磷回收技術在歐洲污水處理廠的工程應用
在全球許多資源例如磷逐漸短缺的情況下，近些年來從污水或污泥中抽提磷的技術愈來愈受到重視。在許多市政污水處理廠和工業(yè)廢水處理廠內，可通過引入相應措施和設備之后有效地將污水污泥內所含有的磷抽提取出。
1 磷回收工程的應用限制因素
原則上說，在污水處理廠的各污水處理和污泥處理工段內都可以進行磷回收處理。圖1顯示了磷回收技術在污水處理廠內最主要的應用場所：
1) 在污泥脫水機房的回流工藝水(污泥脫水后的上清液)內進行磷回收①；
2) 在污泥消化塔和污泥脫水機房之間的消化污泥內進行磷回收②。
在污泥消化期間，一部分被返溶，會經(jīng)常導致后續(xù)污泥脫水性能的下降。因此，在此處進行磷抽提回收不僅可以回收磷肥，還可以進一步提高后續(xù)污泥的脫水性能。此外，還可以降低回流液體內的磷含量，即中斷裝置內磷返回途徑或磷返回負荷。
但必須指出，在此處進行磷回收時，污水處理廠內必須具有運轉良好的增強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進行磷回收③
圖1 污水處理廠內的磷回收地點
在污水處理廠的進水區(qū)域和出水區(qū)域沒有標出磷回收地點，這是因為液體內磷濃度太低，很難進行磷抽提回收。但如果在污水或工藝流程水內含有很高的磷濃度時，則此時也可以采用各種類型的提磷工藝在液體內直接進行磷回收。這種應用情況主要是在一些工業(yè)領域，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，應用最為廣泛的是從市政污泥固體物質或污泥灰燼內定向抽提回收營養(yǎng)物質。主要原因是在污水處理或污泥處理過程中所產生的固體物質內含有很高濃度的營養(yǎng)物質。但這些從固體物質提磷的處理工藝十分繁瑣昂貴，必須事先采用生物，化學和機械方法，將和污泥或灰燼結合在一起的磷轉化成溶解性的正態(tài)磷之后才能進行提磷回收。
與此相反，雖然液相內的磷含量濃度較低，但在液相內進行提磷回收的處理工藝則明顯簡單容易。此時采用的提磷回收工藝是利用了沉淀結晶原理，可以快速簡單地整合安裝在污水處理廠內。這些處理工藝在近些年來已經(jīng)變得十分成熟，目前已在全球許多大型污水處理廠內獲得成功應用。
2 從液體中回收MAP的各種提磷方案
目前在歐洲已經(jīng)有許多從液相內提磷回收技術已經(jīng)轉化成工業(yè)規(guī)模的處理工藝，并且在市政污水處理廠內獲得成功應用。在表1內列出了這些處理工藝，即:
1) 從污水或過程水內進行磷回收
2) 從脫水污泥的上清液內進行磷回收
3) 從消化污泥的液相內進行磷回收
采用這些處理工藝的基本前提條件是：污水處理廠具有運轉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。在這些領域內采用的磷回收工藝在工作原理類似，即基本上都采用沉淀結晶處理方法。不同處理工藝之間的一些差別在于:
1) 反應罐體的幾何形狀
2) 所設置的pH值(通過吹脫或者投加NaOH來提升pH數(shù)值)
3) 所采用的沉淀劑類型(采用MgO或者MgCl2)
4) 反應罐體內的攪拌方式(采用機械攪拌或者氣體攪拌)
5) 所選用的固液分離技術或者結晶顆粒物質的分離回收技術(沉淀方法，水力旋流方法，離心方法，配置或不含洗滌清理設備的過濾方法，或者根本就不進行分離，將結晶顆粒直接存留在污泥內)
6) 產品形式(小型結晶顆粒，大型球狀結晶體等)。
表1 在歐洲已經(jīng)實施工程的MAP回收工藝一覽
備注：這些項目是目前在歐洲的調查結果，均為目前實際在運轉的處理工藝和設備。
2.1 采用NuReSys -工藝在污水/工藝流程水內進行磷回收
NuReSys 處理工藝主要用于直接對污水/工藝流程水的提磷回收。這一磷回收工藝是在2個工藝步驟或反應器內進行。在第一個反應器內，被處理液流受到曝氣處理并投加NaOH藥劑，使反應罐內的pH 值控制在所需要的數(shù)值。在后續(xù)第二個反應罐內，則通過投加MgCl2來形成MAP結晶顆粒。這一結晶反應器是全混合反應罐，所形成的結晶顆粒是在反應罐的下部排出。NuReSys公司計劃今后不僅將此處理工藝用于污水/工藝流程水，還將進一步擴展到污泥水領域和市政污泥液相領域，進行MAP沉淀結晶和磷回收。
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進行磷回收
PEARL (Ostara) - 處理工藝主要用于直接對污泥水進行提磷回收。此時在一個流化床反應器內，通過投加氯化鎂和氫氧化鈉(反應器內pH值被調節(jié)設置在7.2和8.0之間)，可在反應器內沉淀形成MAP。被處理的污泥水從下向上穿流反應罐。作為補充，一部分污泥水進行內部環(huán)流，產生流化效應。也因為這一原因，這一處理工藝所需要的反應器體積和相應投資費用就變得很大。
MAP的長晶，或者說MAP圓形大顆粒的形成(Crystal Green Product)是在反應器內鳥糞石結晶種基礎上形成。在流化床內，晶種始終不斷地與新沉淀的MAP相接觸，并逐漸變大。直到晶體直徑長大至6 mm 時，因為顆粒本身重量原因下沉至反應器底部，此時MAP以產品形式排出裝置。這些MAP產品后續(xù)還必須進行干燥處理。
根據(jù)加拿大Ostara公司的產品說明，這些MAP顆粒產品 (Crystal Green) 內不含有機微污染物質和治病微生物，重金屬含量甚至低于傳統(tǒng)的磷肥標準。 Crystal Green 產品的市場銷售目前是由Ostara公司自己進行。
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進行磷回收
AirPrex – 處理工藝是由德國柏林水務公司(BWB)研制開發(fā)，并在2001年申報專利。德國PCS咨詢公司在2006年購買了這一專利的銷售許可權，目前在歐洲市場上獨家銷售這一磷回收處理技術。在不更改工藝流程情況下，可以十分簡單地在市政污水處理廠內整合增加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污水廠內的AirPrex -處理工藝流程
消化污泥直接泵送進入一個反應罐內，并進行曝氣吹脫處理。通過CO2 吹脫處理，可將pH值提高至8.0。與此同時在反應罐內投加氯化鎂藥劑，從而沉淀形成MAP/鳥糞石。消化污泥在反應罐內的平均停留時間大約為8h，反應罐內的pH值被設置在7.8~8.5。
通過MAP沉淀反應，污泥液相內的正態(tài)磷濃度可以最高降低至大約90%。形成的鳥糞石以結晶顆粒形式被洗滌分離，然后排出裝置。此時必須注意，結晶顆粒的形狀或體積必須達到一定程度之后才能被有效分離。與此同時，液相內PO4-P濃度被降低在10和20 mg/L范圍以內，從而明顯降低了磷返回負荷。
產生的MAP顆粒物質是一種具有市場潛力的產品，十分容易被回收利用。其中含有Mg, P 和N多種營養(yǎng)元素，是一種營養(yǎng)成分很高的植物肥料。并且多年來的實踐工作已經(jīng)證明，這些產品可以很好地作為肥料直接用于植物。在將產品內的有機物成分洗滌去除之后，鳥糞石也是許多肥料配方中的主要成分。
因為從污泥中分離結晶顆粒相對較為困難，因此磷回收效率也相對較低。這一處理工藝經(jīng)常被認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，這一處理工藝通過降低消化污泥內的正態(tài)磷濃度和同時增加二價金屬離子的濃度，可以明顯降低污泥的親水能力。這些化學反應使得后續(xù)污泥脫水時形成的絮凝塊更為結實穩(wěn)定，污泥脫水后固含量一般可以提高3%~5%DS。
在此項目中，對初級污泥和次級污泥進行分別處理：
1) 對于初級污泥來說，處理工藝保持原來方式。從初沉池排出的初級污泥進入傳統(tǒng)消化塔進行消化處理，然后進行脫水處理。
2) 對于生物剩余污泥來說，主要工藝流程是由以下部分組成: 通過污泥濃來縮富集剩余污泥中的營養(yǎng)物質，污泥熱水解和污泥消化處理(LysoGest-處理工藝)，然后通過AirPrex-處理工藝進行磷回收。
通過采用的熱水解作為剩余污泥的預處理，許多難以分解的基質，例如蛋白質和多糖物質被轉化成容易被微生物分解吸收的物質。同時在剩余污泥累積儲存的磷以正態(tài)磷形式被釋放，然后在污泥消化之后采用AirPrex-處理工藝進行磷回收處理。
通過上述方式對初級污泥和剩余污泥進行分別處理，可為用戶帶來以下好處：
1) 生物剩余污泥在此作為營養(yǎng)物質儲存庫，其中碳物質可轉為甲烷，而在剩余污泥內儲存的磷物質釋放程度最大可達90%，可作為肥料被回收利用。
2) 如果將磷含量很低的初級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。
3) 初級污泥內含有很多容易降解的有機物基質，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，產沼能力相對較低。此外，剩余污泥內很強的膠體系統(tǒng)和細胞外多聚體物質 (EPS), 如果兩種污泥相互混合后會導致污泥脫水性能下降。
為此，根據(jù)初級污泥和剩余污泥的不同特點(降解性能和營養(yǎng)物儲存性能)，德國PCS咨詢公司進一步開發(fā)了LysoGest-處理系統(tǒng)(已申報專利)，對這些污泥分別進行高效處理。
作者：德國 DEW技術公司 高穎博士
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