曝气生物滤池的化学除磷研究
污水中磷的去除方法
曝气生物滤池中磷的去除方式
曝气生物滤池中的化学除磷研究
为了配合BAF工艺的工程设计，针对在不去生物滤池组合工艺中常用的工艺，进行了前置化学除磷和BAF中化学除磷过滤的试验研究，目的是确定最佳加药量和运行影响因素。
一、前置化学除磷试验研究
前置化学除磷试验研究采用图5-4-图5-6的流程，即初沉+BAF流程。
1.试验药剂的选择
影响前置化学除磷的因素很多，其中包括混凝剂的种类、投加量、污水特性、pH值、搅拌混合条件、投药点、温度等。由于投加钙盐处理后污泥量大，如果要获得较好的除磷效果，其pH值将高达11，在进入生物处理系统前还必须采取pH调节措施，故本试验不考虑采用钙盐除磷，而采用铁盐作为混凝剂，铁盐有两种形式：二价铁盐和三价铁盐，在工程中后者使用得更多一些。使用二价铁盐的成本较低，其效益已越来越多地受到人们的注意。当二价铁盐作为除磷沉淀药剂使用时，根据环境条件的不同具有两种特点：一方面，二价铁盐有可能氧化成三价铁盐，与磷形成坚硬的复合体。另一方面，当缺氧时二价铁不会被氧化，只产生众所周知的很细小的沉淀物，如蓝铁矿等。
2.试验基本条件
对于化学除磷试验的目的，主要是确定其最佳投药量。本试验所用污水为弱碱性，对沉淀影响不大，试验温度为不可控因素，因而对pH值、温度两因素不作专门的考察。搅拌混合采用ZR4/6混凝试验搅拌机，本次研究各因素水平是在参考众多学者研究的基础上结合本试验的要求拟定的。
与本次试验有关的因素有：①化学药剂的种类，选用三价铁的FeCl3为除磷药剂；②TP与沉淀剂金属离子的质量比(TP/Me3+)，取7个水平1:1.0、1:1.15、1:1.25、1:1.50、1:2.0、1:3.0、1:4.0；③试验水质为生活污水，TP浓度为4.433mg/L。
混凝效果很打程度上取决于混凝时的搅拌条件，因此必须严格控制。采用ZR4/6混凝试验搅拌机作为混凝搅拌装置。
为了使混凝剂在水中与杂质快速混合，在混合阶段应使水力速度梯度G达到700-1000/s，在絮凝阶段，使速度梯度G平均在20-70/s范围内，平均Gt=1*10^4~1X10^5，根据下式：G=√P/μV；P=CnP/8*lw3r^4
式中，G为速度梯度，快速挽拌时取G-700/s,馒速悦拌时取G=45/s; P为水流所耗功率，W；V为废水体积，600mL；μ为水的动力黏度，水温17℃，μ=1.0846*10^-3Pa·s；p为水的密度998.74kg/m3(17℃)；l和r为桨板宽度和半块桨板的长度，M；w为相对于水的桨板旋转角速度，r/s；Cd为阻力系数，取决于桨板的长宽比，见表。
阻力系数Cd
| r/λ |
Cd |
r/λ |
Cd |
| ＜1 |
1.10 |
4.5-10 |
1.29 |
| 1-2 |
1.15 |
10.5-18 |
1.40 |
| 2.5-4 |
1.19 |
＞18 |
2.00 |
通过以上公式可计算出适宜的搅拌速度和搅拌时间，计算结果如下。
(1)快速搅拌时，令G=700/s得：
w=16.68r/s
w1=w/0.75=22.246(r/s)=1334(r/min)
故快速搅拌时速率选择w1=1300r/min。
(2)慢速搅拌时，令G=45/s得：
w1=w/0.75=3.57(r/s)=214(r/min)
故慢速搅拌时速率选择w1=200r/min。
(3)Gt值核算：慢速搅拌阶段，t=15min，Gt=45*15*60=4.05X10^4，符合Gt值在1*14~1*10^5的要求。
3.试验材料与方法
(1)试验药品及仪器；三氯化铁(FeCI3·6H2O)，分析纯；原水(生活污水，折合成TP 4.433mg/L)；高压锅；752型萦外光栅分光光度计。ZR4/6混凝试验搅拌机。AB204-S型电子天平。
(2)试验步骤
①在1000mL的反应罐中，加入600mL待测污水，按照不同的Fe/P，同时加入相应剂量的FeCI3，放置在混凝搅拌试验机上。
②根据计算结果设置搅拌速度和搅伴时间，快速混合时间为30s，慢速搅拌时间为15min。
③静置1h，取上清液测定TP浓度，计算TP去除率。
4.试验结果与分析
以FeCI3作为混凝剂，微生活污水的混凝剂精确用量试验。以残留TP浓度及去除率为试验项目，确定最佳混凝剂用量。FeCI3混凝除磷曲线见图6-2。
以铁盐作为混凝剂，要使水中的磷彻底去除，Fe/P理论比为1.81。本试验中原水TP浓度4.433mg/L，如果要使出水浓度低于0.5mg/L，必须Fe/P控制在4:1以上。当Fe/P为1.15：1以上，随着FeCl3投加量的增加，TP的去除效率逐步增加；Fe/P为3：1时，残留TP浓度为0.91mg/L；Fe/P为4：1时，残留TP浓度为0.48mg/L。
5.化学除磷对出水水质指标的影响
由于当污水中TP浓度较高时，单独依靠BA F去除TP效果不理想。而化学混凝沉淀只要混凝剂剂量投加得当就可以使出水TP浓度降到0.5mg/L以下，因此设想先用混凝沉淀将原水中的TP浓度降到BAF所能承受的水平，剩余的TP再由BAF来去除，即前代除磷的BAF组合工艺。因此有必要考察经过化学混凝沉淀除磷后，对BAF的其他出水指标是否有影响，也即是否会影响BAF的正常运行。
在TP浓度为3.874mg/L的原水中，投加一定量的FeCl3，经过混凝沉淀，残留TP浓度为1.057mg/L，将经过化学沉淀的污水接入BAF，考察COD、NH3-N、TN、TP的去除效果，试验结果见表6-3和图6-3-图6-6。
不同的Fe/P剂量对磷的平均去除率的影响 表6-4
| Fe/P |
原水平均TP浓度/(mg/L) |
出水平均TP浓度/(mg/L) |
TP平均去除率/% |
| 1.5:1 |
4.12 |
1.27 |
69.2 |
| 2:1 |
4.20 |
0.92 |
78.13 |
| 3:1 |
3.2 |
0.416 |
87.0 |
| 3.75:1 |
4.5 |
0.30 |
93.51 |
从表6-3以及图6-3-图6-6可以看出，对于COD、NH3-N、TN、TP几个出水指标，无论是BAF对其总的去除率还是水质指标随填料高度的变化规律，与未经混凝沉淀的污水相比都看不出有明显的影响。因此，前置除磷的BAF组合工艺是一种理想的工艺。
6.小结
(1)在本试验中，当原水中TP浓度在1.0-1.5mg/L时，BAF出水TP浓度可以在0.5mg/L以下，如果原水中TP浓度较高，就要辅以化学除磷处理，才能使出水TP达标。
(2)用FeCl3作为混凝剂进行预处理，原水中TP浓度在3.87mg/L时，在Fe/P比(2-3)：1的条件下，进入BAF的TP浓度大约保持在1-1.5mg/L的水平，既不影响生物处理过程中微生物对磷营养盐的需要，又可通过生物同化等作用最终使出水中磷达到排放标准。
二、BAF中的化学除磷试验研究
BAF中的化学除磷试验研究采用图6-7的流程，即在C/N滤池出水管中投加除磷药剂，形成的磷酸盐沉淀物在N滤池中被截留，并通过反冲洗而排出池外。本试验研究在于确定除磷药剂投加量与最佳除磷效果间的关系，同时研究除磷药剂对BAF运行的影响。
1.试验药剂的选择
从前置化学除磷药剂选择中已知，采用铁盐作为除磷药剂共有较多优点，故本阶段研究也采用铁盐药剂。
铁盐有两种形式：二价铁盐和三价铁盐。对于前置化学除磷多采用投加三价铁盐，但由于二价铁盐的价格较低，同时利用不去生物滤池中溶解氧浓度较高的特点，所以投加二价铁盐可被迅速氧化成三价铁盐，最终形成溶解度极小的三价磷酸铁盐，其效益且著。报据上述分析，本试验研究阶段采用二价铁盐作为除磷药剂。
2.试验装置
本次试验装置见图6-8。该流程主要由初沉池、C/N生物滤池和N生物滤池组成。原生活污水在经过初沉后泵入C/N生物滤池，在C/N生物滤池出水槽中投加硫酸亚铁溶液，C/N滤池出水经化学除磷后进入N滤池，形成的磷酸铁盐在N滤池中被截留，起到除磷目的。
两座生物滤池均采用Φ200mm的有机玻璃柱采用马鞍山华琪环保公司生产的球形轻质生物理论，水力负荷为2.5m/h。配置好的硫酸亚铁溶液储存在有盖避光的储槽中，并由蠕动泵送至C/N滤池出水槽，并依靠出水槽进行混合反应。
3.试验结果与分析
以硫酸亚铁作为除磷剂。做C/N滤池出水精确用量试验，以N滤池出水残留TP浓度及TP去除率为测试项目，确定最佳除磷剂用量。本次试验中投加的硫酸亚铁折合成Fe/P的质量比分别为：1.5：1、2：1、3：1、3.75：1，试验结果见表6-4。
从表6-4可以看出，采用硫酸亚铁进行化学除磷时，TP的平均去除率随着Fe/P剂量的增加而增大。当Fe/P=1.5：1时去除率较低；当Fe/P=3.75：1时去除率可高达93.51%，出水TP浓度远远小于GB 8978-1996排放标准中一级标准所规定的0.5mg/L的要求。当然，Fe/P的增加虽然可以提高TP的去除率，但加药量或加药浓度的增加却使药剂费用也增加了，这样在工程应用中会使运行成本增加，所以在工程设计中要通过试验而确定亚铁盐的最佳投加量或投加浓度，使出水TP浓度既能满足排放要求又使药剂费用节省。
选择最佳的Fe/P质量比以获得最有效、最经济的TP去除率是工程运行中必须重视的问题，但这项工作由于反应器进水的TP浓度不断变化而显得非常复杂。在运行过程中，亚铁盐的浓度是按照某一TP浓度的污水而配置的，但实际污水中的TP浓度在一天之中不断变化，实际上使得Fe/P质量比并不恒定，最终出水的TP浓度会在一定范围内波动，所以必须通过出水在线TP监测设备来控制除磷药剂的投加量。
在曝气生物滤池中投加除磷药剂进行化学除磷时，药剂对污水中其他控制项目的影响也必须考虑。在试验过程中发现，化学除磷对出水的COD、BOD浓度几乎无影响，对SS的影响也不大，但会使滤池的反冲洗周期缩短。这一点也是非常可理解的，因为投加药剂使得N滤池中的沉淀物质增加，而滤池的截污容量是一定的，所以势必使得总截污时间缩短。由于N滤池为硝化滤池，其功能主要是对氨氮进行硝化，而投加药剂后使硝化去除率降低，降低幅度约在5%左右，可能是因为二价铁对硝化菌具有抑制作用，或者是投加药剂后影响了污水的pH值。
总的来说，前置除磷和BAF中除磷的效果均与Fe/P有关，并随着Fe/P的提高而提高，但当进水浓度和要求的出水浓度相当的情况下，BAF中除磷的药剂投加量比前置除磷要少。这一点主要是因为BAF中有一部分磷被生物同化作用而降解掉了，剩余的磷才需要进行化学除磷。
三、化学除磷药剂
化学除磷是通过化学沉析过程完成的，化学沉析是指通过向污水中投加金属盐药剂与污水中溶解性的盐类(如磷酸盐)混合后，形成颗粒状、非溶解性的物质。实际上投加化学药剂后，污水中进行的不仅仅是沉析反应，同时还进行着化学絮凝作用，絮凝作用主要是由于随着沉析物的增加以及较小的非溶解性固体物积聚成较大的非溶解性的固体，使稳定的胶体脱稳，通过速度梯度和扩散过程使脱稳的胶体互相接触生成絮凝体。
1.化学除磷药剂投加点
曝气生物滤池工艺化学除磷药剂投加点有两种选择：一是采用高效沉淀池预处理工艺，其化学除磷为前置沉淀法，即在高效沉淀池入口处投加化学药剂，经混合、絮凝、沉淀作用，磷的积聚体被分离到沉淀池的污泥中，达到污水除磷目的。另外一种是同步沉淀与絮凝过滤，即在曝气生物滤池中投加化学药剂，在滤床填料的作用下诱发了絮凝，沉淀物截留于滤床中，通过周期性的反冲洗，将磷排除系统外，达到污水除磷目的。以上两种投加方式均可行，第一种方式简单易控制，但药剂耗量相对较大，剩余污泥量增加较多(一般增加40% -75%)；第二种方式药剂耗量相对较小，剩余污泥胶增加较小，一般增加15%-30%)，但是由于沉淀物被截留在曝气生物滤池反应器内，会缩短曝气生物滤池的运行周期。
2.化学除磷药剂的选择
根据化学沉析反应的基础，为了生成磷酸盐化合物，用于化学除磷的化学药剂主要是金属盐药剂和氢氧化钙。许多高价金属离子药剂投加到污水中后，都会与污水中的溶解性磷离子结合成难溶性的化合物。出于经济原因，用于磷沉析的金属盐药剂主要是Fe3+、Fe2+和Al3+，这些药剂是以溶液和悬浮液状态使用的。对于曝气生物池池工艺，在工程实际应用中，当在高效沉淀池中进行化学除磷时一般应采用铁盐，而在曝气生物滤池进水中投加化学除磷药剂，一般采用亚铁盐(如FeSO4·7H2O)，当亚铁盐加入后，铁氧化细菌会将亚铁盐转化为高铁盐，其效果同铁盐一样。
3.化学除磷药剂的投加对曝气生物滤池性能的影响
这里主要针对市政污水及在生物滤池进水口投加化学除磷药剂的情况进行讨论。对一般的城市生活污水TP含量约为3-5mg/L，处理后出水(一级标准)要求磷酸盐(以P计)含量小于0.5mg/L。
(1)对处理后尾水中色度及盐含量的影响；在正常药剂投加量的情况下，由铁和磷形成的絮凝体被深层滤床截留，通过反冲洗作用最终排出系统，出水中铁的含量一般不会超过1mg/L，所以化学除磷的投加对反应器的出水色度的影响可以忽略。
由于铁盐化学除磷药剂一般为FeCI3或FeSO4·7H2O。其在水中离解后，必然会导致污水处理厂中盐(Cl-或SO24-)含量增加，其增加量可以根据投加的药剂量计算确定。增加的盐量不会对污水处理的微生物产生毒害作用，而且《污水综合排放标准》对污水处理厂排放的废水中Cl-和SO24-含量没有明确规定，只有当受纳水体对盐含量有严格要求时，应对盐含量进行验算。
(2)对碱度的影响；铁盐进入水溶液中会形成六水复合体，其在水中可进一步水解，反应式如下：
Me(H2O)36+ → 3H+ + Me(OH)3 + 3H2O
由于H+的产生会降低水中的碱度，而氢氧化物以难溶的复合体形式沉析出来，不会提裔污水的碱度，所以对于整个系统应进行碱度的平衡，以满足系统高效节能的要求。根据德国污水技术联合会的工作报告A131，经过硝化、反硝化和化学除磷，污水中的碱度变化可按下式进行什算：
△SK=0.07([NH3-N]0-[NH3-N]e+[NO3- -N]e-[NO3- -N]0)+0.04[Fe2+]-([P)]0-[P]e)
式中，△SK为反应器中污水碱度的变化，mg/L；[NH3-N]0-为污水厂进水中氨氮浓度。mg/L；[NH3-N]e为污水厂出水中氨氮浓度，mg/L；[NO3- -N]0为污水厂进水中硝酸盐氮浓度，mg/L；[P]0为污水厂出水中硝酸盐氮浓度，mg/L；[Fe2+]为投加的二价铁盐含量，mg/L；[P]0为污水处理厂进水中的磷浓度，mg/L；[P]e为污水处理厂出水中的磷浓度，mg/L。
(3)对污泥量的影响；曝气生物滤池由于化学除磷产生的污泥会增加其泥量，一般情况下投加1kg Fe产生2-2.5kg的干物质，值得一提的是，由于使用金属药剂会给污泥处理带来益处，其脱水性能得到提高。从试验情况，由于投加化学除磷药剂会使滤池的污泥量有所增加，运行周期有所缩短，但由于在硝化滤池的进水口投加，硝化菌产生的污泥量少，在不投加化学除磷药荆时，运行周期可达到60h以上，当投加化学药剂后，其运行周期仍然达到48h以上。
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