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CalPrex的发展史
NRU公司说,该工艺可以在污泥进入厌氧消化器前回收超过45%的总磷。方法是在厌氧消化前设置在一个特殊的反应器,向剩余污泥和初级污泥的浓缩液投加氢氧化钙,最终以钙磷石(CaHPO4·2H2O,英文名为Brushite)的形式捕获磷,将其干燥后可以制成肥料颗粒。
Tabanpour先生说他和CalPrex的故事可以从20年前说起。2002年,当他还在读中学的时候,他参加了威斯康星麦迪逊大学的Philip Barak教授的实验室暑期实习项目。Barak教授是CalPrex的最初发明人,不过他最初是研究如何用单分子膜结晶提取鸟粪石。
由于项目不断发展,Tabanpour先生在读本科的时候得以继续参与此项目。项目组首先与位于麦迪逊的九泉污水处理厂(Nine Spring WWTP)开展合作,在处理工艺的不同位置进行采样,以确定最佳的除磷点。他们发现,在酸性消化池中(SRT基本为1.5天),pH值的下降会使磷变得非常易溶和易于提取。2007年,他们决定放弃了对鸟粪石的研究,并开启了钙磷石回收的新方向。
2011年,为了加速其商业化进程,团队成立了NRU公司。第一个中试项目位于伊利诺伊州Woodridge城的Greene Valley污水厂,该厂的管道也饱受鸟粪石结垢的困扰。他们一共在Woodridge做了两期的中试,第一次是在2014-2015年,第二次是2017年。他们这项技术也受到行业的关注,2017年,美国圣骑士(Centrisys)的子公司CNP获得了独家授权,给这项技术注册了 CalPrex的商标名。之所以起这么个名字,是因为CNP此前已经有一款叫MagPrex的基于鸟粪石沉淀的磷回收技术,他们认为CalPrex+MagPrex能给污水厂提供最高的磷回收率的解决方案。
在随后的2018年,Centrisys/CNP和NRU新组成的团队更进一步,在得到密尔沃基城市污水管理局(MMSD)、丹佛城市污水管理局(MWR)以及麻省水资源管理局(MWRA)的支持后,获得了美国水研究基金会(WRF)的研究经费,继而在九泉污水厂进行更大规模的示范项目,来验证该工艺技术的规模化潜力。
CalPrex的不同之处?
在被问到CalPrex工艺和其他磷回收工艺有什么本质区别时,Tabanpour是这么回答的:“一个关键的区别是,我们不生产鸟粪石,而是生产钙磷石,后者是一种磷酸钙矿物,而不是磷酸镁氨矿物。同比其他已经商业化的磷回收技术,CalPrex的回收率是它们的两到三倍。一般来说,除磷率的关键是你能溶解多少磷。捕获已经溶解的磷进行是除磷工艺最简单的部分,难点是你能将污泥里多少的总磷变成可溶的形式?”
通常情况下,污水中的磷会被封存在污泥中。约10-20%的磷进入初始污泥,其余大部分在剩余污泥中,出水还含有10%。Tabanpour说:“污泥经浓缩后,基本就是一个磷汇(phosphorus sink),它主要以细胞或颗粒态存在。为了进行回收,你需要让这些磷溶解出来。这就是发酵池的作用。在发酵池中,较低的pH值能释放更多的磷,并且能保持在可溶的状态。在离心机脱水后,你就得到高浓度可溶性磷的离心液,约为500ppm,并且TSS较低。这是后续磷沉淀的理想溶液。”
CalPrex反应器
那么CalPrex反应器究竟是如何回收磷的呢?Tabanpour是这么回答的:“我们加入氢氧化钙(熟石灰),pH值从5.5升至6.5。形成的磷酸钙矿物在斜板沉淀池中沉淀,然后用离心机将其脱水,再干燥后做成肥料。脱水后的离心液送回污水处理线。”
钙磷石的特点
Tabanpour表示:钙磷石和鸟粪石类似,也是一种非常好的缓释肥料。纯的钙磷石的磷含量约18%,而鸟粪石的磷为12.6%,所以它是一种更高效的矿物磷肥,是市面其他磷肥的良好替代品。鸟粪石的形成会伴随晶体过程,形成大的晶体或珍珠,但钙磷石不会。后者形成150-300μm的颗粒。脱水后,它会形成一种糊状物,看起来像厚厚的混凝土。干燥后则成为一种非白色或灰色的粉末,可以制成颗粒。
什么污水厂适用?
在被问到什么污水厂最适合选用此工艺。Tabanpour表示有四大类的污水厂可快速适配:
首先最合适的是已经有预发酵水解工艺的污水厂;
第二种是需要在厌氧消化前去除大部分磷的污水厂,因为他们一般面临非常严重的鸟粪石结垢问题,或是对污泥磷浓度有相关要求的污水厂;
第三种是有后置好氧消化器(PAD)的污水厂,因为PAD能破坏碱度并降低pH,提高溶解磷含量而得以回收;
第四种是想提高生物固体肥料产量的污水厂。
另外,Tabanpour还提到,NRU有自己的钙磷石肥料商品—— 2019 年秋季他们推出了一款名为 Steady State 的肥料品牌。销售的肥料包括AirPrex装置生产的鸟粪石和CalPrex装置生产的钙磷石,以及根据客户需求定制的氮磷钾混合肥料。
据悉,除了MMSD水务局的九泉污水厂,在丹佛污水厂的测试显示在厌氧消化前加设的CalPrex系统去除大部分磷后,污泥中的氮磷比例更加合理,得到的磷肥质量能更好地满足农用的氮需求,这也反过来提高了他们对钙磷石肥料的信心。小编个人则认为,随着大家对活性污泥中的磷转化机制认识的加深,相信未来的磷回收技术的回收率有望进一步提高。
由于小编水平有限,各位读者如果想了解CalPrex更多细节,还是请查看WRF的报告原文。若有不对之处,请多多指正。
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