废水除磷方法与原理的研究进展魏双勤

28中国环保产业2010.10研究进展ResearchProgress废水除磷方法与原理的研究进展魏双勤1，刘 媛2(1.天津市蓟县绿洁环卫管理有限公司，天津 301914；2.中国环境保护产业协会，北京 100037)摘 要:介绍了污水的各种常用除磷技术方法及原理，为不同条件下的污水除磷提供参考与选择的依据，并探讨了除磷技术的发展趋势。关键词:废水除磷;污水处理;除磷工艺;除磷技术中图分类号:X703 文献标志码:A 文章编号:1006-5377（2010）10-0028-07大量含磷生活污水、工业废水排入江河湖海中，增加了水体营养物质的负荷，从而引起水体中藻类与水生植物异常繁殖，即水体的富营养化。过量的磷还会严重危害海洋环境，引起赤潮。对于除磷技术的研究和应用已有20多年的历史，废水除磷的方法主要包括：生物法、化学沉淀法、物理吸附法、膜技术处理法和土壤处理法等等。本文将对目前常用的除磷方法的原理、工艺及发展进行阐述。1生物法除磷1.1生物除磷的机理1.1.1聚磷盐的定义聚磷盐或聚集的无机磷酸盐可定义为若干个PO43-基团彼此以氧桥联结起来的五价磷化合物。它们可分成3类：1）环状聚磷酸盐或偏磷酸盐，分子式为MnPnO3n，M为单价阳离子。最常见的这类化合物是三偏磷酸盐或四偏磷酸盐；2）线状聚磷酸盐，其分子式为Mn3+PnO3n，这些不分支的结构链长从n=2（焦磷酸盐）到n=104（不溶性结晶聚磷）；3）横联磷酸盐（也称过磷酸盐），磷酸根与相邻的磷酸根共享3个氧原子。1.1.2聚磷盐的作用（1）微生物的磷库聚磷盐水解后生成溶解性正磷酸盐，可供微生物生长繁殖同化合成细胞之需。（2）能库当积累有大量聚磷盐的细菌处于不利的环境条件下（例如使好氧细菌处于厌氧条件下），而呈所谓的压抑状态时，聚磷盐可分解，同时有能量释放，供细菌在不利环境中维持其生命之需。这时菌体内的聚磷盐逐渐消失，而以可溶性单磷酸盐形式排到体外环境中。如果把这样的细菌再次放入有丰富营养的培养基中，并供以充足的氧气时，它将重复上述体内的积磷过程（为需能过程）。细菌在好氧与厌氧条件下的吸磷和放磷过程可简单地用下列反应式表示：～+ATP←→ADP+～～（3）渗透压的平衡当细菌需要积聚大量磷酸盐并以聚磷盐的形式贮藏时，对降低细菌细胞内的渗透压的作用是显而易见的。（4）调节能量代谢贮藏聚磷对调节细菌细胞内部能量大有裨益，在代谢水平过高时，细菌通过合成聚磷盐不仅积聚了一部分能量，并且减少了游离磷酸盐的数量，以便调控代谢的速率。在需要时，又可将它释放出来。1.1.3积磷细菌对于在实践中观察到的活性污泥大量积聚磷盐的化学现象，沉淀假说很难解释，因为以上述CO2被吹脱使pH上升导致磷酸钙沉淀的假说来推算，出现磷盐沉淀的样品中pH最终会相当高，前一种假说存在磷酸盐沉淀作用与pH升高程度在理论上相矛盾的问题。因而一般倾向于废水中磷的去除是一种生物作用过程，即上述第二种假说。因此，通常认为过量积磷是一个生物现象。29CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY2010.10研究进展ResearchProgress（1）不动杆菌—莫拉氏菌群Fuhs等以过量除磷污水厂的污泥作试验，用美蓝对污泥作异染粒染色，发现在一类细胞大小和形状很易识别的细菌中富含异染粒（聚磷颗粒）。这些菌经鉴定为不动杆菌，其在污泥内可形成微菌落，借助某些荚膜类物质粘结在一起。（2）其它的积磷细菌Cloete等运用上述方法对南非的去磷污泥作了试验，发现不动杆菌并不是污泥中唯一的积磷细菌，因为经测定污泥中不动杆菌的数量和它的含磷量，表明不动杆菌仅去除了系统中5%～16%的磷。Brodisch等也认为在复杂的污泥微生物区系中，不动杆菌仅是有积聚磷能力的菌种之一，数量仅占1%～10%。其它的积磷细菌如气单胞菌和假单胞菌可占15%～20%，革兰氏阳性菌多达20%～60%，且其数量随厌氧停留时间的增加而增多。Meganck等也报道了在他们的去磷污泥中有大量的假单胞菌和气单胞菌。他们用以乙酸为主要组分的培养基分离得到积磷细菌，其中不动杆菌—莫拉氏菌含磷量最高，可占干重的5%～13%。另外有假单胞菌，含磷量占干重的3.3%，而非积磷菌含磷量仅占干重的1.5%～1.7%。并发现在诺卡氏菌和假单胞菌中有聚磷颗粒，该研究在除磷污泥中已分离到假单胞菌属A菌株，并证实其具有吸放磷和过量积磷的能力[1]。1.2影响生物除磷的因素1.2.1厌氧生物环境在生物除磷系统中，最重要的是为厌氧区创造并维持严格的厌氧条件以诱导放磷，提高随后在好氧区中的吸磷和除磷效果。（1）氧化还原电位氧化还原电位（ORP）是一个用于定量反映厌氧段“厌氧压抑”程度的参数。Shapiro等发现放磷与ORP有关，在ORP降低150mV后，污泥中聚磷菌开始放磷。在实验中他们发现，当硝化完成后，ORP突然下降，随即开始放磷，在ORP曲线中可出现一个“拐点”。（2）溶解氧由于氧是易接受的最终电子受体，只要有氧存在，兼性厌氧细菌就不会自动启动其发酵，不会产生脂肪酸，也不会诱导放磷。相反，当有少量氧存在时，就足以导致先前放过磷的污泥吸磷。进入厌氧区的污水、回流混合液和回流污泥中常常带有氧，当污泥与污水混合后，污泥中的好氧细菌或兼性好氧细菌立即利用溶解性可生物降解有机物进行好氧呼吸，将氧耗尽，即使不存在溶解性可生物降解的有机物，微生物的内源呼吸也会使DO很快下降。可见厌氧区中的溶解氧是影响生物除磷的因子之一，因为微生物的好氧呼吸消耗了一部分有机基质，使产酸菌可利用的基质大大减少。因此，在运行时应尽可能避免氧进入厌氧区。（3）NO3-和NO2-与溶解氧相似，当厌氧区中存在NO3-和NO2-时，会以两种方式影响生物除磷：1）产酸菌可利用NO3-作为最终电子受体氧化有机基质，因此抑制了产酸菌的厌氧发酵以及产生挥发性脂肪酸；2）反硝化菌利用NO2-进行反硝化，同时消耗易生物降解的有机基质，从而竞争性地抑制了聚磷菌的厌氧放磷。生活污水中通常不含NO3-，只有某些特殊的工业废水中可能含有NO3-。因此，厌氧区的NO3-和NO2-主要是由回流的混合液或回流污泥中带来。在高负荷系统中，泥龄短，不会发生硝化，因此也不会引起NO3-的问题。故在同时脱氮除磷时，由于硝化和反硝化反应的发生，需注意减少和避免NO3-对厌氧环境的干扰。1.2.2水质及其他环境因子（1）有机物浓度及可利用性进水在TKN/COD值0.1时，反硝化完全，除磷效果好。TKN/COD值在0.10～0.13时，要小心管理才能去磷。当TKN/COD值0.14时，任何生物除磷工艺都很难得到良好的除磷效果。此外，有人还考察了废水TBOD/TP值与除磷效果的关系，发现要使出水溶磷1mg/L，进水TBOD/TP值在20～30时为宜。（2）温度温度对微生物除磷的影响较小。据报导，生物除磷系统在低至10℃左右时，虽然污泥吸放磷的速率较温度高时小，但只要水力停留时间大于其最小临界值，系统除磷效果仍与温度高时相同。（3）pH生物除磷系统适合的pH范围与常规生物处理的相同，为中性和微碱性，生活污水的pH通常在此范围内。对pH不在此范围内的工业废水，需先进行调节[2]。1.2.3工艺设计和运行参数（1）泥龄除磷系统的泥龄会影响污泥含磷量及剩余污泥的排放量，从而影响到系统的去磷效果。泥龄越长，污泥含磷量越低，每去除单位重量磷需耗用较多的BOD，泥龄30中国环保产业2010.10研究进展ResearchProgress越短，污泥含磷量越高，但污泥的产率也越高，这样通过剩余污泥的排放而去除的磷就越多。（2）污泥沉降性能由于生物除磷系统污泥含磷量高，若污泥沉降性能差，在二沉池中固液分离不好，就会造成污泥外溢跑泥而明显影响除磷效果。原因为：1）污泥在厌氧区停留时间过长会诱发丝状菌的生长，结果引起污泥膨胀；2）二沉池中局部积泥发生反硝化，产生氮气，并逐渐形成小气泡附于污泥絮粒上使之上浮，而随出水外溢。（3）剩余污泥的处置污泥处置前常先被浓缩，若采用传统的重力浓缩，浓缩池中的污泥平均停留1～2.5h。此时所有潜在的最终电子受体被微生物耗完而呈厌氧状态。积磷菌即会厌氧放磷，造成浓缩污泥上清液和污泥脱水液中的磷浓度极高，这部分水回流至处理厂前端，给系统附加了磷负荷。因此在污泥浓缩和贮存过程中应设法避免磷的释放[3]。1.3生物除磷主要工艺（1）Ａ/Ｏ工艺20世纪70年代中期，美国的Spector从控制活性污泥膨胀出发，研究开发了与Bardenpho脱氮工艺类似的Ａ/Ｏ工艺，这是目前最为简单的一种生物除磷方法，原污水或初沉池出水与回流污泥在厌氧池中进行混合，这种工艺要求没有硝化反应。一般说来，当厌氧区和好氧区的水力停留时间分别为0.5～1h和1～3h时，便可获得较好的去除磷和去除有机物的效果[4]。（2）A2/O工艺常见的A2/O工艺是在A/O工艺的基础上增设一个缺氧区，并使好氧区中的混合液回流至缺氧区，这样就使厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件及不同功能的微生物菌群能有机配合协作，具有除磷脱氮的双重功能。此工艺具有抗冲击负荷能力强、水力停留时间长、运行稳定的特点。当进水总磷约为10mg/L时，除磷率一般为85%～90%。张波等[5]在此基础上，将A2/O工艺的厌氧/缺氧环境倒置运行，并和常规A2/O工艺进行了对比，结果表明，倒置A2/O工艺比常规A2/O工艺的出水TN和TP分别高出10%和9%，去除COD能力相当。其原因是将厌氧区置于缺氧区之后，反硝化优先获得碳源，既提高了缺氧区的反硝化速率，又避免了回流污泥中硝酸盐对厌氧区的不利影响。这种布置方式使倒置A2/O工艺的厌氧区的厌氧程度更充分，从而强化了微生物的过度吸磷能力。（3）Bardenpho工艺南非的Barnard在其首创的Bardenpho脱氮工艺中，有时发现也有很好的除磷效果。在他以生活污水为进水的小试中，脱氮率为90%～95%，除磷率达到97%。（4）Phoredox工艺此工艺是Barnard为了提高除磷效果而对Bardenpho工艺做的一个改进。在第一缺氧区前加了一个厌氧发酵区。原污水或初沉池出水与回流污泥在厌氧池混合。在第一缺氧池进行反硝化使硝态氮还原为氮气而去除BOD，氨氮氧化和磷的吸收都是在第一好氧池完成。第二缺氧池则提供了足够的停留时间，通过混合液内源呼吸进一步去除残余的硝态氮。第二好氧池则为混合液提供短暂曝气，防止二沉池出现厌氧状态。由于在两组缺氧池中完成了彻底的反硝化，回流污泥中将不存在NO3-或NO2-。这种工艺在美国又被称之为改良型Bardenpho工艺[6]。（5）UCT工艺在以上的工艺流程中，污泥都是直接回流到厌氧区，而回流污泥中很难保证不含有任何硝酸盐及亚硝酸盐，这会给厌氧区带来不利影响。在厌氧区会发生反硝化作用，反硝化菌将夺取除磷菌所需的有机物而影响处理效率。UCT工艺就是把沉淀池回流污泥回流到缺氧区，然后再由缺氧区将混合液回流到厌氧区。由于在缺氧区中反硝化作用完全，缺氧区中的硝酸盐浓度非常低。混合液从缺氧区回流到厌氧区，则厌氧区中的硝酸盐浓度亦非常低，从而保证了厌氧区的理想厌氧条件。故UCT工艺是目前各国应用最广泛的生物除磷工艺[7]。（6）SBR工艺此工艺是由美国Irvine在20世纪70年代开发的一个间歇式的活性污泥系统，活性污泥的曝气、沉淀、出水、排放和污泥回流均在同一个池中完成，该工艺对自动化要求很高，随着自控技术和计算机技术的发展，SBR工艺近年来得到了迅猛发展。SBR法的优点有：1）运行管理简单；2）降低造价，减少占地；3）耐冲击负荷；4）可抑制丝状菌的膨胀；5）除磷脱氮效果好[8]。（7）Phostrip工艺Phostrip工艺是把生物和化学除磷法结合起来的一种除磷工艺，该工艺中主流部分为常规的活性污泥曝气池，回流污泥的一部分（约为进水流量的10%～20%）被分流到专门的厌氧池，污泥在厌氧池中通常停留8～12h，聚磷菌则在厌氧池中进行磷的释放。脱磷后的污泥回流到31CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONI