城市污水處理脫磷濾料的研究.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-城市污水處理脫磷濾料的研究簡放陵1，楊曉松1，梁家皆2，阮少媚2，何俊2，黃家雄21.仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系,廣東廣州510225；2.廣一環(huán)保公司，廣東廣州510300摘要：生物法除磷投資省、成本低，但穩(wěn)定性較差，當(dāng)廢水中磷酸鹽濃度較高時，出水很難達(dá)標(biāo)排放?；瘜W(xué)法除磷工藝簡單，運(yùn)行可靠，能達(dá)標(biāo)排放，但運(yùn)行費(fèi)用高，產(chǎn)生大量污泥，導(dǎo)致二次污染。文章進(jìn)行了第三種除磷方法即濾料除磷的研究，并探討了污水pH及水力停留時間對濾料除磷效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：煤渣和改性煤渣濾料對城市污水總磷的去除率可以達(dá)到54%和71%，但處理后的出水不能達(dá)標(biāo)排放；碳酸鈣濾料對城市污水總磷的去除率可以達(dá)到83%，能達(dá)標(biāo)排放，但處理效果與城市污水pH值密切相關(guān)。城市污水pH值在89的范圍，出水不能達(dá)標(biāo)排放；pH值在58的范圍，處理后的出水則可以達(dá)標(biāo)排放，而且污水pH越低，總磷的去除率越高，其最佳水力停留時間為10min。該方法具有處理效果好、處理成本低、無污染、投資省、占地面積小的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：城市污水；總磷；脫磷濾料；水力停留時間中圖分類號：X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-2175（2008）01-0055-04磷是引起水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素之一，通常廢水、污水中磷的去除方法主要是生物法和化學(xué)法1-3。生物法除磷工藝自20世紀(jì)70年代以來得到快速發(fā)展，不需要大量額外的設(shè)備投資，充分利用其原有廢水生化處理設(shè)備，就可以在完成對有機(jī)物去除的同時去除磷，而且處理成本低4-6。但生物法除磷工藝運(yùn)行穩(wěn)定性較差，運(yùn)行操作嚴(yán)格，受廢水的溫度、酸堿度等影響大，而且當(dāng)廢水中磷酸鹽濃度大于2m/L時，出水很難達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)7-9?；瘜W(xué)除磷是歐洲較早應(yīng)用的除磷方法。該方法工藝簡單，運(yùn)行可靠，并且能達(dá)到較高的出水標(biāo)準(zhǔn)10-11。在19世紀(jì)后期，英美等國廣泛采用化學(xué)沉淀方法處理污水，但不久即被生物處理所取代，其原因是該法的藥品消耗量大，往往需要投加的金屬離子沉淀劑濃度大于正常溶度積12個數(shù)量級，運(yùn)行費(fèi)用高，產(chǎn)生大量化學(xué)污泥，脫水困難，難以處理，產(chǎn)生二次污染12-13由于以上兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以本文進(jìn)行了第三種方法的除磷研究濾料除磷。首先進(jìn)入濾池的廢水經(jīng)過前續(xù)生物處理并經(jīng)過沉淀處理去除大部分的SS，大大減少了濾池除磷的額外負(fù)荷，保證了除磷濾料主要與廢水中殘余的磷反應(yīng)，減少了藥品的額外消耗，再利用碳酸鹽濾料緩慢釋放的鈣離子，與廢水中的磷生成磷酸鈣沉淀，再通過過濾和反沖，可將磷從廢水中去除。因此，該方法從一定程度上彌補(bǔ)了生物法和化學(xué)法除磷的不足。由于原料易得，只經(jīng)過簡單的加工便可用于污水處理，因此，具有處理效果好、成本低、無污染、投資省、占地面積小的特點(diǎn)，由此獲得國家發(fā)明專利15。1試驗(yàn)材料與方法1.1試驗(yàn)材料1.1.1除磷濾料煤渣，取0.832.00mm的煤渣，用水浸泡備用；改性煤渣，取0.832.00mm之間的煤渣，用1mol/L的HCl活化備用；碳酸鹽濾料，25mm，用水浸泡備用。1.1.2試驗(yàn)污水取自廣州市仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院教師生活區(qū)生活污水，總磷的濃度在3.725.49mg/L之間。分析測定重復(fù)4次。1.2試驗(yàn)方法1.2.1濾料除磷效果研究稱取400g的煤渣、改性煤渣和碳酸鹽濾料于500mL的反應(yīng)瓶中，加入原廢水反復(fù)沖洗3次，使之飽和，以排除吸附因素的干擾；然后加入城市生活污水，使污水剛好淹沒反應(yīng)材料，放到搖床里搖動，速率為165rmin-1，反應(yīng)25min，然后取上清液測定總磷，比較各濾料的除磷效果。1.2.2pH對除磷濾料的影響研究調(diào)節(jié)原廢水的pH值，分別為56、67、78、89，然后加到已經(jīng)裝有400g碳酸鹽濾料的四個500mL的反應(yīng)瓶，使廢水剛好淹沒濾料，放到搖床里搖動，調(diào)整搖速為165rmin-1，使水樣和濾料之間保持一種紊流狀態(tài)，反應(yīng)25min后取上清液進(jìn)行測定，以便確定除磷濾料反應(yīng)的最佳pH。1.2.3水力停留時間對濾料除磷的影響研究將原廢水加到已裝有400g的碳酸鹽濾料的五個500mL的反應(yīng)瓶，使廢水剛好淹沒濾料，然后放到搖床里搖動，調(diào)整搖速為165rmin-1，使水樣56生態(tài)環(huán)境第17卷第1期（2008年1月）和濾料之間保持一種絮流狀態(tài)。水力停留時間3min、5min、7min、10min、15min，然后取上清液測定總磷，確定除磷濾料的最佳水力停留時間。1.3分析方法總磷的分析采用過硫酸氨消解-鉬酸銨分光光度法測定。2結(jié)果與討論2.1不同濾料除磷效果研究取pH值為78的含磷城市污水，加到反應(yīng)瓶中，然后放入振蕩床振動25min，取上清液測定總磷，其測定結(jié)果見表1。從表1可以看出，處理材料不同，磷的去除率也不同。改性煤渣比沒有改性的煤渣處理效果好，磷的去除率高，因?yàn)楦男悦涸罨似浔砻娴幕钚曰鶊F(tuán)，增強(qiáng)了鐵、鋁的活性，提高了與水中磷酸根反應(yīng)生成磷酸鹽沉淀的可能性，但城市污水經(jīng)過煤渣和改性煤渣處理后，總磷的濃度均大于1.0mgL-1，高于國家污水綜合排放一級標(biāo)準(zhǔn)，不能達(dá)標(biāo)排放11；碳酸鹽濾料比煤渣、改性煤渣去除磷的效果好，高出12%30%；城市污水經(jīng)過碳酸鹽濾料處理后，總磷的濃度小于1.0mgL-1，低于國家污水綜合排放一級標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)標(biāo)排放，因此，可以確定碳酸鹽濾料為較適宜的脫磷濾料。碳酸鹽濾料在水中可以釋放出鈣離子，可與廢水中的磷生成磷酸鈣沉淀，因此可將磷從廢水中去除。煤渣和改性煤渣雖然含有大量的鋁、鐵、鈣，但可溶性較低，經(jīng)過改性后盡管增加了其活性，但由于鋁、鐵特別是鋁，主要是玻璃體存在，故這種活化是有限的，其鋁離子、鐵離子和鈣離子的總濃度仍然低于碳酸鹽濾料所釋放出鈣離子濃度，所以，煤渣和改性煤渣總磷的去除不能達(dá)標(biāo)排放而碳酸鹽濾料總磷的去除可以達(dá)標(biāo)排放。在水溶液中，CaCO3Ca2+CO32-Ksp=Ca2+CO32-=2.910-9Ca2+=Ksp/CO32-=2.910-9/CO32-=5.3910-5molL-1。碳酸鈣溶解達(dá)到平衡時，Ca2+濃度為5.3910-5molL-1，相當(dāng)于2.15mgL-1。Ca3（P04）23Ca2+2P043-Ksp=Ca2+3P043-2=2.010-29P043-=2.010-29/5.3910-531/2=1.1310-8molL-1。由此可見，達(dá)到平衡時，磷酸鹽的濃度為1.1310-8molL-1，即3.6210-4mgL-1，遠(yuǎn)低于國家mgL-1的一級排放標(biāo)準(zhǔn),所以，用碳酸鈣濾料處理城市生活污水，根據(jù)理論計(jì)算，是可以達(dá)標(biāo)排放的,試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。2.2pH值對碳酸鹽濾料除磷的影響污水的pH值是影響碳酸鹽濾料脫磷效果的重要因素。因?yàn)樗苯記Q定了碳酸鹽濾料的溶解度,也影響到磷在水的形態(tài)和價態(tài)。本試驗(yàn)反應(yīng)時間為25min，pH值為59，其試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可以看出，pH值在89的范圍內(nèi)，城市污水經(jīng)過碳酸鹽濾料處理后，出水總磷為1.25mgL-1，高于國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)，不能達(dá)標(biāo)排放；pH值在58的范圍內(nèi)，城市污水經(jīng)過碳酸鹽濾料處理后，出水總磷均低于國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)，能達(dá)標(biāo)排放，而且pH越低，總磷的去除率越最高。因此，一般情況下，當(dāng)pH在68的范圍內(nèi)時，除磷時不必調(diào)節(jié)廢水pH；在要求嚴(yán)格的地方，可以采取低pH除磷，但廢水的pH不要低于6為宜。碳酸鹽濾料在高pH反應(yīng)條件下除磷不能達(dá)標(biāo)排放的原因主要是因?yàn)楦遬H影響了碳酸鹽濾料在水中的溶解度,降低了鈣離子的濃度,從而降低了廢水中總磷的去除率；碳酸鹽濾料在低pH反應(yīng)條件下則增強(qiáng)了碳酸鹽濾料在水中的溶解度,增加了水中鈣離子的濃度,從而增加了總磷的去除率,可以達(dá)標(biāo)排放。在pH=5的水溶液中，H2CO32H+CO32-Ka=H+2CO32-=2.0610-17CO32-=Ka/H+2=2.0610-17/10-52=2.0610-7Ca2+=Ksp/CO32-=2.910-9/2.0610-7=1.4110-2molL-1表1不同濾料除磷效果Table1ResultsofPhosphorusRemovedwithDifferentFilters處理方法處理前/(mgL-1)處理后/(mgL-1)去除量/(mgL-1)去除率/%煤渣4.422.052.3954改性煤渣4.421.293.1371碳酸鈣濾料4.420.753.6783表2不同廢水pH對除磷的影響Table2EffectsonphosphorusremovedindifferentpHofmunicipalwastewaterpH處理前/MgL-1處理后/MgL-1去除量/MgL-1去除率/%pH563.720.453.2788pH673.720.713.0181pH783.720.732.9980pH893.721.252.4766簡放陵等：城市污水處理脫磷濾料的研究57P043-=2.010-29/Ca2+31/2=2.6710-12molL-1由此可見，在pH=5的水溶液中，P043-（以磷計(jì)）的濃度為8.5510-11mgL-1，所以，在pH=5的水溶液中，用碳酸鈣濾料處理城市生活污水，是可以達(dá)標(biāo)排放的。同理，可以計(jì)算出在pH=7的水溶液中，P043-的濃度為8.5510-5mgL-1，所以，在pH=7的水溶液中，用碳酸鈣濾料處理城市生活污水是可以達(dá)標(biāo)排放的。但在pH=9的水溶液中，P043-的濃度為85.47mgL-1，遠(yuǎn)高于國家1mgL-1的一級排放標(biāo)準(zhǔn),所以，在pH=9的水溶液中，用碳酸鈣濾料處理城市生活污水不能達(dá)標(biāo)排放,這與試驗(yàn)結(jié)果是一致的，至于數(shù)據(jù)上的差別，可能與水體中影響CaCO3、Ca3（P04）2溶解的因子比較復(fù)雜，H+，只是其中主要因子之一，而且水體中也存在HCO32-、HP042-、H2P04-等離子，對CaCO3、Ca3（P04）2溶解也有影響。同理,可以求出用碳酸鈣濾料處理城市生活污水能達(dá)標(biāo)排放的臨界pH。達(dá)到國家1mg/L的一級排放標(biāo)準(zhǔn),P043-的濃度為3.1310-5molL-1，Ca2+=2.010-29/P043-21/3=2.010-29/3.1310-521/3=2.7310-7molL-1CO32-=Ksp/Ca2+=2.910-9/2.7310-7=1.0610-2molL-1H+=Ka/CO32-1/2=2.0610-17/1.0610-21/2=4.4110-8molL-1pH=7.36由此可見，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，至于數(shù)據(jù)上的差別，可能與水體中也存在HCO32-、HP042-、H2P04-等離子，影響了CaCO3和Ca3（P04）2的溶解。2.3水力停留時間對碳酸鹽濾料去除總磷的影響水力停留時間是影響廢水處理效果的一個重要因素。因?yàn)樗νＡ魰r間不僅影響到碳酸鹽濾料除磷的效果,還直接關(guān)系到水處理的費(fèi)用。試驗(yàn)研究采用的生活污水磷濃度為5.49mgL-1，pH值為66.5之間,水力停留時間試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，隨著水力停留時間的增加，總磷的去除率越來越高，當(dāng)處理時間為10min時，總磷的去除率最高，總磷的出水濃度低于國家的一級排放標(biāo)準(zhǔn)，如再繼續(xù)增加處理時間，總磷的去除率則有所降低，這可能與碳酸鹽濾料化學(xué)吸附去磷的解吸有關(guān)。因此，在本試驗(yàn)條件下，以停留時間10min為最佳的停留時間。根據(jù)一級反應(yīng)動力學(xué)方程ln(C0/CA)=kt，采用直線回歸的方法，求得方程為：ln(C0/CA)=0.258t-0.020，r=0.963*式中：C0為進(jìn)水的總磷濃度，CA為處理后出水的總磷濃度，k為一級反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)，t為水力停留時間。n=5，查相關(guān)系數(shù)表得：R0.05=0.878*，R0.01=0.959*R=0.963R0.01,達(dá)到極顯著水平。這表明碳酸鹽濾料去除總磷的速率與廢水中總磷濃度的一次方成正比，反應(yīng)速度是按照一級反應(yīng)動力學(xué)方程進(jìn)行的。根據(jù)此方程，由測定的城市污水進(jìn)水濃度和排放標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算出城市污水中的總磷經(jīng)過碳酸鹽濾料處理后達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)所需要的最佳水力停留時間。3結(jié)論1）煤渣和改性煤渣作為濾料對城市污水總磷的去除效果較差，處理后的水達(dá)不到國家污水綜合排放一級標(biāo)準(zhǔn)；碳酸鹽濾料作為濾料對城市污水總磷的去除效果好，處理后的水可達(dá)到國家污水綜合排放一級標(biāo)準(zhǔn)。2）城市污水pH值在89的范圍，經(jīng)過碳酸鹽濾料處理后，出水不能達(dá)標(biāo)排放；城市污水pH值在68的范圍，經(jīng)過碳酸鹽濾料處理后，出水可以達(dá)標(biāo)排放，而且在pH為59的范圍內(nèi)污水pH越低，總磷的去除率越高。3）城市污水采用碳酸鹽濾料除磷，最佳水力停留時間為10min，其去除總磷的速率與廢水中總磷濃度的一次方成正比，其反應(yīng)機(jī)理符合一級反應(yīng)動力學(xué)方程。參考文獻(xiàn)：1曹海艷,孫云麗,劉必成,等.廢水生物除磷技術(shù)綜述J.水科學(xué)與工程技術(shù)，2006，（5）：25-28.CaoHaiyan,SunYunli,LiuBicheng,etal.SummarizeofwastewaterbiologydephosphorizationtechnicsJ.WaterSciencesandEngineer-ingTechnology，2006，（5）：25-28.2熊國祥,羅建中,馮愛坤,等.廢水除磷技術(shù)與研究動態(tài)J.工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32（10）：19-21.XiongGuoxiang,LuoJianzhong,FengAikun,etal.TheRemovalofPhosphorusFromWastewaterandtheResearchTrendsJ.IndustrialSafetyandDustControl，2006，32（10）：19-21.表3水力停留時間對除磷的影響Table3EffectsonphosphorusremovedatdifferentHRT水力停留時間/min處理前/(mgL-1)處理后/(mgL-1)去除量/(mgL-1)去除率/%05.495.490035.491.224.267855.491.094.398075.490.784.7186105.490.514.9891155.490.694.808758生態(tài)環(huán)境第17卷第1期（2008年1月）3夏宏生,向欣.廢水除磷技術(shù)及進(jìn)展分析J.環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31（1）：125-128.XiaHongsheng,XiangXin.TechnologyofPhosphorusRemovalforWastewaterandDevelopmentAnalysisonItJ.EnvironmentalScienceandManagement，2006，31（1）：125-128.4張國昌,趙丙辰,祝征圣,等.城市污水處理廠增加脫氮除磷功能的改造實(shí)踐J.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（4）：68-71.ZhangGuochang,ZhaoBingchen,ZhuZhengsheng,etal.UpgradingofConventionalActivatedSludgeProcessforIntegratedNutrientRe-movalinMunicipalWWTPJ.JournalofQingdaoTechnologicalUniversity.2006，27（4）：68-71.5董濱,梁婭,周增炎,等.活性污泥-生物膜法系統(tǒng)的脫氮除磷效果研究J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（8）：1066-1069.DongBin,LiangYa,ZhouZengyan,etal.InfluenceofHighOrganicLoadonNitrogenandPhosphorusRemovalinanActivatedSludge-BilfilmCombinedSystemJ.JournalofTongjiUniversity:NaturalScience,2006，34（8）：1066-1069.6RANDALLAAL.Polyhydroxyalkanoateformandpolyphosphateregulation:keystobiologicalphosphorusandglycogentransfor-mationsJ.Wat.Sci.Tech,2003,47(11):227-233.7VALVEM,RANTANENP,KALLIOJ.Enhancedbiologicalphos-phorusremovalfrommunicipalwastewaterwithpartialsimultaneousprecipitationJ.Wat.Sci.Tech.,2002,46(4-5):249-255.8陳旭鵬.城市污水除磷及其控制要點(diǎn)J.廣東化工,2007,34(8):85-87,38.ChenXupeng.PhosphorusRemovalfromMunicipalWastewaterandMainControlPointsJ.GuangdongChemicalIndustry,2007,34(8):85-87,38.9王芳,婁金生,韓慶昌,等.污水吸附法除磷技術(shù)研究現(xiàn)狀J.中國科技信息，2006（2）：39-39.WangFang,LouJinsheng,HanQingchang，etal.RecentAdvancesinRemovingPhosphorusfromWastewaterbyAdsorbentsJ.ChinaSci-enceAndTechnologyInformation,2006（2）：39-39.10杜曉麗,徐祖信,陳文兵,等.化學(xué)強(qiáng)化SBR工藝生物脫氮除磷試驗(yàn)研究J.四川環(huán)境,2007,26(4):：10-14.DuXiaoli,XuZuxin,ChenWenbing,etal.StudyonBiologicalRe-movalofNitrogenandPhosphorousinSBRwithChemicalAddingJ.SichuanEnvironment,2007,26(4):：10-14.11陳運(yùn)進(jìn),衣春敏.獵德污水處理廠化學(xué)除磷設(shè)施的改造J.中國給水排水，2007，23（12）：29-32.ChenYunjin,YiChunmin.ReconstructionofChemicalPhosphorusRemovalFacilitiesofLiedeWastewaterTreatmentPlantJ.ChinaWa-ter&Wastewater，2007，23（12）：29-32.12侯紅娟,王洪洋,周琪.低碳、高氮磷城市污水的化學(xué)輔助除磷研究J.中國給水排水，2007，23（11）：24-27.HouHongjuan,WangHongyang,ZhouQi.StudyonSupplementalChemicalPhosphorusRemovalfromMunicipalWastewaterwithLowCarbonandHighNitrogenandPhosphorusJ.ChinaWater&Wastewater,2007，23（11）：24-27.13嚴(yán)子春,龍騰銳,何強(qiáng),等.城市污水曝氣過濾式化學(xué)除磷試驗(yàn)研究J.中國給水排水，2006，22（3）：86-88.YanZichun,LongTengrui,HeQiang，etal.PhosphorusRemovalbyChemicalPrecipitationwithAerationFiltrationfromMunicipalSew-ageJ.ChinaWater&Wastewater，2006，22（3）：86-88.14簡放陵.一種高效低成本無污染的污水處理脫磷技術(shù)P.ZL200510033402.2.JianFangling.Ahigheffect,lowcostandno-pollutedtechnologyofremovalminicipalwastewaterphosphorusP.ZL200510033402.2.PhosphorusremovalfrommunicipalwastewaterwithfiltermaterialsJianFangling,YangXiaosong,LiangJiajie,RuanShaomei,HeJun,HuangJiaxiong1.DepartmentofEnvironmentalScienceandTechnology,Zh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