微量磷的低成本去除技术

1、微量磷的低成本去除技术摘要：我国很多湖泊处于严重的富营养化状态。由于入湖河流水中含磷普遍高于湖泊富营养化危险水平，不能稀释城市污水处理厂出水。除去城市污水二级处理出水中微量磷是治理很多湖泊富营养化的必要措施。本文综述了各种除磷技术，着重分析了目前美国污水处理厂正在运行的出水磷浓度低于0.1mg/L的污水除磷技术及投资和运行成本。其中主要技术是生物脱氮除磷絮凝沉淀沙滤技术组成的工艺，该工艺所采用的主要技术在中国均有很好的建设和运行经验，而且投资和运行成本仅比我国正在运行的生物脱氮除磷工艺增加20，在经济上完全能够承受。作者建议，中国的城市污水处理厂，应根据湖泊水华治理的需要，增加三级除磷工艺，除

2、去城市污水厂二级处理出水中微量磷，为我国湖泊富营养化治理服务。关键词：除磷，富营养化，生物除磷，化学除磷，过滤一、引言防止淡水湖泊水华发生的主要措施是控制水中总磷浓度，使其低于产生水华危险的阈值浓度。通常需要将水中总磷浓度降低到0.01-0.02mg/L以下。经过二级处理的城市废水含磷量高达0.51.0mg/L，常常成为人口密集地区湖泊中磷的主要来源。例如，德国全面调研结果表明，水生生态系统中的60磷来自城市污水处理厂出水。美国也有类似的发展趋势。因此，在发达国家，很多污水处理厂采用三级处理，使出水总磷浓度0.01-0.1mg/L，例如，美国Spokane河流域要求污水处理厂出水总磷浓度低于0

3、.01mg/L，Onondaga湖流域要求污水处理厂出水总磷浓度低于0.02mg/L。在很多流域治理规划中，美国政府常要求城市污水处理厂在生物脱氮除磷工艺技术基础上增加三级处理，以除去微量营养盐。我国很多湖泊，处于人口密集和经济发达城市附近，城市污水经处理达标排放，其所含的污染物和营养盐浓度仍然过大，带来的营养盐常常使湖泊水中营养盐超过富营养化标准。例如，每年排入滇池的城市污水量为3.4亿方，而滇池的年进水总量为6.65亿方，当城市污水经处理后，含磷平均浓度为0.5mg/L，则给滇池的总磷平衡浓度贡献值将达到0.256mg/L。因此，必须制定更加严格的污水处理要求和出水含磷标准，才能达到湖泊富

4、营养化治理的目的。了解国外发达国家目前在城市污水处理工程中，所采用的除去污水中微量磷的技术，对于我国的污水处理事业和湖泊富营养化治理，是非常重要的。本文着重介绍污水除磷技术及美国在工程中应用情况。二、污水除磷技术污水除磷技术是上个世纪五十年代发展起来的，目前的主要除磷技术见表1。最早发展了化学除磷技术，目前还在广泛使用。化学沉淀技术是利用金属盐与溶解性磷酸根形成沉淀除去水中磷。使用非常灵活，可用于一级处理，二级处理，三级处理和侧流生物除磷。生物除磷技术是上个世纪六十年代开始发展，目前已成为污水处理厂除磷系统重要组成部分。其工作原理是使活性污泥系统中微生物在厌氧好氧交替环境下生长，筛选出以聚磷菌

5、为主的污泥，利用聚磷菌类微生物超量吸收磷的特性，通过泥水分离，使磷随活性污泥排出。生物除磷出水中溶解性磷通常大于0.02mg/L，同时，难以沉淀的活性污泥含磷量较高，难以保证生物除磷稳定达到0.5mg/L水平。但是，由于生物除磷不需要添加任何药剂，处理费用很低，是污水除磷处理首选工艺。过滤技术广泛应用在给水处理，后来，又引入到污水深度处理和回用方面，目前，已成为美国污水处理微量磷除去工艺的主要组成部分。过滤包括沙滤，膜过滤等，沙滤通常是利用砂或煤渣等做介质，过滤含有微量细小颗粒的水处理技术，通过过滤，降低水中微量颗粒含量，从而降低水中磷。膜过滤使用各种不同孔径的膜，分离水和固体颗粒。此外，结晶

6、法是利用晶种，通常用沙子，在晶种表面快速形成大颗粒磷酸钙晶体的方法，目前在荷兰已建立了数个工程。离子交换法利用阴阳离子交换树脂除去磷酸根和铵离子，然后与氯化镁形成磷酸铵镁沉淀。磁吸附是在磁性材料表面形成磷酸钙沉淀，然后在磁场中分离磁性材料和磷酸钙。还试验过其他吸附材料，主要包括氧化铝，白云石和红泥，它们的可行性还需要进一步研究。这些方法中大多数仅经过实验室研究，没有经过工程检验，投资和运行成本等还需要进一步实践。根据vanStarkenburg研究结果，结晶法的建设、运行和维护费用是化学沉淀法的二倍以上。磁吸附法的费用也类似。本文主要介绍国外能够将城市污水含磷量降低到0.01-0.05mg/L

7、的低成本工艺。表1污水除磷主要技术技术工艺总结进水主要输入污泥性质P形态成熟程度化学沉淀加金属盐絮凝沉淀磷一级,二级,三级,测流出水Fe，Al，Ca，高分子化学污泥金属磷酸盐商业化生物除磷聚磷菌超量吸收磷一级出水可能需要碳源如甲醇活性污泥生物磷商业化结晶形成磷酸钙晶体二级或测流出水NaOH或石灰乳，硫酸磷酸钙，砂磷酸钙 40-50%规模实验离子交换离子交换氨和磷酸根二级出水H3PO4, MgCl,NaCl,NaCO3,NaOH鸟粪石磷酸盐规模实验磁吸附分离磁性材料吸附二级出水磁铁矿，石灰磷酸钙为主磷酸钙规模实验三级过滤过滤二级出水介质污泥不溶解磷商业化吸附吸附分离污水氧化铝，或白云石，或红泥实

8、验室三、低浓度磷除去原理与工艺美国环保局今年四月公开的城市污水处理厂低浓度磷除去工艺实际运行效果的调研，如表2所示，主要工艺技术是污水生物除磷与加药絮凝过滤技术组合在一起的工艺，其中过滤包括沙滤，膜过滤和微孔过滤。达到很低浓度总磷的砂滤技术常包括两级过滤，第一级采用较大颗粒沙粒，除去水中固体颗粒，提高悬浮固体处理能力，第二级主要除去细小固体颗粒，提高过滤效果。主要絮凝化学药剂包括铁盐，铝盐和石灰及少量高分子絮凝剂。污水生物除磷后，水中磷主要以悬浮颗粒状态存在，还包括少量溶解性磷酸根离子，浓度低于0.1mg/L，投加絮凝剂后，溶解性磷酸根离子与金属离子的反应是非常迅速的，在几秒或几分钟内，就达到

9、平衡。溶解性磷酸根离子能够被降低到非常低的水平。污水生物除磷后，总磷浓度约为1mg/L，实际加药量约为50100mg/L，主要用于絮凝沉淀。由于形成大晶体颗粒的时间是一个相当缓慢的过程，水中会存在一些没有聚积的直径仅1um的颗粒，因此，投加的药剂的主要作用还包括促进微粒的凝聚沉淀。没有凝聚的较小颗粒粒子主要通过过滤法除去。将悬浮颗粒浓度降低到1mg/L以下，就能很好地保证出水总磷浓度低于0.05mg/L。表2 美国污水处理厂微量磷处理工艺污水厂处理能力 mgd (m3/d)工艺排放标准平均排放浓度 mg/LSand Creek WWRP Aurora, CO5BNR,过滤0.1-0.2Brec

10、kenridge S.D., Iowa Hill WWRP， CO1.5BNR,加药,三级沉淀,过滤0.5mg/L 225lbs/year0.055Breckenridge S.D., Farmers KornerWWTP, CO3BNR,加药,三级沉淀,过滤0.5 mg/l daily max & 225 lbs/year0.007Summit CountySnake River WWTP, CO2.6BNR,加药,三级沉淀,过滤0.5 mg/l日最大& 340 lbs/year0.015Pinery WWRF Parker, CO2BNR,二级过滤0.05 mg/l & 304 lbs/y

11、ear0.029Clean Water Services, Rock CreekWWTP, OR39加药，过滤0.1 mg/l0.07Clean Water Services, Durham WWTP, OR24BNR,加药,过滤0.11 mg/l0.07 mg/lStamford WTP Stamford, NY0.5加药，二级过滤0.2 mg/l0.011 mg/lWalton WWTP Walton, NY1.55加药，二级过滤0.2 mg/l0.01 mg/lMilford WWTP Milford, MA4.8多点加药，过滤0.2 mg/l0.07 mg/lAlexandria Sa

12、nitationAuthority AWWTP, Alexandria, VA54BNR,多点加药，三级沉淀，过滤0.18 mg/l0.065 mg/lUpper OccoquanSewerage Authority WWTP, VA42加药，过滤0.10 mg/l0.088Fairfax County, Noman Cole WWTP,VA67BNR,加药,三级沉淀,过滤0.18 mg/l0.061 mg/lDelhi, NY0.82活性污泥法，加药，过滤0.11 mg/l0.04 mg/lPine Hill WWTP, NY0.5生物转盘,砂滤,加药,微孔过滤0.2 mg/l0.06 mg

13、/lNYC DEP-Grand Gorge STP, NY0.5生物转盘,砂滤,加药,微孔过滤0.2 mg/l 0.04 mg/lHobart V PCF, NY0.18活性污泥法,砂滤,加药,微孔过滤0.5 mg/l 0.05 mg/lSnyderville Basin Water Reclaimation District, UT4BNR,加药，过滤0.1 mg/l0.04 mg/lAshland WWTP Ashland, OR2.3氧化沟，加药，膜过滤1.6 lb/day (= 0.083 mg/l)0.07 mg/lMcMinneville WWTP McMinneville, OR

14、5.6氧化沟，加药，膜过滤0.07 mg/l0.058 mg/l四、处理成本根据Jiang等对美国污水处理成本的研究结果16，我们这里主要比较生物脱氮除磷AAO工艺与AAO絮凝沉淀过滤工艺的投资和运行成本。从Jiang的研究结果可以看出，两种工艺的投资相差较小，不超过15，运行成本相差较大，约为50，其差别主要是污泥处理费用。美国的化学污泥与生物污泥处理要求相差较大，处理化学污泥费用比生物污泥大得多。在该计算中，AAO絮凝沉淀工艺产生的生物污泥和化学污泥混合后处理，大大增加了生物污泥处理费用。如果分别计算它们的费用，其中生物污泥费用与AAO工艺相同，则两种工艺运行成本相差约20（见表中成本修正

15、栏）。由于投加絮凝剂主要用于凝聚沉淀胶体颗粒，从而沉淀过滤除去微量磷，因此，絮凝过滤的投资和运行成本受生物除磷工艺系统运行状况影响较小。表3 污水处理100mgd (378500m3/d)投资和年运行成本（单位百万美元/年）工艺投资106$维护税等人员电药剂污泥处理运行总成本AAO306.612.266.136.612.803.7731.57AAO+絮凝过滤344.413.786.897.263.080.7523.2755.03AAO+絮凝过滤成本修正344.413.786.897.263.080.756.2538.01五、总结从美国环保局调研结果来看，目前在美国运行的能够除去微量磷的污水处理厂，主要采用生物脱氮除磷絮凝沉淀沙滤。其中生物脱氮除磷和絮凝沉淀技术在国内外已运行很多年；沙滤技术是一项非常成熟的给水技术，国内在污