美国污水处理厂深度除磷技术分析
蒋松竹1郭丽卿2尹勋飞1张元凯1齐鲁1王洪臣1#
（1. 中国人民大学环境学院，北京 ；2. 环境保护部环境规划院，北京 ）
摘要 污水处理厂控磷是防止湖泊等封闭水体富营养化最有效的对策之一，但国内污水处理厂传统的除磷技术不足以改善水质、控制富营养化。本文综述了美国环保局推荐的深度除磷技术，并介绍了美国污水处理厂深度除磷技术的工程案例。结果表明，美国深度除磷技术主要分为生物除磷+化学除磷+沉淀过滤、生物除磷+化学除磷+两级过滤、生物除磷+化学除磷+膜分离三类。通过对美国深度除磷技术的综述与分析，为中国污水处理厂除磷技术的完善及已有设施的升级改造提供了重要的参考依据和借鉴意义。
关键词：深度除磷 市政污水 除磷技术 美国污水处理厂
DOI: １０．１５９８５／ｊ．cnｋｉ．１００１－３８６５．２０１５．０３．０２５
“十二五”期间，我国在化学需氧量（COD）和二氧化硫（SO2）两大污染物基础上，将氨氮和氮氧化物（NOx）纳入总量控制指标体系。但影响水环境质量的主要污染物不仅仅是化学需氧量和氨氮，氮和磷已成为威胁水质的主要污染物。特别是磷对水体富营养化的贡献远大于氮。近年来，我国[1-2]和北美[3]的研究表明，淡水富营养化不需要氮控制，只需磷控制。其中最重要的原因是氮磷的循环特性决定了水生生态系统的限制因素是磷而不是氮。与气态氮循环相比，沉积态磷循环速度较慢，由于磷来源有限，且更易于沉积，磷对湖泊初级生产力的限制作用必然比氮更强。 因此，控制磷进入水体可能是最有效的水体富营养化防治策略，与控制农业面源污染、城市径流和泥沙排放中的磷相比，控制城镇污水处理厂出水中的磷是最经济、可行的总量控制策略[4]。
美国西北部许多研究表明，污水处理厂出水TP质量浓度须控制在0.05mg/L以下[5-6]，国家污染物减排系统（NPEDS）规定的磷排放限值虽然高于此值，但也要求低于0.2-0.5mg/L，对于一些敏感区域，要求低于0.1mg/L。我国污水处理厂的排放标准不断提高，要求出水排入国家、省确定的重点流域和湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，须执行一级A标准，其TP限值为0.5mg/L。
但对于一些敏感区域，如巢湖、滇池[7]，即使周边污水处理厂总磷达到一级A标准，也无法有效控制水体的富营养化，应根据水环境容量进行总量控制。
因此污水处理厂深度除磷是我国未来的发展趋势。
1.除磷技术分类
目前污水处理厂已进入实际应用阶段的除磷技术可分为化学除磷技术、生物除磷技术、物理除磷技术[8]，如表1所示。
1.1 化学除磷
化学沉淀法是化学除磷最常用的方法。化学沉淀法是指在污水中加入无机金属盐与可溶性磷酸盐混合，形成颗粒状不溶性物质，通过固液分离去除污水中的磷。常用的化学药剂有明矾、氯化铝、氯化铁和高分子聚合物等。化学除磷的优点：
操作简单、效果稳定、耐冲击负荷；其缺点：投加量大、处理成本高、污泥量大。化学除磷（不经过滤）出水TP为0.5-1.0mg/L。
1.2 生物除磷
生物除磷主要利用微生物对过量磷的吸收，将磷转移到污泥中，通过污泥排出完成磷的去除，该技术运行费用低，且产生的污泥比化学除磷要少。
但生物除磷效果受多种因素影响，处理效果不稳定，生物除磷出水TP为0.5～1.0mg/L。
1.3 物理除磷
物理除磷主要有过滤和膜技术，过滤可以去除水中的颗粒态磷，膜技术既可以去除颗粒态磷，又可以去除部分可溶性磷，出水TP<0.04mg/L，但成本相对较高，因此，要实现深度除磷，必须采用物理除磷。
物理除磷技术起源于化学除磷，但由于其成本高、污泥产量大等缺点，逐渐被生物除磷技术所取代。
随着TP排放限值的不断提高，“生物除磷+化学除磷”组合工艺不仅减少了药剂投加量，而且可以达到出水TP0.1～0.5mg/L。在一些需要深度除磷的污水处理厂（出水TP质量浓度小于0.1mg/L），在生物、化学除磷的基础上还需进行物理除磷，去除悬浮物（SS）中的残磷或部分可溶性磷。
2.美国深度除磷技术
美国环境保护署（EPA）报告介绍了实际运行中采用的深度除磷工艺[9]，如表2所示。美国EPA推荐的技术通常为生物、化学和物理除磷的组合工艺，可分为三类：（1）生物除磷+化学除磷+沉淀过滤；（2）生物除磷+化学除磷+两级过滤；（3）生物除磷+化学除磷+膜分离。在三类技术中，第一类是最常用的，应用范围很广；第二类可以达到出水中TP质量浓度最低（<0.01 mg/L）；而第三类在可达性上与第一类相差不大，且膜分离的投资和运行费用相对较高，不作为推荐技术，因此本研究不再对其进行详细介绍。
2.1生物除磷+化学除磷+沉淀过滤
该技术出水TP在0.01～0.07mg/L之间。沉淀过滤可采用传统工艺，如横流、竖流、辐流沉淀，也可采用砂滤器、多介质过滤器、流化床过滤器；也可采用新技术，如斜板（管）沉淀池、高密度沉淀池、磁混凝工艺、活性砂过滤器等。但与污水处理厂和Iowa Hill污水处理厂相比，传统沉淀过滤出水月均TP甚至低于新技术，这可能是由于新技术的操作维护更复杂，对管理人员的要求更高。
2.2生物除磷+化学除磷+两级过滤
该技术出水TP小于0.03mg/L。污水处理厂采用两级普通滤池，出水TP为0.029mg/L。该滤池滤料为人工合成滤料，第一级过滤采用上向流，第二级过滤采用下向流。污水处理厂和污水处理厂采用两级活性砂滤池，出水TP质量浓度最低（小于0.01mg/L）。活性砂滤池集絮凝、沉淀、过滤处理于一体，滤料连续清洗，过滤效果好，无需反冲洗，被美国EPA认可为高效过滤技术。
2.3生物除磷+化学除磷+膜分离
该技术出水TP小于0.07mg/L，膜分离可采用微滤、纳滤、超滤、反渗透等方式进行。
三、项目案例
3.1 “生物除磷+化学除磷+沉淀过滤”方案案例研究Snake River污水处理厂收集的污水来自水库南部和东部的居民区，处理后排入水库。
狄龙水库是丹佛地区（人口众多的大城市）的饮用水源，因此，为防止水体富营养化，保证居民饮用水安全，该厂出水水质须满足NPDES限值，即TP最大日质量浓度不能超过0.5mg/L，年排放量不超过154kg。因此，为满足年排放限值，污水处理厂出水TP质量浓度实际应在0.01~0.02mg/L之间。2002年，该厂完成升级改造。
（1）工艺流程
工艺流程为：进水+格栅+曝气池+二沉池+化学混凝池+絮凝池+传统矩形斜板沉淀池+混合介质滤床+消毒池+出水。污水处理中明矾用量为50-180mg/L，平均用量为70mg/L，冬季需增加明矾投加量。
（2）出水水质
Snake River污水处理厂出水水质见表3。
该厂升级改造后，即使不进行强化生物除磷也能达到较好的除磷效果，但二沉池出水中TP浓度变化较大（0.5～3.0mg/L），可能是由于回流污泥对磷进行了二次释放。
3.2 “生物除磷+化学除磷+两级过滤”案例沃尔顿污水处理厂设计处理能力为5800t/d，接收居民区、商业区以及附近乳品加工厂的污水，后者占总污水量的40%，但有机负荷占80%。进水平均BOD浓度为350mg/L，处理后的水排入特拉华河。特拉华河是纽约市的主要饮用水源。该厂向用户收取每月10美元的污水处理费，在此基础上根据超出的水量收取额外费用。该厂的建设、运行和维护费用由纽约市补贴。
（1）工艺流程
沃尔顿污水处理厂2003年升级改造后，工艺流程包括：格栅（除砂）；调节池；曝气池；二沉池（对出水进行氯消毒，防止微生物生长）；两级活性砂滤池（对出水进行二氧化硫脱氯）。详见图1。
（2）出水水质
沃尔顿污水处理厂出水水质见表4。
沃尔顿污水处理厂采用美国EPA认可的方法对出水中TP、氨氮、SS、BOD进行分析，大部分样品检测结果均低于排放限值，但低于排放限值并不一定代表出水水质优良。
（3）设施描述
该厂安装的两级活性砂过滤器TP去除率高达96%，可实现连续反冲洗，投资和运行费用低，其剖面图如图2所示。集混凝、澄清、过滤为一体，不需单独设置混凝、澄清池，大大降低了一次性投资费用，减少了占地面积。
二沉池出水由泵送至配水池，在配水池中添加氯化铝和氯，在重力作用下进入初级砂滤池，再由初级砂滤池进入二级砂滤池，冲洗废水回流至进水口。初级砂滤池深2m，滤料平均粒径1.3mm；二级砂滤池深1m，滤料平均粒径0.9mm。运行过程中，活性砂几乎无流失。该厂最大日处理能力为5800t/d，最大流量下可采用3～5个滤池模块进行处理，实际运行的滤池模块数量根据进水量进行调整。
4、我国污水处理厂深度除磷需求及技术现状
2012 年《中国环境公报》[10]显示，长江中下游及其湖库流域(如三峡水库、巢湖、滇池等)水体富营养化问题依然突出，如长江中下游干流水质总体为优，但支流普遍为轻度污染，其支流乌江污染严重，总磷常年超标；滇池水质总体为劣Ⅴ类，主要污染指标为COD和TP，处于中度富营养状态。
2006年，国家环保总局对《城镇污水处理厂污染物排放标准》（-2002）中一级A标准和一级B标准的执行对象进行了修订，即城镇污水处理厂出水排入国家、省确定的重点江河流域和湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，一律执行一级A标准，即我国大部分污水处理厂出水总磷应低于0.5毫克/升。但2006年至2012年，长江中下游及其湖库流域总磷超标率基本都在80%以上，总体情况仍然十分严峻。
世界各国都面临水质恶化的问题，以美国为例[11-12]，20世纪60年代以来，美国五大湖地区特别是伊利湖出现了严重的富营养化现象。伊利湖最初的磷控制重点是点源，主要是城镇生活污水和工业废水，其中城镇生活污水占有主要地位。政府投入大量资金新建污水处理厂和升级改造现有污水处理厂，要求出水总磷小于0.1mg/L。此后，点源总磷排放量大幅下降，1972年伊利湖62%的磷负荷来自点源，而1985年仅为24%。
1981年，伊利湖首次达到了五大湖水质协议规定的11000吨磷负荷目标。
因此，我国应在充分查明磷来源的前提下，确定点源磷负荷与TP负荷的比例，通过经济成本分析选择控制点源磷负荷还是面源磷负荷。若选择点源磷负荷，污水处理厂出水中TP的排放不仅有浓度限值，还需以当地水环境容量的总量限值为依据。例如蛇河污水处理厂若想达到年排放限值，其出水中实际平均值TP要在0.01～0.02mg/L之间，这比0.5mg/L的日最大质量浓度限值要严格得多。因此，对于我国一些敏感区域，如巢湖、滇池等，一级A标准的TP排放限值过低，应进一步进行深度除磷[13]。
但我国污水处理厂采用的主流工艺为传统活性污泥法、A/A/O法、氧化沟法和SBR法[14]，整体技术水平与发达国家相比仍落后。因此美国深度除磷技术为我国污水处理厂除磷技术的完善及现有设施的升级改造提供了重要的参考依据和借鉴意义。
5. 结论
（1）根据美国EPA调查结果，美国目前运行的深度除磷技术可分为生物除磷+化学除磷+沉淀过滤、生物除磷+化学除磷+两级过滤、生物除磷+化学除磷+膜分离三类。这些技术对于我国污水处理厂的升级改造有很大的参考价值。
（2）生物除磷、絮凝沉淀技术在国内外已得到广泛应用；过滤技术是一项非常成熟的给水技术，我国在污水处理领域也有一定的建设、运行和管理经验。
因此，理论上中国在建和运行的污水处理厂可以根据水环境容量进行总磷的总量控制。
参考：
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[２]
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