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4.1 从污泥水中进行磷回收
为了能够快速有效地在市政污水厂进行磷回收,德国学术界曾多次讨论,是否将所有污水处理工艺都改成增强型生物除磷工艺(Bio-P),放弃采用铁盐或铝盐的化学除磷工艺。其理由是,在厌氧状态下,即使在不投加化学药剂(化学水解)情况下,污泥细胞中储存多聚磷会产生返溶现象, 产生大量溶解性正态磷,因此可以定向沉磷,然后进行磷回收。此外,在污泥浆液或污泥脱水液内除了正态磷之外还存在氨氮, 从而可以产生磷酸铵镁(MAP-)沉淀结晶物质。作为缺少的反应组成份,只需要投加镁离子 (氧化镁MgO) 或者氯化镁 MgCl2)以及采用氢氧化钠 (NaOH) 将溶液内的pH-数值稍微提高一些即可。
一种利用污泥水进行这种MAP沉淀的磷回收工艺是加拿大Ostara PEARL-工艺 (图3)。这一处理工艺已经在全球许多大型污水处理厂获得应用。与其他磷回收工艺相比较,从污泥水中进行磷回收的处理工艺相对比较简单,十分容易在市政污水处理厂内整合实施。
图 3: PEARL-MAP-结晶装置的工艺流程图[ESEMAG, 2006; 有更改]
每年在德国市政污水处理厂进水中的磷质流量是大约 72.000 吨 P,假如以磷去除效率 91 % [DWA 2012]计算,则每年在市政污水处理厂内存在大约 65.500 吨 P/a 可供回收利用。
在这里可采用2003年德国污水协会 DWA 的污泥产量数据,来自生物除磷(Bio-P)市政污水厂 (大约占德国人口当量数值的6 %; [DWA 2005]) 总污泥磷产量大约为 4.300 吨 P/a 可供磷回收工艺使用。
因为采用MAP工艺只能从污泥水中返溶产生的溶解性正态磷进行反应, 如果考虑到所采用工艺的处理效率或磷回收效率 (当市政污泥进行定向返溶处理时,相对于市政污水处理厂的进水而言只有30 %被回收), 这些装置的潜在磷回收产量是大约 1.300 吨P/a (表 2)。
如果将污水厂处理工艺转换成生物除磷工艺,则根据德国污水协会的调查,最多可扩展至37 % 全国人口当量的污水可通过增强型生物方式来除磷。此时潜在的污泥磷产量是大约 26.600吨 P/a。考虑到磷回收效率,每年磷回收产量大约是 8.000 Mg P (表 2), 约占目前德国整个矿化磷肥使用量的 6,5 %。
表 2: 德国生物除磷市政污水厂内的年磷回收产量
但事实上,将许多市政污水处理厂改造成生物除磷(Bio-P)工艺很不现实。主要原因是, 许多运转单位害怕采用生物除磷(Bio-P)工艺之后会产生运转故障和/或需要扩建额外的池容, 而许多市政污水处理厂根本没有地方。
但是,从污泥水中进行MAP结晶沉淀法具有明显优点, 即运转操作十分简单,所产生的回收产品MAP 已经证明可被植物直接吸收利用。这类工艺也是目前使用最为广泛的磷回收处理工艺。
即使在采用增强型生物除磷工艺的市政污水处理厂内,如果只是在污泥水内进行磷回收,则根据目前市政污泥规范 (参见章节2),还不能满足污泥混烧所要求的前提条件。采用这一工艺还无法达到 50 %的磷回收效率(相对进水磷浓度而言), 在一般情况下,污泥中的磷含量也不可能下降至 20 g/kg DS以下。这也就是说, 如果需要污泥混烧处置,则采用这一液体磷回收工艺之后还必须对市政污泥进行磷回收(化学水解, 章节4.2) 或者后面只能市政污泥单焚烧处置方法 (章节4.3)。
4.2 从市政污泥中进行磷回收
在消化污泥内,磷是以生物和/或化学结合形式存在。也就是说,在进行磷回收之前必须事先定向从污泥混合物内将磷元素抽提取出。根据磷结合形式,此时采用的方法也是不一样的。此外,要求分离获得的磷回收产品不能含有有害物质,并最好能被植物直接有效利用。
根据目前的知识,相对于市政污水处理厂进水来说,采用化学水解方法时所能获得的磷回收效率大约为 43 %。对于市政污泥本身来说,其中磷含量可以下降大约 50 %。经过优化处理,估计还有可能获得更高的磷回收效率。
通过采用Stuttgart 和 Budenheim-磷回收工艺,可以达到目前德国市政污泥规范 (AbfKlärV,2014) 所确定的处理要求。这种污泥磷回收工艺即可应用在配置生物处理也可用于配置化学除磷的市政污水处理厂内。目前对纯铝盐沉淀污泥,还没有进行试验研究,但在生物除磷污泥和铁盐除磷污泥上已经进行了广泛研究,详细的工艺描述可以阅读Steinmetz et al.的报道[2013]。
图4 显示了在德国Offenburg 市政污水处理厂内的Stuttgart中试装置 [Steinmetz et al., 2014],是由二个批式罐体和一个沉淀池, 一台板框脱水机以及各种药液(氢氧化钠, 柠檬酸, 硫酸, 氧化镁,絮凝剂)的储存箱和投药装置共同组成。整个装置是批式运转, 回收产品主要是磷酸胺镁。
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