A. 去除廢水中磷的解決辦法
磷的去除有化學除磷生物除磷兩種工藝,生物除磷是一種相對經濟的除磷方法,但由於該除磷工藝目前還不能保證穩定達到0.5mg/l出水標準的要求,所以要達到穩定的出水標准,常需要採取化學除磷措施來滿足要求。
化學除磷是通過化學沉析過程完成的,化學沉析是指通過向污水中投加無機金屬鹽葯劑,其與污水中溶解性的鹽類,如磷酸鹽混合後,形成顆粒狀、非溶解性的物質,這一過程涉及的是所謂的相轉移過程,反應方程舉例如式1。實際上投加化學葯劑後,污水中進行的不僅僅是沉析反應,同時還進行著化學絮凝反應,所以必須區分化學沉析和化學絮凝的差異。
FeCl3+K3PO4→FePO4↓+3KCl 式1
污水沉析反應可以簡單的理解為:水中溶解狀的物質,大部分是離子狀物質轉換為非溶解、顆粒狀形式的過程,絮凝則是細小的非溶解狀的固體物互相粘結成較大形狀的過程,所以絮凝不是相轉移過程。
在污水凈化工藝中,絮凝和沉析都是極為重要的,但絮凝是用於改善沉澱池的沉澱效果,而沉析則用於污水中溶解性磷的去除。如果利用沉析工藝實現相的轉換,則當向污水中投加了溶解性的金屬鹽葯劑後,一方面溶解性的磷轉換成為非溶解性的磷酸金屬鹽,也會同時產生非溶解性的氫氧化物(取決於PH值)。另一方面,隨著沉析物的增加及較小的非溶解性固體物聚積成較大的非溶解性固體物,使穩定的膠體脫穩,通過速度梯度或擴散過程使脫穩的膠體互相接觸生成絮凝體。最後通過固—液分離步驟,得到凈化的污水和固一液濃縮物(化學污泥),達到化學除磷的目的。
根據化學沉析反應的基礎,為了生成磷酸鹽化合物,用於化學除磷的化學葯劑主要是金屬鹽葯劑和氫氧化鈣(熟石灰)。許多高價金屬離子葯劑投加到污水中後,都會與污水中的溶解性磷離子結合生成難溶解性的化合物。出於經濟原因,用於磷沉析的金屬鹽葯劑主要是Fe3+、Al3+和Fe2+鹽和石灰。這些葯劑是以溶液和懸浮液狀態使用的。二價鐵鹽僅當污水中含有氧,能被氧化成三價鐵鹽時才能使用。Fe2+在實際中為了能被氧化常投加到曝氣沉砂池或採用同步沉析工藝投加到曝氣池中,其效果同使用Fe3+一樣,反應式如式2、3。
Al3++PO43-→AlPO4↓pH=6~7 式2
Fe3++PO43-→FePO4↓pH=5~5.5 式3
與沉析反應相競爭的反應是金屬離子與OH的反應,所以對於各種不同的金屬鹽產品應注意的是金屬的離子量,反應式如式4、5。
Al3++3OH-→Al(OH)3↓ 式4
Fe3++3OH-→Fe(OH)3 式5
金屬氫氧化物會形成大塊的絮凝體,這對於沉析產物的絮凝是有利的,同時還會吸附膠體狀的物質、細微懸浮顆粒。需要注意的是有機物在以化學除磷為目的化學沉析反應中的沉析去除是次要的,但在分離時有機性膠體以及懸浮物的凝結在絮凝體中則是決定性的過程。
沉析效果是受PH值影響的,金屬磷酸鹽的溶解性同樣也受PH的影響。對於鐵鹽最佳PH值范圍為5.0~5.5,對於鋁鹽為6.0~7.0,因為在以上PH值范圍內FePO4或AIPO4的溶解性最小。另外使用金屬鹽葯劑會給污水和污泥處理還會帶來益處,比如會降低污泥的污泥指數,有利於沼氣脫硫等。
由於金屬鹽葯劑的投加會使污水處理廠出水中的Cl-或SO2-4離子含量增加。如果沉析葯劑溶液中另外含有酸的話,則需特別加以注意。
投加金屬鹽葯劑後相應會降低污水的鹼度,這也許會對凈化產生不利影響。當在同步沉析工藝中使用硫酸鐵時,必須考慮對硝化反應的影響。
另外,如果污水處理廠污泥用於農業,使用金屬鹽葯劑除磷時必須考慮鋁或者鐵負荷對農業的影響。
除了金屬鹽葯劑外,氫氧化鈣也用作沉析葯劑。在沉折過程中,對於不溶解性的磷酸鈣的形成起主要作用的不是Ca2+,而是OH-離子,因為隨著pH值的提高,磷酸鈣的溶解性降低,採用Ca(OH)2除磷要求的pH值為8.5以上。磷酸鈣的形成是按反應式6進行的:
5Ca2++3po43-+OH-→Ca5(PO4)3OH↓ pH ≥8.5 式6
但在pH值為8.5到10.5的范圍內除了會產生磷酸鈣沉析外,還會產生碳酸鈣,這也許會導致在池壁或渠、管壁上結垢,反應式如式7。
Ca2++CO32-→CaCO3 式7
與鈣進行磷酸鹽沉析的反應除了受到PH值的影響,另外還受到碳酸氫根濃度(鹼度)的影響。在一定的PH值惰況下,鈣的投加量是與鹼度成正比的。
對於軟或中硬的污水,採用鈣沉析時,為了達到所要求的PH值所需要的鈣量是很少的,具有強緩沖能力的污水相反則要求較大的鈣投加量。
化學沉析工藝是按沉析葯劑的投加地點來區分的,實際中常採用的有:前沉析、同步沉析和後沉析或在生物處理之後加絮凝過濾。
(1)前沉析
前沉析工藝的特點是沉析葯劑投加在沉砂池中,或者初次沉澱池的進水渠(管)中,或者文丘里渠(利用渦流)中。其一般需要設置產生渦流的裝置或者供給能量以滿足混合的需要。相應產生的沉析產物(大塊狀的絮凝體)則在一次沉澱池中通過沉澱而被分離。如果生物段採用的是生物濾池,則不允許使Fe2+葯劑,以防止對填料產生危害(產生黃銹)。
前沉析工藝(如圖2所示)特別適合於現有污水處理廠的改建(增加化學除磷措施),因為通過這一工藝步驟不僅可以去除磷,而且可以減少生物處理設施的負荷。常用的沉析葯劑主要是生灰和金屬鹽葯劑。經前沉析後剩餘磷酸鹽的含量為1.5-2.5mg/1,完全能滿足後續生物處理對磷的需要。
(2)同步沉析
同步沉析是使用最廣泛的化學除磷工藝,在國外約占所有化學除磷工藝的50%。其工藝是將沉析葯劑投加在曝氣池出水或二次沉澱池進水中,個別情況也有將葯劑投加在曝氣池進水或迴流污泥渠(管)中。目前很多污水廠都採用,如廣州大坦沙污水處理廠三期就是採用的同步沉析,加葯對活性污泥的影響比較小。
(3)後沉析
後沉析是將沉析、絮凝以及被絮凝物質的分離在一個與生物設施相分離的設施中進行,因而也就有二段法工藝的說法。一般將沉析葯劑投加到二次沉澱池後的一個混合池(M池)中,並在其後設置絮凝池(F池)和沉澱池(或氣浮池)。
對於要求不嚴的受納水體,在後沉析工藝中可採用石灰乳液葯劑,但必須對出水PH值加以控制,比如採用沼氣中的CO2進行中和。
採用氣浮池可以比沉澱池更好地去除懸浮物和總磷,但因為需恆定供應空氣而運轉費用較高。
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F. 擬新建一座污水處理廠,要求對該污水進行脫氮除磷處理
生活污水及工業污水的排放,對水體環境的好壞具有重要的影響。其中,污水中氮磷等營養物質的超標排放是造成水體富營養化的主要原因之一。水體富營養化造成了浮游藻類的迅速、大量繁殖,易形成藻類大面積爆發成災事件。
有鑒於我國水環境污染的嚴重性,我國對於城鎮污水處理廠的建設力度不斷加強。有關污染物排放標准對於氮磷的排放要求也越來越嚴格。新建的污水處理廠需要考慮對氮磷的排放控制,而已建的污水處理廠則需要進行升級改造,增強或強化脫氮除磷的功能。
1氮磷對於水體環境的影響
適量的氮磷對於促進水生植物及微生物的生長具有重要作用,對保持水環境的平衡也具有一定的作用,但過量氮磷等營養物質進入水體中,則會使水體產生富營養化,使水體中的浮游藻類大量繁殖,甚至是爆發性繁殖,產生「水華」現象。「水華」現象即是水污染的明顯表現,同時也會進一步加劇水體的污染。藻類的大量或爆發性繁殖,會在水面形成或厚或薄的覆蓋性藻類漂浮物,造成水體缺氧,引起水生動物窒息而死。有些藻類還會產生有害毒素,使水生態系統受到破壞,造成生物多樣性的減少。
水體富營養的指標三類,營養因子、環境因子與生物因子,其中,營養因子是水體富營養化的根本原因,而在營養因子中,氮磷則是最為關鍵的存在。因此,控制進入水體的氮磷含量,對於解決水體富營養化問題至關重要。
2水體中氮磷的主要來源
我國水體中的氮磷污染主要來自生活污染、農業污染以及工業污染源。
生活污染源主要是指來自城市中的污染物,如人的排泄物、食品廢物以及各種合成洗滌劑。在此類廢物中,含有大量的氮磷物質,若未經處理或處理不嚴格進入自然水體,則會成為水體中的氮磷污染源。
農業污染主要是指化肥的大量或是過量使用,流失率過高造成的污染。眾所周知,化肥的主要成份就是氮磷,農業中不經控制大量或過量使用化肥,造成化肥的流失率極大,進入水體後極易成為水體氮磷污染源。
工業污染主要是指食品加工業、化肥生產企業形成的工業廢水,其中含有大量的氮磷,若未經處理或是處理不當直接排入水體中,對於水體的氮磷污染具有重大的影響。
3我國污水處理廠脫氮除磷現狀
我國對於城市污水處理廠的建設始於上世紀20年代的上海,新中國成立後的70-80年代我國開始進行大規模的城鎮污水處理廠的建設。在初期建設的城鎮污水處理廠,其處理工藝均採用了活性污泥法技術,主要是處理的是城市污水中的有機污染物及懸浮物,對於污水中氮磷的處理能力比較弱,去除率較低。之後在20世紀80年代初,一些污水處理的新工藝開始在污水處理廠中得到應用,但整體上來說,這一階段我國污水處理廠在脫氮除磷工藝上還處於較低的水準。
進入20世紀90年代,隨著我國水體環境污染的不斷加劇,在污染治理上開始加大力度,先後出台了《地下水水質標准》、《地表水水質標准》以及《海水水質標准》等,對於水體中氮磷標准值提出了明確的要求。這一時期,我國在污水處理廠的建設上,對於脫氮除磷的工藝要求也越來越嚴格,新建污水處理廠必須考慮對氮磷的控制,而已經建成運行的污水處理廠,則需要進行相應的脫氮除磷工藝改造。
4脫氮除磷工藝在我國污水處理廠中的應用
4.1氧化溝工藝
氧化溝工藝是具有工藝流程簡單、運行穩定、管理方便等特點,而且處理費用較低,與其它工藝相較,具有較強的耐沖擊負荷能力、出水水質好、剩餘污泥少、構築物少等優勢。在我國,氧化溝工藝應用較多的有卡魯塞爾(Carrousel)氧化溝、奧貝爾(Orbal)氧化溝、三溝式氧化溝以及DE型氧化溝等。
卡魯塞爾(Carousel)氧化溝是1967年由荷蘭的DHV公司開發研製的,具有投資省、處理效率高、可靠性好、管理方便和運行維護費用低等優點,在世界各國都得到廣泛的應用。我國的昆明第一污水處理廠、珠海香洲污水處理廠、中山污水處理廠以及重慶北碚污水處理廠都採用了此種工藝。
奧貝爾(Orbal)氧化溝工藝是美國USFilterEn-virex公司開發並擁有的工藝技術,該工藝非常適用於污水常規二級生物處理,目前,我國已經實現了該種工藝的自行設計與設備的國產化,北戴河西部污水處理廠以及溫州中心區污水處理廠均應用了該種工藝。
三溝式氧化溝又稱為T型氧化溝,是一種典型的氧化溝構造形式,這種工藝具有流程簡單、建設投資小、運行費用低的特點,在結構設計上不需要另設一次、二次沉澱池和污泥迴流裝置,在一定程度上避免了氧化溝工藝佔地面積大的弊端。我國邯鄲東郊污水處理廠、蘇州新區污水處理廠、深圳濱河污水處理廠以及羅芳污水處理廠二期都採用了這種工藝設計。
DE型氧化溝工藝是一種雙溝系統,與三溝系統類似,不同之處在於DE型氧化溝系統有獨立的污泥迴流系統。西安北石橋污水處理廠就是採用了該種工藝。
氧化溝技術從問世以來就得到了廣泛的關注,歐洲目前約有上千座氧化溝污水處理廠在運行,我國從上世紀八十年代開始引進國外氧化溝技術,消化吸收發展至今,氧化溝工藝已成為我國城市污水處理的主要工藝之一。
4.2A/O工藝的應用
A/0工藝具有較好的脫氮除磷效果,在20世紀80—90年代是城市污水處理中脫氮除磷的主流工藝。A/0工藝包括了A/0除磷工藝與A/0脫氮工藝,通常除磷效果可達到90%以上,脫氮效果在80%以上。該工藝不需外加碳源脫氮,又能充分實現反硝化且易於控制污泥膨脹,投資和運行費用較低,在我國早期的污水處理廠中具有廣泛的應用。如天津東郊污水處理廠、北京高碑店污水處理廠以及杭州四堡污水處理廠、沈陽西郊污水處理廠等。
A/0工藝在污泥沉降和磷的去除上具有明顯的效果,但因其工藝控制有限,在發生硝化作用時會降低除磷效果。此外,A/0工藝的溫度及進水負荷低時,微生物的代謝能力會減弱,污泥生長會變慢,對於除磷效果具有較大影響。
4.3:A2/O及其改進工藝的應用
A2/0工藝是我國常用的同步脫氮除磷工藝,其在只有除磷功能的A/0工藝中加了一個缺氧池,實現了脫氮除磷的同步進行,操作簡單、費用低廉,因此在我國的污水處理廠中得到了廣泛的應用。昆明第二污水處理廠、廣州大坦沙污水處理廠、西安鄧家村污水處理廠都應用了該工藝。但採用此種工藝不能實現同時高效的脫氮除磷,其工藝本身存在的缺陷,即硝化菌、反硝化菌以及聚磷菌在有機負荷、碳源需求上存在著矛盾與競爭,很難在同一系統中實現氮磷的同時高效去除。
為解決A2/0工藝固有的缺陷,很多研究者們進行了多方面的研究對該工藝進行升級改進,其中,我國取得了兩項專利技術,即倒置A2/0工藝與A—A2/0工藝。
倒置A2/0工藝是針對A2/0工藝缺氧池與厭氧池的排列位置而言,將其工藝位置倒置,將缺氧池置於厭氧池之前。倒置A2/0工藝在有沒有硝酸鹽迴流條件下均可運行,工藝環境有利於微生物形成更強的吸磷動力,所有污泥都將經歷完整的釋磷和吸磷過程使除磷能力得到增強。該工藝應用效果較好的有江蘇常州清潭污水處理廠、常州北城污水處理廠、青島李村河污水處理廠等。
A—A2/0工藝是在厭氧池前增設缺氧池,原A2/0工藝通過分隔厭氧池與原污水,可以很容易的改造為A—A2/0工藝。A—A2/0工藝充足的迴流污泥停留時間保證了RAS中硝酸鹽的徹底反硝化,又能夠保證足夠的碳源,厭氧池中最低限度的硝酸鹽含量使得除磷效果得到了加強。山東泰安污水處理廠、青島團島污水處理廠應用該工藝取得了良好的脫氮除磷效果。
4.4:SBR工藝及其改進型的應用
SBR工藝是通過自動控製程序,在時間序列上形成A2/0系統,具有經濟高效、控制靈活的特點,在脫氮除磷方面效果良好,適用於中小水量的污水處理廠。
典型SBR工藝存在一定的技術問題,首先,間歇進水、間歇曝氣方式,鼓風曝氣機由於間歇運轉,頻繁啟停,使得整個工藝的運行穩定性受到較大的影響,曝氣階段反應池的利用率也比較低;其次,由於間歇進水的原因,自控系統的設計與順序進水閘閥的安裝變得較為復雜,當進水量較大時,需要並聯運行多套反應池,系統整體復雜性增大;第三,對於一些具有較高濃度的難降解有機廢水反應時間比較長。為了解決以上問題,眾多研究者們進行了對典型SBR工藝的改進變型,比較成熟的工藝有ICEAS工藝、DAT—IAT工藝、CASS工藝等。
ICEAS工藝最大的特點是在反應器的進水端加了一個預反應區,運行方式為連續進水、間歇排水,預反應區可起調節水流的作用,主反應區是曝氣、沉澱的主體。ICEAS工藝也可看作是連續進水、間歇排水的SBR工藝。昆明第三污水處理廠便採用了此種工藝,運行效果良好。
DAT—IAT工藝在同一個反應池中設置DAT池和IAT池,以導流牆相隔。DAT池連續進水並連續曝氣,保持了系統的水力均衡,有效提高了系統運行的穩定性,而且連續曝氣加強了對難降解有機物的降解,縮短了對高濃度有機廢水的處理時間,相應也縮短了鼓風曝氣機的運行時間;此外,DAT池的連續進水,利用普通的污水泵就能實現該操作,大大降低了系統的復雜性。該工藝在天津經濟技術開發區污水處理廠以及撫順三寶屯污水處理廠取得到較好的應用效果。
CASS工藝做為SBR工藝的改進型,是在SBR池內進水端增加了一個生物選擇區,也就是預反應區,實現了連續進水,間歇排水。整個工藝的曝氣、沉澱、排水等過程在同一池子內周期循環運行,省去了常規活性污泥法的二沉池和污泥迴流系統。北京航天城污水處理廠採用了此工藝。
5結束語
隨著我國環境問題的日益突出,我國對於水體環境的治理也在不斷加強,對於污水處理廠脫氮除磷的要求也越來越嚴格,也些早期建設的污水處理廠也面臨著脫氮除磷功能的改造問題。綜合對目前污水處理廠脫氮除磷工藝的應用狀況,A2/0工藝及其改進型、氧化溝工藝、SBR工藝及其改進型是目前應用范圍廣且應用效果比較好的選擇。
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