城市污水处理脱磷滤料的研究.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-城市污水处理脱磷滤料的研究简放陵1，杨晓松1，梁家皆2，阮少媚2，何俊2，黄家雄21.仲恺农业技术学院环境科学与工程系,广东广州510225；2.广一环保公司，广东广州510300摘要：生物法除磷投资省、成本低，但稳定性较差，当废水中磷酸盐浓度较高时，出水很难达标排放。化学法除磷工艺简单，运行可靠，能达标排放，但运行费用高，产生大量污泥，导致二次污染。文章进行了第三种除磷方法即滤料除磷的研究，并探讨了污水pH及水力停留时间对滤料除磷效果的影响。试验结果表明：煤渣和改性煤渣滤料对城市污水总磷的去除率可以达到54%和71%，但处理后的出水不能达标排放；碳酸钙滤料对城市污水总磷的去除率可以达到83%，能达标排放，但处理效果与城市污水pH值密切相关。城市污水pH值在89的范围，出水不能达标排放；pH值在58的范围，处理后的出水则可以达标排放，而且污水pH越低，总磷的去除率越高，其最佳水力停留时间为10min。该方法具有处理效果好、处理成本低、无污染、投资省、占地面积小的特点。关键词：城市污水；总磷；脱磷滤料；水力停留时间中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1672-2175（2008）01-0055-04磷是引起水体富营养化的关键因素之一，通常废水、污水中磷的去除方法主要是生物法和化学法1-3。生物法除磷工艺自20世纪70年代以来得到快速发展，不需要大量额外的设备投资，充分利用其原有废水生化处理设备，就可以在完成对有机物去除的同时去除磷，而且处理成本低4-6。但生物法除磷工艺运行稳定性较差，运行操作严格，受废水的温度、酸碱度等影响大，而且当废水中磷酸盐浓度大于2m/L时，出水很难达到国家排放标准7-9。化学除磷是欧洲较早应用的除磷方法。该方法工艺简单，运行可靠，并且能达到较高的出水标准10-11。在19世纪后期，英美等国广泛采用化学沉淀方法处理污水，但不久即被生物处理所取代，其原因是该法的药品消耗量大，往往需要投加的金属离子沉淀剂浓度大于正常溶度积12个数量级，运行费用高，产生大量化学污泥，脱水困难，难以处理，产生二次污染12-13由于以上两种方法各有优缺点，所以本文进行了第三种方法的除磷研究滤料除磷。首先进入滤池的废水经过前续生物处理并经过沉淀处理去除大部分的SS，大大减少了滤池除磷的额外负荷，保证了除磷滤料主要与废水中残余的磷反应，减少了药品的额外消耗，再利用碳酸盐滤料缓慢释放的钙离子，与废水中的磷生成磷酸钙沉淀，再通过过滤和反冲，可将磷从废水中去除。因此，该方法从一定程度上弥补了生物法和化学法除磷的不足。由于原料易得，只经过简单的加工便可用于污水处理，因此，具有处理效果好、成本低、无污染、投资省、占地面积小的特点，由此获得国家发明专利15。1试验材料与方法1.1试验材料1.1.1除磷滤料煤渣，取0.832.00mm的煤渣，用水浸泡备用；改性煤渣，取0.832.00mm之间的煤渣，用1mol/L的HCl活化备用；碳酸盐滤料，25mm，用水浸泡备用。1.1.2试验污水取自广州市仲恺农业技术学院教师生活区生活污水，总磷的浓度在3.725.49mg/L之间。分析测定重复4次。1.2试验方法1.2.1滤料除磷效果研究称取400g的煤渣、改性煤渣和碳酸盐滤料于500mL的反应瓶中，加入原废水反复冲洗3次，使之饱和，以排除吸附因素的干扰；然后加入城市生活污水，使污水刚好淹没反应材料，放到摇床里摇动，速率为165r·min-1，反应25min，然后取上清液测定总磷，比较各滤料的除磷效果。1.2.2pH对除磷滤料的影响研究调节原废水的pH值，分别为56、67、78、89，然后加到已经装有400g碳酸盐滤料的四个500mL的反应瓶，使废水刚好淹没滤料，放到摇床里摇动，调整摇速为165r·min-1，使水样和滤料之间保持一种紊流状态，反应25min后取上清液进行测定，以便确定除磷滤料反应的最佳pH。1.2.3水力停留时间对滤料除磷的影响研究将原废水加到已装有400g的碳酸盐滤料的五个500mL的反应瓶，使废水刚好淹没滤料，然后放到摇床里摇动，调整摇速为165r·min-1，使水样56生态环境第17卷第1期（2008年1月）和滤料之间保持一种絮流状态。水力停留时间3min、5min、7min、10min、15min，然后取上清液测定总磷，确定除磷滤料的最佳水力停留时间。1.3分析方法总磷的分析采用过硫酸氨消解-钼酸铵分光光度法测定。2结果与讨论2.1不同滤料除磷效果研究取pH值为78的含磷城市污水，加到反应瓶中，然后放入振荡床振动25min，取上清液测定总磷，其测定结果见表1。从表1可以看出，处理材料不同，磷的去除率也不同。改性煤渣比没有改性的煤渣处理效果好，磷的去除率高，因为改性煤渣活化了其表面的活性基团，增强了铁、铝的活性，提高了与水中磷酸根反应生成磷酸盐沉淀的可能性，但城市污水经过煤渣和改性煤渣处理后，总磷的浓度均大于1.0mg·L-1，高于国家污水综合排放一级标准，不能达标排放11；碳酸盐滤料比煤渣、改性煤渣去除磷的效果好，高出12%30%；城市污水经过碳酸盐滤料处理后，总磷的浓度小于1.0mg·L-1，低于国家污水综合排放一级标准，可以达标排放，因此，可以确定碳酸盐滤料为较适宜的脱磷滤料。碳酸盐滤料在水中可以释放出钙离子，可与废水中的磷生成磷酸钙沉淀，因此可将磷从废水中去除。煤渣和改性煤渣虽然含有大量的铝、铁、钙，但可溶性较低，经过改性后尽管增加了其活性，但由于铝、铁特别是铝，主要是玻璃体存在，故这种活化是有限的，其铝离子、铁离子和钙离子的总浓度仍然低于碳酸盐滤料所释放出钙离子浓度，所以，煤渣和改性煤渣总磷的去除不能达标排放而碳酸盐滤料总磷的去除可以达标排放。在水溶液中，CaCO3Ca2+CO32-Ksp=Ca2+CO32-=2.9×10-9Ca2+=Ksp/CO32-=2.9×10-9/CO32-=5.39×10-5mol·L-1。碳酸钙溶解达到平衡时，Ca2+浓度为5.39×10-5mol·L-1，相当于2.15mg·L-1。Ca3（P04）23Ca2+2P043-Ksp=Ca2+3P043-2=2.0×10-29P043-=2.0×10-29/5.39×10-531/2=1.13×10-8mol·L-1。由此可见，达到平衡时，磷酸盐的浓度为1.13×10-8mol·L-1，即3.62×10-4mg·L-1，远低于国家mg·L-1的一级排放标准,所以，用碳酸钙滤料处理城市生活污水，根据理论计算，是可以达标排放的,试验结果也证明了这一点。2.2pH值对碳酸盐滤料除磷的影响污水的pH值是影响碳酸盐滤料脱磷效果的重要因素。因为它直接决定了碳酸盐滤料的溶解度,也影响到磷在水的形态和价态。本试验反应时间为25min，pH值为59，其试验结果见表2。从表2可以看出，pH值在89的范围内，城市污水经过碳酸盐滤料处理后，出水总磷为1.25mg·L-1，高于国家一级排放标准，不能达标排放；pH值在58的范围内，城市污水经过碳酸盐滤料处理后，出水总磷均低于国家一级排放标准，能达标排放，而且pH越低，总磷的去除率越最高。因此，一般情况下，当pH在68的范围内时，除磷时不必调节废水pH；在要求严格的地方，可以采取低pH除磷，但废水的pH不要低于6为宜。碳酸盐滤料在高pH反应条件下除磷不能达标排放的原因主要是因为高pH影响了碳酸盐滤料在水中的溶解度,降低了钙离子的浓度,从而降低了废水中总磷的去除率；碳酸盐滤料在低pH反应条件下则增强了碳酸盐滤料在水中的溶解度,增加了水中钙离子的浓度,从而增加了总磷的去除率,可以达标排放。在pH=5的水溶液中，H2CO32H+CO32-Ka=H+2CO32-=2.06×10-17CO32-=Ka/H+2=2.06×10-17/10-52=2.06×10-7Ca2+=Ksp/CO32-=2.9×10-9/2.06×10-7=1.41×10-2mol·L-1表1不同滤料除磷效果Table1ResultsofPhosphorusRemovedwithDifferentFilters处理方法处理前/(mg·L-1)处理后/(mg·L-1)去除量/(mg·L-1)去除率/%煤渣4.422.052.3954改性煤渣4.421.293.1371碳酸钙滤料4.420.753.6783表2不同废水pH对除磷的影响Table2EffectsonphosphorusremovedindifferentpHofmunicipalwastewaterpH处理前/Mg·L-1处理后/Mg·L-1去除量/Mg·L-1去除率/%pH563.720.453.2788pH673.720.713.0181pH783.720.732.9980pH893.721.252.4766简放陵等：城市污水处理脱磷滤料的研究57P043-=2.0×10-29/Ca2+31/2=2.67×10-12mol·L-1由此可见，在pH=5的水溶液中，P043-（以磷计）的浓度为8.55×10-11mg·L-1，所以，在pH=5的水溶液中，用碳酸钙滤料处理城市生活污水，是可以达标排放的。同理，可以计算出在pH=7的水溶液中，P043-的浓度为8.55×10-5mg·L-1，所以，在pH=7的水溶液中，用碳酸钙滤料处理城市生活污水是可以达标排放的。但在pH=9的水溶液中，P043-的浓度为85.47mg·L-1，远高于国家1mg·L-1的一级排放标准,所以，在pH=9的水溶液中，用碳酸钙滤料处理城市生活污水不能达标排放,这与试验结果是一致的，至于数据上的差别，可能与水体中影响CaCO3、Ca3（P04）2溶解的因子比较复杂，H+，只是其中主要因子之一，而且水体中也存在HCO32-、HP042-、H2P04-等离子，对CaCO3、Ca3（P04）2溶解也有影响。同理,可以求出用碳酸钙滤料处理城市生活污水能达标排放的临界pH。达到国家1mg/L的一级排放标准,P043-的浓度为3.13×10-5mol·L-1，Ca2+=2.0×10-29/P043-21/3=2.0×10-29/3.13×10-521/3=2.73×10-7mol·L-1CO32-=Ksp/Ca2+=2.9×10-9/2.73×10-7=1.06×10-2mol·L-1H+=Ka/CO32-1/2=2.06×10-17/1.06×10-21/2=4.41×10-8mol·L-1pH=7.36由此可见，计算结果与试验结果比较接近，至于数据上的差别，可能与水体中也存在HCO32-、HP042-、H2P04-等离子，影响了CaCO3和Ca3（P04）2的溶解。2.3水力停留时间对碳酸盐滤料去除总磷的影响水力停留时间是影响废水处理效果的一个重要因素。因为水力停留时间不仅影响到碳酸盐滤料除磷的效果,还直接关系到水处理的费用。试验研究采用的生活污水磷浓度为5.49mg·L-1，pH值为66.5之间,水力停留时间试验结果见表3。从表3可以看出，随着水力停留时间的增加，总磷的去除率越来越高，当处理时间为10min时，总磷的去除率最高，总磷的出水浓度低于国家的一级排放标准，如再继续增加处理时间，总磷的去除率则有所降低，这可能与碳酸盐滤料化学吸附去磷的解吸有关。因此，在本试验条件下，以停留时间10min为最佳的停留时间。根据一级反应动力学方程ln(C0/CA)=kt，采用直线回归的方法，求得方程为：ln(C0/CA)=0.258t-0.020，r=0.963*式中：C0为进水的总磷浓度，CA为处理后出水的总磷浓度，k为一级反应动力学常数，t为水力停留时间。n=5，查相关系数表得：R0.05=0.878*，R0.01=0.959*R=0.963>R0.01,达到极显著水平。这表明碳酸盐滤料去除总磷的速率与废水中总磷浓度的一次方成正比，反应速度是按照一级反应动力学方程进行的。根据此方程，由测定的城市污水进水浓度和排放标准，可以计算出城市污水中的总磷经过碳酸盐滤料处理后达到国家规定的排放标准所需要的最佳水力停留时间。3结论1）煤渣和改性煤渣作为滤料对城市污水总磷的去除效果较差，处理后的水达不到国家污水综合排放一级标准；碳酸盐滤料作为滤料对城市污水总磷的去除效果好，处理后的水可达到国家污水综合排放一级标准。2）城市污水pH值在89的范围，经过碳酸盐滤料处理后，出水不能达标排放；城市污水pH值在68的范围，经过碳酸盐滤料处理后，出水可以达标排放，而且在pH为59的范围内污水pH越低，总磷的去除率越高。3）城市污水采用碳酸盐滤料除磷，最佳水力停留时间为10min，其去除总磷的速率与废水中总磷浓度的一次方成正比，其反应机理符合一级反应动力学方程。参考文献：1曹海艳,孙云丽,刘必成,等.废水生物除磷技术综述J.水科学与工程技术，2006，（5）：25-28.CaoHaiyan,SunYunli,LiuBicheng,etal.SummarizeofwastewaterbiologydephosphorizationtechnicsJ.WaterSciencesandEngineer-ingTechnology，2006，（5）：25-28.2熊国祥,罗建中,冯爱坤,等.废水除磷技术与研究动态J.工业安全与环保，2006，32（10）：19-21.XiongGuoxiang,LuoJianzhong,FengAikun,etal.TheRemovalofPhosphorusFromWastewaterandtheResearchTrendsJ.IndustrialSafetyandDustControl，2006，32（10）：19-21.表3水力停留时间对除磷的影响Table3EffectsonphosphorusremovedatdifferentHRT水力停留时间/min处理前/(mg·L-1)处理后/(mg·L-1)去除量/(mg·L-1)去除率/%05.495.490035.491.224.267855.491.094.398075.490.784.7186105.490.514.9891155.490.694.808758生态环境第17卷第1期（2008年1月）3夏宏生,向欣.废水除磷技术及进展分析J.环境科学与管理，2006，31（1）：125-128.XiaHongsheng,XiangXin.TechnologyofPhosphorusRemovalforWastewaterandDevelopmentAnalysisonItJ.EnvironmentalScienceandManagement，2006，31（1）：125-128.4张国昌,赵丙辰,祝征圣,等.城市污水处理厂增加脱氮除磷功能的改造实践J.青岛理工大学学报，2006，27（4）：68-71.ZhangGuochang,ZhaoBingchen,ZhuZhengsheng,etal.UpgradingofConventionalActivatedSludgeProcessforIntegratedNutrientRe-movalinMunicipalWWTPJ.JournalofQingdaoTechnologicalUniversity.2006，27（4）：68-71.5董滨,梁娅,周增炎,等.活性污泥-生物膜法系统的脱氮除磷效果研究J.同济大学学报：自然科学版，2006，34（8）：1066-1069.DongBin,LiangYa,ZhouZengyan,etal.InfluenceofHighOrganicLoadonNitrogenandPhosphorusRemovalinanActivatedSludge-BilfilmCombinedSystemJ.JournalofTongjiUniversity:NaturalScience,2006，34（8）：1066-1069.6RANDALLAAL.Polyhydroxyalkanoateformandpolyphosphateregulation:keystobiologicalphosphorusandglycogentransfor-mationsJ.Wat.Sci.Tech,2003,47(11):227-233.7VALVEM,RANTANENP,KALLIOJ.Enhancedbiologicalphos-phorusremovalfrommunicipalwastewaterwithpartialsimultaneousprecipitationJ.Wat.Sci.Tech.,2002,46(4-5):249-255.8陈旭鹏.城市污水除磷及其控制要点J.广东化工,2007,34(8):85-87,38.ChenXupeng.PhosphorusRemovalfromMunicipalWastewaterandMainControlPointsJ.GuangdongChemicalIndustry,2007,34(8):85-87,38.9王芳,娄金生,韩庆昌,等.污水吸附法除磷技术研究现状J.中国科技信息，2006（2）：39-39.WangFang,LouJinsheng,HanQingchang，etal.RecentAdvancesinRemovingPhosphorusfromWastewaterbyAdsorbentsJ.ChinaSci-enceAndTechnologyInformation,2006（2）：39-39.10杜晓丽,徐祖信,陈文兵,等.化学强化SBR工艺生物脱氮除磷试验研究J.四川环境,2007,26(4):：10-14.DuXiaoli,XuZuxin,ChenWenbing,etal.StudyonBiologicalRe-movalofNitrogenandPhosphorousinSBRwithChemicalAddingJ.SichuanEnvironment,2007,26(4):：10-14.11陈运进,衣春敏.猎德污水处理厂化学除磷设施的改造J.中国给水排水，2007，23（12）：29-32.ChenYunjin,YiChunmin.ReconstructionofChemicalPhosphorusRemovalFacilitiesofLiedeWastewaterTreatmentPlantJ.ChinaWa-ter&Wastewater，2007，23（12）：29-32.12侯红娟,王洪洋,周琪.低碳、高氮磷城市污水的化学辅助除磷研究J.中国给水排水，2007，23（11）：24-27.HouHongjuan,WangHongyang,ZhouQi.StudyonSupplementalChemicalPhosphorusRemovalfromMunicipalWastewaterwithLowCarbonandHighNitrogenandPhosphorusJ.ChinaWater&Wastewater,2007，23（11）：24-27.13严子春,龙腾锐,何强,等.城市污水曝气过滤式化学除磷试验研究J.中国给水排水，2006，22（3）：86-88.YanZichun,LongTengrui,HeQiang，etal.PhosphorusRemovalbyChemicalPrecipitationwithAerationFiltrationfromMunicipalSew-ageJ.ChinaWater&Wastewater，2006，22（3）：86-88.14简放陵.一种高效低成本无污染的污水处理脱磷技术P.ZL200510033402.2.JianFangling.Ahigheffect,lowcostandno-pollutedtechnologyofremovalminicipalwastewaterphosphorusP.ZL200510033402.2.PhosphorusremovalfrommunicipalwastewaterwithfiltermaterialsJianFangling,YangXiaosong,LiangJiajie,RuanShaomei,HeJun,HuangJiaxiong1.DepartmentofEnvironmentalScienceandTechnology,ZhongkaiUniversityofAgricultureandTechnology，Guangzhou510225,China；2.GuangyiEnvironmentalProtectionCompany,Guangzhou510300,ChinaAbstract:Itwaslowinvestmentandcostthatphosphorusinmunicipalwastewaterwasremovedbybiologicalmethod,butitwasinsta-bility,andverydifficulttoreachthenationaldischargestandardofphosphoruswhenphosphateconcentrationinthemunicipalwastewaterwashigher.Itwassimple,reliableoperationandgoodeffectsthatphosphorusinmunicipalwastewaterwasremovedbychemicalmethod,butitwashighcostofoperation,alargeamountofsludgeandtoleadtosecondarypollution.Thethirdmethodofremovalphosphorusinmunicipalwastewaterwithfiltermaterials,includingpHofmunicipalwastewaterandHRT,wasstudiedinthepaper.Itshowedthatitwaslowthattheremovalofphosphorusinmunicipalwastewaterwastreatedwiththecoalcinderandthemodi-fiedcoalcinderfilter,anditwasnottoreachthenationaldischargestandardofphosphorus,butitwasgoodwiththecarbonatefilter,whichcouldreachthedischargestandard.ItcouldnotreachthedischargestandardwhenpHofthemunicipalwastewaterrangedfrom8to9,butitcouldreachthedischargestandardwhenpHrangedfrom5to8.ThelowerpHofthemunicipalwastewater,thehigherre-movalrateofPhosphorus.ThebestHRTwas10minwhenmunicipalwastewaterphosphoruswastreatedbythecarbonatefilterinthecondition.Themethodhadcharacteristicsofgoodeffect,low-cost,non-polluting,investmentsaveandsmallarea.Keywords:municipalwastewater；totalphosphorus；removalofphosphorusfiltermaterials；HRT