摘要：结果表明，富磷污水化学除磷过程可以缓解碳酸盐对除磷药剂的竞争，当侧流化学除磷池以ρ(P)=3～5 mg/L作为出水磷质量浓度控制目标时，单位药剂(CaO/mg)除磷量为0.6～0.2 mg;除磷药剂的用量为城市污水直接化学除磷系统的7.7%～8.4%;处理单位体积(1 m3) ρ(P)=50 mg/L的富磷污水时，可以得到0.27 kg含磷率为17%的化学污泥。SBR侧流除磷工艺可以回收污水中65%的磷，当提高SBR运行周期n和充水比λ时，磷的回收率有望进一步增加。
关键词：污水处理,化学分析,化学除磷
传统生物除磷技术是通过排除好氧吸磷污泥的方式来去除污水中的磷，除磷效果与污泥含磷率和排放量有关。因此，通常认为短污泥龄是保证系统具有良好除磷效果的前提，致使同时生物除磷脱氮系统存在着污泥龄难以协调的问题。实质上，聚磷菌的超量吸磷、释磷能力可以将城市污水中低浓度的磷酸盐交替地富集在好氧污泥或厌氧污水中。显然，排除高浓度厌氧释磷污水和排除富磷的好氧吸磷污泥一样，都可以实现污水处理系统磷的有效去除，即侧流除磷，但在侧流除磷过程中，须用化学药剂将磷固定。Phostrip、BCFS以及该课题组开发的好氧污泥外循环序批式反应器工艺(external recy—cleprocess of aerobic sludge in sequencing batchreactor activated sludge process，ERP—SBR) 都是具有侧流除磷特征的污水处理工艺。其中，ERP—SBR侧流工艺是一种部分好氧污泥外循环的强化厌氧释磷工艺，在辅以侧流除磷技术的情况下，使污水处理系统有较好的除磷脱氮效果。
目前，在生物除磷脱氮系统中，越来越多的学者认为化学除磷是保证污水处理系统稳定达标排放的重要手段，但从化学除磷的角度，如何提高药剂的利用率、减低药剂成本却鲜有人研究，笔者以课题组长期运行的ERP—SBR侧流除磷工艺为基础，以强化厌氧释磷池富磷上层清液的化学固磷过程为研究对象，探索药剂利用率高、化学污泥磷含量高的化学除(固)磷条件，为污水处理系统的低成本化学除磷和磷资源回收提供参考。
1 工艺与方法
1.1 ERP—SBR侧流除磷工艺流程和装置ERP—SBR侧流除磷工艺流程见图1。该系统包括3个主要反应器：SBR主反应器、强化厌氧释磷池和化学除磷池，有效体积分别为18，3，2L。SBR主反应器用小砂头充氧曝气、机械方式搅拌，利用微电脑定时控制器实现曝气、搅拌以及沉淀过程的自动切换。SBR主反应器采用间歇进水、间歇排水方式运行，周期进水量为11 L，周期为8 h(3周期/d)，运行工况为：进水厌氧2h—好氧3h—缺氧搅拌1.5 h—后曝气0.5 h—沉淀排水、污泥外循环、闲置共1h。
在实验运行过程中，每天有2个运行周期进行好氧污泥外循环：将沉淀排水后SBR反应器中混合液约0.5 L 排放至强化厌氧释磷池中，加入2L实验污水，在磁力搅拌作用下厌氧释磷4 h;然后静置沉淀，将分离产生的上层清液约1.5～2 L导入化学除磷池，加入石灰乳进行磷的化学固定，除磷后的上层清液汇入实验污水;释磷池污泥转入SBR反应器参与好氧(部分时段)以及后续的缺氧和后曝气阶段的反应过程。运行过程中未进行专门的排泥，系统污泥的损失完全来自指标测试，约为300 mL/d，系统污泥龄大约为60 d，稳定运行阶段SBR主反应器的污泥质量浓度为6.5～7.5 g/L。
在实验运行过程中，每天有2个运行周期进行好氧污泥外循环：将沉淀排水后SBR反应器中混合液约0.5L排放至强化厌氧释磷池中，加入2L实验污水，在磁力搅拌作用下厌氧释磷4 h;然后静置沉淀，将分离产生的上层清液约1.5～2 L导入化学除磷池，加入石灰乳进行磷的化学固定，除磷后的上层清液汇入实验污水;释磷池污泥转入SBR反应器参与好氧(部分时段)以及后续的缺氧和后曝气阶段的反应过程，运行过程中未进行专门的排泥，系统污泥的损失完全来自指标测试，约为300 mL/d，系统污泥龄大约为60d，稳定运行阶段SBR主反应器的污泥质量浓度为6.5～7.5 g/L。
1.2 实验水质及测定方法
ERP—SBR侧流除磷工艺处理的污水为某大学校园生活污水，测定方法：HACHDR/2O10 COD测定仪测定污水中化学需氧量(COD);过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定污水中总N 的质量浓度;钠氏试剂光度法测定污水中NH-N 的质量浓度;钼酸铵分光光度法测定污水中总P的质量浓度;ORP-431测定仪测定污水的pH 值;YSI5100 DO测定仪测定污水中的溶解氧(DO)，质量法测定污水中的悬浮物(MLSS)，实验期间水质质量浓度变化为，ρ(COD)=238～694 mg/L ;ρ(N)=28.6～58.3 mg/L;ρ(NH3-N)=20.6～51.4 mg/L;ρ(P)=5.5～13.25 mg/L;pH=7～8.实验温度控制在22～3O℃。
1.3 实验方法
为了探索侧流除磷工艺化学固磷系统较为理想的运行条件，以课题组长期运行的ERP—SBR侧流除磷工艺中强化厌氧释磷池富磷上层清液为研究对象，通过添加Na2HPO4模拟不同质量浓度的厌氧富磷污水，以除磷药剂加人量和所得污泥中磷的质量含量为考察指标，探索较为理想的有利于磷资源回收的化学除磷系统。
2 结果与讨论
2.1 富磷污水磷质量浓度与药剂加入量的关系污水中，不同磷质量浓度的厌氧释磷池上层清液在化学除磷过程中对药剂(石灰)需求见图2～3。图中，ρt (P)= 7 mg/L的曲线代表了城市污水直接化学除磷时的药剂消耗情况;ρch为出水磷的质量浓度;m ch (P)为单位石灰除磷质量。
由图2～3可知，药剂加入量越大，化学除磷池上层清液中磷的质量浓度就越低;在富磷污水中，磷质量浓度高且药剂加入量较低的情况下，单位药剂(CaO/mg)的除磷量更多，药剂利用率最大;当ρ(CaO)>200 mg/L时，化学除磷池中残留在溶液中的磷质量浓度却几乎相同，和原始磷质量浓度的关系不明显。说明在化学除磷系统中确定合理的化学除磷平衡点(即化学除磷池上层清液中磷的质量浓度)，可以降低化学除磷药剂的加入量，提高药剂的利用率。结合ERP-SBR工艺运行方式可知，由于化学除磷池上层清液依然含有释磷污水携带的氨氮和COD，不作为直接外排水而是汇人污水池。因此，从药剂有效利用率的角度，建议把化学除磷池上层清液中ρ(P)=3～5mg/L作为化学除磷平衡控制点，此时药剂(Ca0)的加人量ρ(CaO)=130～l50 mg/L，单位药剂(CaO/mg)的除磷量为0.6～0.2 mg。与城市污水化学除磷系统的单位药剂(CaO/mg)除磷量相比(0.023 mg)，增加了8～25倍。
2.2 碱度对化学除磷过程的影响
当用石灰直接去除城市污水中低质量浓度的磷时，通常认为石灰药剂的加入量取决于污水碱度而不是磷酸盐浓度。药剂的有效利用率低、费用高。究其原因是，石灰不仅可以和磷酸盐反应生成磷酸钙，同时还可以和污水中的碳酸盐反应生成碳酸钙，而碳酸盐是影响污水碱度最主要的物质，当磷的质量浓度较小时，碳酸盐的竞争或污水碱度的影响就更加明显，为了研究污水碱度对富磷污水除磷系统的影响，以ERP—SBR工艺厌氧释磷污水为基础，通过加入石灰乳人工调配富磷污水的碱度(图4～5)。图4～5分别反映了污水碱度。ρ(CaO)/(mg·L )对富磷污水ρt(P)=50 mg/L和城市污水ρ(P)=7 mg/L化学除磷系统的影响。
由图4～5可知，污水的碱度越大，达到同样的处理程度所需要的石灰药剂量越高;在石灰药剂加入量相同的情况下，污水碱度越高，化学除磷池出水中磷的质量浓度越高，对比2个实验系统发现，污水碱度对城市污水化学除磷池出水磷质量浓度的影响较显著，而药剂的加入量却对富磷污水化学除磷池上层清液中磷的质量浓度的影响更直接，值得注意的是，2种化学除磷方法的除磷池上层清液中磷的质量浓度的控制点是不一样的，富磷污水的平衡质量浓度可以设定为5 mg/L，而在城市污水化学除磷系统中，则宜按达标排放(0.5mg/L)进行核定，据此，可以估算2种除磷方法化学药剂的耗量。
1)城市污水直接化学除磷石灰消耗量。基本条件：城市污水中ρ(CaO)=100～150mg/L，经过生物脱氮后，由于硝化、反硝化作用的存在，二沉池后出水碱度比原污水下降3O%;城市污水中ρ(P)=7mg/L，经过二级生物处理后，由于同化作用的存在，磷的质量浓度下降30%。由图5可知，对上述二沉池出水实施化学除磷，并以ρ(P)=0.5 mg/L为处理出水控制标准时，单位体积(1m3)污水将消耗200～250 g石灰，按处理1万t/d污水计，石灰消耗量为2～2.5 t/d。
2)ERP—SBR工艺侧流化学除磷石灰消耗量。基本条件：根据工艺运行方式，ERP—SBR实验系统处理水量为33 L/d，进入化学除磷池的富磷上层清液约3～4 L/d，相当于处理水量的9～12 。经测试富磷污水的碱度，其值和原污水相当，ρ(CaO)=1O0～150mg/L。由图4可知，对富磷污水实施化学除磷，并以5mg/L为处理出水控制目标时，处理单位体积(1m)富磷污水将消耗140 g石灰，换算成处理单位体积(1m)城市污水的消耗量为12.6～16.8 g石灰，仅为城市污水化学除磷系统药剂耗量的7.7 ～8.4 。
2.3 化学富磷污泥产量及其中磷的质量分数
石灰与磷酸盐可以生成多种形式的钙盐，其中CaHP04，Ca3 (P04) 2，Ca5(P04) 30H较为常见。实际上，在含碳酸盐的开放污水系统中，较难生成特定形式的纯磷酸盐晶体，通常是一系列较难计量的磷酸盐和碳酸盐沉淀混合物，研究了富磷污水化学除磷过程，化学污泥产率及污泥中磷的质量分数。将ρ(P)=50 mg/L，ρ(Ca0)=166 mg/L的富磷污水1000mL加入6个1000mL的烧杯中，分别加入不同质量的石灰;然后以160r/min的转速搅拌1 min，80r/min搅拌4min，40r/min慢速搅拌6min，静沉30min后取上层清液测定磷的质量浓度;过滤后用质量法测定化学污泥质量，根据化学反应前后磷的质量浓度差异计算污泥中磷的质量分数(图6)，由图6可知，伴随着药剂加入量的增加，化学除磷池出水磷酸盐质量浓度逐渐降低，化学污泥产量逐渐增加，而化学污泥中磷的质量分数却逐渐下降;当ρ(CaO)=13O～140 mg/L时，化学除磷池上层清液中ρt(P)< 5 mg/L，化学污泥产生量约为0.27 kg/m。(干质量)，污泥中W (P)=17%，相当于含有38%的P2O5或85%的Ca3PO4，这种高含磷的化学污泥可以直接作为磷资源加以回收利用。
3 结论
(1)在富磷污水侧流化学除磷系统中，确定合理的化学除磷平衡点，可以降低化学除磷药剂的加入量，提高药剂利用率。建议化学除磷池中以ρ(p)=3-5mg/L作为处理出水磷质量浓度的控制目标，此时药剂加入量ρ(CaO)130-150mg/L,单位药剂(CaO/mg)除磷量为0.6-0.2 mg 。
(2)在城市污水化学除磷系统中，石灰的加入量主要取决于污水的碱度;富磷污水侧流化学磷系统中，石灰药剂的加入量将直接影响除磷效果，与城市污水直接化学除磷系统相比较，富磷污水侧流化学除磷工艺只有相当于进水总量9%-12%的厌氧释磷液需要进行化学除磷。富磷污水侧流化学除磷系统，石灰药剂(CaO/mg)的用量仅为城市污水直接化学除磷系统的7.7%-8.4%。
(3)处理单位体积(1m3)ρ(p)=50mg/L的富磷污水，可以得到0.27kg的ω(p)=17%的化学污泥，城市污水中磷资源的回收率可以达到65%，进一步提高SBR运行周期n和充水比λ，磷的回收率有望进一步增加。
