剩余污泥水解酸化液磷去除的影响因素研究

1、第1卷 第4期环境工程学报V o l . 1, N o. 42007年4月A pr. 2007剩余污泥水解酸化液磷去除的影响因素研究佟 娟 陈银广(同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海200092摘 要 城市污水厂剩余污泥水解酸化后可产生高浓度挥发性有机酸(V FA s, 其中的乙酸和丙酸是增强生物除磷(EBPR 工艺的有利基质。但水解酸化液中含有大量的磷, 如不进行处理就作为碳源回用到污水处理工艺中, 势必增加除磷负荷。利用鸟粪石沉淀法可以去除污水中的磷。对城市污水厂剩余污泥水解酸化液形成鸟粪石的影响因素进行了试验研究。结果表明, 在最佳工艺条件下, 正磷和总

2、磷的去除率分别可达9215%和8318%。关键词 鸟粪石 除磷 剩余污泥 水解酸化中图分类号 X70311 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2007 04-0001-05Factors i nfl uenci ng phosphorus re m ova l fro m centrifugate ofacidified excess activated sludgeTong Juan Chen Y i n guang(S tat e K ey Laborat ory of Poll u ti on C ontrol and Res ources Reuse , School of

3、 E nvironm ental Science and Engineeri ng , TongjiUn i versity , Shangha i200092Abst ract Excess activated sl u dge can y i e l d vo latile fatty aci d (VFAs w it h h i g h concentrati o n a fter hy -dro lysis and acidifica ti o n . Bo th acetate and pr opionate i n VFA s are the m ost su itab le ca

4、rbon substrates for en -hanced b iolog ical phosphor us re m ova l (EBPR, but there is large a m ount o f phosphorus i n the centrifugate of a -cidified ex cess activated sludge . W it h out phosphorus re m ova, l it would i n crease t h e loading of the w aste w ater treat m ent p lantw hen it recy

5、cles to the fron t of the p lant as car bon substrate . Phosphorus can be re m oved by stru -vite for m ati o n . This paper investigated the i n fluence facto rs o f phosphor us re m ova l fro m cen trif u gate o f acidified excess acti v ated sl u dge . The result show ed that t h e re moval rates

6、 of ort h o -phosphorus and total phosphor us w ere 9215%and 8318%, respecti v e l y , under the opti m a l cond iti o ns .K ey w ords str uv ite ; phosphor us re m ova; l ex cess activated sludge ; hydr o lysi s and ac i d ification 基金项目:国家高技术研究发展计划/8630项目(2004AA649330;霍英东基金项目(101080; 国家自然科学基金资助项目(

7、50678125收稿日期:2006-06-08; 修订日期:2006-10-07作者简介:佟娟(1977, 女, 博士研究生, 主要研究方向:污水处理. co m磷是造成水体富营养化的重要因素, 环境水体中总磷浓度达到0102m g /L, 水环境的生态平衡即被破坏。磷在生物圈中大部分是单向流动。而磷矿石的储量十分有限, 据估计全世界磷矿储量只能维持100年左右, 磷将成为人类和陆地生命活动的限制因素之一1。针对营养物质排放标准的不断提高, 以及磷危机问题, 污水处理技术向同时除氮磷并能回收磷的方向发展。市政污水中含有大量磷, 以往大多污水厂不做回收磷处理, 从而造成大量磷源流失。现在许多国家

8、都已非常重视从污水中回收磷。瑞典政府已经明确规定自2010年起, 国内消费磷的75%将来自于污水处理厂2。日本、意大利、澳大利亚、瑞典、荷兰等国均已有污水厂实现回收磷的生产。我国在这方面的研究则较晚。中磷的工艺, 不但可以同时去除污水中的氮磷, 而且生成的鸟粪石还是一种很好的肥料, 可在农业生产上再次利用。尽管已有关于厌氧消化上清液和污泥脱水滤液利用鸟粪石工艺除磷的研究35, 但这些研究中的液相COD 通常较低, 尚未有对剩余污泥水解酸化液进行研究的报道。城市污水厂剩余污泥水解酸化可溶出较多溶解性COD(SC OD 和高浓度挥发性有机酸(VFA s6。VFAs 中的乙酸和丙酸是增强生物除磷(E

9、BPR 的有利基质7。我国生活污水COD 较低, 可利用碳源较少, 不利于EBPR 工艺的运行, 通常需要外加碳源(如乙酸等 。若能够在进水中加入剩余污泥水解酸化液作为碳源, 不但可提高除磷效果, 还能减少污泥产量并能降低运行成本。但酸化液中含有大量的磷, 如不进行处理, 将增加污水处理工艺的除磷负荷。对水解酸化液除磷后再作为EBPR 工艺的碳源, 既可提高污水除磷效率, 又可回收鸟粪石, 实现循环利用。本文作者对鸟粪石工艺去除城市污水厂剩余污泥水解酸化液中磷的影响因素进行了研究。1 材料与方法1. 1 污泥水解酸化液从上海市某城市污水厂取得剩余污泥, 根据课题组以前试验研究得出的水解酸化产生

10、VFAs 的最佳条件6, 得到本研究所需的水解酸化液。以剩余污泥水解酸化离心液作为鸟粪石除磷试验的进水, 正磷90140m g /L、总磷105165m g /L、氨氮250650m g /L、镁1012m g /L、COD 为710012000m g /L。其他学者研究较多的厌氧消化液和污泥脱水液COD 较低, 多在2000mg /L以下, 而本试验所用的剩余污泥水解酸化离心液含有大量VF A s , 因此COD 也远高于其他研究中进水的COD 。1. 2 试验方法试验投加M g C l 2为镁源。在室温条件下, 在1L 的烧杯加入500mL 污泥水解酸化液, 以Na OH 和HC l 调解

11、p H, 投加M gC l 2#6H 2O 作为镁源, 利用磁力搅拌器进行烧杯试验。实验所用药品均为分析纯级别。1. 3 分 析水样均经过中速定性滤纸过滤后再进行检测。本研究重点分析了正磷、总磷、氨氮和COD 。各项指标均采用标准方法检测8。2 结果与讨论鸟粪石(MgNH 4PO 4#6H 2O, 即MAP, 是一种难溶于水的白色晶体。常温下, 在水中的溶度积为21510-13。其P 2O 5含量约为58%, 是一种极好的缓释肥, 自然界中的储量极少。当溶液中含有M g 2+、NH +4以及PO 3-4, 且离子浓度积大于溶度积常数时, 会自发生成鸟粪石, 反应式如下:M g 2+NH +4+

12、PO 3-4+6H 2O M g NH 4PO 4#6H 2O (1 用M gC l 2。2. 1 搅拌时间的影响在p H 916、M g B P=2B 1条件下, 进行搅拌时间对沉淀效果影响的试验。结果如图1图3所示。从10m in 到50m i n , 正磷去除率在8512%8713%之间波动, 总磷为7917%8119%, 氨氮为1113%1614%。可见, 反应时间的增长对氮磷的去除效果无明显影响, 这与文献报道的结果相似。Stratful 等9用自配水样进行实验, 研究显示, 从反应1m in到180m i n , 正磷的去除率仅提高了4%; Lee 等10在用鸟粪石方法去除养猪场废

13、水中的磷时发现, 在反应10m in 后, 氮磷的去除率变化不大。因此, 在以下的研究中都以10m i n 作为形成鸟粪石的反应时间。图1 搅拌时间对正磷的影响F i g . 1 Effect of reac tion ti m e on ortho -P re m oval图2 搅拌时间对总磷的影响F i g . 2 Effect of reaction ti m e on TP re m ova l图3 搅拌时间对氨氮的影响F i g . 3 Effect of reac tion ti m e on NH +4-N re m oval2. 2 p H 的影响虽然H +浓度不会直接影响溶液

14、中的离子平衡 浓度, 但是NH +4和PO 3-4的浓度受p H 的影响很大, 因此鸟粪石的形成与p H 有密切关系11。HPO 2-4=H +PO 3-4 p K a , 3=12136(2 H 2PO -4=H +H PO 2-4 p K a , 2=7. 2(3 H 3PO 4=H +H 2PO -4 pK a , 1=211(4NH +4W NH 3+H +(5p H 能影响鸟粪石的生成量:鸟粪石的溶解度随p H 的增加而减少12, 但当p H 大于9以后, 由于氨离子浓度将逐渐减小, 而磷酸盐浓度略有升高, 鸟粪石的溶解度也会有所增大13 。p H 还能影响鸟粪石的成分:若反应pH

15、为71510, 会有大量鸟粪石生成; p H 高于10, 沉淀的主要成分为更难溶的M g 3(PO 4 2(K sp =9. 810-25; p H 高于11, 沉淀的主要成分为M g(OH 210。大多数文献在研究污水中的磷用鸟粪石方法去除时, 采用的p H 范围为81010173, 9, 1416。因此, 本研究考查了M g B P=2B 1、搅拌10m in , p H 8151015范围内, pH 对磷和氨氮去除的影响, 结果见图4图6。图4、图5表明, 磷的去除率随着p H 升高而增加, 当pH 达到1010后, 磷的去除率已无明显变化。图6显示, 氨氮去除率在p H 815910的

16、变化不大, 之后去除率随p H 的升高而增长, pH 达到1010后, 氨氮去除率增长变缓, p H 从1010升高到1015, 氨氮去除率仅提高3%。因此确定最佳反应p H 值为1010。此外, 对检测结果进行曲线拟和, 发现氨氮和磷在去除过程中的变化规律基本符合乘幂函数(见图4图6的曲线拟合方程。 图4 p H 对正磷的影响F i g . 4 E ffect of p H on o rt ho -P re m ova l2. 3 镁磷比的影响镁离子含量是控制鸟粪石形成的另一个重要参数。镁磷摩尔比大于1时, 鸟粪石形成迅速。Ne-l 图5 p H 对总磷的影响F i g . 5 E ffec

17、t o f p H on T P removal图6 p H 对氨氮的影响F i g . 6 E ffec t of p H on NH +4-N rem ova l son 等11认为当p H 大于9时, 提高M g 2+浓度的效果并不显著。本试验对p H 1010、搅拌10m i n 时, 不同镁磷摩尔比对除磷效果的影响进行研究, 结果见图7、图8, 氨氮去除情况见图9。由图9可见, 随着镁磷比的增加, 氮磷去除率迅速提高。当镁磷比达到118B 1后, 氮磷的去除率均无明显变化。因此, 确定最佳镁磷比为118B 1。对检测结果进行曲线拟和, 发现氨氮和磷在去除过程中的变化规律基本符合乘幂函

18、数(见图7图9的曲线拟合方程。图7 镁磷比对正磷的影响F i g . 7 E ff ec t ofM g B P on o rt ho -P re m ova l2. 4 最佳工艺条件下各项指标的去除效果表1给出了在鸟粪石形成最佳条件下, 即p H =1010、M g B P=118B 1、搅拌10m i n 时对各项指标的去除效果。可见, 鸟粪石工艺对剩余污泥水解酸化液 图8 镁磷比对总磷的影响F i g . 8 E ffect ofM g B P on TP re m ova l图9 镁磷比对氨氮的影响F i g . 9 E ff ec t ofM g B P on NH +4-N rem

19、 ova l 图10 氮磷去除关系F i g. 10 R e l ation bet ween a mm oni um -n itrog enand phospho rus re m ova l中磷的去除效果非常好, 但对氨氮的去除效果较差。这是因为本试验用水的氮(以氨氮计 磷的摩尔比为713, 从前面的方程(1 可以看出, 对于形成鸟粪石沉淀来说, 氨氮大量过量。试验中氮磷去除关系如图10所示。去除的氮磷比为12之间, 即去除氨氮的量与原水中磷的含量有关。由于氨氮大量过量, 所以去除率仅在20%以内。理论上形成鸟粪石时氨氮与正磷的去除摩尔比为1B 1, 但在p H 为10搅拌过程中有小部分氨

20、氮挥发出来, 故试验过程中氮磷的去除比在12之间。此外, 表1显示, 采用鸟粪石工艺对COD 也有一定去除效果, 主要是因为在鸟粪石的晶体形成过程中产生的絮体吸附了部分有机物。另外, 在搅拌过程中, VF A s 的挥发也去除了部分C OD 。表1 各项指标去除效果Tab le 1I n fluen t and effluen t charac teristics项 目正 磷总 磷氨 氮COD 进水(m g/L97. 1117. 8588. 510564. 8出水(m g/L7. 319. 1515. 99956. 9去除率(%92. 583. 812. 35. 83 结 论(1 搅拌时间对氮

21、磷的去除率无明显影响, 反应在搅拌10m i n 内基本已经完成。(2 磷的去除率随着p H 的升高而提高, 当pH 达到1010后, 磷的去除率已无明显变化。氨氮去除率在pH 815910的变化不大, 之后随p H 的升高, 去除率逐渐升高; p H 达到1010后, 氨氮去除率增长变缓, 到p H 1015时去除率仅提高3%。(3 随着镁磷比的增加, 氮磷去除率迅速增加。当镁磷比达到118B 1后, 氮磷的去除率均无明显变化。(4 在鸟粪石最佳形成条件下, 即p H 1010, M g B P=118B 1, 搅拌10m i n , 对正磷的去除率可达9215%, 总磷达8318%, 氨氮

22、1213%, COD 为518%。参考文献1荆肇乾, 吕锡武. 污水处理中磷回收理论与技术. 安全与环境工程, 2005, 12(1 :29322汪慧贞, 王绍贵. p H 值对污水处理厂磷回收的影响. 北京建筑工程学院学报, 2004, 20(4:583Jaffer Y. , C l ark T. A. , Pea rce P. ,et a. l P otenti a l phos -phorus recovery by struv i te forma ti on . W ate r Res . , 2002,36(7:183418424Ba ttiston i P. , P aci B

23、. , Fa t one F. ,et a. l Phosphorus re -m oval from anaerob i c supe rnatants :Start -up and steady -sta te conditi ons of a fl u i d i zed bed reactor ful-l sca l e plant . Industrial &Eng i neer i ng Che m i stry R esearch , 2006, 45(2:6636695M nch V. E. , Barr K. Con tro ll ed struv ite cry sta l

24、lizati on forre m ov ing pho spho rus from anaerob ic d i gester sidestrea m s . W a ter R es . , 2001, 35(1:1511596Y uan H. Y. , Chen Y. G. , Zhang H. X. , e t a. l I mprovedb i oproduction o f short -chain fa tty ac i ds (SCFA s fro m ex -sl udge ne cond ons . m en tal ience and T echno l ogy , 20

25、06, 40(6:202520297Chen Y. G. , R andall A. A. , M c Cue T. T he e fficiency o fenhancedb i o l og ica lpho spho rusremova lfromrealw aste w ater a ffected by diff e rent rati o of acetic to prop i onic aci d . W ater R es . , 2004, 38(1 :27368国家环境保护总局水和废水检测分析方法编委会.水和废水监测分析方法(第四版. 北京:中国环境科学出版社, 20029

26、Stratf u l I . , Scri m sha w M. D. , L este r J . N. Cond iti ons i n -fl uenc i ng the prec i p itati on of magnes i u m a mm oniu m phos -phate . W ater R es . , 2001, 35(17:4191419910L ee S . I . , W eon S . Y. , L ee C . W. , et a. l R e m oval of n-itrogen and pho sphate fro m w astew ater by addition of b i -t tern . Che m osphere , 2003, 51:26527111N e l son N. O. , M ikkelsen R. L. , H esterberg D . L. Struv iteprec i p i tati on i n anaerob i c s w i ne lagoo