化学除磷辅助A~2_O工艺处理城市污水脱氮除磷研究.pdf

化学除磷辅助 A2/O 工艺处理城市污水脱氮除磷研究 * 胡猛1曹军2张艳2于洁3邢传宏3 1. 辉县市环境保护局， 河南 辉县 453600; 2. 郑州市污水净化有限公司， 郑州 450002; 3. 郑州大学水利与环境学院， 郑州 450001 摘要 针对碳源无法同时满足脱氮除磷需要， 采用化学除磷辅助常规 A2/O 工艺， 通过调控厌氧池侧流比来调控后续生 物池 COD/TN 比， 开展城市污水同步深度脱氮除磷研究。对比分析铝盐、 铁盐、 钙盐和镁盐除磷效果发现， 氯化镁是适宜 的化学除磷剂， 最佳 pH 为10. 00， 最佳配比 M Mg2 /M NH 4 /M PO 3 － 4 为1. 5∶1. 5∶1。综合考虑 TN 和 TP 去除效率， 侧流比为10时， 工艺出水 TN 和 TP 均达 GB 189182002 城镇污水处理厂污染物排放标准 一级 A 标准。 关键词 化学沉淀; A2/O 工艺; 脱氮; 除磷; 侧流比 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403008 STUDY ON DENITＲIFICATION AND DEPHOSPHOＲIZATION OF MUNICIPAL WASTEWATEＲ BY CHEMICAL PＲECIPITATION ASSISTED A2/O PＲOCESS Hu Meng1Cao Jun2Zhang Yan2Yu Jie3Xing Chuanhong3 1. Huixian Environmental Protection Bureau，Huixian 453600，China; 2. Zhengzhou Sewage Purification Co． ，Ltd， Zhengzhou 450002， China; 3. School of Water Conservancy ＆ Environmental Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China AbstractTo solve conflict needs for carbon source in bio- denitrification and bio- dephosphorization，chemical precipitation assisted A2/O process was employed to achieve simultaneous removal of nitrogen and phosphorus through regulating side flow ratio at the anaerobic tank． Batch test results indicated that among selected aluminum salts，ferric salt，calcium salt and magnesium salt，magnesium chloride was the most suitable chemical agent for phosphorus precipitation． The optimum pH was 10. 00 while the optimum ratio of Mg2 ∶ NH 4∶ PO 3 － 4 was 1. 5∶ 1. 5∶ 1． Comprehensive consideration，as side flow ratio of 10 the concentration of TN and TP in the effluent could meet the Level A Grade 1 of “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment” GB 189182002 ． Keywordschemical precipitation;A2/O process;bio- denitrification;bio- dephosphorization;side flow ratio * 国家水体污染控制与治理科技重大专项 2009ZX07210- 001- 001 。 收稿日期 2013 －07 －01 A2/O 是城市污水处理最常用的脱氮除磷工 艺 ［1 ］， 反硝化菌和聚磷菌对碳源消费存在竞争， 使得 碳源无法同时满足脱氮除磷的内在需求［2 ］， 从而导 致 A2/O 工艺难以同步实现良好的脱氮除磷， 碳源已 成为城市污水除磷和脱氮过程的主要限制因素［3 ］。 多年城镇污水处理厂运行数据表明， 仅靠生物除磷工 艺， 出水中 TP 浓度很难达到 GB 189182002城镇 污水处理厂污染物排放标准 一级 A 标准， 即磷酸盐 以 P 计 为 0. 5 mg/L［4 ］。采用化学除磷［5- 6 ］强化 A2/O 工艺， 将化学除磷所节省的碳源用于后续生物 脱氮， 或可使 A2/O 工艺同步实现理想的脱氮除磷， 从根本上解决我国城市污水的碳源无法同时满足脱 氮除磷需要的矛盾。 化学除磷是指通过投加化学药剂与磷酸盐反应生 成难溶络合物， 借助络合物表面吸附作用去除磷酸盐 的方法 ［ 7 ］。李京雄等［ 8 ］研究了钙盐、 铁盐和铝盐及聚 丙烯酸胺对经生物处理后的城市污水进行后置沉淀除 磷效果， 发现钙盐、 铝盐和铁盐在适宜的条件下均能获 得满意的除磷效率， 但只有铁盐的适用条件较接近待 处理原水的性质， 建议使用铁盐作为处理城市污水后 置除磷单元的絮凝剂。俞蕴芳等 ［ 9 ］报道了低药剂投加 量下的化学除磷效果， 尽管三氯化铁除磷效果较好， 但 92 水污染防治 Water Pollution Control 存在排放尾水色度较大的问题， 硫酸铝在低药剂投加 量下， 处理效果不好; 而聚合氯化铝无论是在低投加量 或高投加量下均具有良好的处理效果。 本文以城市污水为处理对象， 通过化学除磷间歇 批次小试筛选适宜的化学除磷剂， 进而开展化学除磷 池之厌氧富磷上清液磷回收连续中试， 改变侧流比以 调控后续生物池 COD/TN 比， 满足同步脱氮除磷对 碳源的需求， 为新建或提标改造城镇污水处理厂出水 TN 和 TP 稳定达标运行提供重要参考。 1试验部分 1. 1试验用水及接种污泥 试验进水取自北方某设计规模为 10 104m3/d 的大型城市污水处理厂旋流沉砂池， 已去除相对密级 ＞2. 65， 粒径 ＞0. 2 mm 的无机砂粒。 接种污泥取自该厂剩余污泥泵房， MLVSS/MLSS≈ 0. 75， 呈黄褐色。 1. 2试验装置与流程 工艺流程如图 1 所示。 图 1工艺流程 Fig．1Schematic of the experimental setup 进水首先进入厌氧池， 再经缺氧池进入好氧池， 最 后流入沉淀池出水。厌氧池内， 聚磷菌超量释磷因而 混合液中总磷浓度较高， 以侧流方式引出一部分厌氧 富磷混合液， 经斜板沉淀池的高效泥水分离后至化学 除磷池， 投加化学药剂除磷并以固体形式高效回收磷。 寡磷混合液用泵送至缺氧池， 再经好氧生物除磷后从 二沉池溢流堰出水。与此同时， 部分好氧硝化液泵送 至缺氧池， 在溶解氧浓度严格小于 0. 5 mg/L 的条件下 进行反硝化完成生物脱氮， 生成的氮气直排大气。 2结果分析与讨论 2. 1化学磷回收剂 试验进水 ρ TP 在 2. 99 ～ 9. 10 mg/L， pH 在 6. 7 ～7. 5。备选化学除磷药剂包括聚合氯化铝、 硫酸 铝、 三氯化铁、 石灰和氯化镁 需适量投加氯化铵 ， 均为化学纯。采用烧杯批次小试试验， 每组试剂均取 6 个1 L 水样放在六联搅拌机上， 分别加入除磷药剂， 快速 200 r/min 混合 1 min， 慢速 50 r/min 搅拌 20 min， 静置沉淀 30 min， 取上清液测 TP 和 pH。 2. 1. 1铝盐除磷效果 选用聚合氯化铝和硫酸铝为研究对象， 原水 ρ TP 分别为5. 2， 2. 99 mg/L， pH 分别为7. 30、 7. 47， 投加量为 40 ～ 140 mg/L， 试验结果如图 2 所示。由 图2 可知 随着铝盐投加量的增加， 出水 TP 浓度逐渐 降低， 去除率逐渐上升; 当铝盐投加量增加到一定程 度时 即 120， 140 mg/L ， 出水 TP 浓度和 TP 去除率 基本趋于稳定。在相同投加量下， 聚合氯化铝的去除 效果优于硫酸铝， 特别是在原水 TP 较高的条件下， 出 水 TP 浓度较低。聚合氯化铝最佳投药量为 100 mg/ L， 此时出水 ρ TP 为 0. 8 mg/L， 去除率为 86. 2。 图 2铝盐投加量与 TP 去除关系 Fig．2The relationship of dosage of aluminum salts with TP removals 2. 1. 2三氯化铁除磷效果 三氯化铁投加量与 TP 去除关系如图 3 所示， 当 原水 ρ TP 为 3. 2 mg/L， pH 为 7. 09 时， 随着三氯化 铁投加量增加， TP 去除率逐渐增加， 出水 TP 浓度逐 渐降低， 投加量为140 mg/L 时， 出水 ρ TP 为0. 9 mg/ L 时， 去除率为 71. 9。 2. 1. 3氢氧化钙除磷效果 试验原水 ρ TP 为 6. 7 mg/L， pH 为 7. 17， 投加 氢氧化钙的量为 200 ～1 200 mg/L 时， 氢氧化钙投加 量与 TP 去除关系如图 4 所示， 在 400 mg/L 投加量 下， 剩余 ρ TP 最低为 3. 0 mg/L， 总体来说采用氢氧 化钙去除 TP 效果较差， 而且采用氢氧化钙对水样 pH 03 环境工程 Environmental Engineering 图 3三氯化铁投加量与 TP 的去除关系 Fig．3The relationship of dosage of FeCl3with TP removals 影响较大 见图 4 ， 随着投加量的增多， pH 逐渐增 大， 投加量为 1 200 mg/L 时， pH 增大到 11. 74。 图 4氢氧化钙投加量与 TP 的去除关系 Fig．4The relationship of dosage of Ca OH 2with TP removals 2. 1. 4氯化镁除磷效果 鸟粪石沉淀法由于可以同时实现对氮、 磷的高效 去除和有效回收， 受到广泛关注且被认为是最具前景 的磷回收途径之一。当溶液中含有 Mg2 Mg 、 NH 4 N 以及 PO3 － 4 P ， 且离子浓度积大于溶度积常数 Ksp而处于饱和状态时， 会自发沉淀生成鸟粪石， 反应 式为 Mg2 NH 4 PO3 － 4 6H2O→MgNH4PO4 6H2O。 常温下， 在水中的溶度积为 2. 5 10 －13。鸟粪石的溶 解度随 pH 值的增高而降低， 升高溶液的 pH 值会促 进鸟粪石的结晶沉淀。溶液中 Mg2 Mg 、 PO3 － 4 P 的浓度以及 Mg2 Mg /PO43 － P 的比率也会影响 磷的回收率 ［10 ］。此外， 以鸟粪石的形式回收磷还与 结晶反应速率、 水力停留时间、 水温相关， 因此 pH 值、 Mg/P 比率、 结晶反应速率、 水力停留时间等是磷 回收的重要参数。 原 水 ρ TP为 9. 1 mg/L，pH 为 7. 48，按 M Mg2 /M NH 4 /M PO3 － 4 1∶ 1∶ 1比例投加药 量， 加入不同量的氢氧化钠调节 pH 7 ～ 11， pH 与 TP 去除率关系如图 5 所示。由图 5 可知 pH 在 10. 0 时， 剩余 ρ TP＜ 3. 9 mg/L， TP 去除率为 57. 14。 因此鸟粪石回收磷的最佳 pH 为 10. 0。 图 5 pH 与 TP 去除关系 Fig．5The relationship of pH with TP removals Mg2 / NH 4 /PO3 － 4 比例对磷回收的影响如图 6 所示， 在原水 ρ TP 为 13. 1 mg/L， pH 为 7. 12 时， 调 节 pH 10. 00。调节 M Mg2 /M NH 4 /M PO3 － 4 ， TP 去除率先随 Mg2 /NH 4 /PO3 － 4 比例增大而升高， 达到顶点后下降， 得出在试验条件下最佳M Mg2 / M NH 4 /M PO3 － 4 为 1. 5∶ 1. 5∶ 1。 综上所述， 选用铝盐作为化学除磷剂时， 在同样投 加量情况下， 聚合氯化铝的去除效果优于硫酸铝， 且出 水 TP 较低。聚合氯化铝最佳投药量为 100 mg/L， 每 mg 聚合氯化铝可去除 0. 044 mg TP， TP 去除率可达 86. 2。选用三氯化铁作为化学除磷剂时， 最佳投加 量为140 mg/L， 每 mg 三氯化铁可去除 0. 016 mg TP， 去除率为71. 9。采用氢氧化钙作为化学除磷剂时， 最佳投加量为 400 mg/L， 每 mg 氢氧化钙可去除 0. 012 mg TP， 去除率为55. 2。采用氯化镁作为除磷 剂， 最佳 pH 为10. 00 左右， 最佳 M Mg2 /M NH 4 / M PO3 － 4 为1. 5∶ 1. 5∶ 1， 每 mg 氯化镁可去除 0. 22 mg TP。从分析结果可知， 氯化镁是适宜的化学除磷剂。 2. 2化学除磷辅助 A2/O 工艺脱氮除磷 理论研究表明 ［11 ］ 每去除 1 mg/L 的 TN 约需 5 mg/L的 COD， 每去除 1 mg/L 的 TP 约需 25 mg/L 的 COD， 即去除 1 mg/L 的 TP 所需 COD 是去除 1 mg/L TN 所需 COD 的 5 倍。因此， 采用化学除磷 13 水污染防治 Water Pollution Control 图 6Mg2 /NH 4 /PO3 － 4 对磷回收的影响 Fig．6Effect of Mg2 /NH 4 /PO3 － 4 on phosphorus recovery 去除一小部分 TP， 既可节省较多的 COD 用于深度生 物脱氮， 又可削减生物除磷系统的负荷， 从而实现氮 磷的同步去除。 中试化学除磷单元采用 MgCl2作为除磷剂， 用 NaOH 调节化学除磷池内 pH， 以满足化学除磷反应条 件。好氧区溶解氧浓度 2 ～3 mg/L， 缺氧区溶解氧浓 度 ＜0. 5 mg/L， 硝化液回流比为 200， 污泥回流比为 100。通过改变厌氧池侧流比方式调节化学除磷的 程度， 间接调控生物处理单元 COD/TN， 进而改善脱氮 除磷效果。中试期间， 侧流比分别为 0、 5、 10、 20、 30时， 脱氮除磷运行效果如图7 所示。 中试期间， 进水 ρ TP 浓度为 3. 3 ～11 mg/L。由 图7 可知 未加前置磷回收时， 即侧流比为0时， 出水 TP 浓度仅达 GB 189182002 一级 B 标准。当侧流比 为5、 10 和 20 时， 出水 ρ TP＜0. 5 mg/L， 优于 GB 189182002 一级 A 标准。当侧流比从5提高到 30时， TP 去除效率呈先升高后降低趋势， 侧流比为 10时去除率达到最高值为99. 5， 之后 TP 去除率开 始下降， 当侧流比为 30时， TP 去除率下降至 82左 右， 出水 TP 无法达到 GB 189182002 一级 A 标准。 分析其原因 当侧流比增大时， 意味着化学除磷剂投加 量增加， 而当投加量过高时， 正磷酸盐将大量生成化学 沉淀， 从而不利于聚磷菌吸磷， 当储存的多聚物非常有 图 7不同侧流比下脱氮除磷效果 Fig．7Effect of side flow ratios on TN ＆ TP removals 限时， 聚磷菌不能在厌氧条件下吸收底物， 结果使聚磷 菌对比于非聚磷菌的一些优势都削减了 ［ 12 ］。 对 TN 而言， 进水 ρ TN 为 26 ～ 67 mg/L。由图 7 可知 未加前置磷回收时， 即侧流比为 0 时， 出水 TN 浓度仅达 GB 189182002 一级 B 标准。当调节 侧流比为5、 10、 20和30时， 均达 GB 18918 2002 一级 A 标准， 而且 TN 去除率随侧流比的增大而 增加。分析其原因 当侧流比增大时， 相应化学方法 去除掉的磷较多， 使得后续生物处理单元 COD/TN 升高， 有利于脱氮的进行。 总之， 当侧流比为 10， TP 去除率达最高值为 99. 5， TN 去除率达 70， 出水 TP、 TN 指标均达 GB 189182002 一级 A 标准， 脱氮除磷效果较好。 因此， 在现有常规 A2/O 工艺运行条件下， 辅以化学 除磷调控 COD/TN 是可行的。综合考虑， 选取侧流 比为 10时可实现同步脱氮除磷， 出水 TN 和 TP 稳 定达 GB 189182002 一级 A 标准。 3结论 采用化学除磷辅助常规 A2/O 工艺进行脱氮除 磷， 通过调节厌氧池侧流比方式调控生物处理单元 COD/TN， 确保后续生物处理 COD/TN/TP 在适宜范 围运行， 实现高效脱氮和深度除磷双重目标。主要结 论如下 23 环境工程 Environmental Engineering 1选用铝盐作为化学除磷剂时， 在同样投加量 情况下， 聚合氯化铝的去除效果优于硫酸铝， 且出水 TP 较低。聚合氯化铝最佳投药量为 100 mg/L， 每 mg 聚合氯化铝去除 0. 044 mg TP， 去除率可达 86. 2。 选用三氯化铁作为化学除磷剂时， 最佳投加量为 140 mg/L， 每 mg 三氯化铁去除 0. 016 mg TP， 去除率 为 71. 9。采用氢氧化钙作为化学除磷剂时， 最佳 投加量为 400 mg/L， 每 mg 氢氧化钙去除 0. 012 mg TP， 去除率为 55. 2。采用氯化镁作为除磷剂， 最佳 pH 为 10. 00 左 右，最 佳 M Mg2 /M NH 4 / M PO3 － 4 为 1. 5∶ 1. 5∶ 1， 每 mg 鸟粪石去除 0. 22 mg TP。从除磷效果分析可知， 氯化镁是适宜的化学除 磷剂。 2当侧流比从 5变化到 30 时， TP 去除效率 呈先升高后降低趋势， 侧流比为 10 时去除率达到 最高值 99. 5， 之后 TP 去除率开始下降; 当侧流比 为 30时， TP 去除率下降至 82左右， 出水 TP 未达 GB 189182002 一级 A 标准。而出水 TN 除各别情 况超过 15 mg/L 外， 均可达 GB 189182002 一级 A 标准， 而且 TN 去除率随侧流比的增大而增大。综合 TN 和 TP 去除效果， 选取侧流比为 10， TP 平均去 除率为 99. 5， TN 平均去除率为 70。 3化学除磷辅助常规 A2/O 工艺调控后续生物 池 COD/TN 从技术上讲是可行的。该工艺不仅可有 效解决困扰城镇污水处理厂多年运行存在的脱氮碳 源不足难题， 而且为我国城市污水高效回收无机磷提 供一种技术途径。 参考文献 ［1］李雷． 城市污水 A2/O 工艺脱氮除磷试验研究［D］． 西安 西安 建筑科技大学， 2012. ［2］姜欣欣． 基于 A/O/A 运行模式的 SBＲ 工艺脱氮除磷效能及其 微生物特性研究［D］． 哈尔滨 哈尔滨工业大学， 2011. ［3］侯红娟， 王洪洋， 李彤， 等． 化学/生物联合工艺处理城市污水研 究［J］． 工业水处理， 2005， 25 4 43- 45. ［4］王刚． 化学除磷在污水处理工艺中的运用［J］． 城市道桥与防 洪， 2009 4 70- 72. ［5］侯艳玲． 城市污水处理厂化学除磷工艺优化运行与控制系统 研究［D］． 北京 清华大学， 2010. ［6］王文超， 张华， 张欣． 化学除磷在城市污水处理中的应用［J］． 水科学与工程技术， 2008 1 14- 18. ［7］曹红． 化学除磷在中水回用工程中的运用和控制条件［J］． 环 境保护科学， 2010， 36 5 36- 37. ［8］李京雄． 化学除磷絮凝剂的选择［D］． 广州 广东工业大学， 2005. ［9］俞蕴芳， 顾俊． 城市污水化学除磷药剂的选择试验研究［J］． 污 染防治技术， 2010， 23 4 74- 76. ［ 10］王绍贵， 张兵， 汪慧珍． 以鸟粪石的形式在污水处理厂回收磷 的研究［J］． 环境工程， 2005， 23 3 78- 50. ［ 11］郝晓地． 可持续污水 － 废物处理技术［M］． 北京 中国建筑工业 出版社， 2006 101. ［ 12］祝贵兵， 彭永臻． 生物除磷设计与运行手册［M］． 北京 中国建 筑工业出版社， 2005 68- 69. 第一作者 胡猛 1969 － ， 工程师， 主要研究方向为水污染防治与管控。 通讯作者 邢传宏 1969 － ， 教授， 主要研究方向为水污染控制理论与 技术。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 chxing zzu． edu． cn 上接第 28 页 3结论与建议 1 城市生活污水属于低浓度、 低温有机废水， 在 常温、 低温条件时厌氧微生物生长缓慢， 普通厌氧反 应器不适合处理此类污水 ［5 ］。而气动 UASB 反应器 的启动及正常运行验证了其在常温下处理城市生活 污水的可能性。 2 进水 COD 浓度为 130 ～ 561 mg/L， 平均为 253 mg/L， 实现了低浓度启动的目标。 3 该反应器采用气循环搅拌而不是水力循环搅 拌， 生活污水本身有机物浓度较低， 水力循环会使得 浓度进一步降低， 而气循环避免了这种缺点。 4 该反应器常温下仅用 51 d 就完成了启动， 远 远优于普通 UASB 的启动时间 普通 UASB 反应器一 般为 3 ～6 个月 。其主要原因在于该反应器污泥床 区具有较高的气体上升流速 Ascensional Velocity ， 高的上升流速对污泥有良好的选择作用， 同时也增强 了生活污水与污泥之间的传质效率。 参考文献 ［1］王丹丹． UASB 反应器处理生活污水的试验研究［D］． 青岛 青岛理工大学， 2009． ［2］王新华， 管锡珺， 徐世杰， 等． 水力循环 UASB 反应器处理柠檬 酸废水［J］． 水处理技术， 2006， 32 11 61- 65． ［3］宋宏杰， 孔德芳， 陈涛， 等． 改良 UASB 处理酒精废水启动试验 研究［J］． 水处理技术， 2012， 38 4 80- 83． ［4］李玲燕， 傅金祥． UASB- BCO 工艺处理低浓度生活污水的试验 研究［J］． 山西建筑， 2009， 35 2 22- 23． ［5］雒文生． UASB 处理低浓度城市生活污水的中试试验［J］． 环 境工程， 2006， 24 5 89- 91． 第一作者 徐阳钰 1987 － ， 女， 硕士研究生， 主要研究方向为水污染 控制工程。xyy20071746163． com 33 水污染防治 Water Pollution Control