鸟粪石沉淀法在废水除磷脱氮中的应用
2022-08-11
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维普资讯 http://www.cqvip.com 中国沼气Chian Biogas 20O4,22(1) 7 鸟粪石沉淀法在废水除磷脱氮中的应用 李金页,郑平 310029) (浙江大学环境工程系,浙江杭州摘要:鸟粪石是一种难溶于水的白色晶体,其主要成分是六水合磷酸铵镁(MgNI-hPO4·6H20)。通过形成鸟粪石,可实 现对废水中氮磷的去除和回收利用。本文对鸟粪石的形成机理、形成条件以及鸟粪石沉淀法在废水脱氮除磷中的应用, 作了全面的综述分析。 关键词:鸟粪石;形成机理;除磷脱氮 中图分类号:x7o3 文献标识码:A 文章编号:1000—1166(20o4)01—00O7—04 ApCi ̄noas of Struvite Predpitaaon in Removal of n髓 l0I and Nitrogen from Wastewater/LI J'm-ye,ZHENG Ping./ ( A lrtln印t ofEnvirommmt EIlgi|lee面 ,2he J'mg University,l-langzhou 310029,P.R.China) :Stmvite【MgNTUPO4。6H20]is a white in0 c crystalline which is insoluble in water.By means of smwite formation,ni— trogen and pI sp from wastewater can be removed and reused.The mechanism and conditions of state formalhon are reviewed and the appfications of stmvite precipitation for phosphorus and nitrogen rellloval ale discussed. Keyworfl:struvite;mechanism offormation;phosphorus and nilxogen removal 随着工农业生产的发展和人民生活水平的提 高,我国氮磷污染物的排放量急剧增加。在“一控双 达标”过程中,对有机污水特别是工业有机废水进行 孵’+HP04 +NH4’+6H2O— M她 。6H2O+H’(2) 孵’+H2 一+NH4’+6H2O—M她 。682o+2H’(3) 鸟粪石的形成过程可以分为两个阶段,即成核 阶段和成长阶段。在成核阶段,组成晶体的各种离 子形成晶胚。在成长阶段,组成晶体的离子不断结 合到晶胚上,晶体逐渐长大,最后达到平衡。而溶液 了有效治理,但对氮磷污染基本上未加控制。氮磷 污染所致的水体富营养化十分严重,湖泊“水华”及 近海“赤潮”时有发生,越演越烈。水体富营养化已 危害农业、渔业、旅游业等诸多行业,也对饮水卫生 和食品安全构成了巨大的威胁。经济有效的控制氮 磷污染已成为当前急待解决的重大环保课题。 鸟粪石,分子式为MgNI-hP04-6820,是一种难溶 达到平衡时的化学位势( )与溶液过饱和时的化 学位势( )之差(A/z),是生成鸟粪石沉淀的推动 力。对鸟粪石沉淀而言: A/z= 于水的白色晶体,常温下,在水中的溶解度积为2.5 ×10 3【¨。通过投加化学试剂,可使废水中的氨和 磷酸盐形成鸟粪石,实现对氮磷污染物的同时去除。 一 [ +krl ̄(dM +-aNn:-a 一) ] [ +krl ̄(d +·dNH ·a P0c’) ] 此外,鸟粪石含有氮磷两种营养元素,是一种很好的 缓释肥。日本已有公司成功的将鸟粪石推向化肥市 场。因此,研究鸟粪石沉淀法的作用机理、工艺条件 和应用方式,对于即将全面展开的废水除磷脱氮处 理具有重要的现实意义。本文拟就这方面的研究状 况作一综述分析。 1鸟粪石的形成机理 假设平衡时的标准化学位势和过饱和时的标准 化学位势相等,即 = ,则: (d +≯ 赢.dNH 。d P0c一) t”/ dM 。dNH df】( —J  ̄haf2 k:Boltzmann常数, :是绝对温度, a:离子活度,n:过饱和程度 在水溶液中,鸟粪石的形成过程可以用以下三 个化学方程式来描述: 由上式可以看出,鸟粪石沉淀的形成取决于溶 液的温度和过饱和程度。pH、离子强度等因素可影 响离子的存在形态和活度,因而会影响鸟粪石的沉 孵 + 一+ +6H20一 。6H20 (i) 收稿日期:200B一08—28 作者镯介:李金页0979一),男,在读博士生,主要从事废水生物处理的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 8 中国沼气Chian Biogas 2O04,22(1) ●o: & 0∞ A O 5 9 5 8 5 7 5 6 5 5 淀过程。 2鸟粪石的形成条件 2.1 pH 降至210 nag·L~,同时pH也从8.86降至6.70。添 加NaOH重新将pH调至8.64后,NH4 .N浓度进一 步降至65 mg·L一1 LS J。 2.2离子浓度 pH条件决定了组成鸟粪石的各种离子在水中 达到平衡时的存在形态和活度。而只有当鸟粪石沉 淀所需的各种离子的活度积超过相应的溶度积,沉 淀才能发生。 Strafful研究发现,pH为7.0时,在M ,NH4 和I:'04 一的初始浓度分别为187 mg·L~,266 nag·L 和742 rag·L (摩尔比为1:1.9:1)的条件下,没有鸟 粪石生成。pH升至7.5时,也只有少量鸟粪石生成。 形成鸟粪石的前提是三种离子的活度积超过鸟 粪石平衡时的活度积。只要其中一种离子浓度较 高,就容易达到过饱和状态而发生沉淀。 在一定的pH下,P04 去除率随Mg:P的增加而 显著提高[6,7]。据Nelson等人报道,Mg:P为1:1时, PO4一P浓度从121.8 nag·L 降至20 Hlg·L。。,需将pH 调至8.75;而当№:P为1.6:1时,取得同样的去除 效果只需将pH调节至8.25。虽然过量的Md 可提 高NI-I4 一N和I:'043一去除率,但当pH大于9时,提高 pH提高到8.5后,Md 去除率可达92%【 。 在一定范围内,鸟粪石在水中的溶解度随着pH Md 浓度的效果并不显著 ],添加Md 剂量过大还 会造成废水盐度太高,给后续处理带来困难。 的升高而降低;但当pH升高到一定值时,鸟粪石的 溶解度会随pH的升高而增大。这是因为在pH较高 的情况下,P043一的平衡浓度会增加,而M 和 的平衡浓度则会下降,所以在鸟粪石的形成过 程中,存在着一个最优pH,可使鸟粪石的溶解度达 般在硬水或海水中Md 浓度较高,反应器所 用的载体也可成为Md 的来源。但在通常情况下, 废水(如渗滤液、消化污泥上清液以及禽畜废水)中 N}{4 .N和1:'O43一浓度相对较高,Md 浓度相对较 低。要取得较好的废水除磷效果,必须添加一定量 的M 。 到最小值。BoorttlTl测得的鸟粪石溶度积与pH的函 数关系见图1[3l。文献报道的最优pH范围为9.0~ 10.7[4J研究发现,鸟粪石的纯度受初始NI-I4 浓度的影 响。在一定范围内,纯度随反应后溶液中剩余NH4 浓度的增加而提高(图2 J)。 图2可以看出,当起始NI-I4 浓度相对较低时, 沉淀中的镁或磷含量要比铵多30%以上。随着起始 NI-h 浓度的增加,反应后剩余的NH4 的浓度也相 应增加,此时生成的沉淀则是纯鸟粪石。也就是说, 要获得较高纯度的鸟粪石沉淀,N-I4 浓度必须在一 定的范围内。对于NH4 所致的影响,目前还不清楚 图1 鸟粪石溶度积(/(so)与pH之间的函数关系 其作用机理。一种解释是,过量NI-I4 起到了稳定 pH的作用,因而有利于鸟粪石的生成。 2.3反应时间 pH不仅影响鸟粪石的生成量,也影响鸟粪石的 成分。如果平衡时的pH高于lO,沉淀的主要成分为 Mg3(I'04)2;如果平衡时的pH高于11,沉淀的主要成 分变为Mg(on)2。可见,合适的pH对鸟粪石法除磷 起着至关重要的作用。在废水除磷中,一般将pH调 节至8~lO之间。 反应时间取决于鸟粪石晶体的成核速率和成长 速率。晶体开始成核需要的时间称为诱导时间。 Bonumphoulos等人通过实验得到晶体的成核速率和 成长速率都是过饱和程度的函数 J。当过饱和度 ( )在1~3之间变化时,鸟粪石的诱导时间(r)相应 地在120~10s之间变化。不管是均相沉淀还是多相 由式(2)和(3)可知,在生成鸟粪石的反应过程 中,溶液的pH会逐渐降低。较低的pH会增大鸟粪 石的溶解度。因此,在鸟粪石沉淀法中,需加碱维持 沉淀,诱导时间相似_9 J。分批实验证明,在相同的过 饱和程度下,静置与搅拌对所需的诱导时间影响不 大rl1o]0。 定的pH。U等人在处理垃圾填埋场渗滤液时,添 加MgCl2和Na2H.P04,使NH4 。N浓度从5618 mg·L 鸟粪石晶体成长过程受表面扩散、溶液过饱和 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国沼气Chian Biogas 2OO4,22(1) 9 E 键 憋 蘸 妲 反应后剩余铵离子浓度/mg。L 图2 剩余镁离子和铵离子的浓度与鸟粪石纯度之间的关系。 注:初始磷酸盐浓度为318 mg·L一.镁离子浓度为80 mg·L一1,铵 离子浓度在60~150 mg·L 之间变化,pH为l0。符号上的数字是 剩余磷酸盐浓度,◆代表纯鸟粪石,●代表沉淀中镁或磷酸根相对铵 过量10%~30%.一代表沉淀中镁或磷酸根相对铵少10%~30%。 程度以及传质效率的影响。据Abe等人报道,鸟粪石 晶体的生长很慢,在高浓度下(磷浓度大于200 mg· L ),生长速率为0.173 nl/n·d~;在低浓度下(磷浓度 在34—100 nag·L ),生长速率只有0.cI51 rtllTl·d L1 。 Stratful等人试验发现,在1 min,60 min和180 min,鸟粪 石晶体的最大尺寸分别生长至0.I nl/n,0.8 nqlTl和3 nl/n,但在此期间,M 和lPO4 一去除率只增加4% 4J。 鸟粪石晶体成长与除磷效果并不直接相关。 在反应器(如流化床反应器)中,湍流程度较高, 传质限制得到改善,晶体生长速率也相应提高。如 果加入晶种,鸟粪石晶体的成核时间可以进一步缩 短。Battistoni等人采用消化污泥上清液所作的中试 表明,在水力停留时间控制为1.43 h的条件下,磷去 除率可达80%以上,沉淀中磷的流失率低于4%[12 J。 3鸟粪石在废水除磷脱氨中的应用 鸟粪石在水和碱中溶解度很低,采用形成鸟粪 石的方法来去除废水中的氨氮和磷酸盐,具有高效 简便的特点。 象电镀工业废水、畜禽养殖废水、垃圾填埋场渗 滤液等均含有高浓度的氨氮,难以直接进行生物处 理,通常需要预先采用物化法(如吹脱法)进行处理。 吹脱法要求DH高达10以上,且效率不高(不超过 50%),易造成二次污染。若用鸟粪石沉淀法处理, 对pH条件的要求可比吹脱法降低,效率也更高。 据T'tinay等人对制革废水所作的试验,在pH为 8 9的条件下,采用鸟粪石除磷法可使NH4 去除率 高达75%以上【13]。Li等人采用鸟粪石沉淀法,初始 氨氮浓度在5618 nag·L 的渗滤液在15分钟内降至 210 nag·L一,去除率超过96%。而pH则只需控制在 8.5至9之间L5J。Chimenos等人对NH4 一N初始浓度 为2320 nag·L 的染料废水的实验中,NH4 一N去除 率也达到了90%以上L1引。 磷一方面作为引起富营养化的关键因素,一方 面又是十分宝贵的矿产资源。在现有的技术水平和 经济水平下,世界上已探明的磷储备量仅够人类使 用100年。由于鸟粪石可以直接作为肥料,因此被 认为是最有前景的磷回收途径之一,第二届磷回收 国际学术会议还为此特设专题,开展有关从污水中 回收磷的研究L1 5l。 厌氧消化污泥上清液中含有较高浓度的Nt-h+一N 和PO4 .P,适合运用鸟粪石沉淀法进行处理。只要 添加少量的M ,即可以使废水中的各种离子的溶 度积达到过饱和状态,形成鸟粪石沉淀。而且由于 其SS较低,生产的鸟粪石纯度较高。 Mttnch等人将厌氧消化污泥上清液引入一个带 沉淀区的流化床反应器内,添加浓度为60%的Mg (OH)2泥浆,以获得足够的M 和碱度。在进水 P04 一浓度61 mg·L~、pH调节8.5左右的条件下, PO 一去除率达94%,水力停留时间只需1h。对沉淀 所作的分析发现,沉淀中的镉、铅、汞含量远远低于 法定标准,P,Mg,N之比例分别为12.4%,9.1%和 39%,符合化肥标准【1 。 日本岛根(Shimane)县污水处理厂,安装有3套 已运行的处理来自于该厂污泥消化液的鸟粪石回收 装置。Mg(OH)2与NaOH以1:1摩尔比例关系投入 污泥消化液,以增加pH,使鸟粪石以小颗粒状在流 化床内沉淀。磷回收装置目前能实现90%的溶解性 磷酸盐回收,保证生物除磷达标运行。 在实际废水处理中,鸟粪石沉淀法存在着种种 限制因素。 首先,许多废水中的氮磷浓度很高,但彼此之间 的比例不能满足鸟粪石沉淀法的要求。在这种情况 下,添加某些离子可以提高沉淀效率,但会增加处理 成本。而且氮磷本身是废水处理的控制目标,添加 过量会造成二次污染。过量的M 的添加对鸟粪 石沉淀法来说是必要的,因此,廉价的添加剂是鸟粪 石沉淀法能否实际应用的关键。 Mg(OH)2是比较理想的Mg 添加剂,既增加 Mg 含量,又可提高pH。Mg(OH)2泥浆已在实际生 产中运用。初沉池污泥和粪水中都有较高的钙镁含 量,将它们和磷含量高的污泥混合也不失为一种调 维普资讯 http://www.cqvip.com l0 中国沼气Chian Biogas 20O4,22(1) 控Md 浓度的方法。Hwang等人采用这种方法,将 初沉池污泥或粪水与过量摄磷后的污泥以0.67:1的 体积比混合,再加入100 mg·LI1的Md 后进行厌氧 消化,总磷去除率可达40%~45%,总氮去除率可达 35%~39%[17 J若用海水或制盐工业中的废盐卤作 为Md 添加剂,价格更为低廉【l8 J。 其次,废水的pH一般在6~8之间,而鸟粪石沉 淀法所需的pH在8.5~9之间,需要采取一定的手 段来提高废水的pH。但相对于其他的沉淀法,鸟粪 石沉淀法所要求的pH条件要低,所需的化学试剂较 少。 Battistoni通过实验证明,厌氧消化污泥上清液的 CO2含量为35%~40%,仅仅通过曝气就可使pH提 高到8.5以上。不但节约了添加药剂的费用,还可 避免出现处理后废水盐度过高的情况。日本北九洲 Hiagari污水处理厂,安装有1个中试流化床鸟粪石 沉淀反应器,处理污泥脱水上清液,使用海水作为鸟 粪石沉淀的镁源。大约70%的溶解性磷酸盐通过曝 气可以在反应器内完成沉淀,而不需投加化学药剂。 意大利Tfivi ̄污水处理厂,在污泥脱水上清液线路 上安装了生产性鸟粪石结晶装置,采用吹脱方法沉 淀磷酸盐。初步试验结果表明:55%~64%的进水 磷酸盐能够沉淀到回收颗粒上。 4结语 鸟粪石的溶解度很低,形成鸟粪石可使废水中 的氮磷得到有效去除。鸟粪石含有氮磷两种营养元 素,是一种很好的缓释肥。调控pH和各离子浓度可 显著影响鸟粪石沉淀法的脱氮除磷效果。获得廉价 的M 添加剂,是鸟粪石沉淀法实际应用的关键。 鸟粪石沉淀法对于高浓度氮磷废水的处理具有很好 的应用前景。 参考文献 [1] Loewenthat R E.KorrnauUer U R C,vall Heerden E P、Mod. eling struvite precipitation in anaerobic tlPAl ̄nt systems[Jj. 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