污水处理中除磷方法的利弊分析

第23卷第6期

2006年11月

河北工业科技

Hebei Journal of Industrial Science and Technology

Vol. 23,No. 6Nov. 2006

　　文章编号:100821534(2006) 0620356204

污水处理中除磷方法的利弊分析

牛艳红

(, 摘　要:介绍了污水除磷的几种主要方法, 除磷技术进行了详细论述, :, 但会产生大量化学污泥; , 但有待进一步发展完善。

关键词; 人工湿地中图分类号:X703. 1　　　文献标识码:A

Analysis of advantages and disadvantages of dep hosp horization

met hods in wastewater treat ment

N IU Yan 2hong

(Qiaoxi Sewage Plant ,Shijiazhuang Sewerage Management ,Shijiazhuang Hebei 050061,China )

Abstract :Introducing several main dephosphorization methods of wastewater ,the paper discussed chemical deposition dephos 2

phorization method ,biological dephosphorization method and constructed wetland dephosphorization method in detail and ana 2lyzed their advantages and disadvantages :chemical deposition dephosphorization has higher phosphorus removal rate , but it will bring a large mount of sludge ; biological dephosphorization is more convenient for operation , but phosphorus removal rate is lower ; constructed wetland is a low 2cost technique to remove phosphorus ,but it should be developed.

K ey w ords :chemical deposition method ;biological dephosphorization ;constructed wetland

　　随着工农业的发展和人口的增长, 中国化肥、农药、含磷洗涤剂的生产量和消费量迅猛增长, 水污染所致的水体富营养化日趋严重, 湖泊“水华”及近海“赤潮“时有发生且愈演愈烈。水体富营养化已危害农业、渔业、旅游业等诸多行业, 也对饮水卫生和食品安全构成了巨大的威胁[1]。

引起水体富营养化的主要营养成分包括有机碳、氮、磷、钾、铁等。污水中有机碳经一般的生物处理后可基本去除, 氮、磷之外的其他成分的含量相对于富营养化发生过程中的需求量极低, 不会成为富营养化的限制因子。因此, 引起藻类大量繁殖的主

收稿日期:2006203227; 修回日期:2006206215责任编辑:王海云

作者简介:牛艳红(19782) , 女, 河北保定人, 助理工程师, 主要从事城市污水处理方面的研究。

要因子是氮和磷。磷是造成水体富营养化的重要因子。受磷污染的水体, 藻类大量繁殖, 藻体死亡后分解会使水体产生霉味和臭味。许多种类还会产生毒素, 并通过食物链影响人类的健康, 所以降低污水中的磷含量具有重要的意义。目前污水处理中的除磷方法主要有3大类:化学法除磷、生物法除磷及人工湿地除磷。

1　化学法除磷

1. 1　化学沉淀法

化学法除磷包括化学沉淀、离子交换、反渗透、电渗析等方法。以化学沉淀法应用最广, 后几种方法因处理费用太高而难以使用。

化学沉淀法除磷的原理是利用磷酸根和某些阳

　第6期　　　　　　　　　　　　　　牛艳红

　污水处理中除磷方法的利弊分析357

离子(如Fe 2+,Fe 3+和Al 3+) 进行化学反应, 生成不溶于水的沉淀, 从而使化学反应不断向生成物方向进行, 通过泥水分离最终达到去除废水和污水中过量磷的目的。如果磷以聚磷酸盐的形式存在于污水中, 则磷的去除依靠沉淀和吸附2种作用。一方面, 聚磷酸盐通过水解反应生成正磷酸盐, 其中的磷酸根与Fe 2+,Fe 3+和Al 3+反应生成沉淀; 另一方面, 生成的沉淀由于呈絮状, 又能吸附聚磷酸盐而去除一部分磷。因此, 化学法除磷并不是简单的化学反应过程[2]。化学沉淀法除磷, 混凝剂投加的地点可以不同, 但除磷原理相同, 其大致工艺流程见图1

。

后置沉淀是常采用的除磷效果最好的工艺, 磷去除率大于95%, 出水磷质量浓度一般低于0. 5mg/L 。通常, 将后置沉淀的化学污泥打回到初沉段

与初沉污泥共沉, 这可使污泥更易于浓缩并有助于提高初沉池的处理效率。对生物处理也起到把关作用, 在负荷高时可防止敏感的生物污泥的流失, 因此在除磷的同时也提高了BOD (生化需氧量) 等的去除效果。1. 4　, 9h 。磷去除率, 、三价铁盐等, 不能采[3]。

常规生化处理工艺大约能够去除90%的BOD , 其中初沉去除30%, 二级生化去除60%, 剩余的10%随出水排出。增加化学预沉淀改变了有机物去

图1化学沉淀法除磷工艺流程

Fig. 1　Technical procession of chemical

deposition methods

除的分配比例, 如同为90%的去除率, 大约有75%的BOD 可在初沉阶段去除, 仅有15%的有机物在生化处理阶段去除, 因此生化处理段可大大压缩。预沉淀工艺通常用于现有超负荷运转的污水处理厂改造, 以降低生物处理段的负荷, 从而降低能耗和生化污泥产量。预沉淀还可去除有毒物质从而对敏感的生物段起到保护作用, 并使水力停留时间明显缩短。

从能耗角度来看, 特别是电费较高时, 预沉淀是十分必要的。化学药剂费用可从生化段节省的能耗和除磷效果得到充分补偿。

在全世界普遍强调水环境应大规模控磷的情况下, 化学沉淀法除磷迄今为止仍是实用有效的技术。其优点是:操作简单、除磷效果好、处理效率可达80%～90%, 且效果稳定, 不会重新放磷而导致二次

1. 2　化学沉淀法工艺

在化学沉淀法除磷过程中, 最有实用价值的混凝剂是价格便宜的铁盐、铝盐和石灰。其工艺可细

分为直接沉淀、同时沉淀、后置沉淀和预沉淀。1. 2. 1　直接沉淀

直接沉淀是指污水在经机械格栅和除砂后仅经沉淀处理, 总停留时间3～4h 。混凝剂可采用铝盐、三价铁盐、石灰等, 不能采用亚铁盐。

直接沉淀为北欧国家很多处理厂所采用, 除磷效率约为90%, 有机物去除率约为75%, 因此是一种很经济有效的处理工艺。1. 2. 2　同时沉淀同时沉淀是指将化学混凝剂投加到活性污泥生化处理工段, 一般投加到生化池的首端或末端。生化池即为混凝池, 生物污泥与化学污泥在随后的沉淀池一同沉淀。总水力停留时间约为11. 5h 。混凝剂可采用铝盐、三价铁盐、亚铁盐等, 不能采用石灰。

同时沉淀除磷效率为90%左右, 出水磷质量浓度一般为1mg/L 。所投加的混凝剂在去除磷的同时对有机物的固液分离也有帮助。由于化学污泥与生物污泥同时沉淀, 增加了污泥量, 因此会使泥龄比单纯生化处理时显著减小而影响硝化程度。1. 2. 3　后置沉淀

污染, 当进水浓度较大或有一定波动时, 仍有较好的除磷效果。缺点是:该法所用药量大, 处理费用较高, 且产生大量的化学污泥。

2　生物法除磷

生物法除磷的原理是某些细菌交替地处于厌氧与好氧条件下, 在厌氧时, 细菌吸收低分子的有机物

并以聚β2羟基丁酸(P HB ) 等形式在体内储存起来, 同时将细胞原生质中聚合磷酸盐以正磷酸盐的方式释放出来, 此时污水中磷的含量升高,BOD 的含量降低。然后在好氧条件下, 细菌将吸收的有机物(P HB ) 氧化分解, 并提供能源, 同时从污水中吸收大量的磷, 以聚磷酸盐的形式储存起来, 其吸收的量大于其释放的量, 这时污水中的磷含量大大降低, 通

后置沉淀是生化处理出水经过化学处理后, 污泥采用气浮或过滤而不是沉淀进行分离, 常归为三级处理工艺。总水力停留时间约为12h 。混凝剂可采用铝盐、三价铁盐、石灰等, 不能采用亚铁盐。

过把剩余污泥排出系统, 同时将细菌摄入的磷排走,

从而达到除磷的目的[4]。其大致工艺流程见图2

。

得到发展。

强化生物除磷实际上是将活性污泥法与厌氧生物选择器相结合, 通过选择器筛选出能在好氧条件下超量吸磷的聚磷菌。普通细菌结构需要的含磷量约为其质量的2. 3%, 而聚磷菌体内磷的含量可达8%, 甚至更多, 因此通过剩余污泥排放可达到污水

图2　生物法除磷的工艺流程

Fig. 2　Technical procession of biological

dephosphorization

除磷的目的。

1) , 2。按照磷的最终去除方, 现有的除磷工艺流程分为主流2类。

主流除磷工艺厌氧池在污水水流方向上, 磷的最终去除通过剩余污泥排放。主流除磷有多个系列, 包括A/O , A 2/O ,Bardenp ho , SBR 等, 最简单、最基本的工艺为厌氧2好氧法, 简称A/O 法。该工艺是使微生物顺次处于厌氧和好氧环境中。特点是速率高, 水力停留时间短, 在典型设计的厌氧区停留时间为0. 5～1. 0h , 好氧区为1～3h , 系统的泥龄也短, 因此系统往往不会发生硝化, 回流污泥中也就不会携带NO 3-至厌氧区。但该工艺除磷率较低, 城市污水除磷率约为75%。而且受运行条件和环境条件影响大, 水质波动较大时也会对除磷效果产生一定影响。

侧流除磷以Pho st rip 工艺为代表, 它是与化学沉淀相结合的生物除磷工艺, 在污泥的回流线上, 部分回流污泥分流到完全封闭的厌氧罐中, 磷在此释放并与污泥分离。释放磷后的污泥再返回曝气池; 含磷的上清液后续采用石灰等磷酸钙形式沉淀。厌氧罐不在污水主流方向上, 而在回流污泥的侧流中。同其他化学除磷工艺相比, 由于只占总流量一小部分的废水需加药处理, 故大大减少了化学药物的投加量和化学污泥量。同其他主流生物除磷工艺相比, 对进水ρ(BOD ) /ρ(P ) 值要求不严格, 在进水BOD 不高, 但处理操作合理时, 出水TP (总磷) 质量浓度可低于1mg/L 。该工艺受外界影响小, 操作灵活, 除磷效果好且稳定, 适合已建成污水处理厂的改造; 缺点是流程复杂, 运行费用高。

2) 生物除磷的新发展近年来发现了一种兼性厌氧反硝化除磷细菌DPB 能在缺氧(无氧, 有NO 3-) 环境下摄磷, 电子受体是NO 3-。DPB 在缺氧环境下摄磷, 同步实现了脱氮和除磷[6]。该技术可分别节省50%和30%的COD (化学需氧量) 与O 2消耗量, 相应减少50%的剩余污泥量。这种生物除磷新途径将反硝化脱氮和

2. 1　传统生物处理工艺

1) 传统活性污泥法

, 。

2%左右。举例来说如果二级生物处理的进水BOD 的质量浓度为200mg/L , 活性污泥产率则在80mg/L 左右, 随剩余污

泥排除的磷的质量浓度约为1. 6mg/L , 即去除ρ(BOD ) ∶ρ(P ) =125∶1。由于一般污水中ρ(BOD ) /ρ(P ) 的值远低于此值, 所以一般活性污泥法仅能去除大约20%的磷。

2) 生物稳定塘

生物稳定塘是一种强化天然净化能力的构筑物, 利用水中的微生物、藻类和水生植物等对污水进行生物处理, 使污水净化。

通常, 其除磷率为10%～15%。如果在生物稳定塘内养殖丹凤莲, 除磷率可达60%以上。据报道, 在以色列等国家, 采用高速藻类生物稳定塘处理生活污水时, 除磷率可达到90%, 但是, 生物稳定塘受光照和温度的影响较大, 一般占地面积也大。

3) 土地处理

土地处理是通过土壤表面的物理、化学及生物作用处理废水的方法。就除磷而言, 主要是通过土壤的物化吸附、沉淀作用和生物吸收作用来完成的。

国内外的研究结果表明, 其除磷率可达80%～90%以上。但是, 该种方法占地面积大, 许多大城市

没有条件采用[5]。

一般说, 传统的生物法可以有效地去除污水中的有机物, 但除磷效率较低。这是因为细菌为了合成菌体虽然需要磷, 但所需数量有限。所以单纯利用传统生物除磷工艺很难满足出水要求。2. 2　强化生物除磷工艺

强化生物除磷工艺作为一种比化学沉淀法更具竞争力和应用前景的技术从20世纪80年代起逐步

生物除磷有机地合二为一, 是反硝化除磷可节省能源和资源的原因所在, 因此, 被誉为适合可持续发展的绿色工艺[7]。

目前, 反硝化除磷技术已从基础性研究发展到了工程应用阶段。为满足DPB 所需环境和基质的需要, 工艺可分为单、双级工艺。单级工艺有UC T , Carousel 氧化沟、Bio 2Denip ho 等工艺。在单级工艺中,DPB 细菌、硝化细菌及非聚磷异氧菌同时存在于悬浮增长混合液中, 顺序经历了厌氧、缺氧、好氧3种环境。在双级工艺中。硝化菌独立于DPB 而单独存在于固定生物膜反应器中, 如Dep hanox 等, 点也很明显。首先, (值、) 。其次, 。第三, 生。污泥一旦处于厌氧状态, 磷随即发生释放, 因此要避免重力浓缩, 尽量采取气浮浓缩后迅速脱水或直接脱水, 且初沉污泥与剩余污泥最好是分开进行浓缩脱水直到泥处理末端再混在一起。浓缩脱水的清液在回到水处理段前均需化学沉淀法除磷。

无论化学法除磷还是生物法除磷都存在一定的局限性, 因而发展和推广简便有效的污水除磷技术日益受到广泛关注。

用。

人工湿地除磷技术是一种廉价有效的污水处理技术, 它是在一般人工湿地系统的基础上, 通过人为控制措施优化系统, 达到以除磷为主要目标的废水除磷技术。目前该技术广泛应用于生活污水、农业点源污染和面源污染处理, 以及水体富营养化问题的治理。其优点是:效率高、投资少、耗能低、操作简单、设置灵活、, 可作为传统的, 对于节省资金, , 还有许多工作, 进, 构建更长久、高效的除磷人工湿地系统等。

4　结　语

综上所述, 化学沉淀法除磷工艺虽除磷效率相对较高, 但消耗化学药剂并产生大量的化学污泥, 处理成本相对昂贵; 而传统的生物处理工艺操作简单, 但磷去除效率较低, 难以满足出水要求; 生物除磷工艺是相对比较经济的除磷方法, 其中聚磷菌除磷工艺是当前研究的热点, 但也存在诸多缺陷; 人工湿地除磷技术具有投资少, 处理效果好, 运行维护方便等特点, 但要更好的应用, 还需进一步扩大其应用研究范围。

笔者建议应根据《城镇污水处理厂污染物排放(G B 18918—标准》2002) 中的总磷排放标准及《污

(G B 8978—水综合排放标准》1996) 中对总磷的要求来确定除磷工艺。当污水处理厂对出水中总磷的

要求为二级以下时可以不考虑化学法除磷, 只采用生物除磷或人工湿地除磷技术便可达标; 而当对污水处理厂出水或生产企业处理后的废水要求达到G B 18918—2002一级标准与G B 8978—1996二级标准时, 则应采用生物除磷法与化学沉淀除磷法相结合的工艺。同时还应考虑原水水质、出水中总磷的排放标准、生物化学法的先后顺序组合、运行费用、处理工艺流程的复杂程度、产生的污泥量多少等诸多因素。参考文献:

[1]　郭夏丽, 郑　平, 梅玲玲. 厌氧除磷种源的筛选与厌氧除磷条件

3　人工湿地除磷[8]

自20世纪60年代中期以来, 人工湿地除磷技

术不断发展并得到推广应用。人工湿地是指通过选择一定的地理位置与地形, 并模拟天然湿地的结构与功能, 根据人们的需要人为设计与建设的湿地。人工湿地是一个自适应的系统, 其中水体、基质、水生植物和微生物是构成人工湿地污水处理系统的4个基本要素, 其除污的原理主要是利用湿地的基质、水生植物和微生物之间的相互作用, 通过一系列物理、化学以及生物作用的途径净化污水。其中物理作用主要是过滤、沉积作用, 污水进入湿地, 经过基质层及植物茎叶和根系, 可以过滤、截流污水中的悬浮物, 使之沉积在基质中。化学作用主要指化学沉淀、吸附、离子交换、氧化还原反应等, 这些化学反应的发生主要取决于所选择的基质类型。生化作用主要指微生物在好氧、厌氧及兼氧状态下通过开环、断链分解成简单分子、小分子等作用, 实现对污染物的降解和去除。构成人工湿地的4个要素都具有单独的净化污水的能力, 尤其是人工湿地基质中的微生物类群在人工湿地净化过程中起到极其重要的作

的研究[J].环境科学学报,2005,25(2) :2382241.

[2]　陈　华. 化学沉淀法除磷和生物法除磷的比较[J].上海环境科

学,1997, (6) :33235.

(下转第384页)

[8]　WEI Xiao 2wei , SH EN Bao 2luo. Effect of Zr on behavior of

compressive creep in as cast ZA27alloy [J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China ,2003, (4) :8182823. [9]　CH EN T J , HAO Y ,Sun J ,et al. Effect s of Mg and RE addi 2

tions on t he semi 2solid microstructure of zinc alloy ZA27[J].Science and Technology of Advanced Materials , 2003, (6) :4952502.

[10]　田卫平, 亢若谷, 彭茂公, 等. 稀土对锌铝合金ZnAl 227性能的

等[22]。

3　展　望

高锌铝合金性能优良, 原材料成本低, 熔化耗能

低, 倍受人们的关注。中国铜资源短缺, 铝、锌资源丰富, 大力研究和推广高锌铝合金的应用具有重要的经济意义。然而高锌铝合金还有许多缺点, 如一般只能在150℃以下使用, 高温时出现软化现象, 在使用过程中, 尺寸不稳定以及铸态下塑性和韧性较低, 这严重地阻碍了高锌铝合金的应用。为此, 在今, ; 行、和耐磨性; , ; 加速高锌, 并制定切实可行的生产工艺, 从而进一步地提高高锌铝合金的综合性能, 拓宽其应用范围。参考文献:

[1]　王　琰, 谢敬佩, 陈全德, 等. Ce 对ZA27合金组织性能的影响

[J].特种铸造及有色合金,2004, (2) :63265.

[2]　亓效刚, 孙高祚, 耿浩然, 等. 锑对ZA27合金性能与组织的影

改善[J].云南冶金,2002, (4) :452[11]　L IU Gui 2li , L I Rong 2de , 2ping. Study on modifi 2

cation in cast alloy wit h elec 2and met hod[J].Journal of ,2004, (5) :5862588.

[i Z L , XIAO Q Z ,et al. Effect s of RE on micro 2

structure and properties of AZ91magnesium alloy[J].Trans Nonferrous Met Soc China ,2000,10(2) :2362239.

[13]　于海朋, 张尚洲, 白彦华, 等. 热处理对挤压铸造ZA432Mn 合

金组织和性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2002, (4) :

2332235.

[14]　谢敬佩, 祝要民, 王晓颖, 等. 高耐磨、高阻尼锌合金研究[J].

特种铸造及有色合金,1999, (2) :10213.

[15]　陆　松, 许广济, 陈体军. 等温处理对半固态ZA27组织演变

的影响[J].热加工工艺,2000, (1) :42244.

[16]　郝　远, 狄杰建, 陈体军, 等. ZA27合金在半固态等温热处理

中的相变研究[J].材料科学与工程,2001, (3) :69273.

[17]　刘忠德, 陈　刚, 潘建跃. 搅拌参数对ZA27合金半固态组织

与性能的影响[J].农业机械学报,2004, (6) :1892191.

[18]　蒋业华, 周　荣, 卢德宏, 等. ZA27合金的半固态浆液电磁搅

响[J].铸造,2003, (10) :7582761.

[3]　魏晓伟, 沈保罗. 锰对ZA27合金压蠕变行为的影响[J].热加

拌工艺及其组织和性能[J].铸造,2002, (2) :88291.

[19]　崔　峰, 耿浩然, 钱宝光, 等. 原位生成TiB 2/ZA27复合材料

工工艺,2003, (1) :15217.

[4]　赵　品, 沈焕祥, 张艳新. ZA27合金超塑性及添加Mn 和Ni 的

的制备与性能[J].复合材料学报,2004, (4) :87291.

[20]　卢艳青, 淮凯文, 王久志. 金属纤维增强ZA43复合材料的挤

影响[J].有色金属,2004, (4) :8213.

[5]　苏德煌. 锂对ZA27合金高温力学性能的影响[J].特种铸造及

压铸渗工艺研究[J].鞍山科技大学学报,2003,26(5) :3412

344.

[21]　顾春雷, 张伟强, 金花子, 等. 锌及锌合金研究及应用现状[J].

有色合金,1998, (6) :26227.

[6]　SAVAS M A , AL TIN TAS S. The microstructural control of

cast and mechanical properties of Zinc 2aluminium alloys [J ].Materials Science ,1993, (28) :177521780.

[7]　侯平均, 倪　锋, 龙　锐, 等. 高锌铝合金的钛和锆变质机理研

有色金属,2003, (4) :44247.

[22]　张忠明, 徐春杰, 王锦程, 等. 热挤压铸态ZA27合金阻尼性能

研究[J].功能材料,2005, (4) :5292531.

究[J].铸造设备研究,2003, (1) :12215.

(上接第359页)

[3]　杨燕华. 城市污水处理化学除磷的必要性及其工艺[EB/OL ].

http ://www. cnjlc. com ,2004205201. [4]　

汪大

, 雷乐成. 水处理新技术及工程设计[M ].北京:化学工

[6]　郭海娟, 马　放, 沈耀良. C/N 比对反硝化除磷效果的影响

[J].环境科学学报,2005,25(3) :3672371.

[7]　卢　峰, 杨殿海. 反硝化除磷工艺的研究开发进展[J].中国给

业出版社,2001.

[5]　李　军, 杨秀山, 彭永臻. 微生物与水处理工程[M ].北京:化学

水排水,2003, (9) :32234.

[8]　夏宏生, 汤　兵. 人工湿地除磷技术[J ].四川环境, 2005,

24(1) :83286.

工业出版社,2002.