（环境工程专业论文）轻烧粉处理含氮磷废水的研究.pdf

兰州交通人学硕+ 学位论文 摘要 我国水资源短缺，水体污染严重，水体中氮磷含量严重超标，商接导致水体富营养 化现象的发生。因此，控制氮磷污染已成为当前亟待解决的问题。传统的脱氮除磷法虽 处理效果较好，但易造成二次污染，而磷酸铵镁沉淀法在去除污水中的氮和磷的同时又 可将氮磷加以回收利用，进而达到“变废为宝”的目的。到目前为止，限制该方法被推 广的主要因素是镁盐在处理过程中的消耗量较大，成本较高，从而导致处理费用的增加。 而轻烧粉，主要成分氧化镁( m g o ) ，是由菱镁矿在高温下下煅烧而成，多产于辽宁等 地区。用轻烧粉处理废水，具有原材料丰富，成本低等优点，因此，本文采用价格低廉 的轻烧粉为沉淀剂，运用磷酸铵镁沉淀法对含氮磷的模拟废水进行研究。 试验采用化学沉淀法，向含氮磷的配水中投加轻烧粉，使其中的氨氮和磷以磷酸铵 镁( m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 ，英文缩写m a p ) 的形式沉淀出来。在试验研究过程中，首先， 以配水为研究对象，通过大量试验确定氮磷去除效果最佳时的工艺条件，即：n ：p 配比、 轻烧粉的投加量、p h 值、反应时间以及反应结束后所需的沉淀时间。并在该最佳工艺 条件下进行优化试验。其次，同样以配水为对象，使用磷酸铵镁沉淀法，研究不同浓度 的阴阳离子对氮磷去除率的影响。再次，以实际废水为研究对象，使用磷酸铵镁沉淀法 对其进行处理。最后通过对反应进行动力学分析，验证该方法的可行性。 主要实验结果如下： ( 1 ) 采用轻烧粉为沉淀剂处理氮磷废水时，轻烧粉与磷酸盐质量比为1 0 ：1 ，氮磷 浓度比为o 4 ：l 的条件下，氮磷去除率最高。 ( 2 ) 选取固定氮磷浓度比例的配水，研究不同p h 值对轻烧粉处理氮磷废水的影响， 当初始p h 值为3 5 之问时，反应平衡后p h 值达到9 1 0 ，此时氨氮及磷的去除率均达 到最高值。 ( 3 ) 研究以磷酸铵镁法去除模拟废水中磷和氨氦的过程中，不同浓度的阴、阳离 子对氮磷去除率的影响。结果显示：阴离子对去除率几乎没有影响，而部分阳离子对去 除率影响较大。 ( 4 ) 采用最优工艺对氮磷比为o 4 的实验配水进行三组平行实验处理，实验数据表 明处理效果最佳时，磷的去除率为9 9 3 2 ，氨氮的去除率为9 4 2 l ( 5 ) 将轻烧粉应用于处理实际废水，磷的去除率达到9 5 4 1 ，氮的去除率达到 9 2 4 7 。 关键词：磷酸铵镁；轻烧粉；氮磷回收 轻烧粉处理含氮磷模拟废水的研究 论文类型：应用研究 a b s tr a c t t h ep h e n o m e n ao fw a t e rs h o r t a g ea n ds e r i o u sw a t e rp o l l u t i o na r ee x i s t e di no u r c o u n t r y ， a n dt h ep h e n o m e n o no fe u t r o p h i c a t i o ni sd u et ot h ec o n t e n t so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s s e r i o u s l yo v e r w e i g h tt h es t a t es t a n d a r d t h e r e f o r e ，c o n t r o l l i n gt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s p o l l u t i o nh a sb e c o m et h ec u r r e n tp r o b l e m st ob es o l v e d t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a li se f f e c t ，b u ti ti sl i k e l yt oc a u s et h es e c o n d a r yp o l l u t i o n m a g n e s i u m a m m o n i u m p h o s p h a t ep r e c i p i t a t i o nm e t h o dc a nn o to n l yr e m o v et h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s i nt h es e w a g e ，b u ta l s ot h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u st ob er e c y c l e d s o ，t h i sm e t h o dc a n a c h i e v et h ep u r p o s eo f t u r n i n gw a s t ei n t ot r e a s u r e ”u pt on o w ，t h em a i nf a c t o r st h a tl i m i t t h em e t h o dt ob ep r o m o t e di st h em a g n e s i u mo fh i g hc o n s u m p t i o na n dc o s ti nt h ep r o c e s s ， w h i c hi sl e a dt oi n c r e a s et h et r e a t m e n tc o s t s l i g h tb u r i n gp o w d e r ，c o m p o s e db ym a g n e s i u m o x i d e ( m g o ) m a i n l y ，i sm a d eb ym a g n e s i t ec a l c i n e da th i g ht e m p e r a t u r e s ，p r o l i f i ci nl i a o n i n g a n do t h e ra r e a s t h ea d v a n t a g e so fd e a l i n gw a s t e w a t e rw i t h l i g h tb u r i n gp o w d e ra r e a b o u n d a n tr a wm a t e r i a l sa n dl o wc o s t t h i sp a p e ra d o p t e dt h el i g h tc a l c i n e dp o w d e ra s p r e c i p i t a t i n ga g e n tb e c a u s eo fa b u n d a n tr a wm a t e r i a l sa n dl o wc o s t a tt h es a m et i m e ，t h e s i m u l a t e dw a s t e w a t e r ，w h i c hc o n t a i n e dt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw a ss t u d i e du s i n gt h e m a g n e s i u ma m m o n i u mp h o s p h a t ep r e c i p i t a t i o nm e t h o d t h i se x p e r i m e n ta d o p t e dt h ec h e m i c a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o d ，a d d i n gt h el i g h tc a l c i n e d p o w d e rt ow a s t e w a t e rw h i c hc o n t a i n e dt h en i t r o g e na n dp h o s p h a t e ，a n da tl a s t ，t h ea m m o n i a n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s i nt h ef o r mo f m a g n e s i u ma m m o n i u mp h o s p h a t e ( m a p ) p r e c i p i t a t i o n i nt h ep i lo ts t u d yp r o c e s s ，w a t e rd i s t r i b u t i o n f o rt h es t u d y ，t h r o u g hal a r g e n u m b e ro fe x p e r i m e n t st od e t e r m i n et h ep r o c e s sc o n d i t i o n sw h e nt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a li sb e s t t h ep r o c e s sc o n d i t i o n si n c l u d e dn ：pr a t i o ，l i g h tb u r n i n gp o w d e rd o s a g e ，p h ， r e a c t i o nt i m ea n dt h es e t t l i n gt i m er e q u i r e da f t e rt h ee n do ft h er e a c t i o n ，a n dt oo p t i m i z et h e t e s tu n d e rt h eo p t i m u mp r o c e s sc o n d i t i o n s s e c o n d ，t h es a m ew a t e rd i s t r i b u t i o nf o rt h es t u d y ， u s i n gt h em a g n e s i u ma m m o n i u mp h o s p h a t ep r e c i p i t a t i o nm e t h o dt os t u d yt h e d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fi o n sw a se f f e c to nt h er e m o v a lr a t eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t h i r d ，u s i n g t h em a g n e s i u ma m m o n i u mp h o s p h a t ep r e c i p i t a t i o nm e t h o dt od e a lw i t ht h ew a t e r ，w h i c h c o m ef r o mac e r t a i nb u i l d i n gi n s p e c t i o ne x p e r i m e n t a lw a s t e w a t e ra n dr e c o r dt h ed a t a a tl a s t ， t h er e a c t i o nk i n e t i ca n a l y s i st ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d t h em a i ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sc a nb el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er a t eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw a sb a s i c a l l ys t a b i l i z e dw h e n a d o p t e d t h el i g h tb u r n i n gp o w d e ra sp r e c i p i t a n tt od e a lw i t ht h ew a s t e w a t e ru n d e rt h es i t u a t i o n so ft h e q u a l i t yr a t i oo fl i g h tb u m i n gp o w d e ra n dp h o s p h a t ew a s10 ：1a n dt h er a t i oo fn ：pi n w a s t e w a t e rw a s0 6 ( 2 ) s e l e c t i n gt h ep r o p o r t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h ew a t e rt os t u d yd i f f e r e n t v a l u e so fp hw a se f f e c to nt h el i g h tb u r n i n gp o w d e rt od e a lw i t ht h en i t r o g e na n d p h o s p h o r u s i nw a s t e w a t e r t h er e m o v a lr a t eo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e a c h e dah i g h e rv a l u ew h e nt h e i n i t i a lp hv a l u ew a s3 - 5a n dt h er e a c t i o ne q u i l i b r i u mp hw a s 9 10 ( 3 ) s t u d ya tt h ei m p a c to nt h er e m o v a lr a t eb yd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fa n i o n sa n d c a t i o n sd u r i n gr e m o v i n gp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nf r o ms i m u l a t e dw a s t e w a t e r t h er e s u l t s s h o wt h a t ：t h ea n i o n sa l m o s th a v e n te f f e c to nt h er e m o v a lr a t e ，w h i l et h ee f f e c to fc a t i o n so n r e m o v a lr a t ei sg r e a t e ( 4 ) t h r e e p a r a l l e lg r ou p sw e r ed o n eu n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n w h i c ht h er a t i oo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw a s0 4 a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a tt h er e m o r a lr a t eo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw a s9 9 3 2 a n d9 4 21 ，r e s p e c t i v e l yu n d e rt h eb e s tt r e a t m e n t ( 5 ) a p p l i n gl i g h tb u m i n gp o w d e rt od e a lw i t ht h ea c t u a lw a s t e w a t e r t h er e m o v a lr a t e o f p h o s p h o r u sw a sm o r et h a n9 5 41 a n dt h er e m o v a lr a t eo f n i t r o g e nr e a c h e dt o9 2 4 7 k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma m m o n i u mp h o s p h a t e ；l i g h tb u r n i n gp o w d e r ；n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e c o v e r y i v 兰州交通人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 水环境现状 中国是一个水资源贫乏的国家，虽水体总量约2 5 1 万亿立方米，位居世界第6 ，但 人均占有量少，约2 2 0 0 立方米，仅相当于世界人均水平的1 4 ，远远低于世界人均用水 量，排在世界第1 2 1 位，是世界1 3 个贫水国家之一。我国水资源的特点是地理、人口 和耕地分布不均衡，北方人口占全国总人数的4 0 ，耕地占全国总耕地面积的6 0 ，可 水资源却不足全国水体总量的2 0 ；而南方人1 2 1 总量占6 0 ，拥有的农田面积约占全国 的4 0 ，水资源却占到了8 0 【i 】。虽然数字显示南方的水资源相对丰富，事实上，严重 的水体污染反而导致部分地区水资源的短缺。据统计，2 0 1 0 年全国污水排放总量为6 1 7 3 亿吨，比上年增加4 7 ，且经过处理的水回用率很低，其余大部分废水未经处理或处 理未符合地方标准就排入河流或用于农业灌溉，从而加剧河流湖泊等天然水体的污染程 度。截止到1 9 9 8 年底，全国已有8 2 以上的河道受到不同程度的污染，其中，3 9 为 重度型污染，7 0 以上的河道不宜作为饮水水源。另外，还有7 0 的城市地下水也受到 污染。据新华网报道，2 0 1 1 年6 月3 日，环境保护部发布2 0 1 0 年中国环境状况公报。 公报显示，2 0 1 0 年全国地表水污染依然严重。长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河 和辽河等七大水系总体为轻度污染。2 0 4 条河流4 0 9 个国控断面中，i 至类水质的断 面比例为5 9 9 ，类比例为2 3 7 ，v 比例为1 6 4 。国控七大水系中，长江、珠江 两大水系总体水质良好。松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河则是 重度污染。在水环境污染同益严重的今天，水资源短缺和水环境污染等问题已经成为制 约人民生活进步和经济发展的重要因素，污水处理刻不容缓【2 】。 1 1 2 面临的问题 我国的水资源短缺和水体污染问题已经是世界上最严重的国家之一。伴随工农业生 产的发展，环境保护意识的不强，大量未经处理的氮磷含量严重超标的生活污水、工业 废水、农业回流水等被直接排入天然水体中，使湖泊、江河中的氮、磷等营养盐不断积 累。水体生产力提高，促使部分藻类生物量以及其他水生生物大量繁殖，造成水体溶解 氧量和透明度下降，引起水质的恶化，产生异味。使本来就十分匮乏的水源受到污染， 水体功能遭到破坏，进而造成水体富营养化。目前在我固因氮磷含量超标造成的水体富 营养化已经对农业、渔业、旅游业等诸多行业产生严重危害，也对饮水卫生和食品安全 构成了巨大威胁【3 1 。国家针对已经出现的和将要出现的重大生态和环境问题开展科研攻 轻烧粉处理含氮磷废水的研究 关。2 0 1 0 年中国环境状况公报显示，水体污染中，湖泊( 水库) 富营养化问题严重突出， 在监测营养状态的2 6 个湖泊( 水库) 中富营养化状态的占4 2 3 。抑制水体污染，特别是 控制当前水体中的氮磷含量已经成为亟待解决的环保问题。 1 2 水体中氮磷的来源和危害 1 2 1 废水中氮磷的存在形态和来源 氮常以游离态的氨( n h 3 ) 或者铵根离子( n h 4 + ) 等形式存在于水体中，它来源于 进入水体的含铵化物或者是复杂的有机氮化合物经微生物分解后的最终产物，在有氧存 在的条件下，可进一步转变为亚硝酸盐( n 0 2 - ) 和硝酸盐( n 0 3 ) 。废水中氮的存在形 态有四种，分别是有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮。有机氮和氨氮是未处理废水 中氮的主要存在形态。而废水中的磷以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷的形式存在。由于 废水来源不同，总磷及各种形式的磷含量差距较大【4 】。 水体中氮、磷的来源有很多方面。最重要的外部来源由人类活动带来的，还有因自 然过程而使氮和磷进入水体，而外源的氮和磷是由点污染和表面污染进入水体中的。在 大多数情况下，磷一般是由点源进入水体中的。点源污染是由直接排放的城市污水和工 业污水，固体废物，污水处理厂尾水和工业废物等构成。而氮是通过面源进入水体中的。 通常见到的面源污染有城市雨水径流污染，农业面源污染，空气中的污染物，水产养殖 和土壤侵蚀等。综上所述，氮、磷主要来自于三个途径： ( 1 ) 化肥和农业废弃物。 氮、磷通常是以化肥形式被施入农f 日的，但能够被植物吸收的只有一部分，剩余的 未被利用的化肥溶于农f f l 排水和地表径流后以液体形式排入地下水与地表水。另有研究 证明，农业废弃物如植物秸秆、动物粪便等也是水体中植物营养物质的重要来源。有关 资料显示，国内外许多城乡井水中的高硝酸盐含量几乎均与牲畜的废弃物污染有关。据 估计，在欧洲发达国家的地表水中，农业排磷所占的污染负荷比为2 4 7 1 【5 1 。农业生 态系统的养分流失是水体中硝酸盐的主要来源，同时还是磷的第二大来源。 ( 2 ) 城市生活污水和工业废水 在我国，最主要的氮磷排放源是工业污水。随着社会的进步，我国的工业发展突飞 猛进，但由于污水处理设施不够健全，部分未经处理的废水或污水处理厂直接排放的尾 水成了最主要的点源污染。普通的二级污水处理工艺对氮和磷的溶解盐的去除效果分别 只有2 0 和5 0 。据资料显示，一些新排入水体中的氮磷浓度比造成富营养化的氮磷的 临界浓度高出一个数量级。另外，由于人们生活水平的提升，生活污水也变成了氮磷的 稳定排放源。其中，粪便是氮的主要来源，而含磷洗涤剂的大量使用，则使磷的含量显 兰州交通人学硕+ 学位论文 著增加。 ( 3 ) 生物圈循环 水土流失造成大量矿物质中的氮、磷进入水体。另外，降雨或降尘过程能将粉尘、 农业废气( 施肥过程逸出的氨氮) 、工业废气和汽车尾气等带入水体。 1 2 2 水中氮磷的危害 ( 1 ) 使水体恶化，破坏水体生态环境 氮、磷等营养物质大量进入水体，使得一些藻类大量繁殖，导致水体的溶解氧含量 下降，透明度降低，水质恶化，鱼类等其他生物大量死亡，这一现象叫做富营养化。水 环境中动植物种类因受富营养化影响发生了变化，如各主要生物群落的物种多样性下 降，食物链变短，生物链断裂等。水体生物多样性和稳定性也因此降低。 ( 2 ) 破坏自然景观 氮磷超标引起的水体污染也破坏了人文景观和自然景观。富营养化造成的低透明 度，低溶解氧和高度恶臭使得人们休闲娱乐场所大受影响，降低旅游收入，影响人们生 活质量。 ( 3 ) 增加饮用水处理的困难 生活饮用水水质要求极高，优质水源经一般处理就可以达到标准。但经氮、磷污染 的水体在处理方面遇到的问题较多： a 、影响设备运行：污水处理滤池易被水中孳生繁殖的藻类和微生物堵塞， 影响正常运行。另外，配水系统管壁上粘膜的形成和水中有机物的增加，促使线 虫、苔藓虫等微生物的繁殖速度加快，也容易导致系统的阻塞【6 】。 b 、抬高水处理成本：胶体稳定性和混凝效果的控制因素之一是有机物。因此，有机 物的存在使得处理过程不得不使用大量的混凝剂，来维持混凝效果。同时，有机 物、氨氮以及氯之间发生反应，为了维持管网余氯含量进而起到消毒杀菌的作用， 需要投加额外氮【7 1 。另外，水中过量的氨氮干扰消毒过程。处理过程药品用量的增 加使处理成本有所升高。 c 、减低饮水安全性 富营养化水体中，藻类分泌出的有机物分解生成“三卤甲烷前驱物”( t h m 的前驱 物) ，若用常规的氯消毒，即生成具有致癌、致畸和致突变作用的总三卤甲烷 ( t t h m ) ，危害人类健康【8 1 。此外，处理过程药物的过量使用增加了水中副产物 的含量，对人体健康同样产生威胁。 ( 4 ) 影响人体健康 轻烧粉处理含氮磷废水的研究 天然水体受氮、磷污染，有机质含量增加，藻类，浮游生物都能产生毒素。如铜绿 微藻产生的肝毒素在鱼体内富集，人误食这种鱼后毒素会转移至人体内危害生命安全。 已污染的水体中含的亚硝酸盐和硝酸盐，被长期摄入会导致中毒。这些为水处理增加了 很大难度。若技术不达标，则对人类生命健康产生难以预计的影响。 1 3 脱氮除磷主要处理工艺 1 3 1 脱氮技术 去除废水中氨氮的方法主要分为物理法和化学法两种。物理法包括反渗透法、电渗 析法、蒸馏法；化学法有空气吹脱法、离子交换法、折点氯化法、电化学处理法。鉴于 氨氮的处理方法应具有应用方便、处理性能稳定可靠、适合废水水质波动及较为经济几 大特点，在众多能有效的去除氨氮的方法中，可以投入实际应用的处理方法，只有有限 几种。 a 物化脱氮技术 ( 1 ) 吹脱法 吹脱法是将废水中的离子态铵，通过调节p h 值转化为分子态氨，随后被通入废水 的空气或者蒸气吹出【9 1 。其工艺流程如图1 1 所示。通入的蒸气升高了废水的温度，也 提高了p h 值一定时被吹脱的分子念氨的比率。影响蒸气吹脱效率的因素有：蒸气吹 脱装置的合理设计；废水流量的控制；足量的蒸气； p h 1 1 ；吹脱温度 9 3 3 足够的气液分离空间；适宜的氮冷凝系统。 吹脱后的酸性废水含铵1 - - 1 0 0 9 l ，但一般控制在5 0 m g l 左右，以便为后续生物 处理提供足够的氮。 原 ( 2 ) 离子交换法 i ， 图1 1 ：空气吹脱j l ：艺流稃 兰州交通人学硕+ 学位论文 离子交换法是将中等酸性废水通过弱酸性阳离子交换柱，n h 4 + 被截留在树脂上，同 时生成游离态的h 2 s ，从而达到去除氨氮的目的( 如图1 2 ) i o 】。对于氨氮质量浓度约 为1 0 - - 一5 0 m g l 的废水，离子交换法脱除氨氮的效率可达9 3 - - - 9 7 。操作温度变化和 毒性化合物对氨氮的去除效果影响较小。 该办法的缺点是：离子交换树脂用量较大，再生频繁，废水先要进行预处理以去除 悬浮物，因此处理成本较高。 + 阳膜 淡水 阴膜 上 浓水 浓水 幽1 2 ：离子交换 ( 3 ) 折点氯化法 折点氯化法是将氯气通入废水中达到某一点，在该点时，水中游离氯含量最低，而 氨的浓度降为零。当氯气通入量超过该点时，水中的游离氯就会增多，因此该点称为折 点。折点氯化法出氨的机理为氨气与氯气反应生成无害的氮气】。 n h 3 + h c l o n h 2 c l + h 2 0 n h 3 + 2 h c l o n h c l 2 + 2 h 2 0 n h 3 + 3 h c l o n c l 3 + 3 h 2 0 n h 2 c i + n h c l 2 + h c l o n 2 0 + 4 h c l 2 n h 2 c 1 + h c l o _ n 2 + 3 h c i + h 2 0 折点氯化法反应所需时间短，工艺设备价格低，但液氯的使用和贮存却提高了处理 成本。因此，对于一般的给水处理，我们采用折点氯化法。 ( 4 ) 沉淀法 絮凝沉淀法是向含n h 4 + 的废水中加化学药剂，使之与n h 4 + 生成沉淀从而达到脱氮 的目的。a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、f e c l 3 和阴、阳及非离子型聚合物是较为常见的絮凝剂。絮凝沉淀 法不但可以脱去废水中的氨氮，还可以去除重金属以及某些大分子有机物。该方法对氨 氮的去除率可达9 0 以上，因此可采用该法处理垃圾渗滤液( n h 4 + - n 浓度为1 5 0 0m g l ) ， 轻烧粉处理含氮磷废水的研究 经测定，去除率为9 6 1 4 - 5 】，但同时，处理成本较高，且反应生成的污泥容易对环境造 成二次污染【1 2 j 。 ( 5 ) 液膜法 液膜法去除氨氮的机理是：易溶于膜相( 油相) 的氨态氮( n h 3 - - n ) ，利用膜相的扩散 迁移作用，由膜相外浓度较高的外侧，进入膜相内侧，同时与内相中的酸发生解脱反应， 生成了稳定在膜内相中的不溶于油相的n h 。+ 。氨分子在膜内外两侧氨浓度差的作用力 下，不断通过膜表面转移至膜相内侧解吸，进而达到去除氨氮的效果。 ( 6 ) 催化湿式氧化法 催化湿式氧化法是2 0 世纪8 0 年代发展起来的治理废水的新技术【1 3 】。在一定温度、 压力和催化剂作用下，经空气氧化，可使污水中的有机物和氨分别氧化分解成c 0 2 、n 2 和h 2 0 等无害物质，达到净化的目的。 b 生物脱氮技术 ( 1 ) 生物脱氮法 多级污泥系统 多级活性污泥脱氮传统工艺系统主要由两部分构成：第一部分是活性污泥在好氧条 件下去除有机物质，污泥经沉淀池分离后，又回到曝气池，与后半部分并不混合。第二 部分是通过消化和反硝化达到脱氮的目的。如图1 3 所示： 甲醇 幽1 3 ：多级污泥系统 该流程的优点是去除b o d s ( 5 d 生化需氧量) 和脱氮效果好。但工艺流程长，构筑物 较多【4 1 ，另外，运行过程还需外加碳源，运行费用较高，且出水中还含有残余甲醛。以 上缺点，限制了该工艺的推广与应用。 生物脱氮a o 工艺 兰州交通人学硕十学位论文 a o ( a n o x i c o x i c ) 法脱氮工艺是2 0 世纪八十年代初丌创，该工艺主要特点是前 置反硝化系统，故又称为前置反硝化生物脱氮系统。典型工艺流程见图1 4 所示： 硝化液同流 幽1 4 ：前置反硝化生物脱氮i ：艺 该流程中，好氧( 硝化) 反应器内的部分硝化液回流至缺氧( 反硝化) 反应器，在 缺氧反应器以进水总的有机物作为碳源，以回流也中硝酸盐的氧作为电子受体，进行呼 吸和生命活动，将硝态氮还原为氮气。无需外接碳源。 a o 工艺流程简单，构筑物少，基建费用低，不需要外加碳源，但脱氮效率在8 5 以下。 生物膜系统 脱氮还可以采用生物膜法，只需进行混合液的回流以提供缺氧反应器所需的n 0 3 - n ，由于生物膜无需污泥回流，在工艺过程中省却这一麻烦，因此较为经济。 ( 2 ) 硝化反硝化法 有机废水中的氨氮在好氧菌的作用下，氧化生成亚硝酸盐和硝酸盐，这一过程称为 硝化；硝酸盐和亚硝酸盐又被厌氧菌或者兼氧菌还原为气念氮，这一过程称为反硝化。 氨氮就是通过上述两个过程被去除【1 5 】。 硝化过程：n i - h + + 3 20 2 - n 0 2 - + 2 h + + h 2 0 n 0 2 一+ 1 20 2 - n 0 3 一 n h 4 + + 20 2 - n 0 3 - + 2 h + + h 2 0 反硝化过程：5 c ( 有机c ) + 4n 0 3 - + 2 h 2 0 = 2 n 2 + 4 0 h 一+ 5 c 0 2 1 3 2 除磷技术 一般来说污水除磷技术有生物除磷和化学除磷两种方式。前者依靠聚磷茵类的微生 物对磷的过量摄取，通过排泥达到除磷的目的，但由于活性污泥在二级出水的低浓度下 很难培养，如果二级处理时没有考虑生物除磷，那么在三级处理时采用生物法除磷是极 轻烧粉处理含氮磷废水的研究 为困难的。属于化学除磷的方法有絮凝沉淀除磷技术和电化学技术。在除磷处理工艺中， 磷的存在形态和溶解度是需要考虑的重要因素。一般将生物除磷与化学除磷结合起来使 用可能更为经济。 a 生物除磷基本原理 生物除磷最基本的原理即是在厌氧好氧或厌氧缺氧交替运行的系统中，利用聚磷 微生物具有厌氧释磷及好氧( 或缺氧) 超量吸磷的特征，使磷在好氧或缺氧段的含量大量 降低，最终通过排放含大量富磷污泥而达到从污水中除磷的效果【l6 1 。 吸磷：c 2 h 4 0 2 ( 有机物) + 0 1 6 nh 4 + + 1 2 0 2 + o 2p 0 4 3 _ _ o 1 6c 5 h 7 n 0 2 + 1 2 c 0 2 + 0 2 ( h p 0 3 ) ( 聚磷) + 0 4 4 0 h 一+ 1 4 4h 2 0 释磷：2 c 2 h 4 0 2 + ( h p 0 3 ) ( 聚磷) + h 2 0 _ ( c 2 h 4 0 2 ) ( 储存的有机物) + p 0 4 3 - + 3 h + b 化学除磷法 ( 1 ) 化学沉淀法 向污水中投加药剂，与磷形成不溶性磷酸盐沉淀，然后通过固液分离将磷从污水中 除去。常用的去磷药剂有石灰石、铝盐、铁盐、亚铁盐和铝铁聚合物等。药剂的投加量 根据除磷要求、反应条件、投加点等不同因素计算和实验确定【1 7 】。 ( 2 ) 电化学除磷法 电化学处理法对于其他废水处理法而言，装置简单，易于控制，目前直流、交流电 解废水处理技术已经工业化。 电解法常采用铁、铝作为电极，以去除废水中的污染物质。电解法对于废水中的磷 具有较高的处理效果。f 1 本曾用铝、铁及铜作为电极进行电解，在直流电流达o 5 a 的 条件下，对生活污水电解2 h ，磷的去除效率可达9 9 5 。电解法的优点是可以同时降低 c o d 和b o d ：主要缺点赴：沉淀生成量及电极消耗量较大，运行费用较高。 1 3 3 同时脱氮除磷工艺 同时去除污水中氮、磷的方法，大致可分为生物处理法和化学处理法两类。 ( 1 ) 生物处理法 生物脱氮除磷工艺大体上由厌氧、缺氧、好氧三种状态构成。最初的脱氮和除磷是 分别在各不相同的工艺流程中完成的，前人在不断深入研究脱氮工艺过程中意外发现脱 氮除磷组合工艺也是可行的。1 9 3 2 年w u h r m a n t l 8 】的研究成果为脱氮除磷工艺的发展奠 定了基础。他利用内源反硝化机理开发了后置反硝化工艺。到了2 0 世纪六十年代。 l u c l z a c k 和e t t i n g e r 首次提出前置的反硝化工艺，2 0 世纪七十年代，b a r n a r d 在l u c l z a c k 和e t t i n g e r 的基础上提出了改进型工艺，即a o 工艺【l9 1 。进一步的研究发现，在前置 反硝化池内设置厌氧区时，系统可以同时达到除磷效果，于是b a m a r d 便提出了 兰州交通火学硕十学位论文 p h o r e d o x ( 即五段b a r d e n p h o ) t 艺，该工艺能在去除氨氮的同时，又可以达到脱磷的目的。 此后，a 2 o 工艺又被提出，该工艺是在p h o r e d o x 工艺基础上去除第二级缺氧、好氧池， 是目前运用普遍的城市污水处理工艺。此后，脱氮和除磷工艺被整合在一个系统中，缩短 了工艺流程的同时处理效率也有所提高，经济实用。近年来，专家们不断深入研究污水 脱氮除磷机理，并对现行工艺运行进行经验总结，对现有系统进行改进，继而开发出了 一系列新型的脱氮除磷工艺。如改良a 2 o 工艺、改良u c t 工艺、m s b r 工艺、v i p 工 艺、新型氧化沟技术、b c f s 工艺( 如图1 5 所示【2 0 】) 等。 进水 豳 化学污泥 污泥同流 图1 5 ：b c f s 1 4 艺流科 ( 2 ) 化学处理法 除水中氮、磷比较经济有效的方法是投加石狄石。用石狄除氮的过程是提高废水的 p h 值，使水中的氮呈游离氨形态逸出 2 1 】： n h 4 + _ n h 3t + h + 投石灰到废水中，使p h 值提高到11 左右，在解析塔中将氨吹脱到大气中。但在寒冷的 冬季，去除率将显著降低，只有4 0 - - 5 0 ，造成经济上不合理。有条件时应鼓入热风， 维持解析塔中温度在2 0 以上。石狄与磷酸盐作用的反应方程式为： 5 c a p + 4 0 h + 3 h p 0 4 厶_ c a 0 h ( p 0 4 ) 3j ，+ 3 h 2 0 生成碱式磷酸钙沉淀而被去除。磷也会吸附在碳酸钙粒子的表面上一起沉淀。在p h 9 5 时，基本上全部正磷酸盐都转化为非溶解性的。 投加铝盐或者铁盐也可以去除磷。以铝盐为例： a l z ( s 0 4 ) 3 + 2 p 0 4 。- - a l ( p 0 4 ) + 3s 0 4 2 生成了磷酸铝沉淀而被去除。磷与铝也会结合成为一种络合物，被吸附在氢氧化铝 絮凝物上。 轻烧粉处理含氮磷废水的研究 1 4m a p 沉淀法脱氮除磷的研究现状 1 4 1 磷酸铵镁的性质极其形成机理 磷酸铵镁( 分子式m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 ，m a g n e s i u ma m m o n i u mp h o s p h a t e ，缩写 m a p ，) ，俗称鸟粪石，英文名称s t r u v i t e ，在水中一般带有结晶水的难溶于水的白色 晶体或无晶体矿物，斜方晶系，分子量2 4 5 4 1 ，含杂质时呈现淡黄色或淡棕色，相对密 度为1 7 1 ，硬度为2 ，微溶于水和稀酸，在2 5 c 的条件下，溶度积k s p = 2 5 1 x 1 0 1 3 【2 2 1 ，0 * c 时，仅为0 3 l 。不溶于乙醇，遇碱溶液分解。在1 0 0 失水变为无水盐，继续加热至 6 0 0 c 会分解转化为焦磷酸镁( m 9 2 p 2 0 7 ) 2 3 】。s a r k a r 2 4 1 研究发现，鸟粪石在温度大于5 0 * c 的条件下，性能不稳定。它的一部分甚至所有的氨氮与结晶水，会随时间与温度的变化 而失去，形成磷酸镁赫。其水溶液加热至4 8 5 0 ，析出一水化合物【2 5 】，其性质如表 1 1 所示 表1 1 ：m a p 的组成合性质【2 6 】 磷酸铵镁在水溶液中的形成过程还伴有副反应发生，具体反应如下【2 7 】 主反应：n h 3 + h 3 0 + - - - - n h 4 + + h 2 0 m 矿十+ p 0 4 卜+ n h 4 + + 6 h 2 0 _ m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 m 9 2 + + h p 0 4 p + n h 4 + + 6 h 2 0 m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 - k h 十 m 9 2 十+ h 2 p 0 4 一+ n h 4 + + 6 h 2 0 _ m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 + 2 h 十 副反应：m g + + 2 h + + p 0 4 3 - - - - m g ( h 2 p 0 4 ) 2 m 9 2 + + h 2 0 + p 0 4 3 一- - - m g ( o h ) 2 + 2 h + m 矿+ + p 0 4 3 一+ h + - - - , m g h p 0 4 m 矿十+ p 0 4 p - 呻m 9 3 ( p 0 4 ) 2 k s p ： m 9 2 + 】 n h 4 + p 0 4 3 一 - 2 51 10 1 3 p k s p 2 - - l g ( k s p ) 2 1 2 6 从磷酸按镁的p k s p 可以看出，理论上讲，生成磷酸按镁的反应速度快，易于发生 沉淀。运用反应动力学分析，结果显示，磷酸铵镁生成反应可行。 兰州交通大学硕士学位论文 在化学反应中，反应的发生是需要推动力的。生成磷酸铵镁的推动力“是溶液达 到平衡时的化学势与溶液过饱和时的化学势p 。之差【2 8 】。对磷酸铵镁而言： p2 “一p 5 = “。o + k t l n ( a m 9 2 + a n h 4 a p 0 4 3 - ) 。l 3 - - ! a 。o + k t l n ( am 9 2 + a n h 4 a p 0 4 3 - ) s m 】 假设平衡时的标准化学势和过饱和时的标准化学势相等，即“。o = “。o ，则： 肛= k t l n ( a m 9 2 + a n h 4 a p 0 4 3 - ) 。o l 3 ( a m 9 2 + a n h 4 a p 0 4 3 - ) 1 乃 = 一( k t 3 ) i n q k ：b o l z t m a n n 常数，t ：是绝对温度，a ：离子活度，q ：过饱和度 根据上式得出，反应体系的温度和溶液过饱和程度决定磷酸铵镁的形成。另外p h 、 离子强度等因素影响离子的存在形式和活度，进而影响磷酸铵镁的结晶过程。 1 4 2 磷酸铵镁回收再利用的研究动态 磷酸铵镁作为一种多元素缓释肥料，含有氮( n ) 、磷( p ) 、镁( m g ) 三种植物 生长所必需的营养元素。它能够降低肥料的流失，从而使肥料得以充分的利用。氨氮浓 度为7 4 7 2 m g l 的某催化剂厂滤液处理后所得m a p ，经分析测定，镁含量1 8 1 5 ( 以m g o 计) ，磷含量( 以p 2 0 5 计) 2 5 ，氮含量为4 5 。磷酸铵镁中所含植物营养成分的释放速率 与其他可溶性肥料相比较慢，能够使肥料被充分吸收，施肥量无论多少，均不会灼烧作 物，所以能够当做缓释肥料投入使用。另外，由于磷酸铵镁不吸附重金属，故被用做肥 料施入农田时不会造成二次污染。此外，它在化学试剂、结构制品阻火剂、饲料添加剂， 医药上等均有应用。 资料显示，我国化肥消耗量在世界排名第一，占全球总量的三分之一，化肥以传统 氮肥为主，浓度低且营养元素单一。氮肥在施用过