城市污水除磷工艺及其原理鲍艳卫

0208年10月电力环境保护第24卷第5期城市污水除磷工艺及其原理TheprineipleandtheproosseefPhosphorursemovalrfomthruebansewage鲍艳卫,张雁秋(中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221008)摘要:介绍了城市污水中碑的危害、来源及其存在形式,对化学除磷方法及生物除磷原理进行了阐述,分别介绍了几种典型生物除磷和新型除磷工艺的特点,并对国内外除磷技术的研究进行了展望。关扭词:化学除碑;生物除礴;反稍化除磷Abstarct:Thehazards,soureesandexisteneeformsofeffluentPhosPhoruswereintrodueed.ThePrinciPleOfchemiealandbiologiealPhosPhorusremovalteehnologieswereexPlained.SeveraltyPicalbiologicaltechnologiesandanewPhosPhorusremovalProeesseharaoteriistcswereintrodueed.TheProSPectSofPhosPhorusremovalteehnologyathomeandabroadwasProPosed.Keywords:chemiealPhosPhorusremoval;biOIOgicalPhoSPhorUsremoval:denitrificationPhOSPhorUSremoval中圈分类号:X703.1文献标识码:B文章摘号:1009一4032(2008)05一047一04随着工业化和城市化程度的不断提高,排人水体中的磷总量不断增加,当水体中磷含量过高(超过.02mg/)L时,将导致水的富营养化,使水体中藻类过度繁殖,造成水体透明度降低,水质变差。大多数种类的蓝藻会使水产生霉味和腥臭味,有些蓝藻还会产生毒素,影响人类的健康。因此,对含磷污水的处理是目前函待解决的问题。1化学法化学除磷的基本原理是通过向污水中投加化学药剂,使之与磷反应生成不溶性磷酸盐,再通过固液分离将磷从污水中除去。固液分离既可单独进行,也可与初沉池、二沉池污泥的排放结合进行。常用药剂有:石灰、铝盐和铁盐。1.1石灰沉淀法石灰法除磷的基本原理是钙盐与水中的磷酸盐反应生成轻基磷灰石沉淀,将磷从水中去除。正磷酸在OH一存在的条件下,与Ca,`反应生成经基磷酸钙沉淀川:3HPo:一+SCa,`+40H一Ca,(oH)(p04),丰+HZoCa(oH)2+Ca(HC03)2一ZCaCo,工2H20石灰首先与水中碱度发生反应生成碳酸钙沉淀,然后过量的ca,`才能与磷酸盐反应生成经基磷灰石沉淀。轻基磷灰石的溶解度随着pH值升高而减小,其沉淀越多,磷的去除率也就越高。当pH值为9.5一10.0时,所有的正磷酸盐都转化为不溶性经基磷灰石;当pH值在11左右时,出水总磷浓度小于0.5mg/L[’]。1.2金属盐沉淀法’常用金属盐中的铝盐和铁盐都可与废水中的磷酸根反应生成沉淀,从而达到除磷的目的。一般除磷用的铝盐是硫酸铝或聚合抓化铝,以硫酸铝为混凝剂时的化学反应如下:A12(50。),·SHZo+Zpo:一*ZA一Po。上+350:一+8H20^l,`+3Heo犷一AI(oH),丰+3C02铝盐的投加点比较灵活,可在初沉池前、曝气池中或曝气池与二沉池之间,也可以以二沉池出水为原水投加铝盐。铁盐中抓化铁、抓化亚铁、硫酸亚铁、硫酸铁等都可以用来除去污水中的磷。每升城市污水中投加15一30mg的铁(45一90mg/LFeCI,),可以除去85%一90%的磷。铁盐投加点可设在预处理、二级处理或三级处理阶段。2生物法2.1传统生物除磷机理对于生物处理过程中微生物对磷的去除机理曾有两种不同观点:一是生物诱导化学沉淀作用,二是生物过t聚磷作用[’了。目前,普遍认可的生物除磷472X()8年10月电力环境保护第24卷第5期机理是聚磷菌(APos)的摄磷/释磷原理!`]。在厌氧条件下,PAOs将细胞内的多聚磷酸盐(oPly一)P释放出来合成ATP之后,摄取进水或发酵产生的挥发性脂肪酸,在细胞内以PHB(聚p一经基丁酸)形式贮存起来,为好氧环境下韵摄磷作能量储备,这一阶段表现为PAOs对磷的释放,即磷酸盐由微生物体内向废水转移。在好氧条件下,PA0s以NO歹和02作为最终电子受体,氧化细胞内贮存的PHB作为能量的提供者,从环境中大量吸取磷酸盐以合成oply一P。这一阶段表现为PAOs对磷的过量吸收,即磷酸盐由废水向体内转移。相对于正常细胞的磷含量(1%一3%),PAO。的吸磷量可达12%[’〕,通过排放含PA0s的剩余污泥即可实现除磷。2.2传统生物除磷工艺2.2.IA/O生物除磷工艺A/0生物除磷系统(图l)由厌氧及好氧两部分组成。污水经预处理及一级处理后,首先进人厌氧池,并与二沉池回流的污泥混合。PAO。在厌氧条件下将细胞中的磷释放到混合液中,同时大量吸附污水中快速降解的BOD,。然后,污水进人好氧池,在好氧状态下,活性污泥中的PAO。摄取比在厌氧条件下所释放的更多的磷,将磷贮存在污泥中。这样,污水不断地经过厌氧、好氧的交替过程,再经二沉池固液分离之后,通过将高食磷污泥以剩余污泥的方式排出系统,从而降低出水中磷的含量。同时,随着在生物反应器中的推进,污水中含碳有机物进行氧化、分解与合成等生物反应,使其浓度越来越低,达到去除BOD,、COD的目的。时间(HRT)短,可节省能耗及运行费用;较易于在原活性污泥系统上进行改造。2.2.ZA,/0工艺A,/O工艺(图2)是20世纪70年代在厌氧一好氧除磷工艺(A/O)的基础上开发出来的,它是在A/O工艺中增设了缺氧池,使好氧池流出的部分混合液回流至缺氧池前端,以达到硝化脱氮的目的。该工艺将生物除磷、脱氮融为一体,流程简单,易于管理;脱氮时不需要额外投加碳源,运行费用较低。系统除磷效果受污泥龄、回流污泥中NO犷一N及DO的限制,不十分理想;脱氮能力取决于混合液回流比,当回流比较小时,除磷效果好,但是脱氮效果不理想。由于受回流比不宜太高的限制,处理效果难以进一步提高。加上聚磷菌与硝化菌对基质的竞争,很难同时取得好的脱氮、除磷效果。混合液回流图2AZ/O工艺流程图l人/0工艺流程2.2.3UCT工艺ucT工艺(图3)是在A,/0工艺基础上通过改进混合液的回流方式研制开发而成的,是目前比较流行的一种生物除磷工艺。该工艺沉淀池污泥首先回流至缺氧池,在缺氧池内去除硝酸盐及亚硝酸盐后,再进人厌氧池与原污水混合,这样就改善了厌氧池磷释放的环境,并且提高了厌氧段有机物的利用率。缺氧池向厌氧池回流的混合液中含有较多的溶解性BOD,且硝酸盐很少,缺氧混合液的回流为厌氧段内进行发酵等提供了最优的条件,使系统除磷效果进一步提高并稳定。但该系统反应池较多,且有三组循环系统,工艺复杂,运行费用高。在A/0生物除磷工艺中,最重要的是要控制厌氧区DO00及NO犷一N、0,这样才能保证PAOs在厌氧区的磷释放环境。A/O生物除磷工艺的特点是对进水BOD负荷的适应范围较宽,抗冲击负荷能力强;污泥负荷与常规活性污泥法相当,在污水生物二级处理过程中,可同时去除BOD、COD及磷等;污泥负荷高、水力停留48棍合滚回流祖合滚回流图3UCT工艺流程2008年鲍艳卫等:城市污水除磷工艺及其原理第5期2.2.M4UCT工艺MUCT工艺是UCT工艺的改进,称为改良型UCT工艺(图4)。在MUCT工艺中,缺氧池被分为两部分,第一缺氧池接纳回流污泥,然后将污泥回流至厌氧池。硝化混合液回流到第二缺氧池,大部分N-ox一N的反硝化反应在此进行。MUCT工艺有效地解决了UCT工艺所存在的问题,最大限度地消除了厌氧段回流液中的硝酸盐量对厌氧区磷释放的不利影响,使厌氧段保持严格的厌氧环境,从而保证良好的除磷效果。块权福合滚回流梢化泥合液回流图4MUCT工艺流程2.2.5PhostirP工艺Phostirpl艺(图5)是Levin在1965年首先提出的。该工艺把生物处理和化学除磷法结合在一起,主流部分为常规的活性污泥曝气池,回流污泥的一部分被分流至专门的厌氧池,污泥在厌氧池中停留8一12h,PAO。则在厌氧池中进行磷的释放,脱磷后的污泥回流至曝气池中继续吸磷。含磷的上清液进入化学沉淀池,然后用石灰除磷。除磷过程在污泥回流路径上完成。由于Phositrp工艺仅将处理流程中的一部分回流污泥通人旁路的厌氧池,并以化学方法除磷,所以列人旁流除磷工艺。污泥的吸放磷仍然遵循过量吸放磷的机理,因此,是一种生物和化学法共同起作用的除磷方法。图5Phostirpl艺流程该工艺只需向小部分废水加药,大大减少了化学药物的投加量,因此成本较低。大部分磷以石灰污泥的形式去除,污泥的处置不象富磷剩余污泥那样复杂。此工艺亦可称为生物化学除磷法,它年化学法所具有的高除磷效率及生物法所具有的低处理成本和低产泥量等优点于一体,有较好的发展前景。有资料报道〔`〕,Phostirp工艺能够在进水浓度相当低(平均BOD41mg/L,BOD/TP为8)的情况下产生低磷出水。2.3反硝化除磷机理在污水生物除磷实践中,南非开普顿大学研究人员最早发现专性好氧细菌不是唯一对磷起生物摄/放作用的菌种,一种兼性厌氧反硝化细菌还能在缺氧环境下有着很强的生物摄/放磷作用!’〕。随后,反硝化细菌的生物摄/放磷作用被荷兰代尔夫特工业大学和日本东京大学研究人员证实,并命名为反硝化除磷菌(nPB)[日]。DPB具有同PAOs极为相似的除磷机理,只是氧化细胞内贮存PHB时的电子受体不同,PAO。的电子受体为02,DPB的电子受体为NO歹,因为DPB在缺氧环境下摄磷,这就使得摄磷和反硝化(脱氮)这两个不同的生物过程借助同一种细菌在同一个环境中完成,DPB能将反硝化脱氮与生物除磷这两个彼此独立的作用合二为一[’〕。摄磷和脱氮过程的结合,不仅节省了脱氮对碳源的需求,而且摄磷在缺氧区内完成可缩小曝气池体积,节约能量,COD和氧消耗量分别节省约50%和30%[’1,实现了能源和资源的双重节约。反硝化除磷尤其适用于高氮、高磷废水及产生VFA潜力低的城市污水的处理。2.4反硝化除磷新工艺2.4.1DEPHANOX工艺DEPHANOX工艺(图6)是典型的反硝化除磷工艺。DEPHANOX工艺系统在厌氧池和缺氧池之间增加了沉淀池和固定膜反应池,固定膜反应池的设置可以避免氧化作用造成的有机碳损失,并稳定系统的硝酸盐浓度。污水先在厌氧池中释磷,然后在沉淀池中进行泥水分离,含氨较多的上清液进入固定膜反应池进行硝化,污泥则跨越固定膜反应池进人缺氧段,完成反硝化和摄磷〔.〕,脱氮和摄磷后的混合液进人曝气池再生,使其在下一循环中发挥最大释磷和PHB储备能力。DEPHANOX工艺是为满足DPB所需环境要求研究开发的一种强化生物脱氮、除磷技术,实现传统脱氮、除磷工艺中DPB和PAOS两类细菌的功能〔川。它的优点是:能够达到稳定的磷、氮去除效果;解决了除磷系统反硝化碳源不足的问题;缩小曝气池体积,降低了系统的能源消耗;降低剩余污泥产492(X)8年10月电力环境保护第24卷第5期量,并可以抑制污泥膨胀【’0】;减少二沉池二次厌氧释磷和缺氧翻泥的问题。III_一一}酬酬上油液一上清液.}州州图6DEPHANOX工艺流程2.4.2BCFS工艺Bersl艺[”1(图7)是在氧化沟和UcT工艺基础上开发的一种变型UCT工艺。该工艺在UCT工艺的厌氧池和缺氧池之间增加一个接触池,在缺氧池和好氧池之间增加一个缺氧/好氧混合池,同时增设在线分离、离线沉淀化学除磷单元。BCSF工艺用5个反应器来分隔不同功能细菌,通过3路循环系统来优化不同功能细菌的生长环境,使不同功能的细菌具有不同的生存空间,最大程度地创造DPB富集条件,实现了磷的完全去除和氮的最佳去除。在BCsF工艺脱氮、除磷处理系统中,污泥可利用硝酸盐作为电子受体,在缺氧条件下同时进行脱氮和超量摄磷。沮合液回流混合液回流化学确污泥图7BCSF工艺流程BCsF工艺在主流部分的