生活污水處理工藝中的除磷設計

１　設計背景
因城鎮污水處理廠部分選址建設于長江沿線，污水處理廠尾水直排長江。根據《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）的相關規定，為防止水體富營養化，改善受納水體環境質量，對處于長江沿線，尾水直排長江的鎮級及其以上的污水處理廠，要求進行提標改造，執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（ＧＢ１８９１８－２００２）一級Ａ標準排放，總磷指標嚴格控制在０．５ｍｇ／Ｌ以下。
目前城鎮污水處理廠主要以生物除磷工藝為主，生物除磷工藝能效有限，且受進水總磷濃度、環境和管理因素影響較大，導致污水廠出水總磷指標不穩定，不能滿足提標改造的工藝要求，鑒于此，處理生活污水的化學除磷工藝呼之欲出。
２　生活污水中磷的來源及形態
典型的生活污水中磷主要來源于含磷洗滌劑。通過對生活污水中磷的長期監測與統計，總磷濃度在３～５ｍｇ／Ｌ之間，無機磷含量約占總磷的６０％。無機磷以正磷酸鹽和偏磷酸鹽為主，偏磷酸鹽極不穩定，在有氧的環境下極易轉化為正磷酸鹽。
３　生物除磷工藝分析
３．１　生物除磷工藝原理分析
生物除磷工藝中，微生物在去除碳元素的同時吸收污水中的磷元素合成自身細胞物質和合成ＡＴＰ等，終以污泥的形式排出污水處理系統，從而達到去除磷的目的，依靠合成細胞物質方式除磷的功效極低，總磷去除率在２０％左右。因此，為提高生物除磷能力，在泥法除磷工藝中，設置厭氧段，通過回流二沉池污泥至厭氧池，培養聚磷菌等除磷優勢菌群，通過厭氧釋磷，好氧過度吸磷，再將過度吸磷的污泥從二沉池排出污水處理系統，此法可將生物除磷的功效提高到７０％左右。
３．２　常用的生物除磷工藝
生物除磷工藝均為活性污泥法工藝，應用較為普遍的除磷工藝有以下幾種：Ａ／Ｏ 及Ａ２／Ｏ 工藝、ＵＣＴ 工藝、ＳＢＲ及其變種工藝、ＶＩＰ工藝、Ｐｈｏｒｅｄｏｘ工藝、旁硫除磷－Ｐｈｏｓｔｒｉｐ工藝、Ｂａｒｄｅｎｐｈｏ生物除磷工藝等。
３．３　生物除磷工藝控制條件
為達到良好的生物除磷效果，要求ＮＯ－３ 、ＮＯ－２濃度極低，溶解氧在０．２ｍｇ／Ｌ以下、氧化還原電位低于１５０ｍＶ，水溫控制在３０℃左右，ｐＨ 值控制在７～８之間，富磷污泥須在２ｈ內壓濾脫水，否則污泥厭氧釋磷，返回污水處理系統，降低脫磷效能。除磷菌每去除１ｍｇ?。拢希模?，消耗０．０４～０．０８ｍｇ磷，ＢＯＤ５：ＴＰ的比值宜大于２０，或溶解性ＢＯＤ５和溶解性磷大于１５∶１。
３．４　生物除磷工藝的優缺點
３．４．１　優點
基建投資和運行費用較低。
３．４．２　缺點
（１）效能較低。廢水中總磷含量低于３ｍｇ／Ｌ時，出水總磷含量能達１ｍｇ／Ｌ以下，基本能滿足出水達ＧＢ１８９１８－２００２中一級Ｂ標準要求，超過３ｍｇ／Ｌ時，單靠生物脫磷工藝，難以保證污水廠出水總磷達標。
（２）受溫度影響較大。生物除磷工藝為泥法工藝，冬季低溫運行時，除磷效率降低，難以保證污水廠出水總磷指標穩定達標。
（３）控制條件較嚴格，要求運維人員具有豐富的運維管理經驗。
（４）除磷污泥不穩定，易厭氧釋磷經壓濾脫水后從返污水處理系統。
４　化學除磷工藝分析
４．１　化學除磷工藝原理分析
化學除磷原理即是投加化學藥劑，使廢水中的磷酸根轉化為難溶的磷酸鹽沉淀物，通過沉淀排泥，將含磷化學污泥排出污水處理系統，達到降低廢水中總磷濃度的目的。常見的磷酸鹽難溶物有磷酸鋁（ＡｌＰＯ４，溶度積：６．３×１０－１９）、磷酸鐵（ＦｅＰＯ４·２Ｈ２Ｏ：９．９１×１０－１９）、磷酸鈣（Ｃａ３（ＰＯ４）２，溶度積：２．０×１０－２９）。
４．２　常用的化學除磷藥劑
污水處理工程中主要使用聚合氯化鋁（ＰＡＣ）和聚合硫酸鐵（ＰＦＳ）作為除磷劑。從小試實驗可知，以聚合硫酸鐵作為除磷劑，形成的磷酸鐵污泥更為密實，比重較大，沉淀效果更佳，但如若掌控不好，投加過量，極易使出水顯色，且聚合硫酸鐵具有腐蝕性，對溶配設備的材質要求相對較高。因此，工程中使用聚合氯化鋁作為除磷劑更為普遍。
４．３　化學除磷前提條件
生活污水處理工程中，只需要前端的生化處理單元將有機磷轉化為無機磷，測試曝氣池末端水質中正磷酸鹽含量在總磷中的占比，達到９５％以上，即可通過化學除磷方法保證出水總磷穩定達標。
４．４　影響化學除磷的主要因素
４．４．１　溫度
水溫對除磷效果的影響較大，水溫過高或過低對除磷反應都不利，反應溫度在１０～３０℃之間。
４．４．２　酸堿度
除磷劑投加進入廢水后，發生水解反應要消耗一定的堿度，但只要不超過除磷劑的使用ｐＨ 范圍，對除磷反應的影響就不大，一般來講ＰＡＣ的ｐＨ實用范圍為５～９，ＰＦＳ的ｐＨ實用范圍為６～８．５。超出ｐＨ值實用范圍時須投加堿液調整ｐＨ值。
４．４．３　濁度及懸浮物
污水中的顆粒物濃度對除磷反應有較大影響，濃度過低，形成的磷酸鹽顆粒晶核較少，顆粒間的碰撞機會減小，混凝反應效果變差，沉淀性能不好。濃度過高，投加的藥劑量較大，除磷劑主要與懸浮物發生混凝反應，與溶解態的磷酸根接觸的幾率降低，除磷效果受影響。
４．４．４　攪拌強度
除磷劑投加進入反應池后，須迅速的攪拌，使投加的除磷劑與廢水中的懸浮物、磷酸根充分反應。攪拌不充分，除磷劑與廢水未充分混合，僅發生混凝反應，溶解態的磷酸根尚未來得及與除磷劑接觸發生沉淀反應即進入沉淀分離區，就會降低除磷效能，無法保證出水總磷指標穩定達標。
４．４．５　反應時間
除磷反應屬于化學沉淀反應，反應較為迅速，時間較短。小試燒杯實驗中，采用玻璃棒迅速攪拌反應，１～２ｍｉｎ即可完成反應，靜置沉淀后，即能達到很好的除磷效果。但在工程實踐中，由于反應不具備實驗室條件，宜延長除磷反應時間，確保除磷反應充分*。
４．５　化學除磷工藝的優缺點
４．５．１　優點
（１）不受濃度限制。只要前端生化段能將有機磷轉化為無機磷，均能保證總磷指標穩定達標。
（２）除磷污泥穩定，不解吸。
４．５．２　缺點基建投資和運維費用相對較高。
５　化學除磷工藝流程及設計
５．１　膜法＋化學除磷工藝設計
５．１．１　工藝流程及說明
（１）工藝流程。采用膜法為主的生活污水處理工藝，建議流程詳見圖１。

圖１　膜法＋化學除磷工藝流程
　?。ǎ玻┕に嚵鞒陶f明。生活污水經格柵渠、沉砂池、調節池等預處理設施后進入接觸缺氧池，依靠附著在缺氧池填料上的兼氧型微生物進行反硝化脫氮反應，缺氧池出水進入接觸氧化池，依靠附著在接觸氧化池填料上的好氧型微生物去除廢水中的有機物，同時完成硝化反應和有機磷的轉化。通過先后投加除磷劑和絮凝劑與接觸氧化池出水充分混合，使廢水中的無機磷、懸浮物與除磷劑和絮凝劑充分反應，之后進入二沉池進行泥水分離，將老化的污泥和含磷污泥泵提出污水處理系統，達到凈化水質的目的。在提標改造工程中，一般采取過濾和消毒工藝作為后處理工藝單元，保證出水穩定達ＧＢ１８９１８－２００２中的一級Ａ標準。
５．１．２　主要設計參數建議
采用膜法＋化學除磷工藝處理生活污水，建議混凝反應時間取值２０～３０ｍｉｎ，絮凝反應時間取值１０～１５ｍｉｎ，二沉池表面水力負荷取值１．０～１．２ｍ３／ｍ２·ｈ。
５．２　泥法＋化學除磷工藝設計
５．２．１　工藝流程及說明
（１）工藝流程。采用泥法為主的生活污水處理工藝，建議流程詳見圖２。

圖２　膜法＋化學除磷工藝流程
（２）工藝流程說明。生活污水經格柵渠、沉砂池、調節池等預處理設施后進入缺氧池，依靠附著在缺氧池污泥上的兼氧型微生物進行反硝化脫氮反應，缺氧池出水進入好氧池，依靠附著在好氧池污泥上的好氧型微生物去除廢水中的有機物，同時完成硝化反應和有機磷的轉化。由于泥法工藝好氧池出水中懸浮物高達３０００ｍｇ／Ｌ，且需要大量回流補充缺氧池、好氧池流失的活性污泥，因此設置二沉池截留沉降性能良好的活性污泥，通過泵返回缺氧、好氧生化系統。解絮的、老化死亡的、出現絲狀菌膨脹的以及其余沉降性能及活性較差污泥從二沉池頂部隨清水溢流，進入混凝反應池。工程設計中不需要二沉池具有很好的沉淀效果，僅需要截留性能良好的活性污泥，二沉池出水懸浮物在２００ｍｇ／Ｌ以內反而有利于后續化學除磷反應，該部分懸浮物充當混凝反應的晶核，有利于改善化學除磷反應后進入終沉池的沉降效果。終沉池污泥直接泵提出污水處理系統，脫水固化后外運處置。出水執行一級Ｂ標準時，終沉池后設置消毒單元即可滿足達標要求，出水執行一級Ａ標準時，終沉池后端須設置過濾和消毒單元才能保證穩定達標。
５．２．２　主要設計參數建議
采用泥法＋化學除磷工藝處理生活污水，建議二沉池表面水力負荷取值１．５～２．０ｍ３／ｍ２·ｈ；混凝反應時間取值２０～３０ｍｉｎ；絮凝反應時間取值１０～１５ｍｉｎ；終沉池表面水力負荷取值０．８～１．０ｍ３／ｍ２·ｈ。
６　結語
生活污水總磷含量大于３．０ｍｇ／Ｌ時，建議采用化學除磷為主的工藝路線。主體生化工藝采用膜法或泥法工藝，后端化學除磷工藝有差異，應根據主體生化工藝合理配置化學除磷所需建構筑物，并優化設計參數。同時，要求運維管理人員嚴格按照設計的控制參數和操作規程實施運維管理，才能保證污水處理系統總磷指標的穩定達標排放。