廢水除磷技術(shù)的研究與發(fā)展

摘要：目前世界的水體富營養(yǎng)化問題十分嚴(yán)重，而這是由于水體中磷含量的過多。水體的富營養(yǎng)化對人們的生活造成較大的影響，甚至還會(huì)影響人們的身體健康。因此，必須要解決這個(gè)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(xué)與生物進(jìn)行除磷的具體機(jī)理，以及具體的除磷工藝。

關(guān)鍵字：磷污染;化學(xué)除磷;生物除磷

一、前言

水體中適當(dāng)?shù)牧子欣谕苿?dòng)生物的生長，但是一旦含量過多就會(huì)出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化的情況。而近些年隨著社會(huì)的發(fā)展與人類的進(jìn)步，人們的活動(dòng)使得水體中的磷含量越來越多。而這就會(huì)對環(huán)境與各動(dòng)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(diǎn)源污染，點(diǎn)源一般是指生活污水和工業(yè)廢水，而非點(diǎn)源是指降雨降雪和地表徑流等。按照磷污染的貢獻(xiàn)率從高到低進(jìn)行排序，農(nóng)業(yè)排水最高，其次是生活排水，最后才是工業(yè)排水。在農(nóng)業(yè)中，磷污染是由于過度使用磷肥，而生活排水主要是因?yàn)楹紫匆聞┑拇罅渴褂茫I(yè)排水則是由于在生產(chǎn)過程中產(chǎn)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(biāo)的主要原因就是人類的活動(dòng)，同時(shí)，過多的磷會(huì)使水體發(fā)生富營養(yǎng)化，影響水質(zhì)，造成水生動(dòng)物的大量死亡，甚至影響到人體的健康。磷循環(huán)的主要過程是巖石和土壤之中的磷酸鹽進(jìn)入河流，然后輸入海洋沉積海底，直到地質(zhì)活動(dòng)使其暴露與水面，再次參加循環(huán)，如圖1，就是一個(gè)磷循環(huán)的示意圖。

（二）磷污染的危害

1. 對環(huán)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(dāng)?shù)牧啄軌虼龠M(jìn)水生生物的生長。但是如果水體中的磷過多，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化，主要的表現(xiàn)就是藻類大量的繁殖，并且這種繁殖沒有辦法進(jìn)行控制，氧含量不斷下降，使得一些魚蝦開始死亡，這樣就會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)開始惡化。在自然環(huán)境中，湖泊的發(fā)展十分緩慢，從貧營養(yǎng)湖到富營養(yǎng)湖會(huì)經(jīng)歷及其漫長的時(shí)間，但是由于人類的活動(dòng)，湖泊中有了大量的氮磷，這會(huì)加速湖泊的富營養(yǎng)化[2]。在我國，大部分的湖泊都已經(jīng)處于富營養(yǎng)化，最嚴(yán)重的一些湖泊甚至已經(jīng)不能使用這些水源進(jìn)行飲用。比如說武漢的龍陽湖，在分析磷污染來源時(shí)，明顯發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)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(shí)，龍陽湖實(shí)際的環(huán)境容量只有每年2.74噸，但是現(xiàn)在甚至達(dá)到了每年45.16噸，這與我國的地表水環(huán)境功能指標(biāo)嚴(yán)重不符合。所以說，為了解決水體的富營養(yǎng)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(shù)進(jìn)行不斷的研究與發(fā)展。

2. 對動(dòng)物與人類的危害

湖泊中的氮、磷含量過多，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，這就會(huì)使得藻類開始大量的繁殖，一方面，水面上就會(huì)被藻類所占據(jù)，大大影響湖泊的美觀，甚至還會(huì)散發(fā)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(huì)嚴(yán)重威脅到人類的生命健康。藻毒素具有各種毒性，甚至?xí)?dǎo)致人類癌癥的發(fā)病幾率提高，輕會(huì)使人類過敏，或出現(xiàn)一些腸胃疾病等，嚴(yán)重會(huì)使人類發(fā)生急性肝衰竭，或者誘發(fā)急性肝炎等。不止我國，國外也經(jīng)常出現(xiàn)由藻毒素所引發(fā)的動(dòng)物或人類死亡事件。巴西曾經(jīng)也發(fā)生過嚴(yán)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(yǎng)化問題現(xiàn)在對整個(gè)世界都造成了嚴(yán)重的后果，必須要尋找一個(gè)有效的解決辦法。圖2就是水體富營養(yǎng)化時(shí)的具體表現(xiàn)。

三、除磷機(jī)理

（一）化學(xué)除磷法機(jī)理

化學(xué)除磷法就是要向廢水投入化學(xué)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(huì)形成絮凝體，再與水體分離，這樣又能夠?qū)U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(xué)藥劑是金屬鹽和氫氧化鈣。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，金屬鹽是A13+和Fe3+，反應(yīng)式：

如果使用硫酸鋁作為混凝劑，反應(yīng)式：

在除磷處理時(shí)，多數(shù)情況會(huì)選擇使用鋁鹽。當(dāng)鋁鹽的pH值在6.0～7.0之間的時(shí)候，或是鐵鹽在5～5.5之間時(shí)，這時(shí)候進(jìn)行除磷效果最佳，因?yàn)樵谶@個(gè)范圍之內(nèi)FePO4與A1PO4的溶解度最小。另外還會(huì)經(jīng)常使用的交際是氫氧化鈣，因?yàn)榱讜?huì)與鈣產(chǎn)生反應(yīng)，反應(yīng)式：

（二）生物除磷法機(jī)理

生物除磷主要是通過聚磷菌的聚磷作用來除磷。20世紀(jì)的時(shí)候，在活性污泥的管理中，人們發(fā)現(xiàn)了一種兼性細(xì)菌，比如說不動(dòng)細(xì)菌屬、氣單胞菌和棒桿菌屬等，它們能夠在好氧的狀態(tài)下將大量的磷吸到體內(nèi)，使自身含磷量高于10%，甚至達(dá)到30%，所以這些細(xì)菌就被用于生物除磷，被稱為聚磷菌[4]。在厭氧的狀態(tài)下，聚磷菌能夠吸收一部分有機(jī)物，并將細(xì)胞中的磷釋放出來，然后再好氧狀態(tài)時(shí)，那些有機(jī)物被氧化從而提供細(xì)菌的能量，并且吸取廢水中的磷，將其儲(chǔ)存起來。而聚磷菌自身會(huì)進(jìn)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(shù)

（一）化學(xué)除磷技術(shù)

1. 化學(xué)混凝沉淀法

廢水里的磷一般是以溶解性無機(jī)磷這種形式而存在，只有很少的一部分會(huì)以有機(jī)磷溶解的狀態(tài)存在?；瘜W(xué)混凝法除磷，其實(shí)就是在廢水中加入化學(xué)藥劑，然后與溶解性的磷產(chǎn)生反應(yīng)，從而生成懸浮態(tài)的磷，再將其滯留?，F(xiàn)在常用于化學(xué)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?；瘜W(xué)混凝沉淀法其實(shí)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(yīng)并且形成磷酸鹽的沉淀，同時(shí)也會(huì)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(shí)現(xiàn)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(huì)與磷發(fā)生反應(yīng)，就能夠?qū)⒘赘患?，這樣也可以進(jìn)行除磷。吸附法有四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）適用水體較多，無論是工業(yè)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(gè)吸附劑在使用過程中不會(huì)對環(huán)境造成傷害。

（4）這些吸附劑可以進(jìn)行回收，避免了浪費(fèi)。

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(zhì)、金屬氧化物和黏土礦物。

3. 結(jié)晶法

目前使用的結(jié)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(jié)晶沉淀以后形成的物質(zhì)也能夠當(dāng)做肥料再次進(jìn)行利用[6]。

（二）生物除磷技術(shù)

1. 傳統(tǒng)除磷技術(shù)

生物除磷有特殊的環(huán)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(shí)達(dá)到脫氮除磷，必須要?jiǎng)?chuàng)造好氧、缺氧和厭氧三種環(huán)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(gè)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(huì)需要碳源，這就會(huì)產(chǎn)生競爭，還有硝化菌與聚磷菌二者的泥齡也有所區(qū)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(jìn)行除磷。

2. 新技術(shù)發(fā)展

在進(jìn)行除磷機(jī)理的研究時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)在缺氧的環(huán)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(jìn)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(shù)的原理。這種新的技術(shù)就是反硝化除磷工藝，反硝化除磷分為兩種系統(tǒng)，分別是單污泥工藝和雙污泥系統(tǒng)。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(gè)環(huán)境之中，根據(jù)這個(gè)原理就出現(xiàn)了UCT工藝和BCFS工藝等。而在雙泥工藝中，硝化細(xì)菌會(huì)獨(dú)立于DPB，自己單獨(dú)存在好氧SBR反應(yīng)器之中，從而實(shí)現(xiàn)硝化與除磷的分離，避免二者之間出現(xiàn)的矛盾。根據(jù)這個(gè)原理出現(xiàn)了A2N雙污泥系統(tǒng)、DEPHANOX工藝和HITNP工藝等[7]。

（三）幾種除磷工藝的比較

生物法的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍比較廣，并且成本較低，同時(shí)可以有較好的效果在磷濃度低的地方，但是缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生較多的污泥，對環(huán)境的要求比較高，在實(shí)際的應(yīng)用中需要與化學(xué)方式一起使用，不夠方便?；瘜W(xué)法中沉淀法的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍大，并且操作簡單成本低。但是也會(huì)產(chǎn)生大量的污泥。而結(jié)晶法反應(yīng)快，并且不會(huì)破壞環(huán)境，還能進(jìn)行重復(fù)的利用，但是缺點(diǎn)是成本高，還會(huì)受到pH值的影響。而物理化學(xué)法，優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)破壞環(huán)境，并且效果比較好，但是缺點(diǎn)是會(huì)受到pH與晶種的影響。

（四）生物除磷與化學(xué)除磷結(jié)合

在除磷技術(shù)的應(yīng)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(huì)為除磷帶來一定困難。所以說，可以將生物除磷與化學(xué)沉淀法進(jìn)行結(jié)合，通過化學(xué)沉淀來提高生物除磷的穩(wěn)定性。目前化學(xué)強(qiáng)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(xué)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(huì)比比前置沉淀少，另外，也會(huì)省去后置沉淀時(shí)需要的一些混凝設(shè)備，因此現(xiàn)在使用這種方式的最多。

五、結(jié)論

由于水體中含有過多磷會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化，因此在解決這個(gè)問題的時(shí)候，最重要的就是對廢水中的磷進(jìn)行去除。目前我們的除磷技術(shù)有化學(xué)方式和生物方式，但是單獨(dú)使用一種除磷方式在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)受到限制，不利于有效達(dá)到除磷的目的。因此，我國目前應(yīng)該大力發(fā)展一些新技術(shù)，提高廢水除磷的有效率和實(shí)用率，以此來解決水體富營養(yǎng)化問題，保證人們的身體健康。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊光，程誠.城鎮(zhèn)生活污水廠除磷技術(shù)現(xiàn)狀[J].化工設(shè)計(jì)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(shù)研究進(jìn)展[J].有色金屬科學(xué)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(yàn)研究[J].包鋼科技， 2018，44（05）：32-34+63.

[4]邱琳.顆粒污泥強(qiáng)化除磷技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)， 2018.

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

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

[7]王平，李研偉，王艷明.污水生物除磷技術(shù)的現(xiàn)狀與研究進(jìn)展[J].環(huán)境污染與防治， 2015，37（04）：111.

[8]張杞蓉，普曉晶.污水除磷技術(shù)的研究進(jìn)展[J].能源與環(huán)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(xiàn)任中國石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院專業(yè)組組長，碩士研究生。研究方向：環(huán)境保護(hù)給排水。