分享|污水除磷工艺比较与选择

1.1 化学除磷原理

化学除磷主要是通过化学沉淀过程完成的，化学沉淀是指污水中的无机金属盐与可溶性盐（如磷酸盐）发生反应，生成颗粒状、不溶性物质。其实，加入化学药剂后，污水中不但发生了沉淀反应，而且还发生了化学絮凝，即生成的小的不溶性固体相互粘结，形成较大的絮凝体。

污水沉淀反应可以简单理解为水中溶解物质（多为离子型物质）转化为不溶性颗粒状的过程。絮凝是微小的不溶性固体相互黏结成较大形状的过程，因此絮凝不是相转移过程。絮凝用于提高沉淀池的沉淀效果，而沉淀用于去除污水中的可溶性磷。

1.2 化学除磷剂

为了生成不溶性磷酸盐化合物，化学除磷所用的药剂主要是金属盐剂和氢氧化钙。许多高价金属离子药剂投加到污水中后，会与污水中的可溶性磷离子结合生成不溶性化合物。但出于经济原因，用于磷沉淀的金属盐剂主要是Fe3+盐、Fe2+盐和Al3+盐，以溶液和悬浮液的形式使用。除金属盐剂外，也有用氢氧化钙作为沉淀剂，反应生成不溶于水的磷酸钙。

表1 污水净化常用药剂

类型

姓名

分子式

状态

铝盐

硫酸铝

Al2(SO4)3·18H2O

坚硬的

Al2(SO4)3·14H2O

液体

nAl2(SO4)3·xH2O+mFe2(SO4)3·yH2O

坚硬的

氯化铝

三氯化铝

液体

三氯化铝+三氯化铁

液体

聚合氯化铝

[Al2(OH)nCl6-n]m

液体

亚铁盐

硫酸亚铁

坚硬的

硫酸亚铁

液体

铁盐

氯化硫酸铁

液体（约 40%）

氯化铁

液体（约 40%）

熟石灰

氢氧化钙

约40%乳液

铝盐的凝结和沉淀

Al2(SO4)3+ 6H2O----2Al(OH)3+3SO42-+6CO2

Al2(SO4)3+ 2PO4----+3SO42-

在pH值为6.0-6.5时，每添加1mol磷应添加1.5-3.0mol铝。如果水呈碱性，应先降低pH值再添加铝，以减少Al(OH)3沉淀。

铁盐的凝结和沉淀

Fe2(SO4)3+ 3HCO3----Fe(OH)3+2SO42-+3CO2

Fe3++ PO43----FePO4↓pH=5～5.5

每1mol磷需加入1.5-3mol铁（Fe3+），最佳pH值为5.0。

对于含磷量5mg/l左右的二级处理水，投加100～200mg/l的氯化铁（FeCl3.6H2O），磷的去除率可达到90%以上。

金属氢氧化物会形成大的絮凝体，有利于沉淀产物的絮凝，同时也会吸附胶体物质和细小悬浮颗粒。需要注意的是，以化学除磷为目的的化学沉淀反应中有机物的沉淀去除是次要的，而分离过程中絮体中有机胶体和悬浮物的混凝才是决定性的过程。

沉淀效果受pH值影响，金属磷酸盐的溶解度也受pH值影响。铁盐的最佳pH值范围为5.0-5.5，铝盐的最佳pH值范围为6.0-7.0，因为在上述pH值范围内FePO4或AIPO4的溶解度最低。此外，使用金属盐药剂也会给污水、污泥处理带来益处，如降低污泥的污泥指数，有利于沼气脱硫等。

由于加入金属盐药剂会增加污水处理厂出水中Cl-或SO2-4离子的含量，所以如果沉淀药剂溶液中还含有酸的话要特别注意。

金属盐的加入会降低废水的碱度，对净化产生不利影响。在同步沉淀工艺中使用硫酸铁时，必须考虑对硝化反应的影响。

另外，若将污水处理厂污泥用于农业，在使用金属盐药剂除磷时必须考虑铝或铁负荷对农业的影响。

石灰凝结沉淀

5Ca2++ 4OH-+ ----Ca5OH(PO4)3+ 3H2O

为了达到90%以上的磷去除率，需将pH值调节到10.5-11.0以上，Ca/P重量比在2.2:1以上。

在沉淀过程中，对难溶性磷酸钙的生成起主要作用的不是Ca2+而是OH-离子，因为随着pH值的升高，磷酸钙的溶解度降低。Ca(OH)2除磷所需的pH值在8.5以上。

但在pH值8.5～10.5范围内，除了有磷酸钙沉淀外，还会产生碳酸钙，可能造成池壁或渠道、管壁结垢。

Ca2++CO32-→CaCO3

磷酸盐沉淀与钙的反应不仅受pH值影响，还受碳酸氢盐浓度（碱度）影响，在一定的pH值条件下，加入的钙量与碱度成正比。

对于软性或中硬性污水，采用钙沉淀时，达到要求的pH值所需的钙用量很少，相反，缓冲能力强的污水，则需要较大的钙用量。

1.3 化学除磷工艺

化学除磷工艺可根据化学药剂投加位置进行分类，实际应用中常用的方法有：预除磷、同步除磷和后除磷。

预除磷工艺的特点是将化学药剂投加于沉砂池、初沉池进水通道（管道）或文丘里通道（利用涡流），一般需加装产生涡流的装置或供给能量以满足搅拌的需要。相应的沉淀产物（大的絮凝物）在初沉池内沉降分离。若生物段采用生物滤池，则不允许使用铁盐药剂，以防止损坏填料（产生黄锈）。预除磷工艺由于只在现有工艺的前端增加化学除磷措施，更适合现有污水处理厂的改造，此工艺步骤既能除磷，又能减轻生物处理设施的负荷。常用的化学药剂主要有石灰、金属盐药剂等。预除磷后，残余磷酸盐含量控制在1.5-2.5mg/L，完全可以满足后续生物处理的除磷需要。

同步除磷是应用最为广泛的化学除磷工艺，国外约占全部化学除磷工艺的50%。该工艺是在曝气池出水或二沉池进水中投加化学药剂，有时也在曝气池进水或回流污泥通道(管)中加入药剂。目前已确定活性污泥法、生物转盘法可采用同步化学除磷法，但对于生物滤池法能否在二沉池进水中投加药剂仍值得探讨。

后置除磷是将絮凝物在与生物处理分开的设施中进行沉淀、絮凝和分离，所以又称两级工艺。一般在二沉池后加药至混合池，后设絮凝池和沉淀池（或气浮池）。对要求不太严格的受纳水体，后置除磷工艺可采用石灰乳化剂，但必须控制出水pH值，如用CO2进行中和。采用气浮池去除悬浮物和总磷的效果优于沉淀池，但由于需要不断供给空气，运行成本较高。

表2 各种化学除磷工艺比较

进程类型

优势

缺点

预除磷工艺

1）可以减轻生物处理构筑物的负荷，平衡负荷的波动，从而降低能耗；2）与同步除磷相比，活性污泥中的有机物含量不会增加；3）现有的污水处理厂易于实施改造。

1）增加污泥总产量；2）影响反硝化反应（基质分解过多）；3）不利于提高污泥指标。

同步除磷工艺

1）通过污泥回流，除磷剂可得到充分利用；

2）若在曝气池中投加药剂，可选用较便宜的二价铁盐药剂；

3）金属盐药剂会增加活性污泥的重量，从而避免污泥膨胀；

4）同步除磷设施工程工作量较小。

1）采用同步除磷技术，会增加污泥产量；2）使用酸性金属盐药剂，会导致pH值降至最佳范围以下，不利于硝化反应；3）硝酸盐污泥与剩余污泥混合在一起，磷酸盐不易回收，另外污泥中的磷在厌氧条件下会再次释放出来；4）回流泵会破坏絮体，但可以通过投加高分子量絮凝剂来减少这种危害。

后除磷工艺

1）硝酸盐的沉淀与生物处理过程分开，互相不影响；

2）可根据磷负荷的变化来控制药剂的投加量；

3）产生的磷矿污泥可单独排放，并可进行综合利用。

后置除磷工艺投资较大，运行费用高，但新建污水处理厂时，采用后置除磷工艺可以减少生物处理二沉池的规模。

2.生物除磷

生物除磷的原理是有些细菌交替处于厌氧和好氧状态。在厌氧条件下，细菌吸收低分子有机物以聚β-2-羟基丁酸（PHB）形式贮存在体内，而将细胞原生质中的聚磷酸盐以正磷酸盐形式释放出来。此时污水中磷含量升高，BOD含量降低。然后在好氧条件下，细菌将吸收的有机物（PHB）氧化分解并提供能量，同时从污水中吸收大量的磷，以聚磷酸盐形式贮存起来，吸收的量大于释放的量，此时污水中磷含量大大降低。通过将剩余污泥排出系统，将细菌摄取的磷排出，达到除磷的目的。

常见的生物除磷工艺有：A/O工艺、A2/O工艺、SBR工艺等。

A/O工艺是目前最简单的生物除磷方法，原污水或初沉池出水与回流污泥在厌氧池内混合，此过程不需硝化反应。一般而言，当厌氧区和好氧区的水力停留时间分别为0.5～1h和1～3h时，即可获得较好的除磷和有机物效果。由于生物除磷系统主要通过去除剩余污泥来实现除磷，因此剩余污泥的量将决定系统的反硝化效果。一般而言，泥龄较短的系统产生的剩余污泥较多，可达到较高的除磷效果。有报道指出，泥龄为30天时，除磷率为40%；泥龄为17天时，除磷率为50%；而泥龄为5天时，除磷率可提高到87%。

总结

化学沉淀工艺虽然除磷效率较高，但是消耗化学药剂且产生大量的化学污泥，处理费用比较昂贵；而传统生物处理工艺操作简单，但是除磷效率较低，难以满足出水要求。

综合以上情况并结合惠尔康污水处理厂的情况，建议采用化学沉淀同步除磷工艺。