污水生物处理化学同步除磷技术中试研究

王凯军，常丽春，迟文涛，柯建明，杨丽萍

（北京市环境保护科学研究院，北京 100037）

　　水体富营养化、污水回用和磷可持续利用等问题均与污水除磷技术息息相关^[1,2]。目前国内外普遍采用的除磷方法主要有化学除磷法、生物除磷法，以及化学和生物除磷相结合的生化除磷法^[1]。生物除磷技术经济有效，被广泛应用，但受出水SS、原水水质、脱氮条件等多种因素影响，生物除磷系统的出水TP难以稳定达标，需通过附加化学沉淀来改善生物除磷工艺的稳定性^[3,4]。

　　随着我国污水排放标准中对N、P的要求日趋严格，我国面临着现有污水处理设施除磷工艺的改造和新建具有除磷脱氮功能的污水处理设施两种情况。活性污泥工艺和生物接触氧化工艺是具有代表性的两种污水处理工艺。本研究在小试研究结果的基础上^[5]，进行了活性污泥工艺和生物接触氧化工艺化学同步除磷中试研究，探讨其TP去除效果及相关特性，为解决我国污水生物处理工艺的磷达标问题提供一些有益的参考。

　　1 试验装置与方法

　　1.1 试验原水

　　中试试验在北京环科院中水车间内进行，试验原水为北京环科院生活小区污水。小区规模较小，生活污水水质波动较大，试验期间TP浓度在2.35～17.5 mg/L。

　　1.2 试验装置与流程

　　活性污泥工艺和生物接触氧化工艺化学同步除磷试验如图1和图2所示。

图1 活性污泥工艺除磷中试流程图

图2 接触氧化工艺除磷中试流程图

　　活性污泥曝气池有效容积为2.12 m³，二沉池容积为1.37 m³，进水量为300 L/h，水力停留时间为11.6小时。接触氧化工艺接触氧化池有效容积3.65 m³，二沉池容积1.61 m³，进水量350 L/h，水力停留时间为15小时。填料采用硬性填料。

　　1.3 除磷药剂

　　试验药剂采用FeCl₃固体，纯度为96%；聚合氯化铝固体，纯度为27%。投药量以实际纯度药剂质量计。

　　2 结果与分析

　　2.1 TP去除效果

　　活性污泥工艺和生物接触氧化工艺的化学同步除磷中试采用相同原水进行平行试验。试验分阶段进行，各阶段分别投加不同剂量的三氯化铁或聚合氯化铝。两种工艺各阶段试验条件和TP平均去除效果如表1所示，试验TP历时去除效果见图3。

表1 活性污泥工艺与生物接触氧化工艺中试试验条件和平均除磷效果

图3  活性污泥工艺与生物接触氧化工艺中试除磷效果历时曲线

　　①由表1和图3可知，对于活性污泥工艺化学同步除磷试验：

　　试验阶段Ⅰ投加100 mg/L FeCl₃，进水TP在2.35～14.30 mg/L之间，平均为9.10 mg/L，出水TP在0.23～1.30 mg/L之间，平均为0.55 mg/L，除开始阶段出水TP偏高外，其他出水基本在0.5 mg/L左右，去除率为73.6%～98.0%，平均为90.7%。

　　试验阶段Ⅱ投加50 mg/L FeCl₃，进水TP在4.55～16.0 mg/L之间，平均为11.8 mg/L，出水TP在0.64～3.90 mg/L之间，平均为2.29 mg/L，出水TP波动较大，且总体较高，去除率为65.4%～95.3%，平均为80.4%。

　　试验阶段Ⅲ投加75 mg/L FeCl₃，进水TP在9.85～13.1 mg/L之间，平均为11.6 mg/L，出水TP在0.34～1.54 mg/L之间，平均为0.76 mg/L，去除率为87.1%～97.2%，平均为93.4%。除试验第一天出水TP浓度偏高外，其余11天的出水除2次为1.07 mg/L、1.10 mg/L外，均低于0.9 mg/L。两次高于1.0 mg/L的结果出现在试验第3天、第4天，且进水TP浓度升至12 mg/L的情形下。分析原因为试验初期刚刚改换运行条件，系统尚未稳定，所以此时进水TP升高，由于系统稳定性较差，导致出水效果不好。在试验后期，尽管TP浓度在12～13 mg/L，但出水TP在0.34～0.73 mg/L。

　　试验阶段Ⅳ投加100 mg/L聚合氯化铝试验过程中，进水TP在12.0～17.2 mg/L之间，平均为13.6 mg/L，出水TP在0.50～2.71 mg/L之间，平均为1.18 mg/L，去除率为84.2%～96.2%，平均为91.6%。试验初期进水TP浓度较高在14.0～17.2 mg/L之间，处理效果较差，出水TP在1.6～2.7 mg/L之间。试验系统适应新的运行条件后，出水保持在0.5～1.0 mg/L之间，但当进水TP升高时，出水TP略高于1.0 mg/L，在1.03～1.07 mg/L之间。

　　试验阶段Ⅴ投加150 mg/L聚合氯化铝试验过程中，进水TP在11.8～17.5 mg/L之间，平均为14.7 mg/L，出水TP在0.56～1.08 mg/L之间，平均为0.81 mg/L，去除率为92.9%～96.4%，平均为94.5%。试验初期出水TP在1.05～1.08 mg/L之间。试验系统稳定后，出水TP稳定低于1.0 mg/L。

　　②对于生物接触氧化工艺化学同步除磷试验：

　　试验阶段Ⅰ投加100 mg/L FeCl₃试验过程中，进水TP波动较大，在2.35～14.30 mg/L之间，平均为9.10 mg/L，出水TP在0.53～1.48 mg/L之间，平均为0.86 mg/L，去除率为56.6%～95.3%，平均为85.4%。试验运行初始阶段，出水TP较高，在1.2～1.5 mg/L之间。系统运行稳定后，出水TP保持在1.0 mg/L以下。

　　试验阶段Ⅱ投加50 mg/L FeCl₃试验过程中，进水TP波动较大，在4.55～16.0 mg/L之间，平均为11.8 mg/L，出水TP在0.66～3.55 mg/L之间，平均为2.30 mg/L，出水TP波动较大，且总体较高，去除率为66.5%～95.1%，平均为80.2%。

　　试验阶段Ⅲ投加75 mg/L FeCl₃试验过程中，进水TP波动较大，在9.85～13.1 mg/L之间，平均为11.6 mg/L，出水TP在0.65～1.76 mg/L之间，平均为1.12 mg/L，去除率为85.5%～94.4%，平均为90.4%。

　　试验阶段Ⅳ投加100 mg/L聚合氯化铝试验过程中，进水TP在12.0～17.2 mg/L之间，平均为13.6 mg/L，出水TP波动较大，在0.71～3.27 mg/L之间，且总体偏高，平均为1.93 mg/L，去除率为76.5%～94.7%，平均为85.8%。

　　试验阶段Ⅴ投加150 mg/L聚合氯化铝试验过程中，进水TP在11.8～17.5 mg/L之间，平均为14.7 mg/L，出水TP在0.78～2.38 mg/L之间，平均为1.52 mg/L，出水TP波动较大，且总体较高，去除率为84.0%～94.2%，平均为89.5%。

　　由表1和图3可以看出，在各试验阶段，活性污泥工艺化学同步除磷的TP去除效果总体上优于生物接触氧化工艺化学同步除磷的TP去除效果。这可能是由于化学除磷是化学沉析和絮凝作用共同完成的，在活性污泥反应器内，良好絮凝性活性污泥的存在能促进絮凝，且活性污泥工艺中的污泥回流可使原来投加过量的药剂回流到污水中得到充分利用，从而增强除磷效果。而生物接触氧化工艺污泥相对比较密实，絮凝性能较差，所以需要较多的铁盐，以达沉析与絮凝作用。

　　2.2 药剂投加系数

　　化学除磷投药量计算较为复杂，目前还没有公开发表过技术试验结果来描述化学除磷投药量的计算方法，常引入药剂投加系数β值，即摩尔Fe或Al/摩尔^[6]。

　　投加系数β是受多种因素影响的，如投加点、混合条件等，实际投加时建议通过投加试验确定。现对中试试验中β与TP去除效果进行分析，如图4和图5。

图4  不同β值下铁盐除磷效率

　　由图4可知，要达90%以上的TP去除率，铁盐β值应在1.6以上。且相同β值情况下，活性污泥工艺的TP去除率优于生物接触氧化的TP去除率。

图5  不同β值下铝盐除磷效率

　　由图5可知，要达90%以上的TP去除率，活性污泥工艺的铝盐β值应在1.2以上，生物接触氧化工艺的铝盐β值应在2.0以上。相同β值情况下，活性污泥工艺的TP去除率优于生物接触氧化的TP去除率，且程度高于投加铁盐的效果。

　　由以上分析可知，相同β值情况下，活性污泥工艺的TP去除率优于生物接触氧化的TP去除率，或达相同的去除效果，生物接触氧化工艺的β值较活性污泥工艺高。分析原因，仍为活性污泥工艺污泥絮体絮凝效果好，且污泥回流可以充分利用沉析药剂。而生物接触氧化工艺污泥相对密实，絮凝性能较差，无污泥回流。

　　2.3 污泥性质比较

　　为考察投加化学药剂对污泥性质的影响，试验过程中对活性污泥工艺和生物接触氧化工艺试验装置中的污泥性质进行了分析。试验过程中对两工艺试验装置分别取污泥样品10次，测定了污泥样品的SS、VSS和VSS/SS，结果如图6和图7。

　　由图6可知，活性污泥工艺SS在3340～5180 mg/L之间，平均为4278 mg/L，VSS在1780～3600 mg/L之间，平均为2820 mg/L，VSS/SS在0.53～0.74之间，平均为0.66；由图7可知，生物接触氧化工艺SS在6120～22 700 mg/L之间，平均为13 746 mg/L，VSS在3360～14 850 mg/L之间，平均为8500 mg/L，VSS/SS在0.55～0.65之间，平均为0.61。

图6活性污泥工艺试验污泥浓度曲线 

图7生物接触氧化工艺试验污泥浓度曲线

　　两工艺的污泥指标均有一定变化，但变化范围与单一生化工艺的结果基本一致。且比较两工艺的污泥指标数值，活性污泥工艺的污泥浓度较生物接触氧化工艺稳定，活性污泥工艺的污泥活性与生物接触氧化工艺相比变化略大，这也与单一生化工艺的结果一致。说明化学药剂的投加，对活性污泥反应器内污泥性质无明显影响。

　　3 结论

　　①活性污泥工艺化学同步除磷和生物接触氧化化学同步除磷均有良好的TP去除效果。

　　对于活性污泥化学同步除磷工艺，投加100 mg/L FeCl₃，当进水TP为2.35～14.30 mg/L时，可获得0.5 mg/L左右的出水TP，可稳定满足1.0 mg/L的标准。投加75 mg/L FeCl₃，当进水TP为9.85～13.1 mg/L时，工艺运行稳定，出水TP可满足1.0 mg/L的排放标准。投加150 mg/L聚合氯化铝，当进水TP为11.8～17.5 mg/L时，工艺运行稳定，出水TP能稳定满足1.0 mg/L的排放标准。

　　对于生物接触氧化化学同步除磷工艺，投加100 mg/L FeCl₃，当进水TP为2.35～14.30 mg/L时，系统运行稳定后，出水TP保持在1.0 mg/L以下。投加75 mg/L FeCl₃，当进水TP为9.85～13.1 mg/L时，工艺运行稳定，出水TP低于1.5 mg/L。投加150 mg/L聚合氯化铝，当进水TP在11.8～17.5 mg/L之间，出水TP在0.78～2.38 mg/L之间，平均为1.52 mg/L，出水TP波动较大，且总体较高，去除率为84.0%～94.2%，平均为89.5%。

　　②在相同试验条件下，活性污泥工艺化学同步除磷的TP去除效果总体上优于生物接触氧化工艺化学同步除磷的TP去除效果。

　　③要达90%以上的TP去除率，两种工艺投加铁盐β值应在1.6以上，投加铝盐β值，对于活性污泥工艺应在1.2以上，对于生物接触氧化工艺应在2.0以上。

　　④化学药剂的投加，对生化处理反应器内污泥性质无明显影响。

　　参考文献

　　[1] 郑兴灿, 李亚新. 污水除磷脱氮技术. 北京: 中国建筑工业出版社. 1998.

　　[2] 郝晓地, 甘一萍. 排水研究新热点—从污水处理过程中回收磷. 给水排水, 2003, 29(1): 20-25.

　　[3] 邱慎初, 丁堂堂. 探讨城市污水生物处理出水的总磷达标问题. 中国给水排水. 2002. 18(9): 23-25.

　　[4] M.C.M. van Loosdrecht C.M. Hooijmans D. Brdjanovic etc l (1997). Biological phosphate removal processes. Appl Microbiol Biotechno 48: 289-296

　　[5] 生物处理化学除磷技术研究报告. 北京市环境保护科学研究院. 北京. 2004

　　[6] 徐乐中. 生活污水化学除磷投药量计算. 苏州城建环保学院学报, 7 (9): 60-67.