城市污水处理化学除磷的必要性及其工艺

杨燕华

　　【摘要】 本文在论述了生物除磷弱点的基础上，阐述了化学除磷的机理及工艺方法，强调了化学除磷对保证处理水质的必要性。
　　【关键词】 污水处理 化学 生物 除磷

1 城市污水处理采取化学除磷的必要性

1.1 引言根据《污水综合排放标准》（GB8978－1996）确定的城镇污水二级处理厂处理出水标准，对磷酸盐的标准非常严格，一级标准为0.5mg／l（以P计，下同），二级标准为1.0mg／l，因此绝大多数城市污水处理厂都要考虑除磷处理。
　　目前国内各设计单位在对城市污水处理选择处理方案时一般选择生物除磷脱氮工艺，对化学除磷一般不予考虑。因为较普遍的看法是：“生物法”工艺简单、运行成本低，污泥量少且易于处理；“化学法”则工艺复杂、运行成本高、污泥量多且难于处理，另外在感情上“化学法”较“生物法”更难于被人们所接受。但笔者分析，就一般的城市污水水质，按现在普遍采用的生物除磷脱氮工艺，实际很难达到GB8978－1996中的二级标准，更不用说一级标准了。
1.2 生物除磷的机理
　　在二级生物处理系统中，磷作为微生物正常生长必需的元素成为生物污泥的组份。活性污泥的含磷量约在2％左右。举例来说如果二级生物处理的进水B0D为200mg／l，活性污泥产率则在80mg／l左右，随剩余污泥排除的磷约为1.6mg／l， 即去除BOD／P的比例为125：1。由于一般污水中BOD／P的值远低于此值，一般活性污泥法仅能去除大约20％左右的磷。
　　如果将活性污泥交替置于即无氧又无硝酸盐的厌氧生境和有氧生境，某些细菌会在大多数微生物难以增长的厌氧条件下获得优势，如粒状细菌（acinobacter）这样的聚磷菌能在这种条件下与其它细菌竞争，吸收和贮存低分子量有机物及挥发性脂肪酸（VFA）。这是因为这种细菌能够利用在好氧条件下富集的聚磷酸盐的能量。聚磷酸盐转化为磷酸盐释放到污水中。
　　在厌氧条件下，脂肪酸被贮存起来并释放磷。在好氧条件下，贮存的的脂肪酸用于细胞生长磷并被富集在细胞中。活性污泥法在这种条件下富氧活性污泥的含磷量可达6％。因此生物除磷的关键是挥发性脂肪酸的存在。在除磷脱氮相结合的处理工艺中，由于硝酸盐的存在会消耗脂肪酸，因此必须在厌氧区前去除才不致影响聚磷菌的增长，而目前普遍采用的单级生物脱氮工艺由于活性污泥回流到厌氧区难以避免对聚磷菌的抑制作用。即使采用短泥龄的单纯除磷A／O工艺，在水温较高时一般很难保证不发生硝化（按照GB8978－1996中氨氮指标一般还要考虑硝化），因此很难保证除磷效果的稳定。
　　如果进水中总氮与溶解性B0D的比例大于0.28，生物除磷就很难与生物脱氮工艺结合。污水进水中脂肪酸含量一日之内经常变化，一般也难以满足聚磷菌的需要。如外加甲醇等碳源，费用也很可观。因此一些处理厂采用初沉污泥进行酸化发酵制造脂肪酸。
1.3 生物除磷的弱点
　　生物除磷工艺象其它污水生化处理工艺一样，对工艺条件的变化较化学除磷工艺更为敏感。另一方面，必须保持非常低的出水悬浮物浓度，因为富集磷的活性污泥磷含量可达6％，而一般活性污泥中的含磷量仅为2％。举例来说，如果生化除磷工艺的出水悬浮物浓度为20mg／l，这就意味着悬浮物已带出1.2mg／l的磷，而溶解性磷通常很难降到0.7mg／l以下，因此正常情况出水磷浓度一般要达到2mg／l。而化学除磷通常可将溶解性磷浓度降到0.1mg／l以下，出水悬浮物带走的磷为0.4mg／l，出水总磷浓度可降到0.5mg／l。
　　生物除磷工艺的污泥并不太好处理。污泥一旦厌氧，磷即发生释放，因此要避免重力浓缩，尽管可采取气浮浓缩后迅速脱水或直接脱水，但初沉污泥与剩余污泥最好是分开进行浓缩脱水直到泥处理末端再混在一起。应避免采用厌氧硝化进行污泥稳定，应采取好氧硝化或堆肥等污泥稳定措施。浓缩脱水的清液在回到水处理段前均需化学沉淀除磷。
　　生物除磷和化学除磷之间的投资与运行费差异并不如一般人想象的那么大。生物除磷的厌氧池一般要求有一个小时以上的停留时间，池内搅拌器耗能大约在5Wh／m³，这些投资和运行成本并不比投加化学混凝剂的成本低很多。
1.4 辅助投加化学混凝剂的必要性
　　没有化学除磷的辅助很难将处理出水中的总磷降到1mg／l以下。即使是最多采用生物除磷的南非，其所有的处理厂也均辅以投加金属盐（混凝剂）。另一个例子是丹麦，几乎其所有的处理厂均采取了生物除磷，但其中仅有两家未辅以化学除磷，原因是这两家污水厂进水中特有的工业废水大大改善了污水的生化除磷条件。
　　在美国对磷的排放较为严格的五大湖地区，一般污水厂均要采取以化学为主或生物为主化学为辅的除磷措施。瑞典的处理出水磷的标准非常严格，一般要低于0.5mg／l，但几乎没有处理厂采用生物除磷工艺。丹麦磷的处理出水标准在1mg／l左右，尽管较瑞典的标准宽松一些，并且几乎均采用生物除磷，但其在污水处理上消耗的人均混凝剂量并没有明显比瑞典低。
　　综上所述，就目前国家的污水综合排放标准，在选择污水处理方案时，应该考虑经济可行，又可满足处理出水标准的化学除磷工艺。

2 污水化学除磷工艺

2.1 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，工艺流程如下：

　　总停留时间3～4小时。
　　去除效率： SS＞90％ BOD≈75％ 总磷＞90％ 总氮≈25％
　　混凝剂可采用铝盐、三价铁盐、石灰等，不能采用亚铁盐。
　　直接沉淀工艺为北欧国家很多处理厂所采用，磷去除率可达90％以上，有机物去除率大约为75％，因此是一种很经济有效的处理工艺。下表为挪威对56个采用直接沉淀工艺的处理厂处理效果调查结果。

SS BOD P 进水 出水 去除率 进水 出水 去除率 进水 出水 去除率 mg/l mg/l % mg/l mg/l % mg/l mg/l % 387 24 87.6 229 38 83 6.2 0.5 92

2.2 同时沉淀
　　同时沉淀工艺是指将化学混凝剂投加到活性污泥生化处理工段，生化池即为混凝池，生物污泥与化学污泥在随后的沉淀池一同沉淀，工艺流程如下：

　　总水力停留时间约为11.5小时。
　　去除效率：SS≈90％ BOD＞90％ 总磷＜90％ 总氮≈25％
　　混凝剂可采用铝盐、三价铁盐、亚铁盐等，不能采用石灰。
　　同时沉淀工艺的出水磷浓度一般为1mg／l。投加的混凝剂除了除磷，对有机物的固液分离也有帮助。化学混凝剂一般投加到生化池的首端或末端。由于化学污泥与生物污泥同时沉淀，增加了污泥量，因此会使泥龄比单纯生化处理显著减小并影响硝化程度。
2.3 后沉淀
　　后沉淀工艺为最常采用的除磷效果最好的工艺，它是将生化处理出水经过化学后处理，污泥通常采用气浮或过滤而不是沉淀进行分离，常归为三级处理工艺。工艺流程如下：

　　总水力停留时间约为12小时。
　　去除效率：SS＞90％ BOD＞90％ 总磷＞95％ 总氮≈25％
　　混凝剂可采用铝盐、三价铁盐、石灰等，不能采用亚铁盐。
　　后沉淀工艺的出水磷浓度一般为0.5mg／l。如采用过滤为最终固液分离手段，出水磷浓度可降至0.1mg／l以下。
　　通常是将后沉淀的化学污泥打回到初沉段与初沉污泥共沉，这可使污泥更易于浓缩并有助于提高初沉池的处理效率。
　　化学后沉淀处理对生物处理起到把关作用，在负荷高时可防止敏感的生物污泥的流失，因此在除磷的同时也提高了B0D等去除效果。
2.4 预沉淀
　　预沉淀是在初沉池沉淀除磷，随后污水再进入生物处理段。工艺流程如下：

　　总水力停留时间约为9小时。
　　去除效率：SS＞90％ BOD＞90％ 总磷＞90％ 总氮≈25％
　　混凝剂可采用铝盐、三价铁盐等，不能采用亚铁盐、石灰。
　　预沉淀工艺通常用于现有超负荷运转的污水处理厂改造，以降低生物处理段的负荷。往往不经改建专门设立的混合池，沉淀剂可投加到初沉之前达到较好混合效果的紊流区。
　　预沉淀不仅能达到较好的除磷效果，还能对有机物有较高的去除效率，这就降低了随后的生物处理段的负荷，从而降低能耗和生化污泥产量。另外一个好处可使水力停留时间明显缩短。因此本工艺非常适合进水有机物负荷较高的污水。
　　下图为常规处理工艺与有化学预沉淀处理工艺的有机物分配，假设人均排放B0D当量为75g／d。

　　常规生化处理工艺大约能够去除90％的B0D，其中初沉去除30％，二级生化去除60％，10％随出水排出。增加化学预沉淀改变了有机物去除的分配比例，如同为90％的去除率，大约有75％的B0D可在初沉阶段去除，仅有15％的有机物在生化处理阶段去除，因此生化处理段可大大压缩。预沉淀工艺还可去除有毒物质从而对敏感的生物段起到保护作用。
　　本工艺从能耗角度，特别是电费较高时是十分有吸引力的。化学药剂费用可从生化段节省的能耗和除磷效果得到充分的补偿。
2.5 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。工艺流程如下：

　　总水力停留时间约为12小时。
　　去除效率：SS＞90％ BOD＞90％ 总磷≈95％ 总氮≈75％
　　混凝剂可采用铝盐、三价铁盐等，不能采用亚铁盐、石灰。
　　本工艺充分利用污水中的有机物作为进一步脱氮的有机碳源。工艺分为两段，第一阶段通过预沉淀将污水中的有机物储存在初沉污泥中以促进好氧池的硝化，第二阶段则将储存的有机物返回生化池以促进脱硝。
　　预沉淀不仅能达到较好的除磷效果，还能对有机物有较高的去除效率，通常可达75％左右，这就显著改变了碳／氮比，减少好氧池生化污泥产量从而延长泥龄可使世代周期较长、竞争力较差的的硝化菌获得优势，从而进一步增加了好氧池的硝化效果。

结论

　　① 对于一般城市污水仅仅采用单纯的生物除磷，特别目前普遍采用的单级生物脱氮与除磷相结合的工艺，难于满足目前国家污水综合排放标准的要求，因此有必要考虑采取化学除磷或化学辅助除磷。
　　② 针对不同的处理水质特点和处理要求，并结合当地具体条件，可在上述的化学除磷工艺中选择较适宜的一种进行进一步的详细技术经济分析，从而可在与生化处理相比增加投资及运行费用不多、甚至相当的情况下，满足出水中磷的指标要求。
　　③ 在环境要求越来越高，排放标准愈加严格的情况下，国内的污水处理设计研究人员有必要了解在西方国家仍为主流和具有生命力的城市污水化学除磷工艺，并在工程设计中与生化处理工艺综合比较并结合采用，从而获得经济可行、经得起实践检验的污水处理工艺。

参考文献
　　［1］郑兴灿、李亚新编著.污水除磷脱氮技术.北京：中国建筑工业出版社，1998
　　［2］Charlotte Monnich Jungand Ingemar Karlssn.Chemicalor Biological P-removal for the Future.Water Mirror.No.2／1999
　　［3］Handbookon Water Treatment