生活污水除磷工艺的研究

研究了生活污水除磷的现状及污水除磷工艺的研究进展，重点分析了化学沉淀法、生物法、吸附法及絮凝剂除磷的机理和研究动向，并对这些方法的优缺点进行对比，进而提出了改进思路和方法。结论表明：利用高效吸附剂和复合型絮凝剂强化生活污水除磷具有一定的可行性和实用性。
随着社会的发展与进步，在日常生活和工农业生产活动中，不可避免的产生和排出大量的污水。未经处理的污水会破坏生态环境、威胁人类健康，直接排放危害极大，会造成不可预知的消极后果。因此，积极地建设污水处理设施，在污水被排放河流、湖泊和海洋等自然水体之前，对其进行有效的净化处理是必不可少的。
现代处理工艺中，污水厌氧处理扮演着重要角色。通过厌氧处理，可以有效降低污水的COD值，极大改善污水的可生化性，显著提高后续好氧处理效率。但是，在厌氧消化过程中会生成大量的磷等营养物质，而磷却是水体富营养化的罪魁祸首。当前，在全球范围内水体富营养化现象越来越严重，磷的超量排放严重威胁淡水资源。水体富营养化对磷的含量特别敏感，一般认为当水体中总磷含量达到0.015mg/L时就可以引起水体富营养化。所以，污水在从污水处理厂排出之前需要除磷。
1 生活污水除磷研究现状
生活污水成分包括三类：悬浮固体(SS)，有机物(COD或BOD)，营养物(磷和氮)。对于大多数废水，磷一般具有三种形态，即正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷。废水中约10%为不溶性磷，一般通过初次沉淀去除。另有大部分是溶解状的无机化合物，主要来自洗涤剂的正磷酸盐和稠环磷酸盐，通过化学混凝变成不溶性沉淀物。还有小部分是以溶解和非溶解状态的有机化合磷，其中稠环磷酸盐和有机化合磷(核酸)在生物处理中可转化为正磷酸盐[2-3]。
污水处理通常分为以物理去除为主的一级处理和以生物处理为主的二级处理，近年来又引入了强化处理的概念。所谓强化一级处理，主要是用化学方法，通过投加混凝剂以强化污水净化效果，一般总磷去除率可达85%-95%。在发达国家，多选用三氯化铁加石灰作为强化混凝剂，这与其价格低、沉降性好有关，如同时配合石灰使用，有较佳综合应用效果。
2 污水除磷工艺
对于生活污水除磷工艺，国内外曾做过大量研究，其主要方法和工艺如下：
2.1 化学沉淀法
基本原理是通过投加化学药剂形成不溶性磷酸盐沉淀物，然后通过固液分离从污水中去除。根据Moriyama等人的研究，本工艺的除磷效率在75%-85%之间。ng等人发现，在铝盐沉淀除磷中，已经风干的明矾污泥仍具有较强的吸附能力，经20分钟的反应能使污水中磷减少55%左右。在酶盐沉淀除磷中，Shin等人测得磷的去除率可达97%，这种方法操作简单，除磷效果好且稳定，但药剂费用高，且易产生二次污染[3-4]。
同时Isherwood试验表明，在污水处理系统中添加25%硫酸铝为沉淀剂，除磷效果显著而稳定，且在实际工艺过程中简便可行。它一部分生成相应的硫酸盐沉淀，另外在部分胶体状的氧化铝和氢氧化铝表面上可吸附一部分硫酸盐，同时在多核的氢氧化铝悬浮体通过凝聚作用形成不溶性的金属聚合物过程中，能将硫酸盐浓度降低，可达到稳定除磷效果。因此今后化学沉淀的研究方向应是降低药剂费用及减少污泥量和运行成本。
2.2 人工湿地处理法
可把它看作一容器，入流废水缓慢流动，污染物质在此过程中被截流或吸收，从而达到净化效果。它具有良好的除磷能力，低耗高效，但易受环境影响，且处理难降解废水能力差。目前在非洲已有人提出新型的湿地系统建设模式，不仅要求有净化能力，同时强调具有一定的景观作用。KornerVermaat对浮萍及其相关微生物(主要是藻类和细菌)的净化能力进行了研究，发现污水中近75%的营养物质被去除，其中浮萍去除污水总磷率大约52%。
2.3 生物除磷法
2.3.1 强化生物除磷(EBPR)法
其机理主要是通过创造对聚磷菌(PAOS)生长有利的条件使其在活性污泥的菌群中占优势，将活性污泥中的含磷量增加。除磷的主要途径如下：首先通过将污水中的磷转化为颗粒性磷，从而降低水体中溶解性磷的含量，同时分离颗粒性磷，但此方法微生物除磷效率不高。
关于活性污泥对磷过量吸收的原因，至今尚无定论。Bargman等人认为主要是化学原因(在细菌细胞内形成了磷酸钙结晶体沉淀)引起的。Levin、Yall等人认为主要是生物学原因引起的，是聚磷菌(Pol y p hos p hate A ccumul at iN g Organisms，PAOs)的代谢特性决定的。Yall等人用磷和钙进行实验发现，即使磷发生了过量吸收，细胞内的钙含量也几乎未变[10-11]。
从生物学的角度来看，聚磷菌交替地处于厌氧与好氧条件时，能在厌氧条件下吸收低分子的有机物，同时将细胞原生质中聚合磷酸盐异染粒的磷释放出来提供能量；在好氧条件下，所吸收的有机物被氧化提供能量，同时从污水中吸收超过其生长所需的磷并以聚磷酸盐的形式储存起来。由于系统经常排放剩余污泥，被细菌过量摄取的磷也将随之排除系统，因而达到除磷效果。
2.3.2 颗粒污泥法
颗粒污泥脱氮除磷目前还处在研究阶段。Dulekgurgen E.等试验表明颗粒污泥具有稳定的生物量，磷的去除率为99.6%。好氧颗粒污泥具有反硝化除磷能力，由于颗粒污泥独特的结构以及氧扩散梯度的存在为聚磷菌、硝化菌、DPB提供了共存的环境，大量DPB与硝化菌在颗粒污泥中富集。杨国靖等试验表明在颗粒污泥中DPB占全部聚磷菌的73.1%[18-19]。
但有关实验表明：在污水处理流程中使用微生物法除磷，由于存在滞后现象，处理后的水中磷含量反而会比当天的磷含量更高，同时污水中有机物的可降解性对生物除磷效果有至关重要的影响，由于污水处理车间进水的可快速降解使得有机物含量不足，从而除磷效果不理想.
2.4 吸附除磷法
它是利用某些多孔或比表面的固体物质对水中硫酸根离子的吸附亲和力来实现对废水的除磷过程。此方法高效耗能低，但目前吸附剂普遍磷吸附量不高，其周期也较短。研究显示，天然沸石本身对磷就有一定吸附性，以天然沸石为载体把活化的氧化镧附载到沸石上其除磷的效果更佳，是一种潜在的高效废水除磷吸附材料。结果表明，当吸附剂用量为1g/L，溶液pH值为4，接触时间为2.5h，磷的去除效率可达95%以上。
利用微波稀土改性膨润土制备高效吸附剂除磷。实验表明制备稀土吸附剂的适宜条件为：硫酸的浓度为15%，斓的浓度为0.4%、浸渍的pH值为10、微波功率为340W、辐射时间为5 min。结果表明：当溶液的pH值为3～6、接触时间为45 min的时候对磷去除率为99.97%，吸附量大于41 mg/g，具有一定的可行性。
2.5 絮凝剂除磷法
应用于水处理的絮凝剂可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂、微生物絮凝剂和复合型絮凝剂几大类。
(1)无机絮凝剂虽成本低、来源广泛，但净化效果受限制，存在着絮凝性不强、稳定性差等缺点。
(2)有机絮凝剂具有用量少，PH适用范围广泛、污泥量少、速度快的特点，但其毒性问题越来越受关注。与无机絮凝剂相比，有机高分子絮凝剂具有用量少、沉降速度快，不易受水中共存离子、pH值及温度的影响，污泥易于脱水等特点。但现有高分子絮凝剂产品质量不高，速溶性差，单一使用时价格较高，以后的发展方向为开发天然有机絮凝剂。
(3)微生物絮凝剂具有安全可靠、高效无毒、易于生物降解和对环境无二次污染的优点，但目前国内研究还处于实验阶段。
(4)复合型絮凝剂可更好发挥单种絮凝剂的优势，使用量少，且又能提高絮凝效果。其中无机有机复合絮凝剂以其品种多样化、性能多元化占主导地位。其机理为：一方面颗粒为无机絮凝剂所吸附，颗粒逐渐变大；另一方面通过有机高分子的桥连作用，沉淀其它杂质颗粒。
试验表明：周世辉等人选用9种混凝剂(硫酸铁，三氯化铁，硫酸铝，聚合硫酸铝，聚合硫酸铁，阳离子型聚丙烯酰胺(PAM)等)对城市生活污水进行单独和复合处理时的对比研究，结果表明有机絮凝剂与无机絮凝剂复合使用时效果显著提高。郑礼达等人采用复合絮凝剂对生活污水的除磷效果进行了研究，结果表明：出水的除磷率达98.42%，除浊率达98.53%，出水中磷浓度达国家一级排放标准，絮凝剂总磷去除率高达99%以上。
3 改进思路和方法
污水除磷技术随着实践运行过程中种种问题的出现，经过相应的技术改进和创新，如今已得到相当快的发展。
物化法由于其除磷效果好、运行操作稳定等特点，大多适用于处理流量不是很大的含磷废水。但有关研究发现，利用石灰或金属盐除磷水中会出现阴离子浓度增加等问题，而由于活性氧化铝的良好吸附性能，特别适用于低浓度含磷污水(≤1mg/LP)的处理；通过投加方解石(CaCO3)直接与污水中的磷酸根形成磷酸钙沉淀也能达到很好的除磷效果，它适用于高浓度含磷污水(≥20mg/LP)的处理；由于粉煤灰含有较多的活性氧化铝和氧化硅等，利用它的强吸附能力，也可以用于高浓度含磷污水的处理，去除效率可达99%以上。
另外，物化除磷与生物除磷技术相结合也是当今污水处理的发展趋势。对一些已建成的二级生物污水处理厂，在生物处理的基础上增加物化除磷，可大大提高出水水质。
目前，我国对生物除磷的机理有了较深入的了解，随着微生物学与生物化学的研究与进步，以及对除磷机理更深入的了解，将有助于生物除磷工艺的优化与控制。
加强对生物除磷机理的研究，尤其是对聚磷菌的生物特性及其分离培育的研究无疑是生物除磷技术的主要发展方向之一。实际上，除了生物悬浮生长处理工艺，像生物滤池、生物转盘等附着生长工艺也有较好的除磷效果。人工湿地(ConstructedWet-land)工艺也同样具有很好的除磷效果。
污水除磷可以有效防止水体富营养化，提高出水水质。实际应用中，选择合理有效的处理方法显得尤其重要。一方面，我们要大力开发适合于我国国情的高效处理技术；另一方面，要具有针对性地开展更深入的基础研究，优化现有的一些处理工艺。
3.1 新型除磷剂
(1)当用新型除磷剂处理废水后，由于新型除磷剂的主要成分为膨润土，因此使用它必定给水体带来大量污染，试验应研究如何有效处理水体中污泥。
(2)为了降低成本，应考虑如何将一次性新型除磷剂开发为可将其应用多次的回收利用。
3.2 复合絮凝剂的应用
(1)优化复合型絮凝剂的合成，充分发挥各组分的作用以满足不同污水水质絮凝处理的要求。
(2)加强絮凝法与其他方法联用，使处理效果提高。
(3)加强絮凝剂的复配使用，增强协同效应。
3.3 制备吸附容量性能优异的高效吸附剂制备吸附容量性能优异的高效吸附剂是吸附法除磷的发展趋势。吸附被认为是能够较好适用于宽浓度范围废水除磷的方法。
4 结论
综上所述，应用高效吸附剂和复合型絮凝剂来共同强化生活污水除磷具有一定的可行性和实用性。优化复合型絮凝剂的合成工艺，充分发挥各组分的作用以满足不同污水水质絮凝处理的要求。吸附法以其高效快速、无二次污染、易操作等优点得到了世人的青睐，但吸附机理的研究方面远远落后干实践，高效合成吸附剂的研究将是废水除磷吸附剂的重要发展方向。
另外，通过实验表明：硫酸铝作为沉淀剂去除污水中磷的效果显著，而且很稳定，对原有的污水处理工艺无需做较大的变动，无需增加污水处理的固定成本，在污水处理的实际应用中简便可行。因此，可以假设，在实验中综合硫酸铝、稀土吸附剂及PAC等复合絮凝剂(可以考虑助凝剂)的作用，通过一定的物化反应将它们的性能加以组合，寻求达到最佳的除磷效果。