生活污水强化除磷技术研究进展

谢禹，陈仁杰，陶正凯，荆肇乾

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

人类生产生活造成的水体污染日益加剧，水体富营养化进而引发的水华、赤潮、水体黑臭等现象时有发生。水体中的磷超标是造成水体富营养化的重要原因，不仅极大地破坏了环境，而且由于缺乏有效的治理手段，磷污染还具有持续性和长期性的特点[1]。虽然近年来通过城市污水处理技术和装备的升级、村镇环境整治以及水体的综合治理，整体的水体环境污染已经得到一定的遏制。但是一方面，我国东部地区人口稠密，产生污水量大，且逐年攀升，磷污染的形势更加严峻；另一方面，我国的污水处理厂的处理能力和水平存在较大差异，一些污水厂的出水磷含量至今仍超过国家排放标准[2-3]。按照满足地表水Ⅳ类水水质标准(总磷浓度对流动水体要求为0.3 mg/L以下，湖泊和水库的要求为0.1 mg/L 以下)来看，即便污水处理达到一级A标准排放，仍然会对水体造成潜在污染[4]。由于污水的总磷组成形态多元、污染物质类型多样、水量水质波动较大等原因，如何有效去除污水中的磷并有效回收十分重要，磷去除技术优化对于污水处理厂技术升级和水体环境保护仍然具有重要研究价值[5]。

1 生物除磷

生物除磷技术是目前城市污水处理厂除磷领域应用较为广泛的方法，主要通过活性污泥处理工艺实现污水生物除磷。生物除磷的主要原理是聚磷菌在厌氧条件下会分解体内的聚磷酸盐，并合成β-羟基丁酸(PHB)等有机物[6-7]，而在好氧条件下，聚磷菌则会分解体内的PHB等有机物，并过量摄取污水中的磷酸盐合成聚磷酸盐。利用聚磷菌好氧过量摄磷的特性，可以实现聚磷菌再生和富磷污泥排放的同步运行[8]。目前，较为常见的生物除磷工艺主要包括：SBR、A2/O 工艺、A/O工艺及其改良工艺等，通过工艺设置厌氧区或者厌氧时间段，与后续的好氧区或者好氧时间段交替，可以有效除磷。但是由于进水水质波动或者进水碳源限制，生物除磷效果往往具有较大差异。

生物除磷过程需要一定有机物浓度，与生物脱氮过程对有机物存在一定的竞争。有研究表明，去除单位量的总磷需要的碳源是单位硝态氮脱氮需要碳源的6.1倍[12]，要实现生物有效除磷，需要在厌氧区维持一定的低分子有机物浓度。为提高除磷效果，也有较多的研究通过反硝化除磷等技术结合，利用共同的碳源，在除磷的同时有效脱氮，协调除磷和脱氮的矛盾。由于生物除磷最终是将磷转移到污泥里面去，是通过剩余污泥的排放和处置最终去除污水中的磷，因此要有效除磷，需要控制较低的泥龄，一般3～5 d。生物脱氮则需要控制良好的硝化条件，泥龄相对较长，一般要控制在10 d以上。因此，污水生物除磷脱氮还要协调除磷和脱氮在泥龄方面的矛盾。

2 化学除磷

化学除磷是通过投加适量金属盐或者矿物，将污水中的磷酸盐转为沉淀去除。一般需要控制碱性条件，提高除磷效果。化学除磷一般作为生物除磷的辅助措施，在生物除磷难以达到排放要求的前提下，通过化学方法深度除磷。

周庄古镇地埋式污水处理厂[13]采用化学除磷工艺，出水总磷可以达到1 mg/L以下。黄潇等[14]考察了Fe2+作为同步化学除磷药剂的可行性，并优化了药剂的投加量和投加位置。结果表明，Fe2+作为A-MAO工艺的辅助除磷手段和磷酸盐最佳投加比例为1.5，最佳投加位置为按照水力时间测算的工艺出水口前1 h出水TP可以达到0.3 mg/L以下，去除率高于90%。Fe2+的投加还能促进脱氮效果，并改善污泥的沉降性能，抑制污泥膨胀。在污水处理厂深度处理工艺中，通过化学除磷应用更加普遍。通过投加适量金属盐药剂，可以控制出水总磷稳定在0.5 mg/L以下。但是由于污水处理厂尾水中磷的存在形态往往以有机磷状态存在，单纯的加药除磷往往难以控制出水总磷低于0.3 mg/L以下。要对尾水进行有效除磷，往往还要结合其他高级化学氧化技术，将磷酸盐从有机物中释放出来以有效除磷。而且悬浮物的去除对磷的去除也有较大影响，化学除磷的同时往往要与混凝沉淀、过滤、微滤等技术进行结合。

3 生物化学除磷

生物化学协同沉淀除磷技术是在生物除磷的基础上通过投加化学除磷剂，以化学沉淀强化除磷并改善生物处理系统稳定性[15]。生物化学除磷兼具生物除磷和化学除磷的优点，在生物除磷工艺系统中投加化学除磷剂，不仅可以使生物除磷和化学除磷均能充分发挥各自优势，还能够使两者之间相互协同，相互促进[16]。

生物化学除磷可以与反硝化除磷、厌氧释磷、污泥浓缩和污泥消化等工艺结合，利用厌氧释放的磷酸盐添加化学药剂进行除磷。聂超等将二沉池回流污泥进行厌氧释磷，控制厌氧时间为4 h，释磷后的污泥回到生物处理系统进行生物除磷，并对厌氧上清液进行化学除磷，通过投加氯化镁和氨水，在N∶Mg∶P 的投加比例为5∶1.6∶1，pH为10的情况下，不仅有效回收了磷，而且对生物系统磷的去除效率提高了20%[18]。

4 生态除磷技术

生态除磷技术主要通过水生植物、基质及水生微生物等组成的生态系统实现磷去除。生态处理技术不仅可以有效削减氮磷、有机质污染，而且还可以分解或固定部分难降解有机物质、重金属等有毒有害物质[19]。生态处理技术总体上表现出投资运行成本低、次生污染风险小、氮磷去除率高等优势[20-21]。

李海英等面向黑臭缺氧、氨氮浓度高的污染河道开发了一种微曝气生态浮床系统，以漂浮载体悬挂弹性生物膜填料和水生植物水芹，辅以人工微曝气系统构建而成，实验结果表明该系统对总磷的平均去除率可达到 75.1%[22]。沈士德等研究发现利用基因工程菌处理水体富营养化，能够有效解决水体的富营养化问题，不仅可以有效消灭水藻、去除异味，还可以对含有大量氮磷元素的污泥进行降解，从源头上抑制藻类的繁殖[23]。在农村污水处理工程中，通过人工湿地、生态滤床技术结合，布置适量石膏、石灰石、粉煤灰滤料等钙质填料，可以辅助除磷。特别在低温季节，植物枯萎，植物吸收利用作用有限的情况下，保证污水中磷的有效去除。

刘文涛等在农村生活污水处理中，在前面设置厌氧和跌水曝气基础上，后面利用水耕蔬菜人工湿地技术，可以实现污水中的磷的有效资源化利用，出水总磷达到0.34 mg/L[24]。徐丽等将水生植物滤床与潜流人工湿地进行组合，处理经过生物处理的农村污水尾水，在夏秋季组合系统对总磷的去除率达到63.2%，植物吸收对磷去除的贡献达到21.5%[25]。

生态除磷技术目前主要用于小型生活污水、污水处理厂尾水处理、城市水体治理等工程项目，需要将水生植物种植、土壤过滤、人工湿地等技术结合。生态除磷效率与温度和季节关系较大，在冬季低温季节需要结合除磷基质配置保证除磷效果，而且还要防止水生植物枯落物带来的二次污染问题。

5 污水中磷资源回收

磷是地球生命活动不可或缺的重要营养元素，而存在于磷酸盐矿物或生物化石中的磷又是地球上不可自然再生的有限资源，近年来国际磷矿石价格一路飙升，较10年前翻了6番[26]。与此同时，全球范围内陆地磷矿产资源日益匮乏，而水环境中的磷含量却过高进而引发水体富营养化[27]。拮据的资源与环境现状推动了以“回收”代替“去除”的磷资源循环利用理念的快速传播，更多的科学研究关注并实现了磷资源回收技术取得实际应用[28]。

梅翔等构建了以白云石提供钙镁源的磷回收方法，探讨了磷回收的工艺条件与效果。研究利用白云石为钙镁源，通过构建不同的磷回收体系可以分步从污泥厌氧消化液中回收磷，装置操作简便，易于控制，且磷回收率高、经济成本低[29]。结晶法回收磷是目前研究较为广泛的磷回收技术，通过控制反应条件使得废水中的磷以鸟粪石的晶体形态沉淀并加以回收利用。王燕群等尝试采用鸟粪石结晶法回收废水中的磷，研究了pH及结晶条件对鸟粪石纯度的影响，实验结果表明最佳pH为8.0～10.0(当磷初始浓度<50 mg/L时最佳pH为9.5～10.0；当磷初始浓度>50 mg/L时最佳pH为9.0；当磷初始浓度>150 mg/L时最佳pH为8.0～8.5)，实验结果与理论分析一致[30]。高琪娜等将结晶法除磷与反硝化除磷结合，在化学沉淀过程中添加适量一定级配的石英砂作为结晶晶核，在进水TP的质量浓度为3.76～15.68 mg/L的情况下，通过A2N-SBR工艺增加两级诱导结晶柱，磷的结晶回收率达到80%以上[31]。

6 结论

污水处理厂需要结合自身进水水质、气候条件等情况，合理优选污水除磷技术。生物除磷技术在污水处理厂应用较为普遍，但是由于受进水水质等条件限制，往往需要与其他除磷技术结合。在进水有机物浓度较低或者冬季生物除磷效率变低，出水水质难以满足要求时，可以增设化学除磷作为辅助工艺，选用生物化学协同除磷技术会比单种工艺独立使用更加高效。在农村污水处理、水体环境整治中，生态除磷技术则具备独特的经济和环境优势，可以实现磷的农业资源化利用。污水处理中的磷回收技术作为一个具有重大潜力且目前应用较少的新型技术，应引起更高的重视，并逐步纳入未来污水厂的提质改造和建设规划之中，既能实现污水中磷的有效去除，也能实现磷的资源化回收。