廢水除磷技術的研究與發展

摘要：目前世界的水體富營養化問題十分嚴重，而這是由于水體中磷含量的過多。水體的富營養化對人們的生活造成較大的影響，甚至還會影響人們的身體健康。因此，必須要解決這個問題，也就是要解決水體中過多的磷。所以，本文主要描寫了磷污染的來源與危害，并且還有化學與生物進行除磷的具體機理，以及具體的除磷工藝。

關鍵字：磷污染;化學除磷;生物除磷

一、前言

水體中適當的磷有利于推動生物的生長，但是一旦含量過多就會出現水體富營養化的情況。而近些年隨著社會的發展與人類的進步，人們的活動使得水體中的磷含量越來越多。而這就會對環境與各動物造成巨大的傷害，不利于人類的生存。

二、磷污染的來源與危害

（一）磷污染的來源

在水體之中的磷，主要是來自于點源污染，點源一般是指生活污水和工業廢水，而非點源是指降雨降雪和地表徑流等。按照磷污染的貢獻率從高到低進行排序，農業排水最高，其次是生活排水，最后才是工業排水。在農業中，磷污染是由于過度使用磷肥，而生活排水主要是因為含磷洗衣劑的大量使用，工業排水則是由于在生產過程中產生了大量的磷酸鹽廢水[1]。因此，目前水體中磷含量不斷超標的主要原因就是人類的活動，同時，過多的磷會使水體發生富營養化，影響水質，造成水生動物的大量死亡，甚至影響到人體的健康。磷循環的主要過程是巖石和土壤之中的磷酸鹽進入河流，然后輸入海洋沉積海底，直到地質活動使其暴露與水面，再次參加循環，如圖1，就是一個磷循環的示意圖。

（二）磷污染的危害

1. 對環境的危害

水生生物的生長必須有一定的磷，因此水體中含有適當的磷能夠促進水生生物的生長。但是如果水體中的磷過多，這會導致出現水體富營養化，主要的表現就是藻類大量的繁殖，并且這種繁殖沒有辦法進行控制，氧含量不斷下降，使得一些魚蝦開始死亡，這樣就會導致水質開始惡化。在自然環境中，湖泊的發展十分緩慢，從貧營養湖到富營養湖會經歷及其漫長的時間，但是由于人類的活動，湖泊中有了大量的氮磷，這會加速湖泊的富營養化[2]。在我國，大部分的湖泊都已經處于富營養化，最嚴重的一些湖泊甚至已經不能使用這些水源進行飲用。比如說武漢的龍陽湖，在分析磷污染來源時，明顯發現人類活動的影響最大，光是人體排磷就有57.46%，另外，洗衣粉也有23.67%。同時，龍陽湖實際的環境容量只有每年2.74噸，但是現在甚至達到了每年45.16噸，這與我國的地表水環境功能指標嚴重不符合。所以說，為了解決水體的富營養化，就需要將其中大量的磷去除掉，因此目前需要對除磷技術進行不斷的研究與發展。

2. 對動物與人類的危害

湖泊中的氮、磷含量過多，導致水體富營養化，這就會使得藻類開始大量的繁殖，一方面，水面上就會被藻類所占據，大大影響湖泊的美觀，甚至還會散發出奇怪的氣味，影響人們的心情。另外，有一部分的藻類有毒，藻毒素在水中的大量繁殖會嚴重威脅到人類的生命健康。藻毒素具有各種毒性，甚至會導致人類癌癥的發病幾率提高，輕會使人類過敏，或出現一些腸胃疾病等，嚴重會使人類發生急性肝衰竭，或者誘發急性肝炎等。不止我國，國外也經常出現由藻毒素所引發的動物或人類死亡事件。巴西曾經也發生過嚴重的死亡事件，腎透析用水被藻毒素污染，這使得52人死亡[3]。所以水體的富營養化問題現在對整個世界都造成了嚴重的后果，必須要尋找一個有效的解決辦法。圖2就是水體富營養化時的具體表現。

三、除磷機理

（一）化學除磷法機理

化學除磷法就是要向廢水投入化學藥劑，這樣就能夠使水中的磷酸根離子生成難溶性鹽，然后會形成絮凝體，再與水體分離，這樣又能夠將廢水中的磷去除掉。如果要投入一些混凝劑，就能夠提高分離的效率。一般來說投入的化學藥劑是金屬鹽和氫氧化鈣。從經濟方面考慮，金屬鹽是A13+和Fe3+，反應式：

如果使用硫酸鋁作為混凝劑，反應式：

在除磷處理時，多數情況會選擇使用鋁鹽。當鋁鹽的pH值在6.0～7.0之間的時候，或是鐵鹽在5～5.5之間時，這時候進行除磷效果最佳，因為在這個范圍之內FePO4與A1PO4的溶解度最小。另外還會經常使用的交際是氫氧化鈣，因為磷會與鈣產生反應，反應式：

（二）生物除磷法機理

生物除磷主要是通過聚磷菌的聚磷作用來除磷。20世紀的時候，在活性污泥的管理中，人們發現了一種兼性細菌，比如說不動細菌屬、氣單胞菌和棒桿菌屬等，它們能夠在好氧的狀態下將大量的磷吸到體內，使自身含磷量高于10%，甚至達到30%，所以這些細菌就被用于生物除磷，被稱為聚磷菌[4]。在厭氧的狀態下，聚磷菌能夠吸收一部分有機物，并將細胞中的磷釋放出來，然后再好氧狀態時，那些有機物被氧化從而提供細菌的能量，并且吸取廢水中的磷，將其儲存起來。而聚磷菌自身會進行排放，磷也就隨著污泥一起被排放出去，起到除磷的效果[5]。

四、除磷技術

（一）化學除磷技術

1. 化學混凝沉淀法

廢水里的磷一般是以溶解性無機磷這種形式而存在，只有很少的一部分會以有機磷溶解的狀態存在。化學混凝法除磷，其實就是在廢水中加入化學藥劑，然后與溶解性的磷產生反應，從而生成懸浮態的磷，再將其滯留。現在常用于化學混凝沉淀法的三大除磷劑是鈣鹽、鋁鹽和鐵鹽。較常使用的除磷劑是石灰、硫酸鋁和聚合氯化鋁鐵等。化學混凝沉淀法其實就是把那些可溶性的鈣鹽和鐵鹽等配成溶液，然后將其加入到廢水之中，這樣不但可以使鈣鹽與鐵鹽和磷酸鹽反應并且形成磷酸鹽的沉淀，同時也會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，最后將泥水分離，實現除磷。

2. 吸附法

這種方式是在廢水中投入一些具有表面活性基因的除磷劑，這些活性基因會與磷發生反應，就能夠將磷富集，這樣也可以進行除磷。吸附法有四個優點：

（1）適用水體較多，無論是工業廢水還是生活污水都可以使用這種方法。

（2）吸附速率比較快。

（3）這個吸附劑在使用過程中不會對環境造成傷害。

（4）這些吸附劑可以進行回收，避免了浪費。

一般能使用吸附法的這些吸附劑有四種，分別是活性炭、生物質、金屬氧化物和黏土礦物。

3. 結晶法

目前使用的結晶法主要有兩種方式。

（1）向含有鈣的廢水中加入OH-來形成羥基HAP晶體，這種晶體比較難溶.

（2）向含有NH4+的廢水中投入Mg2+來形成MAP晶體，這些都能夠起到除磷的效果，并且結晶沉淀以后形成的物質也能夠當做肥料再次進行利用[6]。

（二）生物除磷技術

1. 傳統除磷技術

生物除磷有特殊的環境要求，必須要在好氧和厭氧交替下才可以使用，所以如果想要同時達到脫氮除磷，必須要創造好氧、缺氧和厭氧三種環境，才能滿足微生物的需要。目前的代表工藝有A/O工藝、A2/O工藝和VIP工藝等。這些工藝都是通過把除磷和脫氮這兩個過程給分開，來消除二者之間的互相干擾。比如反硝化和釋磷都會需要碳源，這就會產生競爭，還有硝化菌與聚磷菌二者的泥齡也有所區別，這些矛盾的存在沒有辦法避免，因此就需要一些新的工藝來進行除磷。

2. 新技術發展

在進行除磷機理的研究時，人們發現在缺氧的環境下，有一部分的聚磷菌可以將硝酸鹽作為最終的受體，在水中直接對磷進行吸收，這就是反硝化除磷，如圖3所示，就是反硝化除磷技術的原理。這種新的技術就是反硝化除磷工藝，反硝化除磷分為兩種系統，分別是單污泥工藝和雙污泥系統。其中在單泥工藝中，反硝化聚磷菌與各種微生物都處在好氧、缺氧和厭氧交替的一個環境之中，根據這個原理就出現了UCT工藝和BCFS工藝等。而在雙泥工藝中，硝化細菌會獨立于DPB，自己單獨存在好氧SBR反應器之中，從而實現硝化與除磷的分離，避免二者之間出現的矛盾。根據這個原理出現了A2N雙污泥系統、DEPHANOX工藝和HITNP工藝等[7]。

（三）幾種除磷工藝的比較

生物法的優點是適用范圍比較廣，并且成本較低，同時可以有較好的效果在磷濃度低的地方，但是缺點是會產生較多的污泥，對環境的要求比較高，在實際的應用中需要與化學方式一起使用，不夠方便。化學法中沉淀法的優點是適用范圍大，并且操作簡單成本低。但是也會產生大量的污泥。而結晶法反應快，并且不會破壞環境，還能進行重復的利用，但是缺點是成本高，還會受到pH值的影響。而物理化學法，優點是不會破壞環境，并且效果比較好，但是缺點是會受到pH與晶種的影響。

（四）生物除磷與化學除磷結合

在除磷技術的應用過程中，在廢水中的C0DCr、N和P相互的比例難以滿足要求，就會為除磷帶來一定困難。所以說，可以將生物除磷與化學沉淀法進行結合，通過化學沉淀來提高生物除磷的穩定性。目前化學強化生物除磷有前沉淀工藝、同步沉淀工藝和后沉淀工藝，目前同步沉淀工藝是最常使用的一種方式[8]。同步沉淀工藝就是在生物處理的過程中直接加入化學試劑，一般使用的試劑有鐵鹽和鋁鹽。這種工藝所需要的試劑會比比前置沉淀少，另外，也會省去后置沉淀時需要的一些混凝設備，因此現在使用這種方式的最多。

五、結論

由于水體中含有過多磷會導致出現水體富營養化，因此在解決這個問題的時候，最重要的就是對廢水中的磷進行去除。目前我們的除磷技術有化學方式和生物方式，但是單獨使用一種除磷方式在實際的應用中會受到限制，不利于有效達到除磷的目的。因此，我國目前應該大力發展一些新技術，提高廢水除磷的有效率和實用率，以此來解決水體富營養化問題，保證人們的身體健康。

參考文獻：

[1]楊光，程誠.城鎮生活污水廠除磷技術現狀[J].化工設計通訊， 2019，45（08）：236-237.

[2]吳夢，張大超，徐師，陳敏，王春英.廢水除磷工藝技術研究進展[J].有色金屬科學與工程， 2019，10（02）：97-103.

[3]田穎，樊俊珍，王雨.磷化廢水除磷工藝試驗研究[J].包鋼科技， 2018，44（05）：32-34+63.

[4]邱琳.顆粒污泥強化除磷技術研究[D].浙江大學， 2018.

[5]王遲，徐冰峰.污水除磷的方法以及技術進展[J].低溫建筑技術， 2016，38（08）：37-38.

[6]車萬銳，張帆.污廢水生物脫氮除磷技術發展研究[J].中國高新技術企業， 2016（17）：75-76.

[7]王平，李研偉，王艷明.污水生物除磷技術的現狀與研究進展[J].環境污染與防治， 2015，37（04）：111.

[8]張杞蓉，普曉晶.污水除磷技術的研究進展[J].能源與環境，2014（04）： 74-75+78.

通訊作者：趙放，1986年4月，男，漢，吉林省吉林市人，現任中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院專業組組長，碩士研究生。研究方向：環境保護給排水。