废水除磷技术的研究与发展

摘要：目前世界的水体富营养化问题十分严重，而这是由于水体中磷含量的过多。水体的富营养化对人们的生活造成较大的影响，甚至还会影响人们的身体健康。因此，必须要解决这个问题，也就是要解决水体中过多的磷。所以，本文主要描写了磷污染的来源与危害，并且还有化学与生物进行除磷的具体机理，以及具体的除磷工艺。

关键字：磷污染;化学除磷;生物除磷

一、前言

水体中适当的磷有利于推动生物的生长，但是一旦含量过多就会出现水体富营养化的情况。而近些年随着社会的发展与人类的进步，人们的活动使得水体中的磷含量越来越多。而这就会对环境与各动物造成巨大的伤害，不利于人类的生存。

二、磷污染的来源与危害

（一）磷污染的来源

在水体之中的磷，主要是来自于点源污染，点源一般是指生活污水和工业废水，而非点源是指降雨降雪和地表径流等。按照磷污染的贡献率从高到低进行排序，农业排水最高，其次是生活排水，最后才是工业排水。在农业中，磷污染是由于过度使用磷肥，而生活排水主要是因为含磷洗衣剂的大量使用，工业排水则是由于在生产过程中产生了大量的磷酸盐废水[1]。因此，目前水体中磷含量不断超标的主要原因就是人类的活动，同时，过多的磷会使水体发生富营养化，影响水质，造成水生动物的大量死亡，甚至影响到人体的健康。磷循环的主要过程是岩石和土壤之中的磷酸盐进入河流，然后输入海洋沉积海底，直到地质活动使其暴露与水面，再次参加循环，如图1，就是一个磷循环的示意图。

（二）磷污染的危害

1. 对环境的危害

水生生物的生长必须有一定的磷，因此水体中含有适当的磷能够促进水生生物的生长。但是如果水体中的磷过多，这会导致出现水体富营养化，主要的表现就是藻类大量的繁殖，并且这种繁殖没有办法进行控制，氧含量不断下降，使得一些鱼虾开始死亡，这样就会导致水质开始恶化。在自然环境中，湖泊的发展十分缓慢，从贫营养湖到富营养湖会经历及其漫长的时间，但是由于人类的活动，湖泊中有了大量的氮磷，这会加速湖泊的富营养化[2]。在我国，大部分的湖泊都已经处于富营养化，最严重的一些湖泊甚至已经不能使用这些水源进行饮用。比如说武汉的龙阳湖，在分析磷污染来源时，明显发现人类活动的影响最大，光是人体排磷就有57.46%，另外，洗衣粉也有23.67%。同时，龙阳湖实际的环境容量只有每年2.74吨，但是现在甚至达到了每年45.16吨，这与我国的地表水环境功能指标严重不符合。所以说，为了解决水体的富营养化，就需要将其中大量的磷去除掉，因此目前需要对除磷技术进行不断的研究与发展。

2. 对动物与人类的危害

湖泊中的氮、磷含量过多，导致水体富营养化，这就会使得藻类开始大量的繁殖，一方面，水面上就会被藻类所占据，大大影响湖泊的美观，甚至还会散发出奇怪的气味，影响人们的心情。另外，有一部分的藻类有毒，藻毒素在水中的大量繁殖会严重威胁到人类的生命健康。藻毒素具有各种毒性，甚至会导致人类癌症的发病几率提高，轻会使人类过敏，或出现一些肠胃疾病等，严重会使人类发生急性肝衰竭，或者诱发急性肝炎等。不止我国，国外也经常出现由藻毒素所引发的动物或人类死亡事件。巴西曾经也发生过严重的死亡事件，肾透析用水被藻毒素污染，这使得52人死亡[3]。所以水体的富营养化问题现在对整个世界都造成了严重的后果，必须要寻找一个有效的解决办法。图2就是水体富营养化时的具体表现。

三、除磷机理

（一）化学除磷法机理

化学除磷法就是要向废水投入化学药剂，这样就能够使水中的磷酸根离子生成难溶性盐，然后会形成絮凝体，再与水体分离，这样又能够将废水中的磷去除掉。如果要投入一些混凝剂，就能够提高分离的效率。一般来说投入的化学药剂是金属盐和氢氧化钙。从经济方面考虑，金属盐是A13+和Fe3+，反应式：

如果使用硫酸铝作为混凝剂，反应式：

在除磷处理时，多数情况会选择使用铝盐。当铝盐的pH值在6.0～7.0之间的时候，或是铁盐在5～5.5之间时，这时候进行除磷效果最佳，因为在这个范围之内FePO4与A1PO4的溶解度最小。另外还会经常使用的交际是氢氧化钙，因为磷会与钙产生反应，反应式：

（二）生物除磷法机理

生物除磷主要是通过聚磷菌的聚磷作用来除磷。20世纪的时候，在活性污泥的管理中，人们发现了一种兼性细菌，比如说不动细菌属、气单胞菌和棒杆菌属等，它们能够在好氧的状态下将大量的磷吸到体内，使自身含磷量高于10%，甚至达到30%，所以这些细菌就被用于生物除磷，被称为聚磷菌[4]。在厌氧的状态下，聚磷菌能够吸收一部分有机物，并将细胞中的磷释放出来，然后再好氧状态时，那些有机物被氧化从而提供细菌的能量，并且吸取废水中的磷，将其储存起来。而聚磷菌自身会进行排放，磷也就随着污泥一起被排放出去，起到除磷的效果[5]。

四、除磷技术

（一）化学除磷技术

1. 化学混凝沉淀法

废水里的磷一般是以溶解性无机磷这种形式而存在，只有很少的一部分会以有机磷溶解的状态存在。化学混凝法除磷，其实就是在废水中加入化学药剂，然后与溶解性的磷产生反应，从而生成悬浮态的磷，再将其滞留。现在常用于化学混凝沉淀法的三大除磷劑是钙盐、铝盐和铁盐。较常使用的除磷剂是石灰、硫酸铝和聚合氯化铝铁等。化学混凝沉淀法其实就是把那些可溶性的钙盐和铁盐等配成溶液，然后将其加入到废水之中，这样不但可以使钙盐与铁盐和磷酸盐反应并且形成磷酸盐的沉淀，同时也会形成一些具有吸附作用的低聚物，它可以把磷的化合物吸附，最后将泥水分离，实现除磷。

2. 吸附法

这种方式是在废水中投入一些具有表面活性基因的除磷剂，这些活性基因会与磷发生反应，就能够将磷富集，这样也可以进行除磷。吸附法有四个优点：

（1）适用水体较多，无论是工业废水还是生活污水都可以使用这种方法。

（2）吸附速率比较快。

（3）这个吸附剂在使用过程中不会对环境造成伤害。

（4）这些吸附剂可以进行回收，避免了浪费。

一般能使用吸附法的这些吸附劑有四种，分别是活性炭、生物质、金属氧化物和黏土矿物。

3. 结晶法

目前使用的结晶法主要有两种方式。

（1）向含有钙的废水中加入OH-来形成羟基HAP晶体，这种晶体比较难溶.

（2）向含有NH4+的废水中投入Mg2+来形成MAP晶体，这些都能够起到除磷的效果，并且结晶沉淀以后形成的物质也能够当做肥料再次进行利用[6]。

（二）生物除磷技术

1. 传统除磷技术

生物除磷有特殊的环境要求，必须要在好氧和厌氧交替下才可以使用，所以如果想要同时达到脱氮除磷，必须要创造好氧、缺氧和厌氧三种环境，才能满足微生物的需要。目前的代表工艺有A/O工艺、A2/O工艺和VIP工艺等。这些工艺都是通过把除磷和脱氮这两个过程给分开，来消除二者之间的互相干扰。比如反硝化和释磷都会需要碳源，这就会产生竞争，还有硝化菌与聚磷菌二者的泥龄也有所区别，这些矛盾的存在没有办法避免，因此就需要一些新的工艺来进行除磷。

2. 新技术发展

在进行除磷机理的研究时，人们发现在缺氧的环境下，有一部分的聚磷菌可以将硝酸盐作为最终的受体，在水中直接对磷进行吸收，这就是反硝化除磷，如图3所示，就是反硝化除磷技术的原理。这种新的技术就是反硝化除磷工艺，反硝化除磷分为两种系统，分别是单污泥工艺和双污泥系统。其中在单泥工艺中，反硝化聚磷菌与各种微生物都处在好氧、缺氧和厌氧交替的一个环境之中，根据这个原理就出现了UCT工艺和BCFS工艺等。而在双泥工艺中，硝化细菌会独立于DPB，自己单独存在好氧SBR反应器之中，从而实现硝化与除磷的分离，避免二者之间出现的矛盾。根据这个原理出现了A2N双污泥系统、DEPHANOX工艺和HITNP工艺等[7]。

（三）几种除磷工艺的比较

生物法的优点是适用范围比较广，并且成本较低，同时可以有较好的效果在磷浓度低的地方，但是缺点是会产生较多的污泥，对环境的要求比较高，在实际的应用中需要与化学方式一起使用，不够方便。化学法中沉淀法的优点是适用范围大，并且操作简单成本低。但是也会产生大量的污泥。而结晶法反应快，并且不会破坏环境，还能进行重复的利用，但是缺点是成本高，还会受到pH值的影响。而物理化学法，优点是不会破坏环境，并且效果比较好，但是缺点是会受到pH与晶种的影响。

（四）生物除磷与化学除磷结合

在除磷技术的应用过程中，在废水中的C0DCr、N和P相互的比例难以满足要求，就会为除磷带来一定困难。所以说，可以将生物除磷与化学沉淀法进行结合，通过化学沉淀来提高生物除磷的稳定性。目前化学强化生物除磷有前沉淀工艺、同步沉淀工艺和后沉淀工艺，目前同步沉淀工艺是最常使用的一种方式[8]。同步沉淀工艺就是在生物处理的过程中直接加入化学试剂，一般使用的试剂有铁盐和铝盐。这种工艺所需要的试剂会比比前置沉淀少，另外，也会省去后置沉淀时需要的一些混凝设备，因此现在使用这种方式的最多。

五、结论

由于水体中含有过多磷会导致出现水体富营养化，因此在解决这个问题的时候，最重要的就是对废水中的磷进行去除。目前我们的除磷技术有化学方式和生物方式，但是单独使用一种除磷方式在实际的应用中会受到限制，不利于有效达到除磷的目的。因此，我国目前应该大力发展一些新技术，提高废水除磷的有效率和实用率，以此来解决水体富营养化问题，保证人们的身体健康。

参考文献：

[1]杨光，程诚.城镇生活污水厂除磷技术现状[J].化工设计通讯， 2019，45（08）：236-237.

[2]吴梦，张大超，徐师，陈敏，王春英.废水除磷工艺技术研究进展[J].有色金属科学与工程， 2019，10（02）：97-103.

[3]田颖，樊俊珍，王雨.磷化废水除磷工艺试验研究[J].包钢科技， 2018，44（05）：32-34+63.

[4]邱琳.颗粒污泥强化除磷技术研究[D].浙江大学， 2018.

[5]王迟，徐冰峰.污水除磷的方法以及技术进展[J].低温建筑技术， 2016，38（08）：37-38.

[6]车万锐，张帆.污废水生物脱氮除磷技术发展研究[J].中国高新技术企业， 2016（17）：75-76.

[7]王平，李研伟，王艳明.污水生物除磷技术的现状与研究进展[J].环境污染与防治， 2015，37（04）：111.

[8]张杞蓉，普晓晶.污水除磷技术的研究进展[J].能源与环境，2014（04）： 74-75+78.

通讯作者：赵放，1986年4月，男，汉，吉林省吉林市人，现任中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院专业组组长，硕士研究生。研究方向：环境保护给排水。