污水除磷及回收技术应用探讨

黄光稳 王 慧

（安徽汇泽通环境技术有限公司 安徽合肥 230088）

引言

磷（P）是生物体必备的营养元素之一，在生态环境中发挥着极其重要的作用。但在常规淡水系统中磷含量是有限的，一旦水中磷酸盐的含量超过一定浓度势必会导致植物过度生长。因此，含磷污水排入水体中，会导致水质出现富营养化，提升藻类繁殖速度，发生“水华”现象，加剧水质恶化，最终会导致水体中的生物大量死亡。近年来，随着工业化、城市化进程的加快，城市生产生活污水排放量持续增加，不仅严重的污染了生态环境，也给市民生产生活带来影响。其中，污水中的磷含量超标成为污水处理关注的重点方向之一。因此，要切实采取有效措施，解决好污水中的磷超标问题，切实推进污水除磷工作，真正实现达标排放，为市民生产生活营造良好的生态环境。含磷污水主要来自生活污水、养殖业及农田径流，其中，含磷生活污水约占全部磷来源的63%左右。含磷生活污水80%来自人体排泄，其余主要来自食物废渣及洗涤废水。含磷生活污水通常以聚合磷酸盐离子、正磷酸盐离子、缩合磷酸盐及有机磷化物，以及非溶解性无机磷[1]形式存在。此外，地表径流中的内河含磷也有降水因素，其总磷浓度约为0.03-0.04mg/L。目前，化学除磷和生物除磷是城镇污水最为常用的除磷工艺技术，均是将可溶性磷转化为悬浮性磷，从污水中分离。其中，化学除磷是利用磷的循环转化过程，或将磷转化为不溶性磷酸盐沉淀；生物除磷则是利用细胞合成，将污水中的磷吸收至生物细胞，随着生物成长后达到降低去除效果[2]。从我国城镇污水排放实际看，普遍存在碳氮比较低，而生物除磷工艺较适合于BOD5＞200mg/L 的高浓度污水，对于BOD5＜200mg/L的低浓度污水，以及因DO、pH 值、有机物浓度、硝态氮等因素变化也会影响污水除磷效果，因此，应辅之以化学除磷工艺技术。

1 案例概况

1.1 污水排放规模及水质

某城镇污水处理厂设计进水处理规模为6.5×104t/d，其实际处理废水规模则为6.8×104t/d，进水水质COD、氨氮、BOD5、总磷、总氮平均分别为210mg/L、120mg/L、25mg/L、5mg/L、40mg/L，进水水质中的污染物含量浓度指标低于设计值。

1.2 污水处理工艺流程

该城镇污水处理厂的污水处理工艺选用“旋流沉沙+改良式氧化沟工艺”，其中，深度处理工艺为“混凝沉淀+过滤、消毒处理工艺”。

具体工艺流程为：城镇污水处理经城镇污水管网统一收集进厂，流经格栅和沉砂池，其中20%污水经预缺氧区、80%污水经厌氧区、好氧区处理后，经二沉池、集水池、混凝沉淀池及过滤池和消毒池处理后，实现出水达标排放。

2 除磷工艺技术应用及效果

2.1 生物除磷工艺原理

生物除磷工艺是利用细菌在厌氧、好氧交替条件下，诱导激发细胞将其内体聚合磷累积并释放出磷酸根和键能，再经ATP、ADP 转换，聚磷菌将VFA 摄入细胞内，以聚β-PHB 形式贮存，提高污水中磷含量，降低BOD5含量。再在好氧条件下，PHB 有机物被聚磷菌吸收氧化分解，吸收磷，降低污水中的磷含量，将剩余污泥排出，从而实现除磷效果[3]。从其工艺原理来看，本污水处理厂所选生物除磷工艺在实际应用过程主要经历三个阶段：（1）过量摄取磷。好氧条件下，生物除磷菌利用污水中有机物，及其体内存储的聚β-PHB 氧化分解释放出的能量，为聚磷菌吸收污水中的磷酸盐提供能量。经此吸收，其中部分磷合成了ATP，大部分磷则被合成为聚磷酸盐存储于细胞体内。（2）释放磷。厌氧条件下，微生物聚磷菌分解体内聚磷酸盐，其中的无机磷盐释放出来，利用ATP 将污水中有机物输入细胞体内，并以聚β-PHB 等有机颗粒形式存储于细胞体内，排出因聚磷酸盐分解所产生的磷酸。（3）排放富磷污泥。厌氧条件下摄取的磷要低于好氧条件下所摄取的磷，生物除磷工艺利用好氧—厌氧交替环境，达到转移磷酸盐的效果。最后，将剩余污泥排放，达到降低污水中的磷含量，实现高效除磷。

2.2 化学除磷工艺原理

化学除磷是利用化学试剂与污水中的磷发生化学反应，生成难溶于水的沉淀物，实现除磷效果。目前，铁盐、铝盐、钙盐等沉淀剂使用最为广泛。化学除磷主要是针对单独利用生物除磷工艺无法达到预期除磷效果的一种辅助性技术手段。影响化学除磷效果的因素主要包括化学试剂种类、投加量、温度、污泥浓度及药剂投加位置[4]。（1）除磷药剂比选。目前，常用到的化学除磷试剂包括聚合氯化铝、三氯化铁和聚合硫酸铁。以该污水处理厂所选用的工艺，以二沉池出水为试验原水，在总磷浓度为0.68mg/L 条件下，根据10mg/L、20mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L 等不同浓度梯度下投药量进行混凝试验，从处理的经济成本及处理的综合效果来看，氯化铁药剂应用于本污水处理厂除磷药剂使用更为妥当，按35mg/L 的投加量计算，药剂成本约为0.085 元/t。（2）投加点选择。污水处理厂除磷化学药剂投加点包括前沉析、同步沉析和后沉析，不同投加点会影响药剂投加量及其应用效果。其中，前沉析阶段投加化学药剂，所需化学药剂投加量大，且后期产生污泥量更多，降低污水处理中的有机碳源。后沉析环节添加化学药剂，则需要单独增设混凝沉淀设备，增加了处理过程和成本，影响处理效率。鉴于此，本污水处理厂采取同步沉析法，将氯化铁药剂投加至氧化沟至二沉池中间的配水井，利用管道混合及二沉池配水完成药剂混凝反应。可有效降低污泥产量，提升污水中磷的去除效率，所用药剂量较少，投加量为30mg/L。

2.3 除磷工艺技术应用效果

2020 年5 月该污水处理厂进出水总磷指标，进水总磷＜5mg/L时，二沉池出水总磷在0.48mg/L-0.8mg/L 范围。进水COD 浓度平均低于200mg/L，生物除磷可达到87%左右，各项设备运行系统稳定，参数控制也满足了相关要求。为进一步提升污水总磷处理效果，降低出水总磷浓度，还需采取化学除磷辅助工艺。2020年10 月开始投加氯化铁化学药剂辅助除磷，投加5 天后，出水总磷降低至0.3mg/L 以下，目前，整个污水处理厂的出水水质可稳定于0.2mg/L 以内（见表1），相比较2020 年10 月同期的出水总磷指标而言，除磷效果显著。

表1 2020年10月进出水总磷及处理效率

3 污水处理中磷的回收利用

生物除磷后的含磷污泥可作为肥料使用，但生物污泥直接施用于土壤，在增加土壤营养成分的同时，也存在增加土壤及植物中重金属浓度的风险。因此，需要通过适当技术处理好生物污泥，以实现从污水中获得更加纯净、更为有效形式的磷的利用。

3.1 厌氧消化及脱水污泥

利用厌氧消化污泥稳定技术，能够实现病原体与有机固体物分解，并以甲烷形式回收能量。利用厌氧消化技术可将污泥中的磷进行生物降解，并释放至消化液。利用含磷生物污泥厌氧消化，使污泥中的磷溶解释放，生成鸟粪石实现磷的回收利用。

3.2 湿法化学萃取

利用酸或碱使污泥灰分、污泥或其他污泥残留物中磷的溶解释放，即湿法化学萃取技术，但利用该技术回收利用污泥中的磷，也要做好磷与重金属分离，可利用鸟粪石结晶，降低污水中铁离子、铝离子和钙离子的浓度，提升鸟粪石回收利用率。与酸萃取相比，碱萃取技术能够有效降低重金属或准金属释放，但后续过滤成本较高。根据污水一级或二级处理过程对磷的去除情况及去除工艺的选择相应磷回收技术。

3.3 污泥焚烧灰中回收磷

污水处理后产生的污泥，对其进行焚烧，可满足高温条件下有机成分的充分氧化，利用控制焚烧条件使污泥焚烧至污染物可回收利用产品阶段[5]。由于磷酸盐的热稳定性，经焚烧后磷依然被留存于污泥灰分中，再利用酸来溶解污泥灰分，实现重金属、磷酸钙、氢氧化铁及氢氧化铝的分离效果，磷以鸟粪石形式回收，且重金属含量极低，实现商业利用。

结语

污水除磷并做好回收利用，是实现环境效益与经济效益的重要举措，面对各种污水除磷技术的发展和应用，应围绕污水处理工作的实际，第一，采取生物除磷技术为主，辅之以化学除磷工艺技术，可有效解决污水富营养化，从而提升污水处理厂除磷的效果。第二，污水处理采用除磷技术应充分考虑环保效益与经济效益两大因素，在考虑除磷效果的同时，也要关注相应的经济效益，注重磷回收利用，以鸟粪石结晶沉淀方式，可实现污水中磷的回收，降低处理成本。