液通过好氧区，在其中发生磷的吸收。最后混合液进入二沉池进行液固分离，富磷污泥沉淀，部分排出系统，实现除磷；部分回流到厌氧区。
　　A/O工艺流程：

　　该工艺仅能够除磷，是除磷工艺中最简单的，因为厌氧区设置于该工艺的液体主流之上，所以A/O除磷工艺是主流除磷工艺。A/O工艺最显著的特征是高负荷，采用相对短的泥龄。因此污泥产量高，更多的磷被去除。与其它生物除磷工艺相比，A/O工艺中单位重量BOD去除的磷量最多。
3.2.2A²/O工艺
　　A²/O工艺是A/O工艺的改良。A²/O工艺在A/O工艺的厌氧区和好氧区之间增加了一个缺氧区，形成厌氧／缺氧／好氧。缺氧区的功能是使来自好氧区的硝酸盐反硝化，降低通过剩余污泥进入厌氧区的硝酸盐浓度。否则剩余污泥中的硝酸盐会降低除磷的效率。从好氧区到缺氧区的回流比为进水流量的100-300%。总氮去除率为40-70%，磷的去除率低于A/O工艺。
　　A²/O工艺流程：

3.2.3 　SBR工艺
3.2.3.1经典SBR工艺
　　SBR工艺即序批式活性污泥法，SBR工艺是通过在时间上的交替来实现传统活性污泥法的整个运行过程，它在流程上只有一个基本单元，将调节池、曝气池和二沉池的功能集于一池，进行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等。
　　经典SBR反应器的运行过程为：进水→曝气→沉淀→滗水→待机。
　　SBR法运行灵活，很容易通过控制反应时间、泥龄及曝气强度等条件来强化聚磷菌过量摄取过程的顺利完成。在进水初期反应器内有机物浓度很高，不仅很快消耗了剩余的溶解氧形成厌氧状态，而且为释磷提供了充分的碳源；在好氧反应阶段，有机物浓度已大大降低，容易维持反应器内高溶解氧浓度，同时也为细菌储备能源的利用提供了途径。另外，在此过程中，厌氧与好氧状态的交替，充分抑制了专性好氧丝状菌的过量繁殖，避免污泥膨胀现象的发生。
　　需要同时脱氮除磷的场合，SBR反应器可采用工艺流程：

　　在上面的工艺流程中，SBR反应器在同一运行周期内不同时间段上的氧环境不同，厌氧、缺氧和好氧环境依次出现，满足了生物除磷脱氮的运行条件，因此此时的SBR反应器具备除磷脱氮的能力。同时，由于反应器内存在厌氧、缺氧和好氧等多种生态条件，使其在生态环境上具有多样性，对有机物去除效果较好。
3.2.3.2 SBR工艺的特点
　　SBR工艺的优点：
　　1.沉淀性能好；2.有机物去除效率高；3.提高难降解废水的处理效率；4.抑制丝状菌膨胀；5.可以除磷脱氮，不需要新增反应器；6.不需二沉池和污泥回流，工艺简单。
　　SBR工艺的缺点
　　1.连续进水时，对于单一SBR反应器需要较大的调节池。2. 对于多个SBR反应器，其进水和排水的阀门自动切换频繁。3.无法达到大型污水处理项目之连续进水、出水的要求。4.设备的闲置率较高。5.污水提升水头损失较大。6.如果需要后处理，则需要较大容积的调节池。
　　SBR工艺是一种高效、经济、可靠、适合中小水量污水处理的工艺，符合我国的国情；尤其是SBR工艺对于污水中氮、磷的去除，有其独到的优势。
3.2.3.2 SBR工艺新工艺
　　近年来，在经典SBR工艺的基础上，国际上又开发出了连续进水的ICEAS工艺，以及 CASS和CAST工艺、UNITANK系统，把经典SBR的时间推流与连续系统的空间推流结合了起来。我国于80年代中期开始对SBR进行研究，目前除经典SBR工艺应用已比较广泛外，以SBR工艺为手段研发的新工艺如活性污泥外循环系统、厌氧—好氧交替工艺（简称AAA工艺，Alternationof Aerobic/Anaerobic Process）已完成实验室研究。
　　大部分新型SBR仍然拥有经典SBR的主要特点，并且还形成了一些独特的优点。
　　不同类型SBR工艺的特点：

特 点 经典SBR ICEAS CASS UNITANK 沉淀性能好，处于理想沉淀状态 是 否 否 否 抑制污泥膨胀(选择性准则) 强 弱(设选择池改善) 弱(设预反应段改善) 弱 处理难降解废水效率高(生态多样性) 强 弱 弱(设预反应段改善) 非常弱 除磷脱氮性能(厌氧、缺氧和好氧等多种状态) 除N、P 除N 除N、P 　 理想推流状态，有机物去除率高 是 否 否 否 不需二沉池和污泥回流，工艺简单 是 是 仅需回流 是 连续进水 不 是 是 是 连续出水 不 不 不 是 注： UNITANK的布置比较紧凑，但是流程比其他的SBR要复杂。

3.2.4 Carrousel氧化沟
　　氧化沟在污水脱氮除磷的工艺设计中必须具备厌氧、缺氧、好氧3个基本条件，但是在实施过程中由于所需的处理构筑物多、污泥回流量大，从而造成投资大、能耗多、运行管理复杂。Carrousel氧化沟 (文中简称：A2/C氧化沟)将厌氧、缺氧、好氧过程集中在一个池内完成，各部分用隔墙分开自成体系，但彼此又有联系。该工艺充分利用污水在氧化沟内循环流动的特性，把好氧区和缺氧区有机结合起来，实现无动力回流，节省了去除硝酸盐氮所需混合液回流的能量消耗。
　　A2/C氧化沟工艺简图：

　　A²/C氧化沟利用沟内的水力循环、无动力回流等特点，实现了类似于A²/O工艺，以达到脱氮除磷的目的。一般城市生活污水若采用A2/C氧化沟处理，可使出水磷浓度＜1.0 mg/L，其他指标可达到GB 8978—1996的一级排放标准。
3.3 生物除磷工艺特点
3.3.1生物除磷工艺优点：
　　1.生物除磷工艺的污泥产量低，与普通活性污泥类似。
　　2.可以同时实现除磷和脱氮，运行费用增加少。
　　3. 容易在现有设施上实施技术改造。
　　4.生物除磷工艺均不需要投加药剂。
　　5. 可以有效地控制丝状菌生长，污泥沉降性能良好。
3.3.2生物除磷工艺缺点
　　1. 多数生物除磷工艺均受污水BOD₅/TP的影响。
　　2. 二沉池性能良好才能获得TP为1.0 mg/L的出水。
　　3. 不适合固定膜生物处理系统的改造。
　　4. 生物除磷系统控制要求高，应该有备用的化学剂投加系统，以防生物除磷系统的故障。
3.3.3生物除磷工艺的除磷能力
　　生物除磷取决于厌氧释磷量，而厌氧释磷速度取决于溶液中可快速吸收的有机物的含量。生物系统用排除剩余污泥方式除磷的能力有限，当进水TP≥5mg/L时要保证出水TP≤0.5mg/L是困难的。
　　但最新的研究成果表明，生物除磷工艺通过适当的改造同样可以达到满意的除磷和脱氮效果。如活性污泥外循环工艺，通过提高SBR系统污泥浓度的方式来提高除磷能力，试验表明：当MLSS=5g/L、循环污泥量=1/8系统污泥总量时，在进水TP≤11mg/L、TN=45mg/L的情况下仍能保证出水总磷达到一级排放标准，而且该系统出水NH3-N≤3.6mg/L，对总氮去除率≥86%，同时获得了最佳的除磷和脱氮效果。
　　生物除磷比化学除磷运行费用低，不造成二次污染，除磷效率高。生物除磷是一种相对经济的除磷方法，但由于该除磷工艺目前还不能保证稳定达到0.5mg/l出水标准的要求，所以要达到稳定的出水标准，常需要采取化学除磷措施作为备用系统来满足要求。

4. 污水物理除磷工艺

4.1 物理除磷工艺原理
　　物理除磷技术是采用多孔物质作为填料，使污水以一定的流速通过填料，通过填料对磷的吸附来去除污水中的磷。
　　物理除磷工艺除磷效果受以下几种因素的影响：
　　1.填料粒径的影响：填料粒径直接影响磷的去除效果，选取不同粒径填料处理含磷废水的试验表明，随着填料粒径的减小，磷的去除率增加(由62.16%增加到81.48%)，但填料的粒径越小其磨损率越大，水力阻力加大，成本增高。从水质要求、经济成本综合考虑，应选取适当的粒径。
　　2.填料配比的影响：选用适合的配比可防止填料板结，减少水头损失。
　　3. pH值的影响：应避免污水与填料起化学反应而影响磷的去除率。
　　4.吸附时间的影响：吸附量随时间的增加而增加，但到达一个平衡点时就不再增加。
　　5.流速的影响：流速越小，去除率越高。
4.2 物理除磷工艺
　　目前国际上对物理除磷工艺研究和应用都比较少，笔者没有找到成型产品的相关资料。

参考文献：

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单位：天津市创业环保股份有限公司纪庄子污水处理厂
作者：佟达志
日期：二○○四年十二月