污水厂生化工艺和深度处理工艺对不同形态磷的去除

马明扬

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168)

我国是世界上水资源短缺较严重的国家，这一方面可能是由于可直接利用的水资源本身就不多[1]；另一方面，水体污染也会导致水资源短缺[2]，对大部分河流与湖泊水质的检测发现，磷是水体富营养化的主要限制因子。同时，随着社会的迅速发展以及人口数量的不断加大，生活污水和工业废水的排放量也持续升高。若将这些污水直接排入河流中，水体的自净能力将大大降低，还会引起水体中藻类和水生植物的异常繁殖，藻体死亡将导致更严重的水体污染，进一步通过食物链影响动植物生长及人体健康[3]。因此，磷的深度去除是污水厂水质进一步改善的关键。

目前我国污水厂处理后的出水要求满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准(TP≤0.5 mg/L)或者《地表水质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类标准(TP≤0.3 mg/L)后排放，对出水进行深度除磷，使总磷浓度降至更低的水平意义重大。传统的生物法除磷是通过聚磷菌在缺氧、厌氧和好氧环境中交替运行下实现的。但实践反馈表明，单单利用生物除磷使出水达标排放并不容易[4]。因此，利用化学法投加混凝剂形成沉淀后并过滤的深度处理加以辅助，使污水中的磷得到进一步去除。然而，相对于沉淀和过滤而言，混凝剂的选择以及药剂的投加量对处理效果的影响较大，许多学者针对不同情况对比研究了混凝剂的处理效果。Wang等[5]探究了硫酸铁、硫酸铝和聚合氯化铝对磷的去除效果，出水总磷(TP)浓度分别为0.35，0.12和0.16 mg/L。潘理黎等[6]以太湖流域某污水处理厂尾水为研究对象，通过比较不同混凝剂的除磷效果发现，PAC和PFS的除磷效果最好，PFS的投加量为15 mg/L时，能将TP为1.46 mg/L的进水处理至出水TP<0.5 mg/L。铝盐的除磷效果优于铁盐，但是出水铝含量大幅度增加会对人体健康和生态环境造成危害。不少研究者提出了混凝剂复配的观点，由于其高效性备受社会关注。沈耀良等[7]将铝盐混凝剂与聚丙烯酰胺(PAM)联用处理污水厂二级出水，当硫酸铝和PAM的投加量分别为30和5 mg/L时，出水TP在0.06～0.12 mg/L，但是该过程使用的药剂量大，成本高。传统混凝剂在混凝效果等方面的不足促进了对新型混凝剂的研究。例如，何江通等[8]通过观测不同的混凝剂处理污水的效果发现，n(Al) ∶n(Fe)为1 ∶1的铝铁混凝剂处理进水TP为0.96 mg/L的污水厂尾水最好，出水TP可达到0.2 mg/L。

针对国内研究现状，笔者以东北地区某城市污水处理厂冬季的进水、二沉池出水以及出厂水为研究对象，对磷的形态和浓度分布进行了分析。将磷组分划分为TP、可溶性总磷(STP)、可溶性活性磷酸盐(SRP)、颗粒态磷(PP)、其他溶解无机磷和其他溶解有机磷，同时研究不同混凝剂对除磷效果的影响，以期为城市污水处理厂出水总磷的深度处理提供参考。

1 水质条件与分析方法

1.1 实验水质与处理工艺

该污水厂以城市生活污水和部分工业废水为主要处理对象，其中生活污水占70%，工业废水占30%，冬季水温为5～8 ℃。污水厂总设计规模为50×104m3/d，主要处理构筑物包括双孔粗格栅、超细格栅、进水泵房、沉砂池、SBR反应池、多模式A2/O生物反应池、沉淀池、混凝—沉淀—过滤深度处理工艺和污泥浓缩池，进、出水水质如表1所示。原水经过处理后，各项水质指标均可以达到排放标准。

表1 污水处理厂进、出水水质Tab.1 Quality of influent and effluent of the wastewater treatment plant

1.2 实验试剂与设备

1.2.1实验试剂

(1+1)硫酸。

10%抗坏血酸：溶解10%抗坏血酸于水中，稀释至100 mL，贮存于棕色瓶中。若颜色变黄，则弃去重配。

钼酸盐溶液：溶解13 g钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)于100 mL水中。溶解0.35 g酒石酸锑氧钾(K(SbO)C4H4O6·1/2H2O)于100 mL水中。边搅拌边徐徐加入钼酸铵溶液到300 mL(1+1)硫酸中，加入酒石酸锑氧钾溶液并混合均匀，贮存在棕色的玻璃瓶中于约4 ℃保存。

5%过硫酸钾：溶解5 g过硫酸钾于水中，稀释至100 mL。

磷酸盐贮备溶液：将优级纯磷酸二氢钾(KH2PO4)于110 ℃干燥2 h，在干燥器中放冷。称取0.219 7 g溶于水，移入1 000 mL容量瓶中。加入5 mL(1+1)硫酸，用水稀释至标线。此溶液每毫升含50.0 μg磷(以P计)。

磷酸盐标准溶液：吸取10.00 mL磷酸盐贮备液于250 mL容量瓶中，用水稀释至标线。此溶液每毫升含2.00 μg磷。临用时现配。

浊度补偿液：混合2份体积的(1+1)硫酸和1份体积的10%抗坏血酸溶液制得。此溶液当天配制。

1.2.2实验设备

高压灭菌器，1～1.5 kg/cm2；50 mL(磨口)具塞刻度管；紫外可见分光光度计。

1.2.3标准曲线绘制

取东北地区某城市污水厂冬季进水、二沉池出水和出厂水水样各25 mL，采用过硫酸钾消解法，同时按照水环境监测国家标准要求进行空白试验。分别在试验样本以及空白样本中滴入4 mL过硫酸钾，扎紧后放入高压灭菌器中加热，消解完成后取出，加入21 mL水分稀释至标线；在蒸馏水中加入同体积的试剂对试验样本进行代替。

取数支50 mL比色管，依次滴加0，0.5，1.0，3.0，5.0，8.0，10.0，13.0，15.0，20.0 mL磷酸盐标准使用液，加水至50 mL。分别滴入1 mL抗坏血酸溶液，混合均匀，放置30 s后再滴加2 ml钼酸盐溶液，混合均匀。静置15 min后，以空白样做参比，在700 nm波长下测定吸光度，得到浓度与吸光度的标准曲线为y=1.934 3x+0.003，R2=0.999 2。

1.3 分析方法

总磷(TP)：原水直接消解，采用分光光度法测定。可溶性总磷(STP)：原水经0.45 μm滤膜过滤后消解，采用分光光度法测得。可溶性活性磷酸盐(SRP)：原水经0.45 μm滤膜过滤后，不消解，直接采用分光光度法测得。颗粒态磷(PP)：TP与STP的差值。其他溶解磷含量：STP与SRP的差值[9]。含量测定流程如图1所示。

图1 磷的测定流程Fig.1 Flow chart of phosphorus determination

P(溶解有机磷)=P(STP)-P(SRP)-P(其他溶解无机磷)

(1)

2 结果与讨论

2.1 磷的形态和浓度的变化

表2所示为污水厂进水到二沉池出水、出厂水中各磷组分含量的变化。在进水阶段，颗粒态磷(PP)占总磷含量的60.1%，溶解性总磷占39.9%。分析可得，污水厂进水TP含量较大，通过一系列的生物处理，二沉池出水TP去除率达到74.2%，颗粒态磷去除效果也较高。此时，二沉池阶段溶解性总磷占总磷的58.7%，颗粒态磷占总磷的41.3%，这与郑晓英等[9]对磷的形态及浓度分布进行分析后得出的“SRP 为主要存在形态占TP浓度的64.16%”这一观点相似。经过计算可得出两阶段的其他溶解磷含量下降了6.0%。根据式(1)可计算得出进水及二沉池出水阶段溶解有机磷含量分别为0.073 5和0.066 2 mg/L。

其他溶解无机磷小幅度的增长，可能是由于污水中有一些不溶解性磷经过生物反应降解为溶解性无机磷。活性磷酸盐也占污水中总磷的较大部分，在进水阶段占34.9%，在二沉池出水阶段占40.5%，该结果与边兴玉[12]分析TP 和溶解性磷酸盐的去除效果后得出的“出水中的 TP 主要是以溶解性磷酸盐的形式存在”的观点相吻合。

二沉池出水经过化学法深度处理后，各磷组分含量对比见表2。分析发现，该污水厂的深度处理效果比较理想，溶解性活性磷酸盐的去除效果最好。总体来看，出水阶段溶解性总磷占TP含量的67.5%，颗粒态磷占32.5%。综上分析，出厂水各磷组分中溶解性总磷含量最大，占溶解性总磷比例最大的是其他溶解磷中的溶解有机磷且并未得到良好的去除。

表2 污水中磷组分所占含量Tab.2 Content of phosphorous composition in wastewater

2.2 生物除磷与化学除磷的比较分析

通过比较A2/O生物处理和混凝—沉淀—过滤深度处理工艺对各形态磷的去除效果发现，深度处理段对SRP的去除效果优于生物处理段，这是因为化学法投加的混凝剂水解产生的离子与SRP发生化学反应生成难溶于水的金属盐沉淀。同时，其他溶解无机磷的去除是利用氢氧化物絮体可以吸附一部分溶解态磷[13]的性质，因此，化学法去除其他溶解无机磷的效果优于生物法。污水厂处理后的水可满足排放标准，但溶解有机磷的去除值得关注，虽然其含量不高，却仅在生物法的作用下有少量的去除，若想加强其去除效果需要提高生化反应段的处理效率。

3 结论与展望

进水阶段，颗粒态磷占总磷比例较大，溶解性活性磷酸盐占溶解性总磷较大，可达到87.5%；在二沉池出水阶段，溶解性总磷占总磷比例较大，其他溶解磷和溶解有机磷含量较低，并且难以实现有效去除；通过化学法投加混凝剂深度处理后，污水厂出水TP含量降低到0.191 1 mg/L。生物段对溶解有机磷的去除效果比较明显，SRP在深度处理段的处理效果优于生物段。

应考虑水中其他因素对于污水中磷组分的去除是否存在影响，例如SS、COD、NH4-N的含量等，探究污染物的去除和磷的去除是否存在内在联系，为磷的深度去除提供更有利的依据。

将复合混凝剂对磷的去除效果与磷组分对除磷的效果相结合，探讨混凝剂与磷组分之间的交互影响，明确混凝剂成分对不同磷组分的去除机理及其复合作用效果，不仅有助于提高混凝剂的利用率，还有利于提高除磷效率，并为探讨污水厂出水磷的深度处理提供依据。