污水除磷及回收技術(shù)

　磷來源于不可再生的磷礦石,通過化肥、農(nóng)作物、人和動物,最終經(jīng)填埋處理回到土壤中

。磷是一種不可再生的資源,如果不對磷進行回收,百年之后將會影響到人類正常的生產(chǎn)和生活。污水中的磷主要來自生活污水中的含磷有機物、合成洗滌劑、工業(yè)廢液、化肥農(nóng)藥以及各類動物的排泄物。如污水沒有完全處理,磷還會流失到江河湖海中,造成這些水體的富營養(yǎng)化。除磷方法可分為物化除磷法和生物除磷法及人工濕地除磷法。物化除磷法包括化學(xué)沉淀法、結(jié)晶法、吸附法。根據(jù)磷在污水中不同的存在方式,應(yīng)采用不同的除磷技術(shù)。1 　污水除磷方法

1. 1 　化學(xué)沉淀法
化學(xué)沉淀法除磷的基本原理是通過投加化學(xué)藥劑形成不溶性磷酸鹽沉淀,然后通過固液分離將磷從污水中除去,根據(jù)使用的藥劑可分為石灰沉淀法和金屬鹽沉淀法。化學(xué)沉淀法具有管理方便、占地面積小、投資省、處理效率高等優(yōu)點,但化學(xué)沉淀法投加藥劑費用太貴,且產(chǎn)生的化學(xué)污泥含水量大,脫水困難,難以處理,容易產(chǎn)生二次污染[ 1 ] 。

根據(jù)加藥點的不同,化學(xué)沉淀法除磷工藝可分為預(yù)沉淀、同步沉淀、后沉淀及兩點加藥工藝。這幾種工藝可以結(jié)合應(yīng)用,但要注意混合與反應(yīng)條件,通過紊流擴散與混合作用會出現(xiàn)良好的沉淀效果[ 2 ] 。
1. 2 　結(jié)晶法
在污水中,特別是城市污水廠剩余污泥處理后的上清液及養(yǎng)殖廢水中,含有濃度較高的磷酸鹽,氨氮、鈣離子、鎂離子及重碳酸鹽堿度,通過人為改變條件(提高pH 值或同時加入藥劑增加金屬離子濃度) ,使不溶性晶體物質(zhì)析出,主要是磷酸銨鎂晶體與羥基磷酸鈣。

結(jié)晶法除磷效率高,出水水質(zhì)好,當(dāng)其他水質(zhì)指標(biāo)達到規(guī)定值時,出水可滿足中水回用的要求;結(jié)晶法除磷使水中的磷在晶種上以晶體的形式析出,理論上不產(chǎn)生污泥,不會造成二次污染;結(jié)晶法除磷操作簡單,使用范圍廣,可用于城市生活污水廠二級出水的深度處理、去除污泥消化池中具有較高磷濃度的上清液等[2 ] 。
1. 3 　吸附法
吸附法除磷是利用某些多孔或大比表面積的固體物質(zhì),通過磷在吸附劑表面的附著吸附、離子交換或表面沉淀來實現(xiàn)污水的除磷過程。吸附除磷的過程既有物理吸附,又有化學(xué)吸附。對于天然吸附劑主要依靠巨大的比表面積,以物理吸附為主,而人工吸附劑較之天然吸附劑孔隙率及表面活性明顯提高,以化學(xué)吸附為主[ 3 ] 。天然的吸附劑有粉煤灰、鋼渣、沸石、膨潤土、蒙托石、凹凸棒石、海泡石、活性氧化鋁、海棉鐵等;人工合成吸附劑在低磷濃度下仍有較高的吸附容量,有著巨大的優(yōu)越性?，F(xiàn)在已有Al ,Mg ,Fe ,Ca , Ti ,Zr 和La 等多種金屬的氧化物及其鹽類作為選擇材料。
1. 4 　生物除磷法
在厭氧區(qū)(無分子氧和硝酸鹽) ,兼性厭氧菌將污水中可生物降解的有機物轉(zhuǎn)化為VFAs(揮發(fā)性脂肪酸類) ,在厭氧條件下,聚磷菌吸收了這些以及來自原污水的VFAs(VFAs 主要來自于污水中可生物降解的組分,生活污水中的VFAs 大約為總有機物的40 %～50 %左右) ,將其運送到細胞內(nèi),同化成細胞內(nèi)碳能源儲存物(PHB) ,所需能量來源于聚磷的水解及細胞內(nèi)糖的酵解,并導(dǎo)致磷酸鹽的釋放。進入好氧狀態(tài)后, 這些專性好氧的聚磷菌(PAOs) 活力得到恢復(fù),并以聚磷的形式攝取超過生長需要的磷量,通過PHB 的氧化分解產(chǎn)生能量,用于磷的吸收和聚磷的合成,磷酸鹽從液相中去除,產(chǎn)生的富磷污泥,通過剩余污泥排放,磷從系統(tǒng)中得以去除。
反硝化聚磷菌(DPB) 能在缺氧(無分子氧有硝酸鹽) 環(huán)境下攝磷,反硝化除磷細菌DPB 利用硝酸鹽為電子受體,產(chǎn)生生物攝磷作用。在生物攝磷的同時,硝酸鹽被還原為氮氣,這使得攝磷和反硝化脫氮這兩個不同的生物過程能夠利用同一類細菌、在同一個環(huán)境中完成。
1. 5 　人工濕地法
濕地對磷有很好的去除效果,理論上人工濕地對磷的去除是植物吸收、基質(zhì)的吸附過濾和微生物轉(zhuǎn)化三者的共同作用,各種附著生長和懸浮在水中的微生物,在生長繁殖過程中可以吸收和利用污水中的無機磷酸鹽。部分研究發(fā)現(xiàn):人工濕地植物根區(qū)磷酸酶活性與總磷的去除率相關(guān)性不是十分顯著[ 4 ] 。也有研究表明,濕地生態(tài)系統(tǒng)中的磷主要被截留在土壤中,而在植物體內(nèi)和落葉中很少,而且僅有少數(shù)的水生植物可以吸收磷[6 ] ,大多數(shù)種類植物的根部對磷的吸收能力較弱,所以植物和微生物對磷的去除起得作用不大,不是除磷的主要過程。所以最主要的是基質(zhì)對磷的吸附和沉淀作用。
一般濕地的除磷效率不是很高,在40 %～60 %之間[ 5 ] 。為了提高除磷效果,基質(zhì)的選取有著重要的作用。目前常有的基質(zhì)主要有:浮石、砂、活性多孔介質(zhì)(L ECA) 、硅灰石和工業(yè)廢棄物的高爐渣和石灰等。
2 　磷回收
從磷的可持續(xù)發(fā)展、回收磷潛在的市場價值的角度來看,磷的回收勢在必行。在目前對污水回收磷的研究與應(yīng)用中,以鳥糞石形式回收磷的實例居多,其次是磷酸鈣和磷酸鋁。鳥糞石(磷酸銨鎂) 含有氮、磷元素,所以其回收必然會降低剩余污泥中的氮、磷含量,特別是對于磷元素的影響將非常明顯。污水中氮磷比通常為8∶1 ,而鳥糞石中二者比例為1∶1 ,所以理論上回收鳥糞石可以使污水中的氮降低12. 5 %[ 6 ] 。
如圖1 所示,在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)Mg2 + ,NH4+ 以及PO4
3 - 濃度較低,
且都以離子狀態(tài)存在,不產(chǎn)生沉淀;不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)Mg2 + ,NH+4 以及PO43 - 濃度較高,其離子積大于溶度積,極易生成顆粒微小的晶體(即化學(xué)沉淀) ,沉淀法形成的化學(xué)污泥含水率高,磷酸鹽也難以達到太高的純度,回收困難;兩曲線之間的這個區(qū)稱為亞穩(wěn)區(qū),這時Mg2 + ,NH+4 以及PO4
3 - 離子積小于濃度積,通常不會產(chǎn)生沉
淀。若在反應(yīng)器中投加晶種,則可以加快晶體成核速度,使其結(jié)晶于晶體表面,同時有利于晶體與水的分離,減少因晶粒微細所造成的隨出水流失,以提高除磷效率與回收率。所要做的就是將反應(yīng)控制在亞穩(wěn)定區(qū),這時磷酸銨鎂反應(yīng)處在結(jié)晶過程,晶體可以自發(fā)的析出到晶種上,以此實現(xiàn)磷的回收。

目前荷蘭開發(fā)出DHV —結(jié)晶法,南非開發(fā)了CSIR 流化床,日本有Kurita 固定床—結(jié)晶沉淀。
另外,對污泥進行加熱是一種實現(xiàn)磷回收的簡單有效的方法,在70 ℃對污泥加熱1 h ,能使生物固體中的聚磷酸鹽大量分解釋放,再加入氯化鈣進行沉淀,能獲得污泥中總磷的75 %左右;還可以利用具有高吸附能力的物質(zhì)對磷吸附截留實現(xiàn)磷回收,反應(yīng)所得混合物可以用來作肥料。
3 　結(jié)語
隨著時代的發(fā)展,污水除磷技術(shù)也在不斷地進步,可以根據(jù)不同的條件,合理選擇不同的除磷方法,以期達到最好的效果。當(dāng)前,為了實現(xiàn)磷的可持續(xù)發(fā)展,有必要從現(xiàn)在起研發(fā)從污水或污泥中分離磷的技術(shù),最大限度地實現(xiàn)污水磷回收。無論是應(yīng)用廣泛的化學(xué)沉淀法、生物處理法,還是日益受到重視的吸附法和結(jié)晶法,都存在各自的弊端,因此,還需進一步加強對除磷技術(shù)的基礎(chǔ)研究,研制開發(fā)適合我國國情的新型除磷工藝。