污水除磷研究現狀與磷資源回收

閆冠伍　孫蓉

摘 要：該文介紹了污水除磷的主要方法，根據各種方法的原理及特點，闡述了各除磷方法的優缺點，著重分析了生物化學協同除磷的優勢，包括Phostrip工藝、BCFs工藝和MB（A2/O）工藝的工藝流程及運行原理，然后概括總結了從污水中回收磷的方法，并對磷資源回收進行了預期展望。

關鍵詞：污水除磷；除磷菌；生物化學協同除磷；磷回收

中圖分類號 X703.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）07-84-03

污染物隨污水排入自然水體后，污染物的濃度會經過物理、化學與生物化學的作用而總量減少，受污染的水體會部分或完全恢復原狀，水體的這種能力被稱為自凈容量。當排入水體的氮、磷及有機物等污染物超過其容納能力時，受納水體就會發生富營養化或者變黑發臭，使得水體中藻類等水生生物過度生長，進而導致受納水體失去相應功能。從2013年中國環境狀況公報看，富營養化依然是我國水環境，尤其是湖泊和水庫嚴重的污染問題[1]，有至少45%的國家重點湖泊和水庫受到了不同程度的污染，而總磷（Total phosphorus，TP）正是這些水體的主要污染指標之一。另外，當水中磷含量不足時，藻類對磷的需求不能通過相關微生物來補充，因而藻類對磷的需求往往更為重要，磷對藻類生長能力的限制性更為明顯，磷就成為了限制藻類瘋狂生長的最關鍵因素。

磷是一種不可再生資源，其提取來源于磷礦石，主要通過化肥施用以及生物的代謝作用回到地殼中。經預測，按照現在的磷資源開發速度，若干年后磷資源缺乏將會影響人類正常的生產生活，因此磷資源回收變得越來越重要。從污水處理中回收磷是一種“變廢為寶”的有效形式，既可以有效減輕水體富營養化，又緩解了逐漸缺乏的磷資源。

1 污水除磷工藝與方法

1.1 介質吸附法 介質吸附法除磷是利用某些多孔或大比表面的固體物質對水中磷酸根離子的吸附親和力，來實現對廢水的除磷過程。吸附除磷的反應過程包括吸附介質的物理吸附、以離子交換為主要表現形式的化學吸附以及含磷顆粒在重力的作用下在吸附介質表面的沉積過程。吸附劑主要分為天然吸附劑和人工合成吸附劑，天然吸附劑通常是通過物理吸附方式除磷，而人工合成的高效吸附劑在固體表面針對特定物質或離子制造了特性吸附和離子交換層，主要通過化學吸附方式去除磷[2]。常用的天然吸附劑主要有粉煤灰、鋼渣、海泡石、沸石、膨潤土以及凹凸棒石等。人工合成吸附材料針對的多種金屬的氧化物或其對應的鹽類進行研究，經過測試，吸附劑的吸附除磷性能通常受反應溫度、金屬鹽溶液的組成以及沉淀濾出物等因素的影響。吸附法除磷工藝較為簡單，運行可靠，但由于人工合成的吸附介質通常價格昂貴，天然吸附劑又由于易老化導致吸附性能降低較快等原因，導致吸附法除磷很難投入到大規模的生產規模之中，因此通常作為生物除磷法的必要補充，也可以作為含磷量較低污水的單獨除磷手段。

1.2 化學沉淀法除磷 化學沉淀法除磷的原理是某些金屬陽離子（Fe2+，Fe3+和Al3+等）和磷酸根進行化學反應，可以生成不溶于水的沉淀，從而使化學反應不斷向生成物方向進行。其基本化學反應式（以鋁鹽為例）如下：

再通過靜置沉淀或者過濾等方法使磷泥和污水分離，最終達到去除水體中磷的目的。按化學沉淀在污水處理流程的位置，可以將化學沉淀除磷分為預沉淀、同時沉淀以及后置沉淀。常用的化學混凝劑主要是價格較為便宜的鐵鹽、鋁鹽和石灰等。化學沉淀除磷具有操作簡單、除磷效果好的優點，處理效率可達80%以上。但是直接投加藥劑除磷所用藥量較大，處理費用較高，而且會產生大量的含磷化學污泥，若磷泥內磷含量不夠高，不易回收其中的磷，造成磷泥無法處置進而對環境二次污染的尷尬后果。

1.3 生物方法除磷

1.3.1 活性污泥除磷 活性污泥法除磷根據污泥中除磷菌不同而分為2種：第一種是由聚磷菌完成的生物除磷。在厭氧環境中，聚磷菌吸收溶解態的小分子脂肪酸等有機物形成生存所需的能量儲存物質β-羥基丁酸（PHB），這一過程需要分解聚磷菌體內的聚磷酸鹽的分解，分解過剩含磷物質就會釋放到聚磷菌體外；在好氧環境中，聚磷菌會吸收污水中的磷酸鹽，分解體內的PHB產生能量來供給新陳代謝，吸收的磷酸鹽在細菌體內轉變成聚磷酸鹽，好氧池內含有大量這種聚磷菌的污泥磷含量很高，成為富磷污泥。聚磷菌反復進行上述循環，同時將好氧池的富磷污泥選擇性排出或者采取措施將厭氧池含磷污水中的磷排出活性污泥系統即可去除污水中的磷。第二種是以反硝化除磷菌（DPBs）為主的生物處磷，在厭氧環境中，反硝化除磷菌分解體內的聚磷酸鹽，合成大分子的聚β-羥基丁酸來儲存能量，細菌體內過剩的磷酸鹽等含磷物質被釋放到細菌體外；在缺氧環境中，反硝化除磷菌利用厭氧階段合成的聚β-羥基丁酸作為能源物質，同時將電子傳送給NO3-，吸收環境中的含磷物質，使得系統在反硝化的同時去除污水中磷，達到反硝化除磷的目的[3]。

活性污泥法除磷的影響因素包括好氧區、缺氧區污水停留時間、厭氧區污泥停留時間、厭氧池NO3-的含量、厭氧池溶解氧以及碳源等。其優點主要有占地面積小，產泥量少，磷泥中有機成分較高，經處理可作為肥料等；但是活性污泥法對進水水質、水量的穩定性要求較高，而且由于除磷菌需要較少的磷就能滿足自身的新陳代謝，傳統活性污泥法除磷效果不佳，改進的操作系統運行較為復雜，要求管理人員具有一定的專業知識。

1.3.2 人工濕地除磷 人工濕地主要通過基質、濕地植物以及微生物的共同作用來完成除磷。其中，基質的除磷作用是主要的除磷方式，基質中若含有較多能與磷酸根離子形成低溶解度物質，則其除磷能力就相應增強。濕地植物對磷的去除作用分為2種，其一，濕地植物對污水中的無機磷可以直接吸收用于新陳代謝；其二，通過光合作用，濕地植物可以形成微型好氧區與厭氧區，為除磷菌提供除磷環境。微生物在人工濕地中有著重要的除磷作用，經研究[4]，水芹濕地與鳳眼蓮濕地含有大量的除磷菌，相對于空白基質，上述2種濕地對磷的去除率分別高16.0%和8.1%。人工濕地除磷是運行簡單、沒有污染得綠色除磷方式，然而其也存在著除磷效果較低、對溶解氧要求較高、填料易堵塞、植物后續處理較難等缺點。

1.4 生物與化學協同方法除磷 在生物化學協同除磷過程中，生物除磷存在著厭氧放磷與好氧過量吸磷的現象，也存在物理吸附的過程；化學沉淀作用也是存在的，并起到相當大的作用，在化學生物法除磷中存在化學除磷與生物除磷的協同效應，其效率高于生物除磷[5]。生物與化學協同除磷方法通常被稱為側流除磷工藝，該技術結合生物除磷和化學除磷，依靠聚磷菌好氧時超量吸磷的特性，將原污水中的磷富集到含磷污泥中，進而將富磷污泥輸送到專門的厭氧釋磷池，經過釋磷過程，吸收的磷被釋放到釋磷池的上清液中，然后對這部分富磷污水進行化學沉淀處理，從而實現磷的高效去除。具有代表性的協同除磷工藝有Phostrip工藝、BCFS工藝以及將側流工藝與膜工藝結合的MB（A2/O）同步脫氮除磷工藝等。

1.4.1 Phostrip工藝 Phostrip工藝是在傳統活性污泥法的基礎上增設厭氧釋磷池和化學反應沉淀池，將在好氧段充分吸收磷的污泥輸送到厭氧池充分把磷釋放到上清液中，并把富磷上清液輸送到化學反應池加藥沉淀磷泥，最終磷以化學沉淀的形式從系統中去除。該工藝具有可靠性高，除磷效率高，可根據進水水質改變投藥量不至于浪費藥劑，污泥量少不需要對污泥濃縮等優點。然而，該工藝不能對氮進行有效去除，由于現在對排出水質中總氮的要求較高，因此很少單純應用該工藝投入生產的。

1.4.2 BCFs工藝 BCFs工藝全稱程為反硝化及生物-化學沉淀除磷組合工藝，是荷蘭Delft工業大學在UCT工藝基礎上，為最大程度創造DPBs（反硝化除磷菌）的富集環境而研發的，其工藝流程見圖1。該工藝是單泥系統中最具代表性的反硝化除磷工藝，其特點是進水進入厭氧池在外界條件下可以創造絕對的厭氧環境，接觸池與缺氧池可以使得水中硝酸鹽含量降到最低，回流至厭氧池的污泥能夠充分發揮釋磷功能。該工藝同時具有脫氮除磷的作用，且出水水質較為穩定，但是其流程較為復雜，對操作性要求比較高，且運行費用較高。

1.4.3 MB（A2/O）工藝 MB（A2/O）工藝是膜生物反應器與污泥側流理論有機結合的同步脫氮除磷工藝，工藝流程見圖2。該工藝進水直接進入缺氧池，并在好氧池與缺氧池間設有回流系統，具有較好脫氮功能；好氧池內增設膜工藝，出水由膜后抽濾而出，膜不僅有過濾作用，膜上附著的微生物還可以增加系統對污染物的去除；好氧池污泥側流到厭氧釋磷池內，經過聚磷菌反復吸磷和放磷，可以充分去除污水中的磷。與一般處理工藝相比，MB（A2/O）組合工藝具有更優越的出水水質和除磷脫氮效果，且產生的污泥量很小，是一種新型的經濟可行的中水回用技術。

2 污水磷資源回收現狀

污水磷資源回收的方法主要有化學沉淀法、結晶法、吸附法等。單純的化學沉淀法含水率很高，為了強化沉淀效果，投加藥劑時有時還需要同時投加助凝劑，且磷泥的含磷率很低，較難回收磷。因此，現在化學沉淀的發展方向主要是與其它工藝有效結合，以增高磷泥的含磷率。結晶法回收磷經常與強化生物除磷工藝同結合起來，這樣可以節省沉淀反應所需藥劑，減少反應器容積，高濃度低體積的磷酸鹽溶液中實現磷回收，最終從根本上降低生產成本。傳統吸附劑有水滑石、水鋁英石、氧化鐵、氧化鋁、微砂等。由于傳統吸附劑吸附容量小，有的甚至具有毒害作用，從而限制了它們在污水磷酸鹽回收中的應用。而層狀復合金屬氫氧化物、明礬污泥等新型吸附劑則有較好的磷吸附特性，另外，離子交換法除磷、納濾法除磷等新技術也正在蓬勃的發展。

3 結語

污水中回收磷既能降低水體的富營養化，又能緩解逐漸匱乏的磷資源。隨著社會的發展和生活的提高，人們對磷資源的需求會進一步加大，污水回收不可再生資源磷的任務勢在必行，目前多個國家已對污水磷回收開始了投入性生產。傳統磷回收方法仍存在效率不高、二次污染等問題，今后的磷回收技術應是多項技術的集成，尤其是生物處理技術與化學方法的結合，通過各種工藝的優化組合，實現磷資源和水資源的最大回收，同時可以獲得環境效益和經濟效益。

參考文獻

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[4]李志杰，孫井梅，劉寶山.人工濕地脫氮除磷機理及其研究進展[J].工業水處理，2012，04：1-5.

[5]金雪標，俞勇梅，張翼飛.生物法與化學生物法除磷比較[J].上海師范大學學報（自然科學版），2002，01：78-78.

（責編：張宏民）