污水處理廠除磷技術(shù)的應(yīng)用

污水處理廠除磷技術(shù)的應(yīng)用

隨著人們生活水平的提高和工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，生活中的大量廢水和廢水通過河流和湖泊流入河流和湖泊，增加了水體的養(yǎng)分負(fù)荷，導(dǎo)致藻類和水生植物異常繁殖，即水體的富營養(yǎng)化。研究表明,多數(shù)水體富營養(yǎng)化的限制因素是磷,因此控制水體中磷的濃度尤為重要。目前,污水除磷脫氮工藝中的除磷技術(shù)主要分為生物除磷和化學(xué)除磷兩大類。與化學(xué)法除磷相比,盡管生物法具有無需投加藥劑、運(yùn)行費(fèi)用省、污泥產(chǎn)量小的優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際運(yùn)行過程中,生物除磷技術(shù)也存在著缺點(diǎn)———對廢水組分的過度依賴(主要取決于可獲得的有機(jī)碳化合物的數(shù)量和質(zhì)量);穩(wěn)定性和靈活性較差;污泥處理工藝中存在磷的釋放造成二次污染,這導(dǎo)致了生物出水很難達(dá)到國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求,因此需要增加化學(xué)除磷。1磷酸鹽絮凝過程基礎(chǔ)化學(xué)除磷是通過投加多價(jià)金屬離子鹽來產(chǎn)生微溶磷酸鹽沉淀物完成的。磷的化學(xué)沉淀包括化學(xué)沉析、絮凝、固液分離3個(gè)過程?；瘜W(xué)沉析是指通過向污水中投加無機(jī)金屬鹽藥劑與污水中溶解性的鹽類,如磷酸鹽混合后,形成顆粒狀、非溶解性的物質(zhì),這一過程涉及的是相轉(zhuǎn)移過程。同時(shí)在一定的pH值條件下,也會(huì)產(chǎn)生非溶解性的氫氧化物。而隨著沉析物的增加,較小的非溶解性磷酸鹽和氫氧化物聚積成較大的非溶解性固體物,使穩(wěn)定的膠體脫穩(wěn),在速度梯度或擴(kuò)散過程作用下互相接觸生成絮凝體,這一過程即絮凝過程。同時(shí)在絮凝過程中部分磷酸鹽被吸附在膠體狀的氫氧化物表面上,隨同膠體一起沉淀下來,提高除磷效率。最終絮凝體通過固液分離步驟與水體分開,得到凈化的廢水和固-液濃縮物(化學(xué)污泥),達(dá)到化學(xué)除磷的目的。2除磷化學(xué)的類型2.1合成改性鋁鹽對廢水的凈化效果鋁鹽除磷的反應(yīng)方程式:A13++HnPO4(n-3)-→A1PO4+nH+鋁鹽除磷過程:在理想pH條件下(5.8~6.9),當(dāng)鋁鹽分散于水體時(shí),一方面Al3+與PO43-反應(yīng),另一方面A13+水解成Al(OH)+等單核絡(luò)合物,并進(jìn)一步通過碰撞縮合成一系列多核絡(luò)合物Aln(OH)m(3n-m)+(n>1,m≤3n),這些鋁的多核絡(luò)合物往往具有較高的正電荷和比表面積,能夠迅速吸附水中帶負(fù)電荷的雜質(zhì),中和膠體電荷,降低膠體ξ電位,促進(jìn)膠體脫穩(wěn)、凝聚和沉淀,從而表現(xiàn)出良好的除磷效果。進(jìn)一步分析證明,鋁鹽起主要混凝作用的是Al13(OH)345+,而堿式氯化鋁等溶液中就富含Al13(OH)345+等成分,故能與水體中的懸浮物和膠體等迅速發(fā)生吸附架橋、卷掃及夾雜等作用,最終生成網(wǎng)狀[Al(OH)3]m沉淀而達(dá)到凈化水的目的。James等利用Al2(SO4)3·18H2O作為混凝劑處理平均TP濃度為9.6mg/L養(yǎng)殖廢水,磷的去除率達(dá)到89%,最終出水中磷的含量為0.3mg/L。2.2污水化學(xué)除磷用于廢水除磷的鐵鹽有三價(jià)鐵鹽和亞鐵鹽兩種形式。Fe3+和PO43-的反應(yīng)和鋁鹽十分相似:Fe3++PO43-→FePO4↓Fe2+和PO43-的反應(yīng)方程式:3Fe2++2PO43-→Fe3(PO4)2↓常用于污水化學(xué)除磷的鐵鹽包括FeCl3、FeCl2和Fe2(SO4)3。這些都是可以在市場上大批量購買到的化工產(chǎn)品,鋼鐵工業(yè)的酸洗廢液也是重要的FeCl2和FeSO4的來源,只要來源穩(wěn)定、純度滿足要求,就可通過以廢治廢,大幅度降低除磷費(fèi)用。但是,Fe2+在pH值為7.5~8.5的堿性條件下不易生成沉淀,這在一定程度上限制了二價(jià)鐵鹽在廢水除磷中的應(yīng)用。為了改善沉淀性能,常用曝氣的方法將Fe2+氧化為Fe3+,如亞鐵鹽在曝氣生物濾池(BAF)除磷中的應(yīng)用。王立立等人研究結(jié)果表明,鐵鹽在投加量較低時(shí),在適當(dāng)?shù)幕炷龜嚢鑿?qiáng)度條件下,三價(jià)鐵鹽和聚合硫酸鐵對總磷去除率增加均在70%以上,混凝后過濾可使出水中總磷降至0.5mg/L以下。2.3ph值對除磷效果的影響Ca(OH)2投入水體后與磷酸根離子發(fā)生沉淀作用產(chǎn)生的沉淀物為羥基磷灰石(Ca5(OH)(PO4)3),反應(yīng)方程式:在沉析過程中,對于不溶解性磷酸鈣的形成起主要作用的不是Ca2+,而是OH-離子,因?yàn)殡S著pH值的提高,Ca5(OH)(PO4)3的溶解性降低,廢水的除磷效果逐步提高。但在pH值為9.5到10.5的范圍內(nèi),除了會(huì)產(chǎn)生Ca3(PO4)2沉析外,還會(huì)產(chǎn)生CaCO3,這也是導(dǎo)致在池壁或渠、管壁上結(jié)垢的原因。生成的CaCO3可以作為增重劑,有助于沉淀而使污、廢水澄清,但也使得除磷過程中所需要的石灰投加量主要取決于軟化和脫堿所消耗的石灰量。熊鴻斌等利用鈣法處理冰箱廠高濃度含磷廢水,結(jié)果表明,在進(jìn)水PO43-濃度為60~80mg/L時(shí),出水PO43-濃度小于0.5mg/L,去除率達(dá)到99.7%~99.9%。2.4其他含鎂物質(zhì)磷酸氨鎂法是近幾年國際上非常流行的廢水除磷方法,磷酸氨鎂法除磷的反應(yīng)方程式:該方法可以利用的鎂源除了常見的鎂鹽及鎂的氧化物和氫氧化物外,鹵水及海水等其他含鎂物質(zhì)都是廉價(jià)的鎂源,并且除磷效果不遜于鎂鹽。Lee等比較了3種鎂源:鹵水、無鈣海水和氯化鎂在廢水脫氮、除磷中效果的差別,發(fā)現(xiàn)除了鹵水的脫氮效果稍遜其他兩種鎂源外,三者除磷效果無明顯差別,廢水中磷的去除率可達(dá)75%~81%。3除磷技術(shù)在污水處理廠中,根據(jù)化學(xué)藥劑在處理流程中投加點(diǎn)不同,化學(xué)除磷工藝主要有4種:前置沉淀、協(xié)同沉淀、后置沉淀和接觸過濾。3.1混鹽沉析分離前置沉淀工藝的特點(diǎn)是將化學(xué)藥劑投加在沉砂池中,或者初次沉淀池的進(jìn)水渠(管)中,再或者文丘里渠(利用渦流)中,其一般需要設(shè)置產(chǎn)生渦流的裝置或者供給能量以滿足混合的需要,相應(yīng)產(chǎn)生的沉析產(chǎn)物(大塊狀的絮凝體)在一次沉淀池中通過沉淀而被分離。常用的沉淀藥劑主要是石灰和金屬鹽藥劑,只是Fe2+除外,因?yàn)镕e2+可能不被完全氧化而形成沉淀不好的顆粒。前置沉淀通常用于現(xiàn)有超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的污水處理廠改造,以降低生物處理段的負(fù)荷(約為30%~50%),從而降低能耗和生化污泥產(chǎn)量;還可去除有毒物質(zhì),從而對敏感的生物段起到保護(hù)作用,并使水力停留時(shí)間明顯縮短。3.2混凝劑投加的藥劑同步沉析是使用最廣泛的化學(xué)除磷工藝,在國外約占所有化學(xué)除磷工藝的50%,其工藝是將沉淀藥劑投加在曝氣池出水或二次沉淀池進(jìn)水中,特殊情況下也有將藥劑投加在曝氣池進(jìn)水或回流的活性污泥中。混凝劑可采用鋁鹽、三價(jià)鐵鹽、亞鐵鹽等,不能采用石灰。同步沉淀除磷效率為90%左右,出水磷質(zhì)量濃度一般為1mg/L。所投加的混凝劑在去除磷的同時(shí)對有機(jī)物的固液分離也有幫助。由于化學(xué)污泥與生物污泥同時(shí)沉淀,增加了污泥量,因此,會(huì)使泥齡比單純生化處理時(shí)顯著減小而影響硝化程度。3.3后置沉淀除磷法化學(xué)沉淀劑加入二次沉淀池之后的單獨(dú)絮凝—固、液分離設(shè)施的進(jìn)水中。在這種處理組合中,控制pH值的條件,沉淀劑可以使用鋁鹽、三價(jià)鐵鹽、石灰等,不能夠采用亞鐵鹽。后置沉淀是常采用的除磷效果最好的工藝,磷去除率大于95%,出水磷質(zhì)量濃度一般低于0.5mg/L。通常,將后置沉淀的化學(xué)污泥回流到初沉段與初沉污泥共沉,這可使污泥更易于濃縮并有助于提高初沉池的處理效率。對生物處理也起到把關(guān)作用,在負(fù)荷高時(shí)可防止敏感的生物污泥的流失,因此在除磷的同時(shí)也提高了BOD、COD等的去除效果。3.4步除磷法接觸過濾或直接過濾,通常不作為單獨(dú)的除磷步驟,一般與前置沉淀,同步沉淀或后置沉淀組合起來,作為二步除磷法中的第二步來工作,以使最后出水含磷達(dá)到最低的濃度。第一步除磷后,出水一般含磷0.8~1.2mg/L。用微濾膜或超濾膜組件進(jìn)行絮凝接觸過程過濾,能達(dá)到更高的出水水質(zhì)和除磷效率,在適宜的鐵、鋁鹽投加量下,其滲透液的含磷低于0.1mg/L。4化學(xué)除磷研究4.1殘余磷的去除當(dāng)往污水中投加除磷的化學(xué)藥劑時(shí),生成金屬磷酸鹽的實(shí)際組成比簡單的FePO4(S),AlPO4(S)和Ca3(PO4)2(S)形式要復(fù)雜得多。被廣泛采納的沉淀物經(jīng)驗(yàn)分子式為:Mer·H2PO4(OH)3r~1(S),MeOOH(S)。其中,Me表示金屬,計(jì)量系數(shù)r=1~2。沉淀過程的基本化學(xué)方程式為:當(dāng)pH值低于8.0、金屬鹽投加量較小時(shí),形成金屬磷酸鹽沉淀Mer·H2PO4(OH)3r~1(S),沉淀物對溶解磷有一定的吸收作用,吸收作用引起溶解磷的去除導(dǎo)致了Me投加/Me去除的比值升高。隨著金屬鹽投加量的增加,殘余溶解磷濃度到達(dá)臨界點(diǎn),出現(xiàn)MeOOH(S)沉淀,Me投加/Me去除比值急劇上升(平衡區(qū))。殘余溶解磷濃度的臨界值取決于絮體的pH值,在平衡區(qū),殘留磷濃度與pH值的變化無關(guān),它的變化是金屬沉淀物對磷的吸附作用所至。對特定的廢水來講,化學(xué)藥劑的投加量要通過實(shí)驗(yàn)及中試來確定。目前在實(shí)驗(yàn)及化學(xué)模型基礎(chǔ)上,除磷藥劑投加量的計(jì)算也有了新的進(jìn)展。在綜合考慮進(jìn)出水含磷,不同藥劑反應(yīng)過程的基礎(chǔ)上,張志等人引入了投藥量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)β值(表示投藥量的摩爾濃度與污水中總磷的摩爾濃度的比值)。在引入β值之后,只需知道污水中含磷量和排放要求確定除磷效率,就可以計(jì)算出需要投加的化學(xué)投藥量。4.2除磷工藝的應(yīng)用目前普遍采用生物和化學(xué)相結(jié)合的城市污水處理工藝,其最顯著的特點(diǎn)是流程中投加化學(xué)混凝劑,其余則與普通活性污泥法類似。將生物法與化學(xué)法相結(jié)合,可以充分利用生物除磷費(fèi)用低、化學(xué)除磷出水磷濃度低且比較穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。對于需要同時(shí)除磷脫氮的場合,可以優(yōu)先考慮脫氮,輔助以化學(xué)除磷,從而使得出水的氮、磷滿足所要求的標(biāo)準(zhǔn)。在荷蘭,傳統(tǒng)的污水處理廠能去除40%的磷,其余的磷通常靠投加鈣、鐵和鋁鹽來去除,最終出水中的磷小于1mg/L。美國的AnnArbor污水處理廠將原來的傳統(tǒng)活性污泥法改造為A/O工藝。改造后,大多數(shù)時(shí)間仍需投加