磷回收技術(shù)在歐洲污水處理廠的工程應(yīng)用
在全球許多資源例如磷逐漸短缺的情況下，近些年來(lái)從污水或污泥中抽提磷的技術(shù)愈來(lái)愈受到重視。在許多市政污水處理廠和工業(yè)廢水處理廠內(nèi)，可通過(guò)引入相應(yīng)措施和設(shè)備之后有效地將污水污泥內(nèi)所含有的磷抽提取出。
1 磷回收工程的應(yīng)用限制因素
原則上說(shuō)，在污水處理廠的各污水處理和污泥處理工段內(nèi)都可以進(jìn)行磷回收處理。圖1顯示了磷回收技術(shù)在污水處理廠內(nèi)最主要的應(yīng)用場(chǎng)所：
1) 在污泥脫水機(jī)房的回流工藝水(污泥脫水后的上清液)內(nèi)進(jìn)行磷回收①；
2) 在污泥消化塔和污泥脫水機(jī)房之間的消化污泥內(nèi)進(jìn)行磷回收②。
在污泥消化期間，一部分被返溶，會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致后續(xù)污泥脫水性能的下降。因此，在此處進(jìn)行磷抽提回收不僅可以回收磷肥，還可以進(jìn)一步提高后續(xù)污泥的脫水性能。此外，還可以降低回流液體內(nèi)的磷含量，即中斷裝置內(nèi)磷返回途徑或磷返回負(fù)荷。
但必須指出，在此處進(jìn)行磷回收時(shí)，污水處理廠內(nèi)必須具有運(yùn)轉(zhuǎn)良好的增強(qiáng)型生物除磷污水處理系統(tǒng) (Bio-P) 作為前提條件。
從單污泥焚燒爐的污泥灰燼內(nèi)進(jìn)行磷回收③
圖1 污水處理廠內(nèi)的磷回收地點(diǎn)
在污水處理廠的進(jìn)水區(qū)域和出水區(qū)域沒(méi)有標(biāo)出磷回收地點(diǎn)，這是因?yàn)橐后w內(nèi)磷濃度太低，很難進(jìn)行磷抽提回收。但如果在污水或工藝流程水內(nèi)含有很高的磷濃度時(shí)，則此時(shí)也可以采用各種類(lèi)型的提磷工藝在液體內(nèi)直接進(jìn)行磷回收。這種應(yīng)用情況主要是在一些工業(yè)領(lǐng)域，例如奶酪業(yè)或土豆加工業(yè)。
在上述提及的磷回收情況中，應(yīng)用最為廣泛的是從市政污泥固體物質(zhì)或污泥灰燼內(nèi)定向抽提回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。主要原因是在污水處理或污泥處理過(guò)程中所產(chǎn)生的固體物質(zhì)內(nèi)含有很高濃度的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。但這些從固體物質(zhì)提磷的處理工藝十分繁瑣昂貴，必須事先采用生物，化學(xué)和機(jī)械方法，將和污泥或灰燼結(jié)合在一起的磷轉(zhuǎn)化成溶解性的正態(tài)磷之后才能進(jìn)行提磷回收。
與此相反，雖然液相內(nèi)的磷含量濃度較低，但在液相內(nèi)進(jìn)行提磷回收的處理工藝則明顯簡(jiǎn)單容易。此時(shí)采用的提磷回收工藝是利用了沉淀結(jié)晶原理，可以快速簡(jiǎn)單地整合安裝在污水處理廠內(nèi)。這些處理工藝在近些年來(lái)已經(jīng)變得十分成熟，目前已在全球許多大型污水處理廠內(nèi)獲得成功應(yīng)用。
2 從液體中回收MAP的各種提磷方案
目前在歐洲已經(jīng)有許多從液相內(nèi)提磷回收技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)化成工業(yè)規(guī)模的處理工藝，并且在市政污水處理廠內(nèi)獲得成功應(yīng)用。在表1內(nèi)列出了這些處理工藝，即:
1) 從污水或過(guò)程水內(nèi)進(jìn)行磷回收
2) 從脫水污泥的上清液內(nèi)進(jìn)行磷回收
3) 從消化污泥的液相內(nèi)進(jìn)行磷回收
采用這些處理工藝的基本前提條件是：污水處理廠具有運(yùn)轉(zhuǎn)良好的生物除磷功能，或者在污水/工藝流程水中含有很高的磷和氨氮濃度。在這些領(lǐng)域內(nèi)采用的磷回收工藝在工作原理類(lèi)似，即基本上都采用沉淀結(jié)晶處理方法。不同處理工藝之間的一些差別在于:
1) 反應(yīng)罐體的幾何形狀
2) 所設(shè)置的pH值(通過(guò)吹脫或者投加NaOH來(lái)提升pH數(shù)值)
3) 所采用的沉淀劑類(lèi)型(采用MgO或者MgCl2)
4) 反應(yīng)罐體內(nèi)的攪拌方式(采用機(jī)械攪拌或者氣體攪拌)
5) 所選用的固液分離技術(shù)或者結(jié)晶顆粒物質(zhì)的分離回收技術(shù)(沉淀方法，水力旋流方法，離心方法，配置或不含洗滌清理設(shè)備的過(guò)濾方法，或者根本就不進(jìn)行分離，將結(jié)晶顆粒直接存留在污泥內(nèi))
6) 產(chǎn)品形式(小型結(jié)晶顆粒，大型球狀結(jié)晶體等)。
表1 在歐洲已經(jīng)實(shí)施工程的MAP回收工藝一覽
備注：這些項(xiàng)目是目前在歐洲的調(diào)查結(jié)果，均為目前實(shí)際在運(yùn)轉(zhuǎn)的處理工藝和設(shè)備。
2.1 采用NuReSys -工藝在污水/工藝流程水內(nèi)進(jìn)行磷回收
NuReSys 處理工藝主要用于直接對(duì)污水/工藝流程水的提磷回收。這一磷回收工藝是在2個(gè)工藝步驟或反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。在第一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，被處理液流受到曝氣處理并投加NaOH藥劑，使反應(yīng)罐內(nèi)的pH 值控制在所需要的數(shù)值。在后續(xù)第二個(gè)反應(yīng)罐內(nèi)，則通過(guò)投加MgCl2來(lái)形成MAP結(jié)晶顆粒。這一結(jié)晶反應(yīng)器是全混合反應(yīng)罐，所形成的結(jié)晶顆粒是在反應(yīng)罐的下部排出。NuReSys公司計(jì)劃今后不僅將此處理工藝用于污水/工藝流程水，還將進(jìn)一步擴(kuò)展到污泥水領(lǐng)域和市政污泥液相領(lǐng)域，進(jìn)行MAP沉淀結(jié)晶和磷回收。
圖2 NuReSys - 處理工藝流程
2.2 采用PEARL (Ostara) - 工藝在脫水污泥的上清液內(nèi)進(jìn)行磷回收
PEARL (Ostara) - 處理工藝主要用于直接對(duì)污泥水進(jìn)行提磷回收。此時(shí)在一個(gè)流化床反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)投加氯化鎂和氫氧化鈉(反應(yīng)器內(nèi)pH值被調(diào)節(jié)設(shè)置在7.2和8.0之間)，可在反應(yīng)器內(nèi)沉淀形成MAP。被處理的污泥水從下向上穿流反應(yīng)罐。作為補(bǔ)充，一部分污泥水進(jìn)行內(nèi)部環(huán)流，產(chǎn)生流化效應(yīng)。也因?yàn)檫@一原因，這一處理工藝所需要的反應(yīng)器體積和相應(yīng)投資費(fèi)用就變得很大。
MAP的長(zhǎng)晶，或者說(shuō)MAP圓形大顆粒的形成(Crystal Green Product)是在反應(yīng)器內(nèi)鳥(niǎo)糞石結(jié)晶種基礎(chǔ)上形成。在流化床內(nèi)，晶種始終不斷地與新沉淀的MAP相接觸，并逐漸變大。直到晶體直徑長(zhǎng)大至6 mm 時(shí)，因?yàn)轭w粒本身重量原因下沉至反應(yīng)器底部，此時(shí)MAP以產(chǎn)品形式排出裝置。這些MAP產(chǎn)品后續(xù)還必須進(jìn)行干燥處理。
根據(jù)加拿大Ostara公司的產(chǎn)品說(shuō)明，這些MAP顆粒產(chǎn)品 (Crystal Green) 內(nèi)不含有機(jī)微污染物質(zhì)和治病微生物，重金屬含量甚至低于傳統(tǒng)的磷肥標(biāo)準(zhǔn)。 Crystal Green 產(chǎn)品的市場(chǎng)銷(xiāo)售目前是由Ostara公司自己進(jìn)行。
圖3 PEARL (Ostara) - 處理工藝流程
2.3 采用AirPrex - 工藝在消化污泥的液相內(nèi)進(jìn)行磷回收
AirPrex – 處理工藝是由德國(guó)柏林水務(wù)公司(BWB)研制開(kāi)發(fā)，并在2001年申報(bào)專(zhuān)利。德國(guó)PCS咨詢(xún)公司在2006年購(gòu)買(mǎi)了這一專(zhuān)利的銷(xiāo)售許可權(quán)，目前在歐洲市場(chǎng)上獨(dú)家銷(xiāo)售這一磷回收處理技術(shù)。在不更改工藝流程情況下，可以十分簡(jiǎn)單地在市政污水處理廠內(nèi)整合增加AirPrex - 處理工藝，即一般可以在消化塔后面直接安裝AirPrex 裝置。
圖4 荷蘭Wieden-Echten污水廠內(nèi)的AirPrex -處理工藝流程
消化污泥直接泵送進(jìn)入一個(gè)反應(yīng)罐內(nèi)，并進(jìn)行曝氣吹脫處理。通過(guò)CO2 吹脫處理，可將pH值提高至8.0。與此同時(shí)在反應(yīng)罐內(nèi)投加氯化鎂藥劑，從而沉淀形成MAP/鳥(niǎo)糞石。消化污泥在反應(yīng)罐內(nèi)的平均停留時(shí)間大約為8h，反應(yīng)罐內(nèi)的pH值被設(shè)置在7.8~8.5。
通過(guò)MAP沉淀反應(yīng)，污泥液相內(nèi)的正態(tài)磷濃度可以最高降低至大約90%。形成的鳥(niǎo)糞石以結(jié)晶顆粒形式被洗滌分離，然后排出裝置。此時(shí)必須注意，結(jié)晶顆粒的形狀或體積必須達(dá)到一定程度之后才能被有效分離。與此同時(shí)，液相內(nèi)PO4-P濃度被降低在10和20 mg/L范圍以?xún)?nèi)，從而明顯降低了磷返回負(fù)荷。
產(chǎn)生的MAP顆粒物質(zhì)是一種具有市場(chǎng)潛力的產(chǎn)品，十分容易被回收利用。其中含有Mg, P 和N多種營(yíng)養(yǎng)元素，是一種營(yíng)養(yǎng)成分很高的植物肥料。并且多年來(lái)的實(shí)踐工作已經(jīng)證明，這些產(chǎn)品可以很好地作為肥料直接用于植物。在將產(chǎn)品內(nèi)的有機(jī)物成分洗滌去除之后，鳥(niǎo)糞石也是許多肥料配方中的主要成分。
因?yàn)閺奈勰嘀蟹蛛x結(jié)晶顆粒相對(duì)較為困難，因此磷回收效率也相對(duì)較低。這一處理工藝經(jīng)常被認(rèn)為是一種污泥處理工藝而不是一種磷回收處理工藝。
與其它磷回收處理工藝相比較，這一處理工藝通過(guò)降低消化污泥內(nèi)的正態(tài)磷濃度和同時(shí)增加二價(jià)金屬離子的濃度，可以明顯降低污泥的親水能力。這些化學(xué)反應(yīng)使得后續(xù)污泥脫水時(shí)形成的絮凝塊更為結(jié)實(shí)穩(wěn)定，污泥脫水后固含量一般可以提高3%~5%DS。
在此項(xiàng)目中，對(duì)初級(jí)污泥和次級(jí)污泥進(jìn)行分別處理：
1) 對(duì)于初級(jí)污泥來(lái)說(shuō)，處理工藝保持原來(lái)方式。從初沉池排出的初級(jí)污泥進(jìn)入傳統(tǒng)消化塔進(jìn)行消化處理，然后進(jìn)行脫水處理。
2) 對(duì)于生物剩余污泥來(lái)說(shuō)，主要工藝流程是由以下部分組成: 通過(guò)污泥濃來(lái)縮富集剩余污泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，污泥熱水解和污泥消化處理(LysoGest-處理工藝)，然后通過(guò)AirPrex-處理工藝進(jìn)行磷回收。
通過(guò)采用的熱水解作為剩余污泥的預(yù)處理，許多難以分解的基質(zhì)，例如蛋白質(zhì)和多糖物質(zhì)被轉(zhuǎn)化成容易被微生物分解吸收的物質(zhì)。同時(shí)在剩余污泥累積儲(chǔ)存的磷以正態(tài)磷形式被釋放，然后在污泥消化之后采用AirPrex-處理工藝進(jìn)行磷回收處理。
通過(guò)上述方式對(duì)初級(jí)污泥和剩余污泥進(jìn)行分別處理，可為用戶(hù)帶來(lái)以下好處：
1) 生物剩余污泥在此作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)存庫(kù)，其中碳物質(zhì)可轉(zhuǎn)為甲烷，而在剩余污泥內(nèi)儲(chǔ)存的磷物質(zhì)釋放程度最大可達(dá)90%，可作為肥料被回收利用。
2) 如果將磷含量很低的初級(jí)污泥和生物剩余污泥相分離，AirPrex-處理工藝的磷回收效果將得到明顯增強(qiáng)。
3) 初級(jí)污泥內(nèi)含有很多容易降解的有機(jī)物基質(zhì)，污泥本身脫水性能良好。與此相反，剩余污泥在厭氧條件下很難降解，產(chǎn)沼能力相對(duì)較低。此外，剩余污泥內(nèi)很強(qiáng)的膠體系統(tǒng)和細(xì)胞外多聚體物質(zhì) (EPS), 如果兩種污泥相互混合后會(huì)導(dǎo)致污泥脫水性能下降。
為此，根據(jù)初級(jí)污泥和剩余污泥的不同特點(diǎn)(降解性能和營(yíng)養(yǎng)物儲(chǔ)存性能)，德國(guó)PCS咨詢(xún)公司進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了LysoGest-處理系統(tǒng)(已申報(bào)專(zhuān)利)，對(duì)這些污泥分別進(jìn)行高效處理。
作者：德國(guó) DEW技術(shù)公司 高穎博士
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