楊燕華

　　【摘要】 本文在論述了生物除磷弱點的基礎上，闡述了化學除磷的機理及工藝方法，強調了化學除磷對保證處理水質的必要性。
　　【關鍵詞】 污水處理 化學 生物 除磷

1 城市污水處理采取化學除磷的必要性

1.1 引言根據《污水綜合排放標準》（GB8978－1996）確定的城鎮污水二級處理廠處理出水標準，對磷酸鹽的標準非常嚴格，一級標準為0.5mg／l（以P計，下同），二級標準為1.0mg／l，因此絕大多數城市污水處理廠都要考慮除磷處理。
　　目前國內各設計單位在對城市污水處理選擇處理方案時一般選擇生物除磷脫氮工藝，對化學除磷一般不予考慮。因為較普遍的看法是：“生物法”工藝簡單、運行成本低，污泥量少且易于處理；“化學法”則工藝復雜、運行成本高、污泥量多且難于處理，另外在感情上“化學法”較“生物法”更難于被人們所接受。但筆者分析，就一般的城市污水水質，按現在普遍采用的生物除磷脫氮工藝，實際很難達到GB8978－1996中的二級標準，更不用說一級標準了。
1.2 生物除磷的機理
　　在二級生物處理系統中，磷作為微生物正常生長必需的元素成為生物污泥的組份。活性污泥的含磷量約在2％左右。舉例來說如果二級生物處理的進水B0D為200mg／l，活性污泥產率則在80mg／l左右，隨剩余污泥排除的磷約為1.6mg／l， 即去除BOD／P的比例為125：1。由于一般污水中BOD／P的值遠低于此值，一般活性污泥法僅能去除大約20％左右的磷。
　　如果將活性污泥交替置于即無氧又無硝酸鹽的厭氧生境和有氧生境，某些細菌會在大多數微生物難以增長的厭氧條件下獲得優勢，如粒狀細菌（acinobacter）這樣的聚磷菌能在這種條件下與其它細菌競爭，吸收和貯存低分子量有機物及揮發性脂肪酸（VFA）。這是因為這種細菌能夠利用在好氧條件下富集的聚磷酸鹽的能量。聚磷酸鹽轉化為磷酸鹽釋放到污水中。
　　在厭氧條件下，脂肪酸被貯存起來并釋放磷。在好氧條件下，貯存的的脂肪酸用于細胞生長磷并被富集在細胞中。活性污泥法在這種條件下富氧活性污泥的含磷量可達6％。因此生物除磷的關鍵是揮發性脂肪酸的存在。在除磷脫氮相結合的處理工藝中，由于硝酸鹽的存在會消耗脂肪酸，因此必須在厭氧區前去除才不致影響聚磷菌的增長，而目前普遍采用的單級生物脫氮工藝由于活性污泥回流到厭氧區難以避免對聚磷菌的抑制作用。即使采用短泥齡的單純除磷A／O工藝，在水溫較高時一般很難保證不發生硝化（按照GB8978－1996中氨氮指標一般還要考慮硝化），因此很難保證除磷效果的穩定。
　　如果進水中總氮與溶解性B0D的比例大于0.28，生物除磷就很難與生物脫氮工藝結合。污水進水中脂肪酸含量一日之內經常變化，一般也難以滿足聚磷菌的需要。如外加甲醇等碳源，費用也很可觀。因此一些處理廠采用初沉污泥進行酸化發酵制造脂肪酸。
1.3 生物除磷的弱點
　　生物除磷工藝象其它污水生化處理工藝一樣，對工藝條件的變化較化學除磷工藝更為敏感。另一方面，必須保持非常低的出水懸浮物濃度，因為富集磷的活性污泥磷含量可達6％，而一般活性污泥中的含磷量僅為2％。舉例來說，如果生化除磷工藝的出水懸浮物濃度為20mg／l，這就意味著懸浮物已帶出1.2mg／l的磷，而溶解性磷通常很難降到0.7mg／l以下，因此正常情況出水磷濃度一般要達到2mg／l。而化學除磷通常可將溶解性磷濃度降到0.1mg／l以下，出水懸浮物帶走的磷為0.4mg／l，出水總磷濃度可降到0.5mg／l。
　　生物除磷工藝的污泥并不太好處理。污泥一旦厭氧，磷即發生釋放，因此要避免重力濃縮，盡管可采取氣浮濃縮后迅速脫水或直接脫水，但初沉污泥與剩余污泥最好是分開進行濃縮脫水直到泥處理末端再混在一起。應避免采用厭氧硝化進行污泥穩定，應采取好氧硝化或堆肥等污泥穩定措施。濃縮脫水的清液在回到水處理段前均需化學沉淀除磷。
　　生物除磷和化學除磷之間的投資與運行費差異并不如一般人想象的那么大。生物除磷的厭氧池一般要求有一個小時以上的停留時間，池內攪拌器耗能大約在5Wh／m³，這些投資和運行成本并不比投加化學混凝劑的成本低很多。
1.4 輔助投加化學混凝劑的必要性
　　沒有化學除磷的輔助很難將處理出水中的總磷降到1mg／l以下。即使是最多采用生物除磷的南非，其所有的處理廠也均輔以投加金屬鹽（混凝劑）。另一個例子是丹麥，幾乎其所有的處理廠均采取了生物除磷，但其中僅有兩家未輔以化學除磷，原因是這兩家污水廠進水中特有的工業廢水大大改善了污水的生化除磷條件。
　　在美國對磷的排放較為嚴格的五大湖地區，一般污水廠均要采取以化學為主或生物為主化學為輔的除磷措施。瑞典的處理出水磷的標準非常嚴格，一般要低于0.5mg／l，但幾乎沒有處理廠采用生物除磷工藝。丹麥磷的處理出水標準在1mg／l左右，盡管較瑞典的標準寬松一些，并且幾乎均采用生物除磷，但其在污水處理上消耗的人均混凝劑量并沒有明顯比瑞典低。
　　綜上所述，就目前國家的污水綜合排放標準，在選擇污水處理方案時，應該考慮經濟可行，又可滿足處理出水標準的化學除磷工藝。

2 污水化學除磷工藝

2.1 直接沉淀（一級強化處理）
　　直接沉淀工藝是指污水在經機械格柵和除砂后僅經沉淀處理，工藝流程如下：

　　總停留時間3～4小時。
　　去除效率： SS＞90％ BOD≈75％ 總磷＞90％ 總氮≈25％
　　混凝劑可采用鋁鹽、三價鐵鹽、石灰等，不能采用亞鐵鹽。
　　直接沉淀工藝為北歐國家很多處理廠所采用，磷去除率可達90％以上，有機物去除率大約為75％，因此是一種很經濟有效的處理工藝。下表為挪威對56個采用直接沉淀工藝的處理廠處理效果調查結果。

SS BOD P 進水 出水 去除率 進水 出水 去除率 進水 出水 去除率 mg/l mg/l % mg/l mg/l % mg/l mg/l % 387 24 87.6 229 38 83 6.2 0.5 92

2.2 同時沉淀
　　同時沉淀工藝是指將化學混凝劑投加到活性污泥生化處理工段，生化池即為混凝池，生物污泥與化學污泥在隨后的沉淀池一同沉淀，工藝流程如下：

　　總水力停留時間約為11.5小時。
　　去除效率：SS≈90％ BOD＞90％ 總磷＜90％ 總氮≈25％
　　混凝劑可采用鋁鹽、三價鐵鹽、亞鐵鹽等，不能采用石灰。
　　同時沉淀工藝的出水磷濃度一般為1mg／l。投加的混凝劑除了除磷，對有機物的固液分離也有幫助。化學混凝劑一般投加到生化池的首端或末端。由于化學污泥與生物污泥同時沉淀，增加了污泥量，因此會使泥齡比單純生化處理顯著減小并影響硝化程度。
2.3 后沉淀
　　后沉淀工藝為最常采用的除磷效果最好的工藝，它是將生化處理出水經過化學后處理，污泥通常采用氣浮或過濾而不是沉淀進行分離，常歸為三級處理工藝。工藝流程如下：

　　總水力停留時間約為12小時。
　　去除效率：SS＞90％ BOD＞90％ 總磷＞95％ 總氮≈25％
　　混凝劑可采用鋁鹽、三價鐵鹽、石灰等，不能采用亞鐵鹽。
　　后沉淀工藝的出水磷濃度一般為0.5mg／l。如采用過濾為最終固液分離手段，出水磷濃度可降至0.1mg／l以下。
　　通常是將后沉淀的化學污泥打回到初沉段與初沉污泥共沉，這可使污泥更易于濃縮并有助于提高初沉池的處理效率。
　　化學后沉淀處理對生物處理起到把關作用，在負荷高時可防止敏感的生物污泥的流失，因此在除磷的同時也提高了B0D等去除效果。
2.4 預沉淀
　　預沉淀是在初沉池沉淀除磷，隨后污水再進入生物處理段。工藝流程如下：

　　總水力停留時間約為9小時。
　　去除效率：SS＞90％ BOD＞90％ 總磷＞90％ 總氮≈25％
　　混凝劑可采用鋁鹽、三價鐵鹽等，不能采用亞鐵鹽、石灰。
　　預沉淀工藝通常用于現有超負荷運轉的污水處理廠改造，以降低生物處理段的負荷。往往不經改建專門設立的混合池，沉淀劑可投加到初沉之前達到較好混合效果的紊流區。
　　預沉淀不僅能達到較好的除磷效果，還能對有機物有較高的去除效率，這就降低了隨后的生物處理段的負荷，從而降低能耗和生化污泥產量。另外一個好處可使水力停留時間明顯縮短。因此本工藝非常適合進水有機物負荷較高的污水。
　　下圖為常規處理工藝與有化學預沉淀處理工藝的有機物分配，假設人均排放B0D當量為75g／d。

　　常規生化處理工藝大約能夠去除90％的B0D，其中初沉去除30％，二級生化去除60％，10％隨出水排出。增加化學預沉淀改變了有機物去除的分配比例，如同為90％的去除率，大約有75％的B0D可在初沉階段去除，僅有15％的有機物在生化處理階段去除，因此生化處理段可大大壓縮。預沉淀工藝還可去除有毒物質從而對敏感的生物段起到保護作用。
　　本工藝從能耗角度，特別是電費較高時是十分有吸引力的。化學藥劑費用可從生化段節省的能耗和除磷效果得到充分的補償。
2.5 LE（低能耗）工藝
　　LE工藝是預沉淀工藝的進一步發展，它是化學除磷與后置反硝化脫氮生化處理相結合的工藝。工藝流程如下：

　　總水力停留時間約為12小時。
　　去除效率：SS＞90％ BOD＞90％ 總磷≈95％ 總氮≈75％
　　混凝劑可采用鋁鹽、三價鐵鹽等，不能采用亞鐵鹽、石灰。
　　本工藝充分利用污水中的有機物作為進一步脫氮的有機碳源。工藝分為兩段，第一階段通過預沉淀將污水中的有機物儲存在初沉污泥中以促進好氧池的硝化，第二階段則將儲存的有機物返回生化池以促進脫硝。
　　預沉淀不僅能達到較好的除磷效果，還能對有機物有較高的去除效率，通常可達75％左右，這就顯著改變了碳／氮比，減少好氧池生化污泥產量從而延長泥齡可使世代周期較長、競爭力較差的的硝化菌獲得優勢，從而進一步增加了好氧池的硝化效果。

結論

　　① 對于一般城市污水僅僅采用單純的生物除磷，特別目前普遍采用的單級生物脫氮與除磷相結合的工藝，難于滿足目前國家污水綜合排放標準的要求，因此有必要考慮采取化學除磷或化學輔助除磷。
　　② 針對不同的處理水質特點和處理要求，并結合當地具體條件，可在上述的化學除磷工藝中選擇較適宜的一種進行進一步的詳細技術經濟分析，從而可在與生化處理相比增加投資及運行費用不多、甚至相當的情況下，滿足出水中磷的指標要求。
　　③ 在環境要求越來越高，排放標準愈加嚴格的情況下，國內的污水處理設計研究人員有必要了解在西方國家仍為主流和具有生命力的城市污水化學除磷工藝，并在工程設計中與生化處理工藝綜合比較并結合采用，從而獲得經濟可行、經得起實踐檢驗的污水處理工藝。

參考文獻
　　［1］鄭興燦、李亞新編著.污水除磷脫氮技術.北京：中國建筑工業出版社，1998
　　［2］Charlotte Monnich Jungand Ingemar Karlssn.Chemicalor Biological P-removal for the Future.Water Mirror.No.2／1999
　　［3］Handbookon Water Treatment