城市污水处理厂化学强化生物除磷的试验研究20

发布时间：2016-11-30 18:35

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中国环境科学2014,34(12)：3070~3；城市污水处理厂化学强化生物除磷的试验研究；李子富1*,云玉攀1,曾灏2,周晓琴1(1.北京；摘要：为有效解决北京某城市污水处理厂出水总磷含量；中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：；Experimentalstudyonchemi；Abstract：Inordertodealwi；目前,城市污水处理

中国环境科学 2014,34(12)：3070~3077 China Environmental Science

城市污水处理厂化学强化生物除磷的试验研究

李子富1*,云玉攀1,曾灏2,周晓琴1 (1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083；2.北京市怀柔区环境保护局,北京 101400)

摘要：为有效解决北京某城市污水处理厂出水总磷含量较高的实际问题,通过在生物处理工艺(A2O)后端添加化学除磷强化单元的方法,依次开展了实验室试验和现场的生产性试验.实验室试验以好氧池出水为试验用水,对不同浓度梯度的聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、三氯化铁(FeCl3)等除磷效果进行了对比研究,并分别对其除磷机理进行了深入的探讨.试验结果表明:3种药剂中,PAC除磷效果最好,当其投加量为60mg/L,投加系数β为4.15时,出水总磷含量可小于0.5mg/L,而且药剂投加成本较低,仅为0.078元/t.现场生产性试验选取好氧池出水端为药剂投加点,对PAC的除磷效果进行现场验证.经试验测定,当PAC投加量为60mg/L,投加系数β为4.22时,污水处理厂出水总磷含量远低于0.5mg/L,符合排放要求.考虑到进水量和负荷的波动,在保证出水达标排放的前提下,为保证药剂的有效利用,通过采取针对性措施提高前端生物除磷效率及反馈投加药剂的方法,以有效减少药剂的投加量及化学污泥的排放量,达到节能减排的目的. 关键词：污水处理；化学强化除磷；混凝剂投加

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2014)12-3070-08

Experimental study on chemically enhanced biological phosphorus removal for municipal wastewater treatment plant. LI Zi-fu1*, YUN Yu-pan1, ZENG Hao2, ZHOU Xiao-qin1 (1.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2.Huairou District of Beijing Environmental Protection Bureau, Beijing 101400, China). China Environmental Science, 2014,34(12)：3070~3077

Abstract：In order to deal with the problem that the high total phosphorus (TP) concentration of effluent from one municipal wastewater treatment plant in Beijing,using the biological process(A2O) followed with chemical phosphorus removal process,laboratory tests and technical scale experiments were conducted in order. The aerobic tank effluent was sampled for evaluating the phosphorus removal efficiency of PAC, PFS, FeCl3 respectively, and the phosphorus removal mechanisms of the three reagents were further discussed. Phosphorus removal efficiency of PAC was the best among three coagulants. The TP concentration of effluent could be lower than 0.5mg/L and the coagulant cost was 0.078Yuan/t with the dosage of 60mg/L and the coefficient β of 4.15. The aerobic tank outlet was selected to be the dosing position for the technical scale experiments. Results showed that demand in phosphorus removal efficiency could be met with a PAC dosage of 60mg/L and coefficient β of 4.15. Considering the water quality and loading fluctuation, in order to ensure TP concentration of effluent discharged lower than 0.5mg/L, a detailed optimization scheme was proposed, through taking effective measures of improving the biological phosphorus removal and dosing the coagulants with feedback control methods to decrease the dosage amount of PAC,therefore reduced the operation cost and chemical sludge amount. Key words：wastewater treatment；chemically enhanced biological phosphorus removal；coagulant dosage

目前,城市污水处理厂所采用的除磷技术主要有生物除磷和化学除磷两种.生物除磷是在好氧条件下,通过微生物对污染水体中的溶解性磷酸盐过量吸收来完成.化学除磷则是向水体中加入化学药剂,通过其与水体中的磷酸盐反应来达到除磷目的[1].相比较而言,生物除磷更易受处理系统的BOD负荷、进水COD/TP、厌氧与好氧

-段的DO比、泥龄、厌氧段的NO3浓度等诸多

因素的影响[2],除磷稳定性差;化学除磷则受进水水质的影响较小,除磷效果稳定.

随着我国对水污染问题的重视,对污水排放的要求势必会提高(TP≤0.5mg/L),单纯的生物处理工艺将很难达到要求.因此,将化学除磷和生物除磷有效结合就形成了一种运行简便、经济有效

收稿日期：2014-03-31

* 责任作者, 教授, zifulee@aliyun.com

12期李子富等：城市污水处理厂化学强化生物除磷的试验研究 3071

的除磷工艺[3].有资料显示,发达国家采用在一级或二级处理工艺中投加化学药剂,其最终出水总磷可达到0.2mg/L[4].在美国,为保证有效除磷,大多数污水处理厂采取以化学除磷为主或以生物除磷为主,化学除磷为辅的除磷措施[5].另外,考虑到污水处理厂处理工艺为脱氮除磷工艺,系统生物脱氮及除磷时均需要有机碳作为碳源.而张志剑等[6]对多个市政污水处理厂调查发现,污水厂普遍存在进水有机碳源较低的问题.因此,当系统水体中有机碳不足时,可通过添加化学除磷单元来强化除磷.

综合以上考虑,本研究拟通过在生物处理后端添加化学除磷强化单元,以降低污染水体的总磷含量.在生物强化除磷方面,相关学者对此也展开了深入研究.李京熊[7]通过在某生活污水生物处理系统后端添加化学除磷强化单元,分别对钙盐、铁盐及铝盐的除磷效率及影响因素进行了试验研究;邱继彩[8]则以曝气生物滤池出水为研究对象,对聚合氯化铝改性后的JYF系列絮凝剂进行了除磷试验的研究;Clark等[9]通过在曝气生物滤池后端投加铁盐以增强系统的除磷效率.

在化学除磷过程中,磷的去除效率与化学药剂的种类、投加量、药剂投加位置、污泥浓度、温度等多种因素有关,其中,药剂的种类、投加量、药剂投加位置对化学除磷效果影响最为显著.针对此,本研究开展了实验室和生产性试验,并在此基础上结合工艺特点,又进一步提出化学除磷的优化方案. 1 材料与方法

1.1 污水处理厂概况及试验水质

污水处理厂设计进水量为3.5万t/d,其进水水源为市政污水.考虑到污水的氨氮及总磷含量较高,设计处理的主体工艺采用“脱氮除磷型MBR”工艺,即A2O+MBR的主体工艺(图1).系统的最终出水要排放到附近的公园,作为景观水回用.根据要求,系统出水要达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准(TP≤0.5mg/L).

系统运行初期,出水可稳定达标,但随工艺长时间运行,系统设备老化,污染物处理能力下降,

出水总磷浓度出现超标,难以达到排放标准,其进出水水质见表1.

图1 污水处理厂工艺流程

Fig.1 The process flow chart of the municipal wastewater

treatment plant

1.格栅;2.沉砂池;3.厌氧池;4.缺氧池; 5.好氧池;6.MBR;7.消毒池;

8.储泥池;9.脱水机房; 10.鼓风机房

表1 系统进出水水质

Table 1 water properties of the influent and effluent

项目CODBODTN TP NH3-N (mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L) (mg/L)

pH值进水<7000<400<50 <10 <30 7~8 出水

<50

<10

<15

7~8

1.2 试验仪器与试剂

试验仪器:ZR4-6混凝试验搅拌机、分光光度计、高压灭菌锅、pH计等.

试验药剂:氯化铁(Fe有效含量38%,不溶物0.5g/mL)、聚合硫酸铁(Fe有效含量11%,密度1.45g/mL)、聚合氯化铝(Al2O3含量10%,密度1.28g/mL)、抗坏血酸、钼酸铵、过硫酸钾试剂等.

1.3 试验方法

1.3.1 实验室试验分别配制聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铁药剂不同浓度梯度的溶液:10,20,30,40,50,60,70mg/L.取1L污水(取自污水厂好氧池出水,其TP浓度范围为1~3.5mg/L左右)分别加入各烧杯中,然后在每个烧杯中投加上述不同浓度药剂.投加药剂后进行搅拌混合,搅拌装置为ZR4-6混凝试验搅拌机.

搅拌过程控制分为2个阶段:快速搅拌2min,转速200r/min,速度梯度G为37.6~38.0/s;慢速搅拌15min,转速为50r/min,速度梯度G为 5.8~6.0/s[10].

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而后水样静置沉淀30min,取上清液检测分析.根据最终试验结果,分析不同浓度梯度下,各试剂的除磷效果及最终的投加成本,为下一步生产性试验选取适宜的投加药剂及最佳投加量. 1.3.2 生产性试验药剂投加点的选择应该从系统的实际处理工艺及投加后可能对后续处理带来的影响等方面综合考虑.

化学除磷根据药剂投加点的不同可分为:前沉析、同步沉析、后沉析等[11].

结合本工艺实际情况考虑,当采用前沉析时,污水中的多种物质可能与药剂反应,药剂投加量会变大,产泥也会增多,而且最主要的是会降低进水中的有机碳含量,不利于后续脱氮除磷的进行;当采用后沉析时,需单独设置混凝、沉淀所需的设备及构筑物,增大了投资成本.对本脱氮除磷工艺而言,采用同步沉析时,即在好氧池出口端添加药剂,其优点是污水中的磷先经生物反应被过量吸收,去除了一大部分,因此加药量较前沉析小很多,化学污泥产量少,而且无需单独设置相应的混凝、沉淀所需的装置,虽然本工艺生物处理后端无沉淀池,但后端的MBR膜处理工艺兼具沉淀池的功能,反应形成的产物可在此沉淀分离,而后通过定期排泥去除.另外,有学者通过研究提出,城镇污水处理厂采用化学方法辅助除磷时,建议药剂投加点选取在好氧池出口附近,距出口的水力停留时间为15~20min[12].

综合考虑,本研究选取同步沉析法,选取好氧池出口端为药剂投加点.通过分别在好氧池出口端添加不同浓度的药剂,根据出水效果确定药剂最佳投加量及相应的投资成本.

1.3.3 试验主要评价指标及分析方法拟采用的评价指标有进、出水总磷浓度、总磷去除率.TP采用过硫酸钾消解法测定,pH值可由pH计测定.另外,实际过程中,反应并不是100%发生,考虑到

水体中OH- 会与药剂的金属离子发生竞争发应,实际所需的药剂会过量投加.因而,为更好的反映化学药剂的真实投加量,我们引入投加系数的概念[13].

β=nn TP

式中:β为投加系数;nMe为投加药剂中金属元素的物质量,mol;nTP为实际去除的TP物质量,mol.

实际投加时,β受污水水质、投加点、混合条件、温度等多因素的影响. 2 结果与讨论

2.1 实验室试验

实验室试验以好氧池出水为研究对象,对不同药剂在不同浓度梯度下的除磷效果进行分析,经测定试验进水浓度为3.18mg/L.试验结果见表2、表3、表4.

表2 PFS除磷试验结果

Table 2 Phosphorus removal results of PFS

投加浓度(mg/L)

投加系数β TP(mg/L) pH值 10 2.55 2.32 7.94 20 3.63 1.97 7.82 30 4.22 1.62 7.79 40 4.75 1.34 7.81 50 4.99 0.99 7.65 60 5.3 0.70 7.59 70

5.68

0.48

7.47

注: TP为系统最终出水总磷浓度

100

)%80(率60除去40PT200

40 50 60 70 投加浓度(mg/L)

图2 PFS除磷效果

Fig.2 Phosphorus removal efficiency of PFS

根据试验结果,分别投加一定量的FeCl3、PFS及PAC药剂,系统出水总磷均可降到0.5mg/L以下.相比之下,PAC所需的药剂较少,其投加量为60mg/L,而FeCl3、PFS投加量则较大,均达到70mg/L.由投加系数β分析可以发现,3种药剂投加系数均大于1(最佳理想条件下,β为1),说明各药剂均过量投加,相比较而言,PAC投加系数较小为4.15, FeCl3、PFS投加系数β则分别为

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5.68和4.78.药剂过量投加不仅造成药剂费用增加,而且会形成大量的化学污泥,无形中增加项目的投资成本和处理难度.

表3 FeCl3除磷试验结果

Table 3 Phosphorus removal results of FeCl3

投加浓度(mg/L)

投加系数β TP(mg/L) pH值 10 1.89 2.19 7.94 20 2.79 1.84 7.81 30 3.26 1.46 7.72

40 3.61 1.10 7.69 50 3.96 0.83 7.53 60 4.24 0.54 7.46 70

4.78

0.46

7.31

注: TP为系统最终出水总磷浓度

80 )%(率60 除去P40

T20 0

10 20 30 40

投加浓度(mg/L)

图3 FeCl3除磷效果

Fig.3 Phosphorus removal efficiency of FeCl3

表4 PAC除磷试验结果

Table 4 Phosphorus removal efficiency of PAC

投加浓度(mg/L)

投加系数β TP(mg/L) pH值 10

1.63

2.04

7.94

20 2.30 1.56 7.87

30 2.71 1.11 7.81

40 3.12 0.83 7.76

50 3.86 0.61 7.65

60 4.15 0.42 7.67 70 4.64 0.38 7.51 注: TP为系统最终出水总磷浓度

对处理效果而言,PAC投加量为60mg/L时,其除磷效率可达86%,出水总磷浓度可降低至0.42mg/L,低于0.5mg/L,而三氯化铁、PFS投加量为70mg/L时,其除磷效率分别为83%、78%,出水总磷浓度分别为0.46,0.48mg/L,才略小于

0.5mg/L.在实际运行中,当系统进水负荷较大或有冲击时,将难以有效保证出水的稳定达标排放.而且,综合其投加成本考虑(图5),最佳量投加时,PAC投加成本小于其它药剂,其成本为0.078元/t,而三氯化铁和PFS投加成本则分别为0.084元/t及0.112元/t.

100

80)%(率60除去P40T200

40 50 60 70 投加浓度(mg/L)

图4 PAC除磷效果

Fig.4 Phosphorus removal efficiency of PAC

0.1280

)0.10/tg/元0.0870

m((本量成0.06加加0.0460

投投0.02佳最0

PAC

PFS三氯化铁

投加药剂

图5 最佳投加量下,各药剂投加成本

Fig.5 The cost of three reagents under the condition of

optimal dosage

从除磷原理分析,徐丰果等[14]认为铁盐溶于

水后Fe3+可与PO43-反应生成难溶盐(如FePO4

等).另外,其通过溶解和吸水可发生强烈水解,并伴随各种聚合反应的发生,生成具有较长线性结构的多核羟基络合物,如Fe2(OH)24+、Fe3(OH)45+、Fe5(OH)96+、

Fe5(OH)87+、Fe6(OH)126+、Fe7(OH)129+

、Fe7(OH)1110+、Fe9(OH)207+、Fe12(OH)342+等.这些

含铁的羟基络合物通过压缩双电层、电中和、吸附架桥及絮体的网捕作用使胶体凝聚、沉淀而将磷去除.杨智宽等[15]认为铁盐去除水体中磷时,伴随如下过程的发生:铁的磷酸盐[Fe(PO4)x(OH)3-x]沉淀;在部分胶体状的氧化铁

3074 中国环境科学 34卷

或氢氧化物表面上磷酸盐被吸附;多核氢氧化铁悬浮体的凝聚作用,生成不溶于水的金属聚合物.

铝盐除磷的原理一般认为当铝盐分散于水

-体时,Al3+一方面与PO43反应;另外,Al3+水解生成

-单核络合物Al(OH)2+、Al(OH)2+及AlO2等,单核络合物可通过碰撞缩合,形成一系列多核络合物

-Aln(OH)m(3n m) +( n>1,m≤3n) ,这些铝的多核络合物可通过压缩双电层、吸附电中和等作用,有效去除水体中的磷.有学者研究后认为,铝盐除磷,特别是正磷酸盐的去除,主要以生成氢氧化铝的吸附作用为主[16],也有学者认为磷的去除效果取决于形成絮体的吸附能力及絮体在水体中的分布情况[17].

磷的去除也与磷酸根的存在形式、溶液的pH值及药剂在水溶液中溶解的离子形态等有很大关系.对于本试验而言,其试验用水的pH值为8左右,污水经生物处理后,水体中磷主要以溶解性磷为主,对于中性或稍偏碱性的污水,三氯化铁

-对其中磷的去除主要通过Fe3+与PO43反应,生成FePO4、Fe(OH)3等,从而通过沉淀去除水体中的

-PO43,反应同时伴随水解反应发生,生成一些难溶的络合物[18](其形成与水体的pH有关),生成的络合物主要通过如压缩双电层、吸附电中和等混凝作用除去水体中其它形式的磷(如难溶性磷、有机磷等).

聚铁是在硫酸铁分子簇的网络结构中插入

-了羟基,形成以OH作为架桥形成多核配离子,聚铁的盐基度决定分子的聚合度,盐基度越高,其分子聚合度越大,形成的羟基配合物也就具有更多的电荷和更大的表面积[19],由于试验用水偏碱性,

-水体中的OH可提高分子的聚合度,从而使其形成的羟基配合物一定程度上具有更多的电荷和更大的表面积.另外,由于PFS属于无机高分子聚合物,缺少铁单体的存在.因此,当药剂投加量较小时,其与磷酸根的结合稍逊于三氯化铁,但随着投加量的增加,其水解速度加快,水解生成具有羟基的磷酸铁络合物[20]增多.因此,反应后期主要通过吸附架桥及网捕等混凝作用去除水体中的磷(包括难溶解性磷、有机磷等).

聚合氯化铝(PAC)是一种无机高分子聚合物,

成分包括单体铝、二聚体铝、多聚体铝及聚十三铝(A113)等多种铝羟基配合物形态[21].向污染水

-体投加PAC后,Al3+可与PO43反应.由于试验水样pH值为7~8,在此条件下,聚合氯化铝易发生水解聚合反应,形成铝羟基多核配合物,这些多核络合物往往具有较高的正电荷和比表面积,能迅速吸附水体中带负电荷的杂质,中和胶体电荷,压缩双电层及降低胶体ξ电位,促进胶体和悬浮物等快速脱稳、凝聚和沉淀,从而有效降低水体中的磷含量.

通过对化学除磷原理的研究发现,化学除磷是一个综合复杂的过程,主要包含两个过程:金属离子与磷酸根离子反应去除可溶性磷;金属离子水解形成的絮状络合物对难溶性磷及有机磷等的混凝去除.两个过程并不是独立存在,而是通过综合作用,实现对水体中磷的有效去除.

通过以上分析发现:3种化学药剂中,PAC投加后,除磷效果较好,而且投加量较低,出水效果稳定,投加量为60mg/L时即可达到预期的除磷效果,其处理成本也较低,仅为0.078元/t.因此,通过对三种药剂除磷效果及投加成本的对比分析,选取PAC作为生产性试验的投加药剂.

段金明等[22]通过烧杯试验,也考察了聚合氯

氯化铁(Fe有效含量化铝(Al2O3有效含量28%)、

20.64%)及聚合硫酸铁(Fe有效含量20.64%)对二级生物出水中磷的去除效果.研究表明,欲使TP浓度为1.735mg/L的二级出水经混凝处理后,出水总磷浓度达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水体的水质标准(TP≤

PFS的最佳投药量分别为0.2mg/L),PAC、FeCl3、

40,20,25mg/L.

通过对比发现,即使同种化学药剂,用于污水化学除磷时,由于有效物质含量的差异,产生的结果会有很大差别.因此,无论何种药剂其处理效果都应通过试验确定,而不能仅凭相关经验或文献做参考.

2.2 生产性试验

选取PAC为生产性试验投加药剂,好氧池出口端为药剂投加点,PAC投加浓度分别为50,60,70mg/L.试验测定好氧池出水总磷浓度为

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