鸟粪石工艺处理高浓度氮磷废水的研究
随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高,我国氮磷污染物的排放量急剧增加。在“一控双达标”过程中,对有机污水特别是工业有机废水进行了有效治理,但对氮磷污染基本上未加控制。氮磷污染所致的水体富营养化十分严重,湖泊“水华”及近海“赤潮”时有发生,越演越烈。水体富营养化已危害农业、渔业、旅游业等诸多行业,也对饮水卫生和食品安全构成了巨大的威胁。经济有效的控制氮磷污染已成为当前急待解决的重大环保课题。
鸟粪石,分子式为MgNH4PO4·6H2O,是一种难溶于水的白色晶体,常温下,在水中的溶解度积为2·5×10-13。通过投加化学试剂,可使废水中的氨和磷酸盐形成鸟粪石,实现对氮磷污染物的同时去除。此外,鸟粪石含有氮磷两种营养元素,是一种很好的缓释肥。日本已有公司成功的将鸟粪石推向化肥市场。
鸟粪石在水和碱中溶解度很低,采用形成鸟粪石的方法来去除废水中的氨氮和磷酸盐,具有高效简便的特点。
像电镀工业废水、畜禽养殖废水、垃圾填埋场渗滤液等均含有高浓度的氨氮,难以直接进行生物处理,通常需要预先采用物化法(如吹脱法)进行处理。
吹脱法要求pH高达10以上,且效率不高(不超过50%),易造成二次污染。
若用鸟粪石沉淀法处理,对pH条件的要求可比吹脱法降低,效率也更高。据Tünay等人对制革废水所作的试验,在pH为8~9的条件下,采用鸟粪石除磷法可使NH4+去除率高达75%以上。Li等人采用鸟粪石沉淀法,初始氨氮浓度在5618 mg·L-1的渗滤液在15分钟内降至210 mg·L-1,去除率超过96%。而pH则只需控制在8·5至9之间。Chimenos等人对NH4+-N初始浓度为2320 mg·L-1的染料废水的实验中,NH4+-N去除率也达到了90%以上。
磷一方面作为引起富营养化的关键因素,一方面又是十分宝贵的矿产资源。在现有的技术水平和经济水平下,世界上已探明的磷储备量仅够人类使用100年。由于鸟粪石可以直接作为肥料,因此被认为是最有前景的磷回收途径之一,第二届磷回收国际学术会议还为此特设专题,开展有关从污水中回收磷的研究。厌氧消化污泥上清液中含有较高浓度的NH+4-N和PO43--P,适合运用鸟粪石沉淀法进行处理。只要添加少量的Mg2+,即可以使废水中的各种离子的溶度积达到过饱和状态,形成鸟粪石沉淀。而且由于其SS较低,生产的鸟粪石纯度较高。Münch等人将厌氧消化污泥上清液引入一个带沉淀区的流化床反应器内,添加浓度为60%的Mg(OH)2泥浆,以获得足够的Mg2+和碱度。在进水PO43-浓度61 mg·L-1、pH调节8·5左右的条件下,PO43-去除率达94%,水力停留时间只需1h。对沉淀所作的分析发现,沉淀中的镉、铅、汞含量远远低于法定标准,P,Mg,N之比例分别为12·4%,9·1%和39%。
日本岛根(Shimane)县污水处理厂,安装有3套已运行的处理来自于该厂污泥消化液的鸟粪石回收装置。Mg(OH)2与NaOH以1∶1摩尔比例关系投入污泥消化液,以增加pH,使鸟粪石以小颗粒状在流化床内沉淀。磷回收装置目前能实现90%的溶解性磷酸盐回收,保证生物除磷达标运行。在实际废水处理中,鸟粪石沉淀法存在着种种限制因素。首先,许多废水中的氮磷浓度很高,但彼此之间的比例不能满足鸟粪石沉淀法的要求。在这种情况下,添加某些离子可以提高沉淀效率,但会增加处理成本。而且氮磷本身是废水处理的控制目标,添加过量会造成二次污染。过量的Mg2+的添加对鸟粪石沉淀法来说是必要的,因此,廉价的添加剂是鸟粪石沉淀法能否实际应用的关键。Mg(OH)2是比较理想的Mg2+添加剂,既增加Mg2+含量,又可提高pH。Mg(OH)2泥浆已在实际生产中运用。初沉池污泥和粪水中都有较高的钙镁含量,将它们和磷含量高的污泥混合也不失为一种调控Mg2+浓度的方法。Hwang等人采用这种方法,将初沉池污泥或粪水与过量摄磷后的污泥以0.67∶1的体积比混合,再加入100 mg·L-1的Mg2+后进行厌氧消化,总磷去除率可达40%~45%,总氮去除率可达35%~39%。若用海水或制盐工业中的废盐卤作为Mg2+添加剂,价格更为低廉。其次,废水的pH一般在6~8之间,而鸟粪石沉淀法所需的pH在8·5~9之间,需要采取一定的手段来提高废水的pH。但相对于其他的沉淀法,鸟粪石沉淀法所要求的pH条件要低,所需的化学试剂较少。
Battistoni通过实验证明,厌氧消化污泥上清液的CO2含量为35%~40%,仅仅通过曝气就可使pH提高到8·5以上。不但节约了添加药剂的费用,还可避免出现处理后废水盐度过高的情况。
日本北九洲Hiagari污水处理厂,安装有1个中试流化床鸟粪石沉淀反应器,处理污泥脱水上清液,使用海水作为鸟粪石沉淀的镁源。大约70%的溶解性磷酸盐通过曝气可以在反应器内完成沉淀,而不需投加化学药剂。
意大利Triviso污水处理厂,在污泥脱水上清液线路上安装了生产性鸟粪石结晶装置,采用吹脱方法沉淀磷酸盐。初步试验结果表明:55%~64%的进水磷酸盐能够沉淀到回收颗粒上。
鸟粪石的溶解度很低,形成鸟粪石可使废水中的氮磷得到有效去除。鸟粪石含有氮磷两种营养元素,是一种很好的缓释肥。调控pH和各离子浓度可显著影响鸟粪石沉淀法的脱氮除磷效果。获得廉价的Mg2+添加剂,是鸟粪石沉淀法实际应用的关键。鸟粪石沉淀法对于高浓度氮磷废水的处理具有很好的应用前景。
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