化学除磷的设计计算

筑龙网化学除磷的设计计算唐建国林洁梅提要主要介绍了化学除磷的基本原理采用的化学药剂类型工艺形式投药量的计算等∀关键词化学除磷沉析设计计算前言在静止的或流动缓慢的水体中如果磷的浓度过高会造成水体的富营养化其危害是众所周知的因而在污水处理中进行除磷是必要的∀我国污水综合排放标准规定城市污水处理厂磷酸盐以计一级排放标准为∀磷的去除有化学除磷和生物除磷两种工艺生物除磷是一种相对经济的除磷方法但由于生物除磷工艺目前还不能保证稳定达到出水标准的要求所以要达到稳定的出水标准常需要采取化学除磷措施来满足要求∀本文主要介绍化学除磷的基本原理主要工艺形式和药剂投加量的计算方法∀污水中的磷负荷欧洲一些国家曾对生活污水中的总磷做过多次调查主要结果见表∀表国外生活污水中总磷的含量来源年调查年调查年调查人类食物通过人体排泄洗涤剂合计注表中数据单位为∀由人类食物产生的磷是不变的且国内外目前普遍开始采用无磷洗涤剂所以由洗涤剂产生的磷近几年降低了许多∀城市污水中的磷浓度在我国主要取决于工业废水中的磷含量∀我国生活污水磷的浓度一般为∗∀其中大部分是无机化合磷并是溶解状的这一部分主要由来自洗涤剂的正磷酸盐和稠环磷酸盐组成∀总磷中的一小部分是有机化合磷以溶解和非溶解状态存在∀稠环磷酸盐如和有机化合磷核酸一般在污水管网中和污水处理中就已经转化为正磷酸盐∀化学除磷基础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无机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这一过程涉及的是所谓的相转移过程反应方程举例如式∀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∀污水沉析反应可以简单地理解为水中溶解状的物质大部分是离子状物质转换为非溶解颗粒状形式的过程絮凝则是细小的非溶解状的固体物互相粘结成较大形状的过程所以絮凝不是相转移过程∀在污水净化工艺中絮凝和沉析都是极为重要的∀如果利用沉析工艺实现相的转换当向污水中投加了溶解性的金属盐药剂后一方面溶解性的磷转换成为非溶解性的磷酸金属盐同时也会产生非溶解性的氢氧化物取决于值另一方面随着沉析物的增加及较小的非溶解性固体物聚积成较大的非溶解性固体物使稳定的胶体脱稳通过速度梯度或扩散过程使脱稳的胶体互相接触生成絮凝体∀最后通过固液分离步骤得到净化的污水和固液浓缩物化学污泥达到化学除磷的目的∀化学除磷药剂的类型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生成难溶解性的化合物∀出于经济原因用于磷沉析的金属盐药剂主要是盐盐和盐∀这些药剂是给水排水ςολΝο筑龙网以溶液和悬浮液状态使用的∀盐在实际应用中为了能被氧化常投加到曝气沉砂池或采用同步沉析工艺投加到曝气池中其效果同使用盐一样反应式如式式∀∗∗与沉析反应相竞争的反应是金属离子与的反应反应式如式和式∀金属氢氧化物会形成大块的絮凝体这对于沉析产物的絮凝是有利的同时还会吸附胶体状的物质细微悬浮颗粒∀需要注意的是有机物在以化学除磷为目的化学沉析反应中的沉析去除是次要的而在分离时有机性胶体以及悬浮物的凝结则是决定性的过程∀沉析效果是受值影响的金属磷酸盐的溶解性同样也受的影响∀对于铁盐最佳值范围为∗对于铝盐为∗因为在以上值范围内或的溶解性最小∀另外使用金属盐药剂还会给污水和污泥处理带来益处比如会降低污泥的污泥指数有利于沼气脱硫等∀另外如果污水处理厂的污泥用于农业使用金属盐药剂除磷时必须考虑铝或者铁负荷对农业的影响∀除了金属盐药剂外氢氧化钙也用作沉析药剂∀在沉析过程中对于不溶解性的磷酸钙的形成起主要作用的不是而是离子因为随着值的提高磷酸钙的溶解性降低采用除磷要求的值为以上∀磷酸钙的形成是按反应式进行的∴但在值为到的范围内除了会产生磷酸钙沉析外还会产生碳酸钙这也许会导致在池壁或渠管壁上结垢反应式如式∀与钙进行磷酸盐沉析的反应除了受到值的影响另外还受到碳酸氢根浓度碱度的影响∀在一定的值情况下钙的投加量是与碱度成正比的∀对于软或中硬的污水采用钙沉析时为了达到要求的值所需要的钙量是很少的具有强缓冲能力的污水则要求较大的钙投加量∀污水除磷常用的药剂类型详见表∀表污水净化的常用药剂类型名称分子式状态铝盐硫酸铝νξψ固体液体固体氯化铝液体液体聚合氯化铝νν液体二价铁盐硫酸亚铁固体液体三价铁盐氯化硫酸铁氯化铁液体约液体约熟石灰氢氧化钙约的乳液化学沉析工艺化学沉析工艺可按沉析药剂的投加地点来分类实际中常采用的有前沉析同步沉析和后沉析或在生物处理之后加絮凝过滤∀前沉析前沉析工艺的特点是沉析药剂投加在沉砂池中或者初次沉淀池的进水渠管中或者文丘里渠利用涡流中∀其一般需要设置产生涡流的装置或者供给能量以满足混合的需要∀相应产生的沉析产物大块状的絮凝体则在一次沉淀池中通过沉淀而被分离∀如果生物段采用的是生物滤池则不允许使用铁盐药剂以防止对填料产生危害产生黄锈∀图前沉析工艺流程前沉析工艺如图所示特别适合于现有污水处理厂的改建增加化学除磷措施因为通过这一工艺步骤不仅可以去除磷而且可以减少生物处理设施的负荷∀常用的沉析药剂主要是石灰和金属盐给水排水ςολΝο筑龙网药剂∀经前沉析后剩余磷酸盐的含量为∗完全能满足后续生物处理对磷的需要∀同步沉析同步沉析是使用最广泛的化学除磷工艺在国外约占所有化学除磷工艺的∀其工艺是将沉析药剂投加在曝气池出水或二次沉淀池进水中个别情况也有将药剂投加在曝气池进水或回流污泥渠管中∀图是采用同步沉析的活性污泥法工艺∀当采用生物转盘工艺时情况和活性污泥法类似但对于生物滤池工艺能否将药剂投加在二次沉淀池进水中尚值得探讨∀图同步沉析工艺流程后沉析后沉析是将沉析絮凝以及被絮凝物质的分离在一个与生物设施相分离的设施中进行因而也就有二段法工艺的说法∀一般将沉析药剂投加到二次沉淀池后的一个混合池池中并在其后设置絮凝池池和沉淀池或气浮池∀后沉析工艺简图如图所示∀对于要求不严的受纳水体在后沉析工艺中可采用石灰乳液药剂但必须对出水值加以控制如可采用沼气中的进行中和∀图后沉析工艺流程采用气浮池可以比沉淀池更好地去除悬浮物和总磷但因为需恒定供应空气而运转费用较高∀三种工艺的优缺点汇总于表中∀化学沉析药剂量的计算由式和式知在化学沉析除磷时去除至少需要即至少需要表各种化学除磷工艺的优缺点工艺类型优点缺点前沉析工艺能降低生物处理设施的负荷平衡其负荷的波动变化因而可以降低能耗与同步沉析相比活性污泥中有机成分不会增加现有污水厂易于实施改造∀总污泥产量增加对反硝化反应造成困难底物分解过多对改善污泥指数不利∀同步沉析工艺通过污泥回流可以充分利用沉析药剂如果是将药剂投加到曝气池中可采用价格较便宜的二价铁盐药剂金属盐药剂会使活性污泥重量增加从而可以避免活性污泥膨胀同步沉析设施的工程量较小∀采用同步沉析工艺会增加污泥产量采用酸性金属盐药剂会使下降到最佳范围以下这对硝化反应不利磷酸盐污泥和生物剩余污泥是混合在一起的因而回收磷酸盐是不可能的此外在厌氧状态下污泥中磷会再溶解由于回流泵会使絮凝体破坏但可通过投加高分子絮凝助凝剂减轻这种危害∀后沉析工艺磷酸盐的沉析是和生物净化过程相分离的互相不产生影响药剂的投加可以按磷负荷的变化进行控制产生的磷酸盐污泥可以单独排放并可以加以利用如用做肥料∀后沉析工艺所需要的投资大运行费用高但当新建污水处理厂时采用后沉析工艺可以减小生物处理二次沉淀池的尺寸∀倍的或者倍的∀也就是说去除至少需要的或者的∀由于实际反应并不是有效进行的加之会与金属离子竞争反应生成相应的氢氧化物如式和式所以实际化学沉析药剂投加一般需要超量投加以保证达到所需要的出水浓度∀德国在计算时提出了投加系数Β的概念即Β或投加系统Β是受多种因素影响的如投加地点混合条件等实际投加时建议通过投加试验确定图是投加系数和磷减少量的关系∀在最佳条件下适宜的投加良好的混合和絮凝体的形成条给水排水ςολΝο筑龙网件Β在非最佳条件下Β到或更高∀过量投加药剂不仅会使药剂费增加而且因氢氧化物的大量形成也会使污泥量大大增加这种污泥体积大难脱水∀图在无干扰因素时药剂投加系数和磷去除量的关系德国在实际计算中为了有效地去除磷出水保持Β值为也就是说去除磷需要投加≅或者≅∀若用石灰作为化学沉析药剂则不能采用这种计算方法因为其要求投加到污水值大于而且投加量受污水碱度缓冲能力的影响所以其投加量必须针对污水性质通过试验确定∀从严格意义上讲投加系数Β值的概念只适用于后沉析对于前沉析和同步沉析在计算时还应考虑回流污泥中含有未反应的药剂在初次沉淀池中和生物过程去除的磷∀计算举例例污水处理厂设计水量为进水中的浓度为出水浓度要求达到∀设计采用沉析药剂其含有效成分为药液密度为∀为同步沉析试计算所需要的药剂量∀解经过初次沉淀池沉淀处理后去除的磷为则生物处理设施进水需去除的浓度为经过生物同化作用去除的为∀则需经沉析去除的负荷≅设计采用投加系数Β值为设计的投加量为≅≅折算需要药剂量为≅折算需要体积量为∀例设计采用药剂硫酸亚铁有效成分为在ε时的饱和溶解度为其它设计参数同例∀解设计采用投加系数Β值为设计的投加量为≅≅折算需要药剂量为≅饱和溶液中的有效成分为折算需要体积量为≅∀沉析对污水处理的影响沉析对污水处理厂出水金属含量的影响在污水处理厂出水中金属和药剂的含量主要取决于对悬浮物的分离当然药剂的投加Β值值污水碱度及投加技术也都对其有影响∀在污水处理厂出水中的铁和铝一般是难溶解的磷酸盐和氢氧化物并以悬浮状态存在∀在正常药剂投加量如Β同步沉析为中性并经过二次沉淀池的情况下铝和铁的含量一般不会超过对于絮凝滤池出水中铁或铝的含量一般小于∀沉析对出水中盐含量的影响采用金属药剂进行磷沉析必然会导致污水处理厂出水中的盐或含量增加其增加量可通过计算确定∀如例中投加由于对应≅的的增加量为≅折算浓度为≅例中投加由于对应≅的的增加量为给水排水ςολΝο筑龙网≅折算浓度为≅∀含有少量工业废水的城市污水处理厂正常出水中也就是说采用金属药剂后出水中的盐含量升高升高∀当受纳水体有严格要求时应对盐含量进行验算∀因在磷酸盐沉析的同时重碳酸盐也被去除所以出水中的总含盐量电导率几乎保持不变∀沉析对碱度的影响污水处理厂进水的碱度与其所在流域饮用水的碱度和由铵产生的碱度相关∀在磷酸盐沉析时只要铁或铝离子进入水溶液中就形成六水复合体一般形式为为金属离子这种复合体象酸一样可进一步水解如式所示∀该反应与溶液的值有关同时也会降低水的碱度∀由于氢氧化物以难溶的复合体形式沉析出来不会提高污水的碱度所以对于金属氢氧化物的沉析必须估算酸当量对于金属磷酸盐的沉析也是一样∀同步沉析中分离磷酸盐只能略微提高污水的碱度∀按照德国污水技术联合会的工作报告经过硝化反硝化和化学除磷污水的碱度变化可按公式计算ΣΚΣΚ∃ΣΚ式中ΣΚ污水厂进水中的碱度ΣΚ污水厂出水中的碱度污水厂进水中氨氮浓度污水厂出水中氨氮浓度污水厂出水中的硝酸盐氮浓度污水厂进水中的硝酸盐氮浓度污水厂进水中的磷浓度污水厂出水中的磷浓度投加的三价铁盐量投加的二价铁盐量投加的铝盐量∀沉析对剩余污泥产量的影响正如前面所述的一样污水中溶解性磷去除结果就是产生污泥不同的工艺污泥的排除位置也不相同∀对于同步沉析是以剩余污泥的形式排出∀剩余污泥产量是污泥处理设计运行的重要参数带有同步沉析化学除磷时单位污泥产量是由去除产生的剩余污泥和同步沉析除磷的沉析物所组成∀对于同步沉析化学除磷产生污泥由沉析药剂的类型所投加金属离子与需沉析磷的克分子比来确定∀在Β时投加产生的干物质或投加产生的干物质∀沉析对硝化反应的影响在采用硫酸铁药剂进行同步沉析时对硝化反应是有阻碍影响的在这种情况下推荐将污泥泥龄提高∀采用氯化铁盐药剂对硝化反应是没有影响的∀表是各种沉析工艺对硝化反应的影响系数这种影响系数