磷是浮游藻类生长的限制因子，降低水体总磷（TP）含量可有效抑制蓝藻水华的暴发^[1]。现行城镇污水排放标准中的TP浓度远高于水体发生富营养化的临界值，当受纳水体为城市内河、内湖、海湾等纳污能力较弱的缓流水域时，集中排放的污水处理厂尾水成为影响水生态的重要固定源^[2]。如巢湖、滇池等敏感水域，由于环境承载力不足，污水排放TP限值需向地表水Ⅳ类甚至湖库Ⅲ类“看齐”，标准的提高使现有污水处理工艺面临严峻挑战。目前污水处理厂多采用生物法+化学辅助的方式去除TP，其中活性污泥法除磷能力有限，而絮凝沉淀受浊度、温度等因素影响，矾花在有限的时间内无法靠自重沉淀完全，处理效果及负荷难以同步提升^[3]。溶气气浮（DAF）作为一种高效、快速的固液分离技术，已在低浊含藻水、污泥浓缩、工业废水等方面得到广泛应用，但在污水深度除磷上少有应用研究^[4,5]。本文采用DAF对城市污水处理厂二级出水进行了极限除磷（TP≤0.05mg/L）中试，通过探索最佳技术参数，评估气浮除磷效能，以期对相关工程的设计、运行提供借鉴。

中试在昆明某大型污水处理厂进行，中试流程见图1。原水经泵提升至气浮池，泵后投加聚氯化铝（PAC），污水中的磷被药剂捕捉包覆形成矾花后进入絮凝区，边投加聚丙烯酰胺（PAM）边缓慢搅拌3～5min。絮凝出水与溶气水以一定比例在混合管中混合均匀后，从“U”型板底部进入气浮区，每股进水在对应的板内、板外进行同向和异向两次浮滤。期间大量高度分散的微气泡黏附在矾花表面，形成比重小于1的带气絮体，上浮至水面完成固液分离。浮渣由刮渣机刮至泥斗，清水由溢流堰排出，部分回用。

中试装置由溶气系统、气浮池、加药系统3部分组成。溶气系统中，加压回流水与压缩空气同步切向进入溶气罐，内部螺旋倒齿结构在切割空气的同时产生剧烈湍流，使空气与水充分接触并溶解，在10～20s内生成近饱和溶气水。气浮池内部采用“U”型板保证进、出水的均匀性，污水沿着板外侧向上爬升，清水顺着板内侧向下流出，每块“U”型板承担相同的水力负荷和污泥负荷。上下流设计增加了矾花与微气泡碰撞频率，避免了气浮死区的出现，有效利用空间并提升负荷。加药系统中液体PAC（利用污水处理厂现有）Al₂O₃含量为10%,PAM选用阳离子型，相对分子质量为1 200万，现配现用。

中试规模为6～9m³/h，中试装置尺寸为2.5m×2.1m×4m，对应气浮区表面负荷为15～23m³/（m²·h），水力停留时间（HRT）为10～15min。中试装置总功率为2.32kW（不计原水提升泵），其中变频回流泵（Q=3.5 m³/h,H=71 m）功率为1.1kW，空压机及刮渣机间歇运行，功率为0.85kW。

试验期间污水处理厂二沉池出水TP为0.4～0.6mg/L、SS为6～9 mg/L、COD≤20 mg/L、水温17～21℃。中试分别取气浮进、出水等时混合水样进行测定分析，TP指标采用钼酸铵分光光度法测定，其余指标均采用国标法测定。

首先通过溶气水-絮凝量筒静态试验对比阴、阳离子PAM的除磷效果，结果见图2。相同PAM投加量（1mg/L）条件下，梯度增加混凝剂的投药量（提高Al/P）后，阳离子PAM对应出水TP含量持续降低，去除率达到96%，而阴离子PAM对应的TP去除率稳定在25%。由此可见，阳离子PAM的出水效果明显优于阴离子。分析原因可能是阴离子PAM携带负电基团，不利于带负电荷的微气泡粘附絮体，微气泡在上浮过程中易脱附，影响带气絮体的上浮稳定性。由图2还可知，出水TP含量与投药量之间为非线性关系。当摩尔比Al/P≥12时[PAC≥100 mg/L（商品重）]，TP从0.5 mg/L降低到0.03mg/L，继续增加投药量对降低出水TP影响小。采用0.22μm滤膜过滤气浮出水，过滤前后TP含量基本不变。这表明污水中约有0.03 mg/L的溶解性磷不与药剂反应，静态试验出水TP达到常规药剂化学除磷的极限^[6]。

动态试验中，保持进水量为6 m³/h，溶气水回流比为25%,PAC投加量为100mg/L。不同PAM投加量条件下，气浮出水结果如图3a所示。仅投加PAC,TP去除率为59.5%，出水TP约0.18 mg/L，对应浊度为2NTU。加入0.2 mg/L PAM后，TP去除率升高至88.1%，出水TP约0.05 mg/L，对应浊度为0.9 NTU。增加PAM投加量至1.0mg/L时，出水TP缓慢降低至0.04mg/L。结果表明，少量投加PAM可显著提高TP去除率，且提高PAM投加量对气浮效果影响小。相同条件下保持PAM投加量为0.2 mg/L，考察PAC投加量对出水效果的影响，结果见图3b。PAC的投加量为0mg/L、50mg/L和100mg/L时，气浮出水TP分别为0.267 mg/L、0.058 mg/L、0.040 mg/L，对应TP去除率分别为37.9%、87.5%、90.7%。继续提高PAC投加量，出水TP含量基本不变。

动、静态试验结果相近，由此确定最佳投药量为PAC 100mg/L,PAM 0.2mg/L。

由亨利定律可知，一定温度下，提高压力能增大空气在水中的饱和溶解度。关于溶气压力、微气泡直径与气浮除浊效率的关系，Mooyoung等^[7]研究表明，随着溶气罐内压力的增大，生成微气泡的平均直径逐渐减小且分布更集中，气浮对微絮体去除率升高。

中试在最佳投药量下固定回流比为25%，考察0.3～0.7 MPa溶气压力范围内的TP去除情况，结果如图4所示。TP去除率随溶气压力的增大先升高后降低，压力值=0.65MPa时出现拐点。压力从0.3MPa提升到0.65MPa时，TP去除率由85.6%升高到92.2%，对应出水TP由0.08mg/L降低至约0.04 mg/L。而当压力进一步提高至大于0.65 MPa时，TP去除率明显下降。这是因为高压虽提升了溶气效率，但气泡尺寸过度微化带来浮速慢的问题，影响到絮体的获气量及浮速，限制了固液分离效果的提升^[8]。连续流状态下，部分获气量较少的微小絮体由于上升速率低于水流在气浮区的下降流速，被挟带流出。因此使用此型溶气器进行除磷时，溶气压力应≤0.65 MPa。

中试装置的额定负荷为15m³/（m²·h），该参数适用于海水淡化预处理。试验在最佳投药量下，控制溶气压力为0.6 MPa，固定回流比为25%，通过调节进水量，考察7～23m³/（m²·h）表面负荷下的除磷效果。如图5所示，出水TP含量随负荷的增大而逐渐升高。额定负荷下的平均出水TP约0.05mg/L，对应TP去除率达到90.6%。提升负荷至额定负荷的1.5倍[23m³/（m²·h）]时，出水TP上升至约0.08 mg/L。由此可见，气浮应用于极限除磷时，表面负荷是一项较为重要的控制因子。

回流比是影响气浮处理效果及运行能耗的重要因素。不同负荷条件下，不同回流比的出水效果见图6。

由图6a可知，TP去除率随回流比的升高而升高，回流比≥25%后趋于稳定。10%的回流比下，4种负荷对应的TP去除率为88.0%、84.9%、78.9%和73.1%。提升回流比至25%时，相应负荷下的TP去除率分别提高了5.0%、6.4%、7.0%和11.2%。以“低负荷/高回流比”[7m³/（m²·h）、15m³/（m²·h),25%]模式运行中试，TP去除率≥90%，对应出水TP约0.05mg/L，而“高负荷/低回流比”[23 m³/（m²·h),15%]运行模式下的TP去除率下降了11%，约80%。通过计量用电对比两者运行能耗，高负荷运行模式下的气浮水处理能耗为0.13kW·h/m³（不计进水提升），相比低负荷降低了36%，处理能力的提升以及回流比的降低促使单位能耗下降。同时结合图6a、图6b可知，TP去除率的下降相应伴随着出水浊度的升高，当出水浊度<1NTU时，TP去除率≥90%，对应出水TP含量≤0.05mg/L。

综上所述，推荐以下两种深度除磷的气浮运行模式：(1)“低负荷/高回流比”模式：溶气压力约0.6 MPa，负荷≤15m³/（m²·h），回流比为25%，对应TP去除率≥90%;(2)“高负荷/低回流比”模式：溶气压力约0.6 MPa，负荷为23m³/（m²·h），回流比为15%，对应TP去除率≥80%。工程应用时可结合水质目标及经济性选取。

过滤是污水三级处理的常见技术，中试在气浮后增设砂滤罐（石英砂平均粒径为2 mm，滤层厚1.2m，滤速8 m/h），以高负荷/低回流比[23 m³/（m²·h）、15%]连续运行气浮-砂滤，结果见图7a。原水平均TP为0.5mg/L时，气浮出水TP约0.1mg/L，砂滤后TP≤0.03mg/L,TP去除率由80%提升到94%，对应出水浊度由1 NTU降低到0.1NTU。由此可见，砂滤的精细过滤功能弥补了气浮高负荷运行模式下固液分离能力变差的弊端，保障极限除磷效果的同时释放气浮处理能力。

生活污水中磷的主要成分包括正磷酸盐、颗粒磷和其他溶解磷，其中正磷酸盐因易被藻类吸收而危害最大^[9]。对原水、气浮出水、砂滤出水TP进行了组分分析，结果见图7b。原水TP中占比最大的正磷酸盐（79.4%），气浮处理后去除率达到99.9%。气浮出水因含有微絮体，导致颗粒磷占比升高。砂滤截留去除颗粒磷后，其他溶解磷成为TP的主要组分。其他溶解磷呈现化学惰性且含量极少，较难促进藻类生长。

极限除磷需过量投加化学药剂，加药残留物的分析对保护水体水生态有着重要意义。最佳投药量及高负荷模式下运行中试，分别对原水、气浮出水和砂滤出水3种水样中的总铝、总铁、氯化物、总溶解固体（TDS）指标进行检测，结果见表1。与原水相比，气浮出水中总Al、总Fe、氯化物、TDS的增量较小，出水浓度均远低于《城市供水水质标准》的限值。砂滤后以上物质的含量进一步降低，总Al、总Fe含量与原水基本持平。这表明气浮出水含有极少量的药剂残留，且大部分残留物呈非溶解态，进入水体后潜在影响小。

原水、气浮出水和砂滤出水的常规水质指标分析结果见表2。8项指标中，气浮对COD、TP、SS、浊度等有较好的处理效果，对BOD₅、NH₃-N、TN指标基本无影响。原水经气浮处理后，COD降低了33.8%，浊度下降了69.3%，出水溶解氧则提升了51.4%。砂滤有效截留了气浮出水中的微絮体，进一步降低出水浊度。

“高负荷/低回流比”模式下气浮的能耗为0.13kW·h/m³（不计提升），以电价为0.6元/（kW·h）计，电耗成本为0.078元/m³，药剂成本为0.077元/m³，直接处理成本为0.155元/m³。砂滤运行费用集中在反冲洗用电上，电耗约5×10^-4 kW·h/m³，处理成本为0.03分/m³，可忽略不计。

(1)PAC、PAM投加量试验结果表明：摩尔比Al/P≥12，阳离子PAM≥0.2mg/L时，污水中TP含量从0.5mg/L降低至约0.03mg/L。

(2）溶气气浮具有迅速、高效的特点，中试采用该技术处理污水处理厂二级出水，HRT为10～15min,TP去除率超过80%，最高可达92.8%，出水TP含量接近地表湖库Ⅲ类水。

(3）分析了气浮主要参数对处理效能的影响，根据试验结果推荐“低负荷/高回流比”及“高负荷/低回流比”两种气浮运行模式，前者TP去除率高，后者的处理负荷及能耗更均衡。高负荷模式对应的气浮运行参数为：溶气压力约0.6 MPa，负荷为23m³/（m²·h），回流比为15%。

(4)TP组分中，气浮对正磷酸盐的去除率达到99.9%，但较难去除惰性的其他溶解磷。此外，气浮对COD、DO、SS等指标均有很好的处理效果，且出水加药残留物含量低。

(5）极限除磷对固液分离程度要求高，出水浊度应<1NTU。砂滤能有效截留高负荷模式下气浮出水残存的微絮体。对于有极限除磷需求的污水处理厂“新改扩”项目，可考虑采用气浮-过滤联用保障出水效果。

(6）气浮极限除磷的能耗成本为0.078元/m³（不含二级处理出水提升），药剂成本为0.077元/m³，直接处理成本为0.155元/m³。