生活污水強(qiáng)化除磷技術(shù)研究進(jìn)展

謝禹，陳仁杰，陶正凱，荊肇乾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

人類生產(chǎn)生活造成的水體污染日益加劇，水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)而引發(fā)的水華、赤潮、水體黑臭等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。水體中的磷超標(biāo)是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因，不僅極大地破壞了環(huán)境，而且由于缺乏有效的治理手段，磷污染還具有持續(xù)性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)[1]。雖然近年來通過城市污水處理技術(shù)和裝備的升級(jí)、村鎮(zhèn)環(huán)境整治以及水體的綜合治理，整體的水體環(huán)境污染已經(jīng)得到一定的遏制。但是一方面，我國(guó)東部地區(qū)人口稠密，產(chǎn)生污水量大，且逐年攀升，磷污染的形勢(shì)更加嚴(yán)峻；另一方面，我國(guó)的污水處理廠的處理能力和水平存在較大差異，一些污水廠的出水磷含量至今仍超過國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。按照滿足地表水Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(總磷濃度對(duì)流動(dòng)水體要求為0.3 mg/L以下，湖泊和水庫(kù)的要求為0.1 mg/L 以下)來看，即便污水處理達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)排放，仍然會(huì)對(duì)水體造成潛在污染[4]。由于污水的總磷組成形態(tài)多元、污染物質(zhì)類型多樣、水量水質(zhì)波動(dòng)較大等原因，如何有效去除污水中的磷并有效回收十分重要，磷去除技術(shù)優(yōu)化對(duì)于污水處理廠技術(shù)升級(jí)和水體環(huán)境保護(hù)仍然具有重要研究?jī)r(jià)值[5]。

1 生物除磷

生物除磷技術(shù)是目前城市污水處理廠除磷領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的方法，主要通過活性污泥處理工藝實(shí)現(xiàn)污水生物除磷。生物除磷的主要原理是聚磷菌在厭氧條件下會(huì)分解體內(nèi)的聚磷酸鹽，并合成β-羥基丁酸(PHB)等有機(jī)物[6-7]，而在好氧條件下，聚磷菌則會(huì)分解體內(nèi)的PHB等有機(jī)物，并過量攝取污水中的磷酸鹽合成聚磷酸鹽。利用聚磷菌好氧過量攝磷的特性，可以實(shí)現(xiàn)聚磷菌再生和富磷污泥排放的同步運(yùn)行[8]。目前，較為常見的生物除磷工藝主要包括：SBR、A2/O 工藝、A/O工藝及其改良工藝等，通過工藝設(shè)置厭氧區(qū)或者厭氧時(shí)間段，與后續(xù)的好氧區(qū)或者好氧時(shí)間段交替，可以有效除磷。但是由于進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)或者進(jìn)水碳源限制，生物除磷效果往往具有較大差異。

生物除磷過程需要一定有機(jī)物濃度，與生物脫氮過程對(duì)有機(jī)物存在一定的競(jìng)爭(zhēng)。有研究表明，去除單位量的總磷需要的碳源是單位硝態(tài)氮脫氮需要碳源的6.1倍[12]，要實(shí)現(xiàn)生物有效除磷，需要在厭氧區(qū)維持一定的低分子有機(jī)物濃度。為提高除磷效果，也有較多的研究通過反硝化除磷等技術(shù)結(jié)合，利用共同的碳源，在除磷的同時(shí)有效脫氮，協(xié)調(diào)除磷和脫氮的矛盾。由于生物除磷最終是將磷轉(zhuǎn)移到污泥里面去，是通過剩余污泥的排放和處置最終去除污水中的磷，因此要有效除磷，需要控制較低的泥齡，一般3～5 d。生物脫氮?jiǎng)t需要控制良好的硝化條件，泥齡相對(duì)較長(zhǎng)，一般要控制在10 d以上。因此，污水生物除磷脫氮還要協(xié)調(diào)除磷和脫氮在泥齡方面的矛盾。

2 化學(xué)除磷

化學(xué)除磷是通過投加適量金屬鹽或者礦物，將污水中的磷酸鹽轉(zhuǎn)為沉淀去除。一般需要控制堿性條件，提高除磷效果?；瘜W(xué)除磷一般作為生物除磷的輔助措施，在生物除磷難以達(dá)到排放要求的前提下，通過化學(xué)方法深度除磷。

周莊古鎮(zhèn)地埋式污水處理廠[13]采用化學(xué)除磷工藝，出水總磷可以達(dá)到1 mg/L以下。黃瀟等[14]考察了Fe2+作為同步化學(xué)除磷藥劑的可行性，并優(yōu)化了藥劑的投加量和投加位置。結(jié)果表明，F(xiàn)e2+作為A-MAO工藝的輔助除磷手段和磷酸鹽最佳投加比例為1.5，最佳投加位置為按照水力時(shí)間測(cè)算的工藝出水口前1 h出水TP可以達(dá)到0.3 mg/L以下，去除率高于90%。Fe2+的投加還能促進(jìn)脫氮效果，并改善污泥的沉降性能，抑制污泥膨脹。在污水處理廠深度處理工藝中，通過化學(xué)除磷應(yīng)用更加普遍。通過投加適量金屬鹽藥劑，可以控制出水總磷穩(wěn)定在0.5 mg/L以下。但是由于污水處理廠尾水中磷的存在形態(tài)往往以有機(jī)磷狀態(tài)存在，單純的加藥除磷往往難以控制出水總磷低于0.3 mg/L以下。要對(duì)尾水進(jìn)行有效除磷，往往還要結(jié)合其他高級(jí)化學(xué)氧化技術(shù)，將磷酸鹽從有機(jī)物中釋放出來以有效除磷。而且懸浮物的去除對(duì)磷的去除也有較大影響，化學(xué)除磷的同時(shí)往往要與混凝沉淀、過濾、微濾等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。

3 生物化學(xué)除磷

生物化學(xué)協(xié)同沉淀除磷技術(shù)是在生物除磷的基礎(chǔ)上通過投加化學(xué)除磷劑，以化學(xué)沉淀強(qiáng)化除磷并改善生物處理系統(tǒng)穩(wěn)定性[15]。生物化學(xué)除磷兼具生物除磷和化學(xué)除磷的優(yōu)點(diǎn)，在生物除磷工藝系統(tǒng)中投加化學(xué)除磷劑，不僅可以使生物除磷和化學(xué)除磷均能充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，還能夠使兩者之間相互協(xié)同，相互促進(jìn)[16]。

生物化學(xué)除磷可以與反硝化除磷、厭氧釋磷、污泥濃縮和污泥消化等工藝結(jié)合，利用厭氧釋放的磷酸鹽添加化學(xué)藥劑進(jìn)行除磷。聶超等將二沉池回流污泥進(jìn)行厭氧釋磷，控制厭氧時(shí)間為4 h，釋磷后的污泥回到生物處理系統(tǒng)進(jìn)行生物除磷，并對(duì)厭氧上清液進(jìn)行化學(xué)除磷，通過投加氯化鎂和氨水，在N∶Mg∶P 的投加比例為5∶1.6∶1，pH為10的情況下，不僅有效回收了磷，而且對(duì)生物系統(tǒng)磷的去除效率提高了20%[18]。

4 生態(tài)除磷技術(shù)

生態(tài)除磷技術(shù)主要通過水生植物、基質(zhì)及水生微生物等組成的生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)磷去除。生態(tài)處理技術(shù)不僅可以有效削減氮磷、有機(jī)質(zhì)污染，而且還可以分解或固定部分難降解有機(jī)物質(zhì)、重金屬等有毒有害物質(zhì)[19]。生態(tài)處理技術(shù)總體上表現(xiàn)出投資運(yùn)行成本低、次生污染風(fēng)險(xiǎn)小、氮磷去除率高等優(yōu)勢(shì)[20-21]。

李海英等面向黑臭缺氧、氨氮濃度高的污染河道開發(fā)了一種微曝氣生態(tài)浮床系統(tǒng)，以漂浮載體懸掛彈性生物膜填料和水生植物水芹，輔以人工微曝氣系統(tǒng)構(gòu)建而成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)總磷的平均去除率可達(dá)到 75.1%[22]。沈士德等研究發(fā)現(xiàn)利用基因工程菌處理水體富營(yíng)養(yǎng)化，能夠有效解決水體的富營(yíng)養(yǎng)化問題，不僅可以有效消滅水藻、去除異味，還可以對(duì)含有大量氮磷元素的污泥進(jìn)行降解，從源頭上抑制藻類的繁殖[23]。在農(nóng)村污水處理工程中，通過人工濕地、生態(tài)濾床技術(shù)結(jié)合，布置適量石膏、石灰石、粉煤灰濾料等鈣質(zhì)填料，可以輔助除磷。特別在低溫季節(jié)，植物枯萎，植物吸收利用作用有限的情況下，保證污水中磷的有效去除。

劉文濤等在農(nóng)村生活污水處理中，在前面設(shè)置厭氧和跌水曝氣基礎(chǔ)上，后面利用水耕蔬菜人工濕地技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)污水中的磷的有效資源化利用，出水總磷達(dá)到0.34 mg/L[24]。徐麗等將水生植物濾床與潛流人工濕地進(jìn)行組合，處理經(jīng)過生物處理的農(nóng)村污水尾水，在夏秋季組合系統(tǒng)對(duì)總磷的去除率達(dá)到63.2%，植物吸收對(duì)磷去除的貢獻(xiàn)達(dá)到21.5%[25]。

生態(tài)除磷技術(shù)目前主要用于小型生活污水、污水處理廠尾水處理、城市水體治理等工程項(xiàng)目，需要將水生植物種植、土壤過濾、人工濕地等技術(shù)結(jié)合。生態(tài)除磷效率與溫度和季節(jié)關(guān)系較大，在冬季低溫季節(jié)需要結(jié)合除磷基質(zhì)配置保證除磷效果，而且還要防止水生植物枯落物帶來的二次污染問題。

5 污水中磷資源回收

磷是地球生命活動(dòng)不可或缺的重要營(yíng)養(yǎng)元素，而存在于磷酸鹽礦物或生物化石中的磷又是地球上不可自然再生的有限資源，近年來國(guó)際磷礦石價(jià)格一路飆升，較10年前翻了6番[26]。與此同時(shí)，全球范圍內(nèi)陸地磷礦產(chǎn)資源日益匱乏，而水環(huán)境中的磷含量卻過高進(jìn)而引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化[27]。拮據(jù)的資源與環(huán)境現(xiàn)狀推動(dòng)了以“回收”代替“去除”的磷資源循環(huán)利用理念的快速傳播，更多的科學(xué)研究關(guān)注并實(shí)現(xiàn)了磷資源回收技術(shù)取得實(shí)際應(yīng)用[28]。

梅翔等構(gòu)建了以白云石提供鈣鎂源的磷回收方法，探討了磷回收的工藝條件與效果。研究利用白云石為鈣鎂源，通過構(gòu)建不同的磷回收體系可以分步從污泥厭氧消化液中回收磷，裝置操作簡(jiǎn)便，易于控制，且磷回收率高、經(jīng)濟(jì)成本低[29]。結(jié)晶法回收磷是目前研究較為廣泛的磷回收技術(shù)，通過控制反應(yīng)條件使得廢水中的磷以鳥糞石的晶體形態(tài)沉淀并加以回收利用。王燕群等嘗試采用鳥糞石結(jié)晶法回收廢水中的磷，研究了pH及結(jié)晶條件對(duì)鳥糞石純度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳pH為8.0～10.0(當(dāng)磷初始濃度<50 mg/L時(shí)最佳pH為9.5～10.0；當(dāng)磷初始濃度>50 mg/L時(shí)最佳pH為9.0；當(dāng)磷初始濃度>150 mg/L時(shí)最佳pH為8.0～8.5)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致[30]。高琪娜等將結(jié)晶法除磷與反硝化除磷結(jié)合，在化學(xué)沉淀過程中添加適量一定級(jí)配的石英砂作為結(jié)晶晶核，在進(jìn)水TP的質(zhì)量濃度為3.76～15.68 mg/L的情況下，通過A2N-SBR工藝增加兩級(jí)誘導(dǎo)結(jié)晶柱，磷的結(jié)晶回收率達(dá)到80%以上[31]。

6 結(jié)論

污水處理廠需要結(jié)合自身進(jìn)水水質(zhì)、氣候條件等情況，合理優(yōu)選污水除磷技術(shù)。生物除磷技術(shù)在污水處理廠應(yīng)用較為普遍，但是由于受進(jìn)水水質(zhì)等條件限制，往往需要與其他除磷技術(shù)結(jié)合。在進(jìn)水有機(jī)物濃度較低或者冬季生物除磷效率變低，出水水質(zhì)難以滿足要求時(shí)，可以增設(shè)化學(xué)除磷作為輔助工藝，選用生物化學(xué)協(xié)同除磷技術(shù)會(huì)比單種工藝獨(dú)立使用更加高效。在農(nóng)村污水處理、水體環(huán)境整治中，生態(tài)除磷技術(shù)則具備獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)磷的農(nóng)業(yè)資源化利用。污水處理中的磷回收技術(shù)作為一個(gè)具有重大潛力且目前應(yīng)用較少的新型技術(shù)，應(yīng)引起更高的重視，并逐步納入未來污水廠的提質(zhì)改造和建設(shè)規(guī)劃之中，既能實(shí)現(xiàn)污水中磷的有效去除，也能實(shí)現(xiàn)磷的資源化回收。