污水两级生化处理除磷的探讨

近年来，我国对三河、三湖的水环境治理问题给予了高度的重视，并采取了诸如限磷、禁磷、治磷等措施。据调查分析，污水中磷元素主要来源于农业施肥、水土流失、工业废水不达标排放、养殖废渣液、人蓄排泄发挥和含磷洗涤剂等等。如何科学有效地去除污水中的磷，使处理后的水达到国家的排放标准，已引起 的广泛重视。
    目前，世界各国相继开展了污水再生及回用的研究，纷纷在原有污水处理的基础上附加三级处理或高级处理，使污水再生后合理地回用，污水再生利用往往离不开除磷脱氮技术，这是因为传统的污水二级生物处理技术氮、磷去除能力低，因此，将污水作为城市第二水源时，必须对氮和磷的含量加以控制。
    传统的污水二级生物处理工艺中各个环节的磷含量直接影响和制约去除磷的方法，因此我们有必要弄清楚作为工艺的关键部位磷的含量范围，从而得出污水厂磷的源点，为今后系统地解决脱磷工艺并提出新方法奠定基础。
1.磷的存在与去除
1.1磷的存在形式
    城市污水所存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐。根据物理特性可将污水中磷酸盐类物质分成溶解性和非溶解性；根据化学特性，则可分为正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐。
    磷元素在生物化学过程中起着重要的主导作用。所有的微生物都含有相当数量的磷，活性污泥微生物也不例外，磷是微生物细胞的重要组分。
    在常规二级生物处理系统中，污水中微生物降解过程伴随着微生物菌体的合成，磷作为微生物正常生长所需要的元素也成为生物污泥的组分。由于进入剩余污泥的总磷是逐渐增大，因而也使出水的磷浓度明显降低。
1.2污水除磷方式
    所有污水除磷方法都包含两个必要的过程，首先将溶解性含磷物质转化成不溶性的悬浮性状态，然后通过悬浮固体的去除将磷从污水中除去。在这些含磷固体的物理去除中为了避免磷又回流到污水处理的其它工段内，必须控制磷的再次溶解和释放，而采用投加化学药剂去除磷大多数情况下都与生物处理相结合，纯化学处理的情况很少。
    生物处理是通过生物作用，尤其是微生物的作用完成有机物的分解和生物体的合成，将有机污染物转为成无害的气体产物(CO2)、液体产物(H2O)以及富含有机物的固体产物(生物污泥)，多余的生物污泥在沉淀池中经沉淀固液分离，从净化后的水中除去。
    近年来，在工艺选择上采用了污泥浓缩脱水一体化，剩余活性污泥内含有大量的磷而滤液中含磷较少，将剩余活性污泥在吸收聚磷状态下进行脱水。污泥厌氧消化池不排上清液，通过污泥消化工艺的限磷措施，减少了厂内污水、废水的含磷负荷。但同时也提高了污泥中磷的含量，作为农肥含磷的提高增加了肥效，但就像污泥中重金属含量一样，由于其长期的富集，势必造成磷含量超过国家农肥标准，这将直接影响到污泥作为农肥的利用。因此对污泥的再利用和采用较好的处置方法，也值得我们再进一步去探讨。
    污水厂的上游水排放应对磷加以控制，污水厂的进水不能无限地接纳磷，污水厂不论是采用生物处理或是化学处理方法去除磷，其污水中磷的总量应控制在6mg/l，甚至在5mg/l以下为佳。
    由此可见，污水处理工艺仅仅是通过生物降解转化作用和固液分离，在使污水得到净化的同时将磷酸盐富集到污泥中。
    大量的试验数据说明，在污水中可溶性和不溶性存在的磷酸盐通过固液分离得以从污水中沉淀并被排放去除。而仍有一大部分可溶性磷酸盐和极少部分的不溶性磷酸盐存在于污水中，但是有一点可以肯定地说，对于磷酸盐的最终去除只能依靠固液分离通过污泥排放来实现。
2.除磷作用机理
2.1化学除磷
    一般常用的化学药剂是铁盐、铝盐和石灰等，但就其药剂作用原理可基于以下几点。
2.1.1胶体化学过程
    按照物理化学的观点，污染的废水往往是呈现水溶性胶体溶液，简称水溶胶，该体系显示了不稳定的的热力学状态，具有表面扩张能力较好的胶体趋向于形成粗糙的表面；具有较差的表面扩张能力的胶体趋向于形成一个具有能量释放的粗颗粒表面状态，这种不稳定状态主要受胶体表面带电粒子和有极性的水分子的电荷电位的共同影响。在同性电荷相排斥和异性电荷吸引的交替作用下，水中的胶体在等电位点时稳定性最差，从而在重力的作用下达到最大的沉降速度。
    当污水中加入化学药剂后，药剂中高价离子和催化剂反应后的产物，可以帮助胶体颗粒到达等电位点。从而形成絮凝矾花。同时污水中的活性基因，在胶体颗粒呈现“架桥”作用，使絮凝矾花进一步长大，压密呈薄薄层。从而使污染物在水中迅速沉降并分离出来，上层水透明澄清。
2.1.2化学反应过程
    在污水中加入药剂后，会形成若干化学反应，最重要的反应过程有下面几种：
(1)形成溶解度低的沉淀物
    高价金属离子与许多阴离子都形成难溶的化合物沉淀下来，这些化合物在形成絮凝矾花的核心和矾花之间的连接中特别重要。
(2)无机化合物的氧化反应
    催化剂可使若干无机化合物直接氧化，形成无害的易于沉淀产物。
(3)有机化合物催化反应
    由于催化剂的催化能力，许多有机化合物很容易地与溶解氧发生反应，在许多情况下，终产物是CO2、H2O和氮气。有时也会产生一些酸性物质，这些酸性物质与高价金属离子一起形成难溶的化合物而从水中沉淀出来。
2.1.3微生物氧化过程
    废水中的有机污染物是通过好氧微生物的氧化作用得以降解的。加入药剂后，可以加速这种氧化分解的速度，其作用机理主要是由高价位向低价位转变时，成为微生物代谢过程中的电子受体，提高兼收并蓄的传递速度，刺激好氧微生物种群迅速增殖。据试验，经化学药剂处理过的活性污泥中，好氧细菌是普通活性污泥的3倍。这主要是由于普通活性污泥菌胶团内部往往是兼性细菌占优势。而兼性细菌的兼收蓄速度远远低于好氧细菌。当污水中的有机物作为微生物的食物来源时，有机污染物被迅速地氧化、分解，因此提高了废水的净水效率。
2.2生物除磷
    所有生物除磷工艺的一个共同特点是厌氧区的设置，在厌氧状态下，通过污水与回流污泥的混合接触，促进发醇作用和磷释放的进行，随时在好氧状态下，较好的污泥混合液含有大量能超量贮集、吸收聚磷的贮磷细菌。经过沉淀作用，达到固液分离，从而大大提高磷的去除效果。
3.工艺各点磷的含量
    通过1997、1998、1999年对纪庄子污水处理厂工艺上多点取样，对磷的含量进行化验分析，其数据见表1。

地点	进水	一沉出水		二沉出水	总出水
日期
1997年	12项	12项		12项	12项
1998年	40项	37项		37项	40项
1999年	13项	10项		10项	13项
平均	5.21	4.16		3.22	3.16
地点	曝气池出水	回流污泥上清液	消化池进泥	污泥浓缩上清液	回流污泥
日期
1998年	14项	24项	7项	28项	12项
平均	23.50	3.56	20.7	3.56	47.06

磷的去除情况如图1所示。
各点去除率从图1中可以得到：
①一级处理工艺——20.15%
②生物处理工艺——22.60%
③全工艺——39.35%
    高磷源是二沉池排出的活性污泥，高达47.06mg/l，而后其按一定回流比回流到曝气池前端，使曝气池出水磷也高达23.5mg/l。
    由于曝气池内具有良好的活性污泥作为磷酸盐的载体，使磷酸盐通过附着凝聚在活性污泥中，随着活性污泥的混合和沉淀，同步完成其在生物处理中的转化。这主要是因为二级污水处理厂中除磷是将溶解磷转化到活性污泥生物细胞中，然后通过剩余污泥排入由系统中去除。
  值得一提的是，污泥在最终处置之前，通过需要浓缩和稳定化处理。在污泥处理过程中如果产生厌氧状态，剩余污泥中的磷就会重新释放出来，从而增加污泥处理回流液的含磷量，相应增加了进水磷的负荷。
    因此，污水厂的污、废水磷源来自浓缩池上清液、消化池上清液以及污泥脱水后的滤液。
    由于回流污泥和曝气池中含磷量较高，利用生物法去除磷只能通过对活性污系统的工艺运行进行适当的改变调整，例如：关闭或减少曝气池前端的曝气器的曝气量，以形成厌成交发酵环境，为除磷细菌提供理想的基质，促进曝气池内活性污泥产厌氧与好氧交替接触，在厌氧区之后是处于曝气状态的好氧区，良好的曝气好氧区，可以保障BOD的降解和磷的吸收，进水与回流污泥混合后维持厌成氧状态是十分必要的，厌氧状态有利于具有超量贮存聚磷能力的细菌的选择性增殖。细菌通过分解聚磷产生能量以获取有机物，使污泥中磷含量显著增加。但是生物除磷系统的除磷能力是有限的，当它的降解除磷能力不足时，我们还可以考虑其它的除磷方式，例如：用化学处理同生物处理相结合，选择最佳的化学药剂投加点，来满足磷的大量去除。
4.化学药剂投加点选择
4.1在初沉池或曝气沉砂池前投加
     在此点加药剂必须保证有较好的混合。通过药剂与污水中的有机物充分接触、反应，达到磷的聚合，絮凝要处于最佳状态。由于污水中的可絮凝物质较少，也就是悬浮物质相对较少，在此处絮凝不太容易达到理想的效果。
    初始混合浓度对于药剂完全扩大散非常重要，在一级处理构筑物内除磷需要更大的药剂投加量。
4.2在二级处理工艺中投加
    将药剂直接投加到一沉池后曝气池内或曝气池与二沉池之间。这种选择充分体现化学药剂投加的灵活性。投药点的改变，可以确保最佳的混凝条件，特别是将药剂投加到曝气池与二沉池之间，这既不影响曝气池内生物相和污泥量的增加，又能保证药剂与混合液充分接触反应后，通过凝聚颗粒的相互碰撞和凝聚，改善固体颗粒的沉降性能，进入稳定的沉淀状态。药剂与混合液混凝絮凝的强度增加，加速了污泥在二沉池中的沉淀效率，使出水比以前更清晰透明了。
4.3污泥处理区排水口投加
    由初沉池和二沉池进入污泥消化区的污泥含有大量的磷酸盐，浓缩池上清液、消化池上清液、污泥脱水滤液汇集在一起形成了污水厂内的磷源，在此处投加药剂，能较好地控制过量的磷酸盐进入污水中，并能将磷很快地排除掉。
5.结论
     作者在1997、1998、到1999年8月，先后对纪庄子污水处理厂各个关键部位进行了取水试验，统计分析了大量的磷分析数据，得出结论，现归纳如下：
(1)城市污水处理厂污水中磷的去除最终只能依靠固液分离，随固体沉淀物一起排除。
(2)污水两级生物处理工艺的关键磷源存在于活性污泥中，随着剩余活性污泥的排放，污水中的磷也随剩余活性污泥的排放而被去除。
(3)污水投加化学药剂除磷需结合工艺特点，着重利用工艺中污水与药剂凝聚特点，其最佳投加点应是二级处理工艺的曝气池与二沉地之间。
(4)污水中投加化学药剂进行磷的去除，必须依靠污水中的载体，即污水中的悬浮物质使其形成良好的絮体，来达到沉淀去除磷的目的。
(5)曝气池依靠池内活性污泥的絮体承受回流污泥高磷负荷能力，起到了调蓄磷的作用，从而能够保证出水的稳定性。