关键词：城市污水处理；脱氮除磷；化学药剂；低成本

                   水体富营养化是水体衰老的现象，氮、磷元素的大量排放 会造成水体的富营养化，因此我国将总氮和总磷作为评价污水 处理厂处理效果的重要考核指标。 随着“水十条”的颁布，总氮 和总磷指标开始引起重视。 截至 ２０１９ 年底，全国城市和县城累计建成运行污水处理厂 ４１４０ 座，污水处理能力达 ２．１５ 亿 ｍ３ ／ ｄ；同时截至 ２０１９ 年底，全 国共有 ２９１３ 座城镇污水处理厂执行一级 Ａ 标准，占全国城镇 污水处理厂总数的 ７０．４％。 一级 Ａ 标准目前已成为国内城镇 污水处 理 厂 执 行 最 广 泛 的 排 放 标 准， 其 中 总 氮 要 求 达 到 ≤１５ ｍｇ ／ Ｌ，总磷要求达到≤０．５ ｍｇ ／ Ｌ。 一级 Ａ 排放标准的执行 为全国水环境的改善作出了重大贡献，不过，在执行的过程中 也面临着诸多的问题，如污水处理厂进水 ＣＯＤ 值降低、设计工 艺不合理及设备选型不合理等。 这些问题的存在导致了总氮 和总磷这两项出水水质指标难以稳定达标。 本文将重点介绍能够帮助城镇污水处理厂总氮和总磷稳 定达标的化学药剂种类，研究其作用原理、投加量计算及低成 本达标措施等。 

                     １ 城镇污水处理常用的化学药剂 

                       １．１ 外加碳源 

                        传统的生物脱氮工艺主要分为硝化阶段和反硝化阶段，其 中反硝化阶段指异养反硝化细菌以有机碳源为电子供体，在缺 氧环境下将硝化过程中产生的亚硝酸氮和硝酸氮还原成气态 氮的过程。 有机碳源是反硝化过程中的重要物质，其种类及 Ｃ／ Ｎ比影响着反硝化的效果 。 只有保证水体中有充足的碳源 才能让反硝化过程顺利进行，一般要求 ＢＯＤ／ ＴＫＮ＞４。 但进水 碳氮比低、无机悬浮物浓度高是当前全国城镇污水处理厂普遍 存在的问题，进水中的碳源不足已严重影响了很多污水处理 厂的脱氮效率，因此需要投加一定的外加碳源来强化缺氧池中 反硝化脱氮的效率。根据碳源对污水处理厂反硝化速率的影响，碳源一般可以 分为 ３ 种不同的类型：一是容易被微生物降解的有机物（如甲 醇 、乙酸钠等），二是可以被微生物慢速降解的有机物（如淀 粉、蔗糖等），三是细胞自身物质，处理污水的细菌会利用自身 的细胞成分进行内源的反硝化反应。 这三类碳源的反硝化速 率是不同的，城镇污水处理厂缺氧段投加的碳源一般是第一 类，常见的有甲醇、乙酸钠、乙酸和葡萄糖等。 常用外部碳源参 数值见表 １。

 

                          甲醇是被最早研究且被广泛实际应用于脱氮的外加碳源， 易被生物降解但具有生物毒性、运输成本高、安全性能差等特 点。乙酸相对分子质量小、易被微生物分解利用且无毒性， 但投加量难以控制且运输不便。 近年来，乙酸钠作为反硝化外 加碳源的应用越来越多，相比醇类和酸类，有运输成本低、环境 安全性高、适应能力强及反硝化速率高等优势，但具有成本 高的缺点。 糖类物质作为外加碳源主要问题为反硝化速率和 效能不如甲醇等低分子有机物，且出水存在亚硝酸盐累积现 象，且因为微生物生长速度快生长量大会导致污泥量的升 高，造成污泥处理与处置成本同步升高。

                             １．２ 除磷剂 

                            生物除磷是利用聚磷菌，在厌氧的状态下释放磷，在好氧 的状态下从外部摄取磷，并将其以聚合形态储藏在体内，形成 高磷的污泥，主要是通过排出剩余污泥而去除磷，因此生物除磷作为一种经济有效的除磷技术被广泛采用。 但生物除磷效 果有限，一级 Ａ 标准要求出水总磷≤０．５ ｍｇ ／ Ｌ，一般城镇污水处 理厂的生物处理工艺难以到排放要求，需使用化学除磷的方法 或将生物除磷方法与化学除磷方法有机结合起来。 化学除磷 方法是向污水中投加化学药剂，生成不溶性的磷酸盐，再利用沉淀、过滤或气浮等方法将磷从污水中去除，具有操作简单、除 磷效率高、效果稳定、抗冲击性强与工艺灵活等多方面的优点。 在我国城镇污水处理厂化学除磷工艺中，使用的化学除磷 药剂主要有铝盐、铁盐和石灰。 污水处理常用的除磷药剂类型 见表 ２。

                               由于石灰这种化学物质对微生物处理的 ｐＨ 值影响比较 大，而且容易造成投加药剂管道的堵塞，给城镇污水处理厂的运 行管理带来诸多麻烦，一般在以生物除磷方法为主，化学除磷方 法为辅的城镇污水处理厂中很少采用石灰作为化学除磷药剂。 目前，国内常采用的化学除磷药剂是铝盐或铁盐。 铝盐是长期以来我国水处理除磷试剂普遍采用的药剂，具 有丰富的实践经验及运行管理经验，其溶液的酸性较弱，对设备 基本不存在腐蚀性，但其有效成分较低、与铁盐相比，适用的 ｐＨ 值较小，受水温的影响较大；铝盐的种类主要有硫酸铝、氧化铝 和聚合氯化铝等。 铁盐的优点主要是适用的 ｐＨ 值范围大，且受水温的影响 小，但由于铁盐与水中的杂质形成溶剂性络合物，容易造成出水 带黄色，影响出水的色度，同时铁盐的酸性比较强，会在一定程 度上对设备造成腐蚀；另外，有研究发现，投加铁盐后，好氧池中 的硝化菌和亚硝化菌的活性会受到一定程度的影响，可能的原 因是污泥絮体紧密性的增强限制了硝化菌与氧气接触，损坏了 它们的正常活动。 铁盐化学药剂使用较多的是三氯化铁、聚合 硫酸铁等。

                             ２ 化学药剂投加量计算 

                              我国污水处理厂对氮、磷的要求越来越严格，应对总氮和总 磷达标，投加了外部碳源和化学除磷剂，但具体投加量的计算研 究较少。 本文选择乙酸钠、聚合氯化铝这两种常用化学药剂进 行投加量的计算，以供大家参考。

                           ２．１ 乙酸钠投加量计算 

                            根据化学反应式计算，反硝化 １ ｋｇ 的硝酸盐氮需要消耗 ２．８６ ｋｇ的 ＢＯＤ５ ， 根 据 式（ １ ） 计 算， １ ｋｇ 的 乙 酸 钠 相 当 于 ０．７８ ｋｇ ＣＯＤ，乙酸钠为易降解碳源，因此，反硝化 １ ｋｇ 的硝酸盐 氮理论上需要 ３．６７×（２．８６÷０．７８）ｋｇ 的乙酸钠。

                           ＣＨ３ＣＯＯＮａ＋Ｏ２→２ＣＯ２＋ＮａＯＨ＋Ｈ２Ｏ （１)

                          在城镇污水处理厂的现场实践中，化学药剂的实际投加量 要大于根据化学计量关系计算的药剂投加量。 

                            ２．２ 聚合氯化铝投加量计算 

                            聚合氯化铝与磷的化学反应式见式（２），由式（２）可知，去 除 １ ｍｏｌ 的磷酸盐，需要 １ ｍｏｌ 的铝离子，由于在实际工程中，反 应并不是 １００％有效进行的，另外 ＯＨ－参与竞争，会与金属离子 反应，生成相应的氢氧化物沉淀。 所以在城镇污水处理厂当中，为保证出水所需要的总磷浓度，实际投加的化学除磷剂的量是 过量投加。

                             Ａｌ３＋ ＋ＰＯ４ ３－→ＡｌＰＯ４ （２）

                         《给水排水设计手册》第 ５ 册和德国设计规范中都提到了 同步沉淀化学除磷可按 １ ｍｏｌ 磷需投加 １． ５ ｍｏｌ 的铝盐来考 虑［６－７］ 。 实际现场进行投加时，可以进行试验室的小试投加试 验进行确定。 因此，去除 １ ｋｇ 磷需要投加：１． ５ × （ ２７ ÷ ３１） ＝ １．３ ｋｇ Ａｌ，折算成有效成分 ７． ５％ 的液体 ＰＡＣ 质量为： １． ３ ÷ ［７．５％×２７×２÷（２７×２＋１６×３）］ ＝ ３２．７４ ｋｇ。 即去除 １ ｋｇ 总磷需 要投加有效成分 ７．５％的液体 ＰＡＣ ３２．７４ ｋｇ。

                           ３ 投加化学药剂低成本达标的措施建议

                           ３．１ 化学药剂多点投加

                            反硝化脱氮作用是发生在城镇污水处理厂的缺氧池中，若 投加的外加碳源是易降解碳源，进入池体后，会很快被消耗完 毕。 将外加碳源进行多点投加，不仅可以提高外加碳源的利用 效率，还可以降低缺氧池出水中的硝酸盐氮，从而达到低成本总 氮达标。 在厌氧段 ＮＯ３－Ｎ 的存在会抑制厌氧释磷，同时碳源优 先用于硝态氮的去除，因此，在厌氧池投加碳源，可提升生物除 磷能力，为后续化学除磷减轻压力，以北方某 ２０ 万 ｔ 污水处理 厂为例，为提高碳源利用效率进行了多点投加，碳源投加点共设 三个，厌氧池、缺氧池前端、缺氧池中端，对应的投加比例为 １ ∶ ２ ∶ １，大大提升了外加碳源的利用效率。 一般的城镇污水处理厂化学除磷剂在深度处理段的混凝 沉淀池投加，存在投加药剂量大，且难以稳定达到出水总磷要求 的问题，可以选择增加好氧区的出水口处的投加点，药剂经过管 道混合进行反应并在二沉池经沉淀分离，可以大大提高总磷的 去除效率，降低药剂的投加量。 

                          ３．２ 安装过程在线控制仪表 

                           在线过程仪表可以实时地监控生物处理系统的各项数据， 对于工艺调控具有十分积极的作用。 比如：在缺氧池进出口及 好氧池出口安装硝酸盐氮过程仪表，可以实时监控缺氧池反硝 化脱氮及好氧池硝化的能力，便于外加碳源的及时调整；在好氧 池末端设置除磷剂投加时，可以在二沉池出口处设置正磷酸盐 仪表，一方面可以反馈好氧池除磷剂的除磷效果，另一方面可以 指导深度处理段的加药量。 以北方某 ２０ 万 ｔ 污水处理厂为例， 安装的在线仪表见表 ３。

                              ３．３ 优选经济性好且对生物无危害的化学药剂 

                              建议将不同厂家的不同化学药剂进行试验室小试试验，分 多组进行，优先优选出去除效果好，经济性好的药剂。 对优选出 来的药剂继续进行生物模拟试验，包括硝化试验、反硝化试验、 生物除磷试验及微生物耗氧速率测定，观察在药剂投加情况下， 是否会对生物模拟试验造成影响，若会降低生物的效率，则将此 类药剂进行排除，不得进行现场的投加。 

                             ４ 结语

                            随着我国生态文明建设的不断推进，城镇污水处理标准的 不断提高，在无法进行工艺改造的前提下，很多污水处理厂需要 依靠投加化学药剂来稳定达到出水水质标准。 本文重点阐述了 城镇污水处理厂总氮和总磷达标需要投加的化学药剂的种类、 作用原理及优缺点，对乙酸钠和聚合氯化铝的投加量指出了指 导性的计算方式，并提出了投加化学药剂低成本达标的措施建 议。 未来需要从可持续发展的角度，对化学药剂在城镇污水处 理厂的应用进行多方面研究。

                            原标题：化学药剂在城镇污水处理厂脱氮除磷中的应用研究

                            原作者：赵莎，刘文，冯玲玲，宋宁宁