生活污水处理工艺中的除磷设计

１　设计背景
因城镇污水处理厂部分选址建设于长江沿线，污水处理厂尾水直排长江。根据《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）的相关规定，为防止水体富营养化，改善受纳水体环境质量，对处于长江沿线，尾水直排长江的镇级及其以上的污水处理厂，要求进行提标改造，执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（ＧＢ１８９１８－２００２）一级Ａ标准排放，总磷指标严格控制在０．５ｍｇ／Ｌ以下。
目前城镇污水处理厂主要以生物除磷工艺为主，生物除磷工艺能效有限，且受进水总磷浓度、环境和管理因素影响较大，导致污水厂出水总磷指标不稳定，不能满足提标改造的工艺要求，鉴于此，处理生活污水的化学除磷工艺呼之欲出。
２　生活污水中磷的来源及形态
典型的生活污水中磷主要来源于含磷洗涤剂。通过对生活污水中磷的长期监测与统计，总磷浓度在３～５ｍｇ／Ｌ之间，无机磷含量约占总磷的６０％。无机磷以正磷酸盐和偏磷酸盐为主，偏磷酸盐极不稳定，在有氧的环境下极易转化为正磷酸盐。
３　生物除磷工艺分析
３．１　生物除磷工艺原理分析
生物除磷工艺中，微生物在去除碳元素的同时吸收污水中的磷元素合成自身细胞物质和合成ＡＴＰ等，终以污泥的形式排出污水处理系统，从而达到去除磷的目的，依靠合成细胞物质方式除磷的功效极低，总磷去除率在２０％左右。因此，为提高生物除磷能力，在泥法除磷工艺中，设置厌氧段，通过回流二沉池污泥至厌氧池，培养聚磷菌等除磷优势菌群，通过厌氧释磷，好氧过度吸磷，再将过度吸磷的污泥从二沉池排出污水处理系统，此法可将生物除磷的功效提高到７０％左右。
３．２　常用的生物除磷工艺
生物除磷工艺均为活性污泥法工艺，应用较为普遍的除磷工艺有以下几种：Ａ／Ｏ 及Ａ２／Ｏ 工艺、ＵＣＴ 工艺、ＳＢＲ及其变种工艺、ＶＩＰ工艺、Ｐｈｏｒｅｄｏｘ工艺、旁硫除磷－Ｐｈｏｓｔｒｉｐ工艺、Ｂａｒｄｅｎｐｈｏ生物除磷工艺等。
３．３　生物除磷工艺控制条件
为达到良好的生物除磷效果，要求ＮＯ－３ 、ＮＯ－２浓度极低，溶解氧在０．２ｍｇ／Ｌ以下、氧化还原电位低于１５０ｍＶ，水温控制在３０℃左右，ｐＨ 值控制在７～８之间，富磷污泥须在２ｈ内压滤脱水，否则污泥厌氧释磷，返回污水处理系统，降低脱磷效能。除磷菌每去除１ｍｇ　ＢＯＤ５，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　生物除磷工艺的优缺点
３．４．１　优点
基建投资和运行费用较低。
３．４．２　缺点
（１）效能较低。废水中总磷含量低于３ｍｇ／Ｌ时，出水总磷含量能达１ｍｇ／Ｌ以下，基本能满足出水达ＧＢ１８９１８－２００２中一级Ｂ标准要求，超过３ｍｇ／Ｌ时，单靠生物脱磷工艺，难以保证污水厂出水总磷达标。
（２）受温度影响较大。生物除磷工艺为泥法工艺，冬季低温运行时，除磷效率降低，难以保证污水厂出水总磷指标稳定达标。
（３）控制条件较严格，要求运维人员具有丰富的运维管理经验。
（４）除磷污泥不稳定，易厌氧释磷经压滤脱水后从返污水处理系统。
４　化学除磷工艺分析
４．１　化学除磷工艺原理分析
化学除磷原理即是投加化学药剂，使废水中的磷酸根转化为难溶的磷酸盐沉淀物，通过沉淀排泥，将含磷化学污泥排出污水处理系统，达到降低废水中总磷浓度的目的。常见的磷酸盐难溶物有磷酸铝（ＡｌＰＯ４，溶度积：６．３×１０－１９）、磷酸铁（ＦｅＰＯ４·２Ｈ２Ｏ：９．９１×１０－１９）、磷酸钙（Ｃａ３（ＰＯ４）２，溶度积：２．０×１０－２９）。
４．２　常用的化学除磷药剂
污水处理工程中主要使用聚合氯化铝（ＰＡＣ）和聚合硫酸铁（ＰＦＳ）作为除磷剂。从小试实验可知，以聚合硫酸铁作为除磷剂，形成的磷酸铁污泥更为密实，比重较大，沉淀效果更佳，但如若掌控不好，投加过量，极易使出水显色，且聚合硫酸铁具有腐蚀性，对溶配设备的材质要求相对较高。因此，工程中使用聚合氯化铝作为除磷剂更为普遍。
４．３　化学除磷前提条件
生活污水处理工程中，只需要前端的生化处理单元将有机磷转化为无机磷，测试曝气池末端水质中正磷酸盐含量在总磷中的占比，达到９５％以上，即可通过化学除磷方法保证出水总磷稳定达标。
４．４　影响化学除磷的主要因素
４．４．１　温度
水温对除磷效果的影响较大，水温过高或过低对除磷反应都不利，反应温度在１０～３０℃之间。
４．４．２　酸碱度
除磷剂投加进入废水后，发生水解反应要消耗一定的碱度，但只要不超过除磷剂的使用ｐＨ 范围，对除磷反应的影响就不大，一般来讲ＰＡＣ的ｐＨ实用范围为５～９，ＰＦＳ的ｐＨ实用范围为６～８．５。超出ｐＨ值实用范围时须投加碱液调整ｐＨ值。
４．４．３　浊度及悬浮物
污水中的颗粒物浓度对除磷反应有较大影响，浓度过低，形成的磷酸盐颗粒晶核较少，颗粒间的碰撞机会减小，混凝反应效果变差，沉淀性能不好。浓度过高，投加的药剂量较大，除磷剂主要与悬浮物发生混凝反应，与溶解态的磷酸根接触的几率降低，除磷效果受影响。
４．４．４　搅拌强度
除磷剂投加进入反应池后，须迅速的搅拌，使投加的除磷剂与废水中的悬浮物、磷酸根充分反应。搅拌不充分，除磷剂与废水未充分混合，仅发生混凝反应，溶解态的磷酸根尚未来得及与除磷剂接触发生沉淀反应即进入沉淀分离区，就会降低除磷效能，无法保证出水总磷指标稳定达标。
４．４．５　反应时间
除磷反应属于化学沉淀反应，反应较为迅速，时间较短。小试烧杯实验中，采用玻璃棒迅速搅拌反应，１～２ｍｉｎ即可完成反应，静置沉淀后，即能达到很好的除磷效果。但在工程实践中，由于反应不具备实验室条件，宜延长除磷反应时间，确保除磷反应充分*。
４．５　化学除磷工艺的优缺点
４．５．１　优点
（１）不受浓度限制。只要前端生化段能将有机磷转化为无机磷，均能保证总磷指标稳定达标。
（２）除磷污泥稳定，不解吸。
４．５．２　缺点基建投资和运维费用相对较高。
５　化学除磷工艺流程及设计
５．１　膜法＋化学除磷工艺设计
５．１．１　工艺流程及说明
（１）工艺流程。采用膜法为主的生活污水处理工艺，建议流程详见图１。

图１　膜法＋化学除磷工艺流程
　　（２）工艺流程说明。生活污水经格栅渠、沉砂池、调节池等预处理设施后进入接触缺氧池，依靠附着在缺氧池填料上的兼氧型微生物进行反硝化脱氮反应，缺氧池出水进入接触氧化池，依靠附着在接触氧化池填料上的好氧型微生物去除废水中的有机物，同时完成硝化反应和有机磷的转化。通过先后投加除磷剂和絮凝剂与接触氧化池出水充分混合，使废水中的无机磷、悬浮物与除磷剂和絮凝剂充分反应，之后进入二沉池进行泥水分离，将老化的污泥和含磷污泥泵提出污水处理系统，达到净化水质的目的。在提标改造工程中，一般采取过滤和消毒工艺作为后处理工艺单元，保证出水稳定达ＧＢ１８９１８－２００２中的一级Ａ标准。
５．１．２　主要设计参数建议
采用膜法＋化学除磷工艺处理生活污水，建议混凝反应时间取值２０～３０ｍｉｎ，絮凝反应时间取值１０～１５ｍｉｎ，二沉池表面水力负荷取值１．０～１．２ｍ３／ｍ２·ｈ。
５．２　泥法＋化学除磷工艺设计
５．２．１　工艺流程及说明
（１）工艺流程。采用泥法为主的生活污水处理工艺，建议流程详见图２。

图２　膜法＋化学除磷工艺流程
（２）工艺流程说明。生活污水经格栅渠、沉砂池、调节池等预处理设施后进入缺氧池，依靠附着在缺氧池污泥上的兼氧型微生物进行反硝化脱氮反应，缺氧池出水进入好氧池，依靠附着在好氧池污泥上的好氧型微生物去除废水中的有机物，同时完成硝化反应和有机磷的转化。由于泥法工艺好氧池出水中悬浮物高达３０００ｍｇ／Ｌ，且需要大量回流补充缺氧池、好氧池流失的活性污泥，因此设置二沉池截留沉降性能良好的活性污泥，通过泵返回缺氧、好氧生化系统。解絮的、老化死亡的、出现丝状菌膨胀的以及其余沉降性能及活性较差污泥从二沉池顶部随清水溢流，进入混凝反应池。工程设计中不需要二沉池具有很好的沉淀效果，仅需要截留性能良好的活性污泥，二沉池出水悬浮物在２００ｍｇ／Ｌ以内反而有利于后续化学除磷反应，该部分悬浮物充当混凝反应的晶核，有利于改善化学除磷反应后进入终沉池的沉降效果。终沉池污泥直接泵提出污水处理系统，脱水固化后外运处置。出水执行一级Ｂ标准时，终沉池后设置消毒单元即可满足达标要求，出水执行一级Ａ标准时，终沉池后端须设置过滤和消毒单元才能保证稳定达标。
５．２．２　主要设计参数建议
采用泥法＋化学除磷工艺处理生活污水，建议二沉池表面水力负荷取值１．５～２．０ｍ３／ｍ２·ｈ；混凝反应时间取值２０～３０ｍｉｎ；絮凝反应时间取值１０～１５ｍｉｎ；终沉池表面水力负荷取值０．８～１．０ｍ３／ｍ２·ｈ。
６　结语
生活污水总磷含量大于３．０ｍｇ／Ｌ时，建议采用化学除磷为主的工艺路线。主体生化工艺采用膜法或泥法工艺，后端化学除磷工艺有差异，应根据主体生化工艺合理配置化学除磷所需建构筑物，并优化设计参数。同时，要求运维管理人员严格按照设计的控制参数和操作规程实施运维管理，才能保证污水处理系统总磷指标的稳定达标排放。