（环境工程专业论文）超声电凝聚法处理含磷废水的研究.pdf

l n a 匈i n gu h i v e r s i t yo f a e r o n a _ u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h 0 0 1 c o l l e g eo fm a t 谢a ls c i e n c ea n dt e c h n 0 1 0 9 y r e s e a r c ho nt r e a t m e n to f p h o s p h o r u s s t e w a t e rb yu l t r a s o n i c e l e c t r o c o a g u l a t i o nm e t h o d a t h e s i si n e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g b y m e i l i a nq i u a d v i s e d b y s e n i o re n g i n e e rl i n gw 抽g s u b i l l i t t e di np a r t i a lf u l 丘1 1 m e n t o fm er e q u i r e m e n t s f o rf h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e 打n g d e c e i i 【b e r ，2 0 0 9 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 多夸 作者签名：璋迫 日期：! b ；22 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 含磷废水的大量排放会引起水体富营养化，破坏水体生态平衡，影响水环境质量。本文通 过电凝聚反应器的优化设计，采用自制双铁阳极电凝聚处理装置及超声一电凝聚处理装置，对模 拟含磷废水的处理进行了系统研究。 电凝聚法处理含磷废水的试验研究表明：添加导电介质时，电凝聚除磷效率从7 6 4 8 提高 到9 6 5 6 。当电流密度为1 4 8 m 刖c m 2 、电凝聚时间为1 5 n 、废水初始p h 值为7 0 0 、极板间 距为1 5 c m 时，电凝聚除磷效果最佳，磷的去除效率为9 7 6 4 。 在此基础上研究了超声作用模式及废水p h 值、电解电压、磷初始浓度以及极间距对超声一 电凝聚法除磷效果的影响。结果表明：超声辅助能有效地提高电凝聚除磷效果，在相同实验条 件下，磷的去除率提高了1 8 4 0 。当废水中磷初始浓度低于2 0 m g l 时，采用超声一电凝聚法处 理6 觚n ，磷的去除率可以达到9 8 9 7 磷的浓度降至o 2 1 m g l ，达到国家废水一级排放标准。 正交试验研究结果表明，极板间距为2 o c m 、p h 值为7 o o 、通电时间为3 商n 、磷初始浓度为 1 0m l 时，磷的去除率可达到9 9 6 0 。 文中还对超声一电凝聚法除磷的机理进行了探讨。动力学分析表明，超声一电凝聚法除磷过 程符合零级反应动力学规律。 关键词：含磷废水，超声波，电凝聚，双铁阳极，动力学 超声电凝聚法处理含磷废水的研究 a bs t r a c t t h ed i s c h a r g eo fal o to fp h o s p h o m sw a s t e w a t e rr e s u l t si ne u t r 叩l l i c a t i o no ft h ew a t e rb o d i e s ， a n dd i s t u r b st h eb a l a n c eo fw a t e r b o d ya n da 脆c t sa q u a t i ce n v i r o m n e n tq u a l i 吼s i m u l a t e dp h o s p h a t e w a s t e w a t e rw a st r e a t e db yh o 瑚e m a d ea n do p t i m u md e s i g n e dp a i r e di r o na n o d ee l e c t r o c o a g u l a t i o n ( e c ) d e v i c ea n du l t r a s o n i ce cd e v i c e t h et r e a n n e n to fp h o s p h o m sw a s t e w a t e rb ye cm e t h o dw i m o u tt h ee 丘e c to fu l t m s o 越cw a s f i r s t l yi n v e s t e g a t e d ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h er e m o v a le 伍c i e n c yo fp h o s p h a t em c r e a s e d 丘o m7 6 4 8 t o9 6 5 6 i fs u p p o n i n ge l e c t r o l y t ew a sa d d e d t h eo p t i m u mp a r a m e t e r sf o rc u r r e n td e n s i t y ， e l e c t r 0 1 y z et i 1 e ，p h l u ea 1 1 d 谳e re l e c 仃o d ed i s t a n c ew e r ef o u n dt ob eo 5 a ，1 5 r n i n ，7 0 0a n d1 5 c m r e s p e c t i v e l y u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，e x p e r i m e n t a l r e m o v a le m c i e n c yo fp h o s p h o m sw a s 9 7 6 4 o nm eb a s i cr e s e a r c ho f p h o s p h o r u sr e m o v a lb ye cm e m o d ，t h ee e l e c to fu l 仃a s o n i c ，o r i g i n a lp h v a l u e ，v o l t a g e ，i 1 1 i t i a lc o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o m sa n di n t e r e l e c t r o d ed i s t a n c eo nt h et r e a t r n e n to f p h o s p h o m sw a s t e w a t e rb ye cm e t h o dw i t hu 1 打a s o n i cw e r es t u d i e d t h et r e a t i n e n to fp h o s p h o m s w a s t e w a t e rb yu l t m s o n i ce cm e t h o ds h o w e dm a tm eu l t r a s o n i ca s s i s t e dp r o c e s ss i g n i f l c a n t l y i m p r o v e dt h ep h o s p h o m s r e i n o v a le m c i e n c y ，w h i c hw a si n c r e a s e db y1 8 4 0 t h er e s e a r c hr e s u l t s a l s os h o w e dt h a tw h e nt h ep h o s p h o m sc o n c e n 仃a t i o nw a sa sl o wa s2 0m g l ，9 8 9 7 o fp h o s p h o m s r e m o v a le e l c i e n c yc a nb ea c h i e v e dw i t h i n6 1 1 1 i n t h ep h o s p h o m sc o n c e n t r a t i o nw a sr e d u c e dt o 0 2 l m g l ，w h i c hm e e tm ec h i n e s ef i r s tc l a s sn a t i o n a l s t a n d a r do fs e w a g ed i s c h a r g e l 1 6 ( 4 4 ) o r r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dm a tp h o s p h o m sr e m o v a le f i c i e n c yw a s9 9 6 0 w h e nt h e i n t e re l e c t r o d ed i s t a j l c e ，p hv a l u e ，e ct i m e ，i n i t i a lp h o s p h o m sc o n c e n t r a t i o nw e r e2 0 c m ，7 0 0 ，3m i n ， a n d10m g lr e s p e c t i v e l y t h em e c h a n j s mo fp h o s p h o m sr e m o v a li nt h ec o u r s eo fu 1 仃a s o n i ca s s i s t e de cm a t h o dw a sa l s o d i s c u s s e d k i n e t i ca n a l y s i ss h o w e dt h a tp h o s p h o m sr e m o v “b yu l 打a s o n i ca s s i s t e de cm e t h o dm e t t h ez e r o o r d e rk i n e t i c s k e y w o r d s ：p h o s p h o n l sw a s t e w a t e r ，u l 仃a s o n i c ，e l e c 仃。一c o a g u l a t i o n ，p a i r e di r o na n o d e ，k m e t i c s i i ， 气 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 含磷废水的来源及危害1 1 2 1 含磷废水的来源1 1 2 2 含磷废水的危害1 1 3 废水除磷技术概述2 1 3 1 生物除磷技术3 1 3 2 物化除磷技术5 1 3 3 人工湿地除磷6 1 3 4 膜除磷技术7 1 4 电凝聚法概述8 1 4 - 1 电凝聚法的发展8 1 4 2 电凝聚法的原理8 1 4 3 电凝聚法的特点j 1 0 1 4 4 电凝聚法在废水处理中的应用1 1 1 4 5 电凝聚法处理废水研究中存在的问题1 2 1 4 6 电凝聚法处理废水的研究方向1 2 1 5 超声一电凝聚法1 2 1 6 研究目的和内容1 3 第二章电凝聚处理器的设计及优化一1 5 2 1 引言1 5 2 2 设计思路1 5 2 3 电凝聚反应器的设计1 5 2 3 1 电极材料的选择1 5 2 3 2 电极放置方向的选择1 6 2 3 3 电极结构的选择1 6 2 3 4 电极连接方式的选择1 7 2 4 电凝聚反应器的优化组合设计1 8 2 5 本章小结2 0 超声电凝聚法处理含磷废水的研究 第三章电凝聚处理含磷废水的研究2 3 3 1 引言2 3 3 2 试验部分2 3 3 2 1 仪器与试剂2 3 3 2 2 试验内容2 4 3 2 3 试验分析方法2 4 3 3 电凝聚处理含磷废水的影响因素研究2 5 3 1 3 1 导电介质的影响2 5 3 3 2 电流密度的影响2 6 3 3 3p h 值的影响2 7 3 3 4 极间距的影响2 8 3 3 5 电解时间的影响2 8 3 - 3 6 磷初始浓度的影响2 9 3 4 本章小结3 0 第四章超声一电凝聚处理含磷废水的研究3 3 4 1 引言3 3 4 2 试验部分3 3 4 2 1 仪器与试剂3 3 4 2 2 试验内容3 4 4 2 3 分析方法3 4 4 3 超声一电凝聚处理含磷废水的影响因素研究3 5 4 3 1 超声对电凝聚的影响3 5 4 3 2p h 值的影响3 6 4 3 3 电压的影响3 7 4 3 4 磷初始浓度的影响3 8 4 3 5 极间距的影响3 9 4 4 超声一电凝聚处理含磷废水的优化3 9 4 _ 4 1 正交试验设计3 9 4 4 2 正交试验结果与分析4 0 4 5 反应底物分析4 l 4 6 本章小结一4 2 第五章超声一电凝聚除磷的机理探讨及动力学分析4 3 5 1 超声一电凝聚除磷机理4 3 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 5 1 1 超声波的机械效应4 3 5 1 2 电化学反应过程4 3 5 1 3 电解凝聚作用4 6 5 1 4 电解气浮作用4 7 5 2 超声电凝聚除磷过程的动力学分析4 7 5 3 能耗分析4 9 第六章总结与展望5 1 6 1 总结5 1 6 2 展望5 1 参考文献5 3 致谢5 8 在学期间的研究成果及发表的学术论文5 9 v 超声电凝聚法处理含磷废水的研究 v i 图表清单 图1 1 羟基磷酸钙的溶解度和过饱和溶解度曲线6 图2 1 垂直流式和水平流式电凝聚电极方向1 6 图2 2 平板电极和网状电极示意图1 7 图2 3 电极连接形式1 8 图3 1 电凝聚装置示意图2 4 图3 2 总磷浓度标准曲线2 5 图3 3 电流密度对电凝聚除磷效果的影响2 6 图3 4p h 值对电凝聚除磷效果的影响2 7 图3 5 极间距对电凝聚除磷效果的影响2 8 图3 6 时间对电凝聚除磷效果的影响2 9 图3 7 磷初始浓度对电凝聚除磷效果的影响3 0 图4 1 超声一电凝聚装置示意图3 4 图4 2 超声辅助电凝聚和磁力搅拌电凝聚除磷效果随电流的变化3 5 图4 3 磁力搅拌电凝聚和超声辅助电凝聚除磷效果随时问的变化3 6 图4 4p h 值对超声一电凝聚除磷效果的影响3 6 图4 5 电压对超声一电凝聚除磷效果的影响3 7 图4 6 磷初始浓度对超声一电凝聚除磷效果的影响3 8 图4 7 极间距对超声一电凝聚除磷效果的影响3 9 图4 8 超声一电凝聚除磷的反应底物的s e m 分析4 2 图5 1 电凝聚电极反应流程图4 4 图5 2 铁阳极反应前后的s e m 分析4 5 图5 3 铁阳极反应后的能谱分析4 6 图5 4 反应速率常数的绝对值与电压的关系4 9 图5 5 单位磷能耗随时间变化曲线5 0 南京航空航天大学硕士学位论文 表3 1 试验仪器2 3 表3 2 试验试剂2 4 表3 3 导电介质对磷去除效果的影响2 5 表3 4 电流密度对电凝聚除磷效果的影响试验数据2 6 表3 5p h 值对电凝聚除磷效果的影响试验数据2 7 表3 6 极间距对电凝聚除磷效果的影响试验数据2 8 表3 7 电混凝时间对电凝聚除磷效果的影响试验数据2 9 表3 8 磷初始浓度对电凝聚除磷效果影响试验数据3 0 表4 1 试验仪器3 3 表4 2 试验试剂3 4 表4 3 正交试验的因素与水平4 0 表4 4 超声电凝聚除磷正交试验数据表4 0 表5 1 磷浓度随电混凝时间变化的试验结果4 7 表5 2 不同电压时废水中磷浓度随处理时间的变化4 8 表5 3 超声一电凝聚除磷的回归方程及参数4 8 v i i 塑妻皇鳖鍪鎏竺型鱼堕璧查塑婴壅一一 - _ _ _ _ 一 v i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着城市工业化的不断发展，水资源的污染状况日益严重。而人们对水资源的需求量越来 越大，对水质要求也越来越高。水质改善及其安全保障的实际需求，始终都是水处理科学和技 术发展的根本动力。在我国，水资源人均占有量少，且空间和时间分布不均匀，导致许多地区， 特别是城市和工业地区的水资源十分缺乏。水资源污染的加剧，特别是废水排放量和种类日益 增多，成分更加复杂，城市污水处理率低，资金投入有限，因此迫切需要简易、廉价、高效且 无二次污染的水处理工艺来缓解水资源的危机问题并实现环境可持续发展的需求。 近年来，电化学水处理方法受到高度关注，成为环境科学与二 程领域最重要的研究与发展 方向之一。电化学水处理方法以电化学的基本原理为基础利用电极反应及其相关过程，通过直 接和间接的氧化还原、凝聚絮凝、吸附降解和协同转化等综合作用，对水中有机物、重金属、 硝酸盐、胶体颗粒物、细菌、色度、嗅味等污染具有优良的去除效果。由于电化学具有不需要 向水中投加药剂、水质净化效率较高、无二次污染、使用方便、易于控制等突出优点，在工业 废水处理、生活污水处理与回用、饮用水净化等方面得到了越来越多的应用，表现出巨大的发 展潜力。电凝聚法是一种极具发展潜力的电化学处理废水的方法，它具有许多传统水处理工艺 所没有的优势而得以在水处理领域中广泛应用 1 】。 1 2 含磷废水的来源及危害 1 2 1 含磷废水的来源 在天然水和废水中，磷以正磷酸盐、缩合磷酸盐( 焦磷酸盐、偏磷酸盐和多磷酸盐) 、有机 结合的磷酸盐等各种形式存在。它们存在于溶液、腐殖质或水生生物中。天然水中磷酸盐含量 不高。磷是生物生长必需的营养元素之一，水中适量的磷会促进生物生长。水体中磷的来源主 要包括外部进入水体的磷，以及水体内部自身底泥等沉积物释放进入水中的磷。其中外部来源 包括生活污水、工业废水、街道冲刷、林地冲刷、农田冲刷、养鱼投饵以及降水。外源污染是 磷的主要排放来源，磷主要通过点源进入水体。有研究表明2 1 ，湖泊、水库中的磷8 0 来自于 污水排放。可见生活污水是造成富营养化的主要原因。对于生活污水来说，磷的主要来源是家 庭洗涤剂。 1 2 2 含磷废水的危害 大量含磷废水的排放会引起水体富营养化，近几年来，湖泊蓝藻爆发现象常有报道，赤潮现 超声电凝聚法处理含磷废水的研究 象也常出现在水流停滞的近海湾。富营养化的危害很大，表现为藻类的大量繁殖，进而引起水质 恶化以及湖泊退化等 3 】。具体主要表现在下列几个方面： ( 1 ) 恶化水源水质，增加污水处理难度和成本； ( 2 ) 水体感官性恶化，降低了水体的美学价值； ( 3 ) 破坏水体生态平衡，降低水体的经济价值。 近年来随着我国经济迅速持续增长，污染排放量增加，许多自然水体都出现了富营养化现象。 2 0 0 5 年4 月中国环境监测总站全国地表水水质调查显示，七大水系及太湖、滇池和巢湖的总体水 质保持稳定，i i 类水体占4 5 1 ，v 类水体占2 2 9 ，劣v 类水体占3 2 0 ；长江、珠江水 系水质良好；黄河水系属中度污染；海河、淮河、辽河均为重度污染；太湖、滇池和巢湖均为劣 类水质，主要污染指标是总氮和总磷。由于每年数万亿吨的生活污水携带未经处理的大量的氮磷 等营养盐类进入上述水体，导致蓝绿藻异常增殖，许多湖泊出现水华泛滥，海湾也赤潮频发，部 分河流如汉江、珠江也出现了富营养化。三峡水库也同样面临着富营养化得威胁。人口密集、经 济发达的东部平原地区的大型湖泊多数处于富营养化水平，造成每年数百亿以上的直接经济损 失，同时还产生大流域水环境生态破坏，人体急性中毒，慢性致癌、致畸等环境与社会问题。我 国的水体富营养化灾害呈现发生次数逐年增加，波及面积逐年增大，造成危害逐年加重，日益急 剧恶化的趋势。 1 3 废水除磷技术概述 不同的废水，总磷及各种形式的磷含量差别较大。典型的富营养化水体中总磷含量为 0 0 2 o 。5 m g l ( 以磷计) ；典型的生活污水中总磷含量在3 1 5 m g l ( 以磷计) ；在未处理的生活 污水中，磷酸盐的分配大致如下：正磷酸盐5 m g l ( 以磷计) ，三聚磷酸盐3 m g l ( 以磷计) ， 焦磷酸盐1 m g 甩( 以磷计) 以及有机磷 l m g 甩( 以磷计) 。国内外对磷排放的限制标准也越来越严 格，国外污水处理厂把磷的排放标准规定为0 5 m l ，我国污水综合排放标准( g b8 9 7 8 一1 9 9 6 ) 的一级标准为磷酸盐( 以p 计) 妁5 m g l ，二级标准磷酸盐( 以p 计) o m l 4 】。研究开发经济、 高效除磷污水处理技术已成为当今水污染控制工程领域的研究重点和热点。 目前，除磷技术通常分为生物除磷和物化除磷。生物除磷是基于聚磷菌在好氧及厌氧条件下 摄取及释放磷的原理，通过好氧一厌氧的交替运行来实现除磷的方法。常见的工艺有a o 法、a n o 法、p h o s t 邱法、b a r d e n p h o 法和p h o r e d o x 法，新型工艺有反硝化法除磷和磷糖控制工艺。物化除 磷法使磷成为不溶性的固体沉淀物、结晶产物、吸附产物等，从而从水体中分离出去。具体包括 化学沉淀法、吸附法、结晶法、电渗析法等【5 】。其他的除磷技术还包括人工湿地除磷，膜技术除 磷和电凝聚技术除磷。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 1 生物除磷技术 生物法除磷【昏7 】是根据l u x u r yu pt a k e 现象而进行的除磷方法和手段。自从g r e e b u 巧在1 9 5 5 年 首次发表了关于一些活性污泥法污水处理厂去除的磷超过一般生物代谢需求量的报道后，人们发 现某些在厌氧条件下释放磷的微生物能够迸一步在好氧条件下过量吸收废水中的磷，过量除磷现 象开始引起关注。在此基础上逐渐发展的生物除磷方法称为生物过量磷去除法，简称生物除磷法。 生物除磷的机理主要包括厌氧释磷和好氧摄磷两个过程。在厌氧条件下，聚磷菌水解体内的 a t p ，形成a d p 和能量，同时将细胞内的多聚磷酸盐分解，以无机磷酸盐的形式释放出来。另一 方面，聚磷菌利用糖原发酵产物和能量摄取废水中的有机物来合成大量的有机颗粒p h b ，贮存在 细胞体内。在好氧条件下，聚磷菌利用氧化分解体内储存的p h b 所产生的能量完成新陈代谢，而 a d p 获得的这一能量，可用来合成a r p ；与此同时，聚磷菌可超量吸收溶液中的磷酸盐来合成多 聚磷酸盐及糖原等有机颗粒，储存在细胞体内。 ( 1 ) a o ( a n a e r o b i c o x i c ) 法 o 法【 1 工艺使含有某些微生物种群的污水进入o 法的a 段，使其处于厌氧或兼氧环境 中，这类微生物便吸收污水中的乙酸、甲酸及乙醇等极易生物降解的有机物质，贮存在体内作为 营养源，同时积存于体内的多聚磷酸盐就会分解成可溶性的单磷酸盐并释放到水体中去，从而达 到将体内磷充分排出的目的。按工艺流程污水接着进入o 法的o 段( p h 应控制在7 8 之间) ，微 生物处于好氧环境，此时微生物将体内贮存的有机物氧化分解，同时吸收污水中大量可溶性磷酸 盐，并在体内合成多聚磷酸盐而积累起来。随后，挟带大量体内富含磷的微生物菌胶团( 俗称活 性污泥) 的污水进入二沉池沉降下来，在这些微生物还没来得及分解释放磷时，池底的含磷污泥 一部分就以剩余污泥的形式排出作为肥料，另一部分则回流至a 段处于厌氧或兼氧环境中，重新 进入新一轮的放磷与聚磷的生理循环过程。澄清的出水可获得良好的脱磷效果。 a o 法除磷工艺流程简单，不需要投加化学药品，建设费用和运行费用均较低。存在的问题 是脱磷效果决定于剩余污泥排放量，在二沉池中还难免有磷的释放。该工艺在进水中磷与b o d ， 之比很低的情况下能取得很好的处理效果。当进水中磷与b o d 5 之比较高时，由于b o d 5 负荷较低， 剩余污泥量较少，因而较难以达到稳定的运行效果。用该工艺处理污水时磷的去除率在7 5 左右， 出水含磷约l m g l 或略低，很难进一步提高。 ( 2 )a 2 o ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) 法 a 2 o 工艺【1 2 _ 1 3 1 相对于前面提到的a o 工艺，因为增加了缺氧处理阶段将除磷与脱氮相结合， 不仅节省了脱氮对碳源的需要，而且缩小了曝气区的体积，节省了能源，并且有望降低产生的剩 余富磷污泥量。因此，a 2 o 法比o 法具有更好的实用性。 ( 3 ) p h o s 仃i p 法 p h o s 缸i p 工艺【1 4 作为侧流除磷工艺的代表，把生物和化学除磷法结合起来，该工艺中主流部 3 超声电凝聚法处理含磷废水的研究 分为常规的活性污泥曝气池，回流污泥的一部分( 约为进水流量的1 0 2 0 ) 被分流到专门的 厌氧池，污泥在厌氧池中通常停留8 1 2 h ，聚磷菌则在厌氧池中进行磷的释放，脱磷后的污泥回 流到曝气池中继续吸磷。含磷上清液进入化学沉淀池，然后用石灰进行处理，沉淀去除磷，石灰 剂量取决于废水的碱度。除磷过程在污泥回流路径上完成。p h o s 呻工艺的优点是与单纯的化学 除磷工艺相比，大大地减少了药剂的投加量和化学污泥量。该法除磷效率可达9 0 以上，出水总 磷浓度可低于1 m g l ，而且不太受进水b o d 浓度影响。 ( 4 ) b a r d e n p h o 法 人们发现，如果反硝化很彻底会产生明显的除磷效果。为了更好地除磷，要求厌氧池的容积 比反硝化所需的容积大，使厌氧池能有一部分确保无离子态的氧，为磷的释放创造条件。另外， 如果将污水进水与回流污泥在一级厌氧池内混合，对除磷效果会有明显的改善。b a r d e n p h o 工艺 1 5 。6 1 涵盖了二级缺氧及好氧过程，具有较好的脱磷效果，但工艺流程长、构筑物多是该法的一大 缺点。 ( 5 ) p h o r e d o x 法 p h o r e d o x 工艺m 是为了提高除磷效果而对b a r d e n p h o 工艺做的一个改进。他在第一缺氧区前 加了一个厌氧发酵区。此工艺一般在低负荷条件下运行。原污水或初沉池出水与回流污泥在厌氧 池混合。在第一缺氧池进行反硝化使硝态氮还原为氮气，而b o d ；去除、氨氮氧化和磷的吸收都 是在第一好氧池完成。第二缺氧池则提供了足够的停留时间，通过混合液内源呼吸进一步去除残 余的硝态氮。第二好氧池则为混合液提供短暂曝气，防止二沉池出现厌氧状态。这种工艺在美国 又被称之为改良型b a r d e n p h o 工艺。 ( 6 ) 反硝化除磷 反硝化除磷的原理是通过一种称为兼性反硝化细菌( d p b ) 独特的生物摄、放磷功能，同时 进行反硝化和超量聚磷，将反硝化和除磷两个过程合二为一，最大限度地减少碳源需求量，实现 了能源和资源的双重节约。据有关资料介绍，反硝化除磷能降低c o d 约5 0 ，节省氧约3 0 ，剩 余污泥量减少5 0 左右 1 8 】。 目前，反硝化除磷技术已从基础性研究发展到工程应用阶段。实践表明，该技术对城市污水 特别是c n 比较低的污水有很好的处理效果。随着以其他碳源作为电子供体进行除磷研究的开 展，以及使用r n a 寡核苷酸探针对d p b 细菌的鉴别和分析，人们将对反硝化除磷机理有更清楚的 认识。由于系统对于o ：、n 0 3 等的控制要求较高，今后尚需研究开发各种在线检测技术以提高处 理工艺的可控性1 9 。当前反硝化除磷技术中较受关注的是在改良型p h o s 任审工艺中优化d p b 的生 存环境，使该工艺同时具有反硝化和除磷功能。 ( 7 ) 磷糖控制工艺 有学者认为，活性污泥糖类物质( c h ) 的代谢是除磷脱氮工艺中活性污泥的一个普遍的主 导性代谢过程，对其研究也成为污水除磷领域的焦点之一。刘延华2 m 2 1 1 等经实验得出：要达到可 4 南京航空航天大学硕士学位论文 靠的除磷效果，必须避免活性污泥使用c h 作为厌氧代谢的能源，即必须对厌氧段活性污泥进行 c h 控制，才能有效提高生物除磷效果。 1 - 3 2 物化除磷技术 ( 1 ) 沉淀法 化学凝聚沉淀法【2 2 之7 1 是使用最早、最广泛的一种除磷方法。其原理是将易溶于水的某些金属 盐投入水中，金属离子与磷反应生成一种难溶性盐与水体分离，以此除去水中的磷。它主要是通 过调整p h 值，控制金属离子与磷的浓度比来形成最稳定的难溶性金属磷盐，以此达到除磷效果。 掌握与控制好各种沉淀剂的最佳p h 值对取得满意的除磷效果是极为重要的。 在这个方法中，使用最多的沉淀剂是钙盐、铝盐和铁盐。铝盐或铁盐与磷的反应如式( 1 1 ) 。 m e 2 ( s 0 4 ) 3 + 2 p 0 4 专2 m e p 0 4 + 3 s 0 4 6 ( m e ： a l ， f e ) ( 1 1 ) 同时铝盐或铁盐也和碱类( 如h c 0 3 一) 起反应，形成铝或铁的氢氧化物沉淀，如式( 1 2 ) m e 3 + + 3 h c o ，一号m e ( o h ) ，山+ 3 c 0 2 个 ( 1 2 ) 由于反应生成了c 0 2 ，因此溶液的p h 下降。在实际应用中，从沉淀物的溶解度看，最适宜的 p h 值铝盐为6 o o ，铁盐为4 5 0 。在化学药剂经济性方面，聚合氯化铝( p a c ) 是一种便宜的化学 沉淀除磷药剂。 该法磷的去除率在7 5 左右，处理效果稳定，系统操作易于自动化。但由于人为投加了化学 药剂，一方面产生大量的污泥，难于处理，另一方面又造成水处理费用的增高。 ( 2 ) 吸附法 吸附法【2 8 1 是依靠吸附剂与污水中的磷之间进行的一种化学反应过程以达到除磷的目的。一 些天然物质( 如温石棉、膨润土和天然沸石) 及工业炉渣( 如高炉炉渣和电厂灰) 等，都对水中 磷酸根离子具有一定的吸附作用。天然材料及废渣的优越性在于成本低廉，以废治废，但吸附容 量较低，吸附剂置换费用过高。已经有很多学者对天然材料和工业炉渣的吸附脱磷性能进行了广 泛的研究及试验。赵桂瑜2 9 1 等利用天然沸石复合吸附剂处理含磷废水，效果较好。这种方法与 化学混凝法相比，几乎不产生污泥，处理设备简单，处理效果比较稳定。 ( 3 ) 结晶法 结晶法除磷3 0 。3 2 1 是利用污水中磷酸根离子与钙离子以及氢氧根离子反应生成羟基磷灰石的 晶析现象。在作为晶核的除磷剂上析出羟基磷灰石，从而达到除磷的目的。因此，作为晶核的除 磷剂绝大多数都是含钙的矿物质材料，如磷矿石、骨炭、高炉铁渣等3 3 1 ，但以磷矿石和动物骨 灰效果为最好。也可使用多孔材料为载体，利用非均相及二次成核作用在载体表面培养一层羟基 磷灰石晶体3 4 。5 1 ，作为后续除磷的初级晶种。其反应式如式( 1 3 ) 。 1 0 c a 2 + + 2 0 h 一十6 p 0 4 3 一书 c a l o ( 0 h ) 2 ( p 0 4 ) 6 山 ( 1 3 ) 影响此反应的重要因素是结晶物质的溶解度和过饱和度。羟基磷酸钙的溶解度和过饱和溶解 5 面流湿地、地下潜流湿地和垂直流湿地等类型。对于生活废水、农业废水、城市暴雨等多种类型 6 南京航空航天大学硕士学位论文 的废水，利用人工湿地系统除磷，可以在低投资、低能耗和低成本的情况下达到较好的处理效果。 ( 1 ) 人工湿地土壤颗粒对磷的吸附性能 人工湿地土壤颗粒的吸附作用：作为除磷吸附剂的土壤颗粒，是一些多孔或大比表面积的固 体物质，其吸附除磷的固液反应过程包括在固体表面的物理吸附和以离子交换形式的化学吸附以 及固体表面的沉积过程。 常用的湿地土壤基质材料是天然吸附材料及废渣，许多天然无定形物质( 如高岭土、膨润土 和天然沸石等) 及工业炉渣( 如高炉炉渣和电厂灰) 对水中磷酸根离子具有一定的吸附作用，这 些材料的磷吸附容量与材料中c a 、m g 、a j 和f e 等金属元素氧化物含量成正相关，所以金属氧化 物是对磷吸附的主要活性点；无定形非晶态物含量、p h 值、材料的比表面积和孔隙率也对吸附 容量起重要作用。天然吸附材料及废渣以其价廉易得而被广泛应用于废水的土地处理系统，但这 些物质对磷的吸附容量不高。若对它们进行改性，利用对磷有很强吸附能力的材料与天然吸附材 料或废渣复合，制成的人工土壤，可具有更大的吸附容量。 ( 2 ) 人工湿地对磷的生物过程 人工湿地是一种人工强化的废水生态过程处理技术，它充分利用湿地中生长和生活的各种生 物将废水中的磷加以净化。例如，可溶性正磷酸盐是植物对磷的直接吸收形式，而废水中磷大多 以正磷酸盐形式存在，可在湿地系统中种植一些对磷吸收能力很强的植物，通过植物摄取将水体 和人工土壤中的磷富集到植物体内，比如风车草对磷的吸收就很高；而水生植物凤眼莲可大幅度 加速水溶液中有机磷特别是甲基对硫磷农药的净化，凤眼莲吸收对硫磷后转移至茎叶，并在体内 降解。国外常采用藻类等水生植物有控制的生长与繁殖去除富营养水体中的氮磷，研究表明【3 9 1 ， 水网藻在富营养化水体至污水一级、二级处理出水中的氮磷浓度条件下，6 日内磷的最大去除率 为9 1 ，刚毛藻与水网藻一样对磷有较好的去除能力。国内外还有不少学者研究了采用水域浮床 无土种植法，种植水稻等水栽生物，通过生物的吸收和吸附作用去除水体中的氮磷。 所以，人工湿地系统通过强化土壤颗粒对磷的物理吸附和化学吸附、生物体对磷的转化和吸 收，使废水除磷过程更环保更有效。 1 3 4 膜除磷技术 水处理专家将膜分离技术p o 弗1 引入废水的生物处理系统中，开发了一种新型的水处理系统， 即膜生物反应器( m b r ) 。它是膜组件与生物反应器相组合的一个生化反应系统。膜技术应用于 废水生物处理，以膜组件( u f 或m f ) 替代二沉池，提高了泥水分离率。在此基础上又通过增大 曝气池中活性污泥的浓度来提高反应速率，同时通过降低f 力订的值减少污泥发生量，从而基本解 决了上述3 个问题，是当前研究热点。此外，膜分离技术相对于生物法的最大优势是能回收纯净 的磷盐，这是生物法所不擅长的。 生物除磷法可减少活性污泥的膨胀现象，节约能源，且运行费用较低，是目前流行的除磷 7 超声电凝聚法处理含磷废水的研究 方法，但难以达到严格的除磷标准( o 5 m g l ) 。物化除磷是一种古老的方法，其处理效果稳定 可靠，受季节温度变化影响不大，污泥在处理处置过程中不会重新释放磷而造成二次污染，耐冲 击负荷的能力也较强。但在我国应用该项技术的主要问题是药剂价格昂贵、运行费用较高、由于 消耗一定量