城市污水處理廠化學強化生物除磷的試驗研究20

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中國環(huán)境科學2014,34(12)：3070~3；城市污水處理廠化學強化生物除磷的試驗研究；李子富1*,云玉攀1,曾灝2,周曉琴1(1.北京；摘要：為有效解決北京某城市污水處理廠出水總磷含量；中圖分類號：X703.1文獻標識碼：A文章編號：；Experimentalstudyonchemi；Abstract：Inordertodealwi；目前,城市污水處理

中國環(huán)境科學 2014,34(12)：3070~3077 China Environmental Science

城市污水處理廠化學強化生物除磷的試驗研究

李子富1*,云玉攀1,曾灝2,周曉琴1 (1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院,北京 100083；2.北京市懷柔區(qū)環(huán)境保護局,北京 101400)

摘要：為有效解決北京某城市污水處理廠出水總磷含量較高的實際問題,通過在生物處理工藝(A2O)后端添加化學除磷強化單元的方法,依次開展了實驗室試驗和現(xiàn)場的生產(chǎn)性試驗.實驗室試驗以好氧池出水為試驗用水,對不同濃度梯度的聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)、三氯化鐵(FeCl3)等除磷效果進行了對比研究,并分別對其除磷機理進行了深入的探討.試驗結(jié)果表明:3種藥劑中,PAC除磷效果最好,當其投加量為60mg/L,投加系數(shù)β為4.15時,出水總磷含量可小于0.5mg/L,而且藥劑投加成本較低,僅為0.078元/t.現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗選取好氧池出水端為藥劑投加點,對PAC的除磷效果進行現(xiàn)場驗證.經(jīng)試驗測定,當PAC投加量為60mg/L,投加系數(shù)β為4.22時,污水處理廠出水總磷含量遠低于0.5mg/L,符合排放要求.考慮到進水量和負荷的波動,在保證出水達標排放的前提下,為保證藥劑的有效利用,通過采取針對性措施提高前端生物除磷效率及反饋投加藥劑的方法,以有效減少藥劑的投加量及化學污泥的排放量,達到節(jié)能減排的目的. 關鍵詞：污水處理；化學強化除磷；混凝劑投加

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：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,城市污水處理廠所采用的除磷技術(shù)主要有生物除磷和化學除磷兩種.生物除磷是在好氧條件下,通過微生物對污染水體中的溶解性磷酸鹽過量吸收來完成.化學除磷則是向水體中加入化學藥劑,通過其與水體中的磷酸鹽反應來達到除磷目的[1].相比較而言,生物除磷更易受處理系統(tǒng)的BOD負荷、進水COD/TP、厭氧與好氧

-段的DO比、泥齡、厭氧段的NO3濃度等諸多

因素的影響[2],除磷穩(wěn)定性差;化學除磷則受進水水質(zhì)的影響較小,除磷效果穩(wěn)定.

隨著我國對水污染問題的重視,對污水排放的要求勢必會提高(TP≤0.5mg/L),單純的生物處理工藝將很難達到要求.因此,將化學除磷和生物除磷有效結(jié)合就形成了一種運行簡便、經(jīng)濟有效

收稿日期：2014-03-31

* 責任作者, 教授, zifulee@aliyun.com

12期李子富等：城市污水處理廠化學強化生物除磷的試驗研究 3071

的除磷工藝[3].有資料顯示,發(fā)達國家采用在一級或二級處理工藝中投加化學藥劑,其最終出水總磷可達到0.2mg/L[4].在美國,為保證有效除磷,大多數(shù)污水處理廠采取以化學除磷為主或以生物除磷為主,化學除磷為輔的除磷措施[5].另外,考慮到污水處理廠處理工藝為脫氮除磷工藝,系統(tǒng)生物脫氮及除磷時均需要有機碳作為碳源.而張志劍等[6]對多個市政污水處理廠調(diào)查發(fā)現(xiàn),污水廠普遍存在進水有機碳源較低的問題.因此,當系統(tǒng)水體中有機碳不足時,可通過添加化學除磷單元來強化除磷.

綜合以上考慮,本研究擬通過在生物處理后端添加化學除磷強化單元,以降低污染水體的總磷含量.在生物強化除磷方面,相關學者對此也展開了深入研究.李京熊[7]通過在某生活污水生物處理系統(tǒng)后端添加化學除磷強化單元,分別對鈣鹽、鐵鹽及鋁鹽的除磷效率及影響因素進行了試驗研究;邱繼彩[8]則以曝氣生物濾池出水為研究對象,對聚合氯化鋁改性后的JYF系列絮凝劑進行了除磷試驗的研究;Clark等[9]通過在曝氣生物濾池后端投加鐵鹽以增強系統(tǒng)的除磷效率.

在化學除磷過程中,磷的去除效率與化學藥劑的種類、投加量、藥劑投加位置、污泥濃度、溫度等多種因素有關,其中,藥劑的種類、投加量、藥劑投加位置對化學除磷效果影響最為顯著.針對此,本研究開展了實驗室和生產(chǎn)性試驗,并在此基礎上結(jié)合工藝特點,又進一步提出化學除磷的優(yōu)化方案. 1 材料與方法

1.1 污水處理廠概況及試驗水質(zhì)

污水處理廠設計進水量為3.5萬t/d,其進水水源為市政污水.考慮到污水的氨氮及總磷含量較高,設計處理的主體工藝采用“脫氮除磷型MBR”工藝,即A2O+MBR的主體工藝(圖1).系統(tǒng)的最終出水要排放到附近的公園,作為景觀水回用.根據(jù)要求,系統(tǒng)出水要達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準(TP≤0.5mg/L).

系統(tǒng)運行初期,出水可穩(wěn)定達標,但隨工藝長時間運行,系統(tǒng)設備老化,污染物處理能力下降,

出水總磷濃度出現(xiàn)超標,難以達到排放標準,其進出水水質(zhì)見表1.

圖1 污水處理廠工藝流程

Fig.1 The process flow chart of the municipal wastewater

treatment plant

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

8.儲泥池;9.脫水機房; 10.鼓風機房

表1 系統(tǒng)進出水水質(zhì)

Table 1 water properties of the influent and effluent

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

pH值進水<7000<400<50 <10 <30 7~8 出水

<50

<10

<15

7~8

1.2 試驗儀器與試劑

試驗儀器:ZR4-6混凝試驗攪拌機、分光光度計、高壓滅菌鍋、pH計等.

試驗藥劑:氯化鐵(Fe有效含量38%,不溶物0.5g/mL)、聚合硫酸鐵(Fe有效含量11%,密度1.45g/mL)、聚合氯化鋁(Al2O3含量10%,密度1.28g/mL)、抗壞血酸、鉬酸銨、過硫酸鉀試劑等.

1.3 試驗方法

1.3.1 實驗室試驗分別配制聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚合氯化鐵藥劑不同濃度梯度的溶液:10,20,30,40,50,60,70mg/L.取1L污水(取自污水廠好氧池出水,其TP濃度范圍為1~3.5mg/L左右)分別加入各燒杯中,然后在每個燒杯中投加上述不同濃度藥劑.投加藥劑后進行攪拌混合,攪拌裝置為ZR4-6混凝試驗攪拌機.

攪拌過程控制分為2個階段:快速攪拌2min,轉(zhuǎn)速200r/min,速度梯度G為37.6~38.0/s;慢速攪拌15min,轉(zhuǎn)速為50r/min,速度梯度G為 5.8~6.0/s[10].

3072 中國環(huán) 境科學 34卷

而后水樣靜置沉淀30min,取上清液檢測分析.根據(jù)最終試驗結(jié)果,分析不同濃度梯度下,各試劑的除磷效果及最終的投加成本,為下一步生產(chǎn)性試驗選取適宜的投加藥劑及最佳投加量. 1.3.2 生產(chǎn)性試驗藥劑投加點的選擇應該從系統(tǒng)的實際處理工藝及投加后可能對后續(xù)處理帶來的影響等方面綜合考慮.

化學除磷根據(jù)藥劑投加點的不同可分為:前沉析、同步沉析、后沉析等[11].

結(jié)合本工藝實際情況考慮,當采用前沉析時,污水中的多種物質(zhì)可能與藥劑反應,藥劑投加量會變大,產(chǎn)泥也會增多,而且最主要的是會降低進水中的有機碳含量,不利于后續(xù)脫氮除磷的進行;當采用后沉析時,需單獨設置混凝、沉淀所需的設備及構(gòu)筑物,增大了投資成本.對本脫氮除磷工藝而言,采用同步沉析時,即在好氧池出口端添加藥劑,其優(yōu)點是污水中的磷先經(jīng)生物反應被過量吸收,去除了一大部分,因此加藥量較前沉析小很多,化學污泥產(chǎn)量少,而且無需單獨設置相應的混凝、沉淀所需的裝置,雖然本工藝生物處理后端無沉淀池,但后端的MBR膜處理工藝兼具沉淀池的功能,反應形成的產(chǎn)物可在此沉淀分離,而后通過定期排泥去除.另外,有學者通過研究提出,城鎮(zhèn)污水處理廠采用化學方法輔助除磷時,建議藥劑投加點選取在好氧池出口附近,距出口的水力停留時間為15~20min[12].

綜合考慮,本研究選取同步沉析法,選取好氧池出口端為藥劑投加點.通過分別在好氧池出口端添加不同濃度的藥劑,根據(jù)出水效果確定藥劑最佳投加量及相應的投資成本.

1.3.3 試驗主要評價指標及分析方法擬采用的評價指標有進、出水總磷濃度、總磷去除率.TP采用過硫酸鉀消解法測定,pH值可由pH計測定.另外,實際過程中,反應并不是100%發(fā)生,考慮到

水體中OH- 會與藥劑的金屬離子發(fā)生競爭發(fā)應,實際所需的藥劑會過量投加.因而,為更好的反映化學藥劑的真實投加量,我們引入投加系數(shù)的概念[13].

β=nn TP

式中:β為投加系數(shù);nMe為投加藥劑中金屬元素的物質(zhì)量,mol;nTP為實際去除的TP物質(zhì)量,mol.

實際投加時,β受污水水質(zhì)、投加點、混合條件、溫度等多因素的影響. 2 結(jié)果與討論

2.1 實驗室試驗

實驗室試驗以好氧池出水為研究對象,對不同藥劑在不同濃度梯度下的除磷效果進行分析,經(jīng)測定試驗進水濃度為3.18mg/L.試驗結(jié)果見表2、表3、表4.

表2 PFS除磷試驗結(jié)果

Table 2 Phosphorus removal results of PFS

投加濃度(mg/L)

投加系數(shù)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為系統(tǒng)最終出水總磷濃度

100

)%80(率60除去40PT200

40 50 60 70 投加濃度(mg/L)

圖2 PFS除磷效果

Fig.2 Phosphorus removal efficiency of PFS

根據(jù)試驗結(jié)果,分別投加一定量的FeCl3、PFS及PAC藥劑,系統(tǒng)出水總磷均可降到0.5mg/L以下.相比之下,PAC所需的藥劑較少,其投加量為60mg/L,而FeCl3、PFS投加量則較大,均達到70mg/L.由投加系數(shù)β分析可以發(fā)現(xiàn),3種藥劑投加系數(shù)均大于1(最佳理想條件下,β為1),說明各藥劑均過量投加,相比較而言,PAC投加系數(shù)較小為4.15, FeCl3、PFS投加系數(shù)β則分別為

12期李子富等：城市污水處理廠化學強化生物除磷的試驗研究 3073

5.68和4.78.藥劑過量投加不僅造成藥劑費用增加,而且會形成大量的化學污泥,無形中增加項目的投資成本和處理難度.

表3 FeCl3除磷試驗結(jié)果

Table 3 Phosphorus removal results of FeCl3

投加濃度(mg/L)

投加系數(shù)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為系統(tǒng)最終出水總磷濃度

80 )%(率60 除去P40

T20 0

10 20 30 40

投加濃度(mg/L)

圖3 FeCl3除磷效果

Fig.3 Phosphorus removal efficiency of FeCl3

表4 PAC除磷試驗結(jié)果

Table 4 Phosphorus removal efficiency of PAC

投加濃度(mg/L)

投加系數(shù)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為系統(tǒng)最終出水總磷濃度

對處理效果而言,PAC投加量為60mg/L時,其除磷效率可達86%,出水總磷濃度可降低至0.42mg/L,低于0.5mg/L,而三氯化鐵、PFS投加量為70mg/L時,其除磷效率分別為83%、78%,出水總磷濃度分別為0.46,0.48mg/L,才略小于

0.5mg/L.在實際運行中,當系統(tǒng)進水負荷較大或有沖擊時,將難以有效保證出水的穩(wěn)定達標排放.而且,綜合其投加成本考慮(圖5),最佳量投加時,PAC投加成本小于其它藥劑,其成本為0.078元/t,而三氯化鐵和PFS投加成本則分別為0.084元/t及0.112元/t.

100

80)%(率60除去P40T200

40 50 60 70 投加濃度(mg/L)

圖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三氯化鐵

投加藥劑

圖5 最佳投加量下,各藥劑投加成本

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

optimal dosage

從除磷原理分析,徐豐果等[14]認為鐵鹽溶于

水后Fe3+可與PO43-反應生成難溶鹽(如FePO4

等).另外,其通過溶解和吸水可發(fā)生強烈水解,并伴隨各種聚合反應的發(fā)生,生成具有較長線性結(jié)構(gòu)的多核羥基絡合物,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.這些

含鐵的羥基絡合物通過壓縮雙電層、電中和、吸附架橋及絮體的網(wǎng)捕作用使膠體凝聚、沉淀而將磷去除.楊智寬等[15]認為鐵鹽去除水體中磷時,伴隨如下過程的發(fā)生:鐵的磷酸鹽[Fe(PO4)x(OH)3-x]沉淀;在部分膠體狀的氧化鐵

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或氫氧化物表面上磷酸鹽被吸附;多核氫氧化鐵懸浮體的凝聚作用,生成不溶于水的金屬聚合物.

鋁鹽除磷的原理一般認為當鋁鹽分散于水

-體時,Al3+一方面與PO43反應;另外,Al3+水解生成

-單核絡合物Al(OH)2+、Al(OH)2+及AlO2等,單核絡合物可通過碰撞縮合,形成一系列多核絡合物

-Aln(OH)m(3n m) +( n>1,m≤3n) ,這些鋁的多核絡合物可通過壓縮雙電層、吸附電中和等作用,有效去除水體中的磷.有學者研究后認為,鋁鹽除磷,特別是正磷酸鹽的去除,主要以生成氫氧化鋁的吸附作用為主[16],也有學者認為磷的去除效果取決于形成絮體的吸附能力及絮體在水體中的分布情況[17].

磷的去除也與磷酸根的存在形式、溶液的pH值及藥劑在水溶液中溶解的離子形態(tài)等有很大關系.對于本試驗而言,其試驗用水的pH值為8左右,污水經(jīng)生物處理后,水體中磷主要以溶解性磷為主,對于中性或稍偏堿性的污水,三氯化鐵

-對其中磷的去除主要通過Fe3+與PO43反應,生成FePO4、Fe(OH)3等,從而通過沉淀去除水體中的

-PO43,反應同時伴隨水解反應發(fā)生,生成一些難溶的絡合物[18](其形成與水體的pH有關),生成的絡合物主要通過如壓縮雙電層、吸附電中和等混凝作用除去水體中其它形式的磷(如難溶性磷、有機磷等).

聚鐵是在硫酸鐵分子簇的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中插入

-了羥基,形成以OH作為架橋形成多核配離子,聚鐵的鹽基度決定分子的聚合度,鹽基度越高,其分子聚合度越大,形成的羥基配合物也就具有更多的電荷和更大的表面積[19],由于試驗用水偏堿性,

-水體中的OH可提高分子的聚合度,從而使其形成的羥基配合物一定程度上具有更多的電荷和更大的表面積.另外,由于PFS屬于無機高分子聚合物,缺少鐵單體的存在.因此,當藥劑投加量較小時,其與磷酸根的結(jié)合稍遜于三氯化鐵,但隨著投加量的增加,其水解速度加快,水解生成具有羥基的磷酸鐵絡合物[20]增多.因此,反應后期主要通過吸附架橋及網(wǎng)捕等混凝作用去除水體中的磷(包括難溶解性磷、有機磷等).

聚合氯化鋁(PAC)是一種無機高分子聚合物,

成分包括單體鋁、二聚體鋁、多聚體鋁及聚十三鋁(A113)等多種鋁羥基配合物形態(tài)[21].向污染水

-體投加PAC后,Al3+可與PO43反應.由于試驗水樣pH值為7~8,在此條件下,聚合氯化鋁易發(fā)生水解聚合反應,形成鋁羥基多核配合物,這些多核絡合物往往具有較高的正電荷和比表面積,能迅速吸附水體中帶負電荷的雜質(zhì),中和膠體電荷,壓縮雙電層及降低膠體ξ電位,促進膠體和懸浮物等快速脫穩(wěn)、凝聚和沉淀,從而有效降低水體中的磷含量.

通過對化學除磷原理的研究發(fā)現(xiàn),化學除磷是一個綜合復雜的過程,主要包含兩個過程:金屬離子與磷酸根離子反應去除可溶性磷;金屬離子水解形成的絮狀絡合物對難溶性磷及有機磷等的混凝去除.兩個過程并不是獨立存在,而是通過綜合作用,實現(xiàn)對水體中磷的有效去除.

通過以上分析發(fā)現(xiàn):3種化學藥劑中,PAC投加后,除磷效果較好,而且投加量較低,出水效果穩(wěn)定,投加量為60mg/L時即可達到預期的除磷效果,其處理成本也較低,僅為0.078元/t.因此,通過對三種藥劑除磷效果及投加成本的對比分析,選取PAC作為生產(chǎn)性試驗的投加藥劑.

段金明等[22]通過燒杯試驗,也考察了聚合氯

氯化鐵(Fe有效含量化鋁(Al2O3有效含量28%)、

20.64%)及聚合硫酸鐵(Fe有效含量20.64%)對二級生物出水中磷的去除效果.研究表明,欲使TP濃度為1.735mg/L的二級出水經(jīng)混凝處理后,出水總磷濃度達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水體的水質(zhì)標準(TP≤

PFS的最佳投藥量分別為0.2mg/L),PAC、FeCl3、

40,20,25mg/L.

通過對比發(fā)現(xiàn),即使同種化學藥劑,用于污水化學除磷時,由于有效物質(zhì)含量的差異,產(chǎn)生的結(jié)果會有很大差別.因此,無論何種藥劑其處理效果都應通過試驗確定,而不能僅憑相關經(jīng)驗或文獻做參考.

2.2 生產(chǎn)性試驗

選取PAC為生產(chǎn)性試驗投加藥劑,好氧池出口端為藥劑投加點,PAC投加濃度分別為50,60,70mg/L.試驗測定好氧池出水總磷濃度為

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