污水处理中如何选择化学除磷药剂投加点?不仅仅靠心情……

2019-08-24 09:44:23   来源:    点击:
1、化学 除磷原理

 

化学除磷主要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)反应生成颗粒状、非溶解性的物质。实际上投加化学药剂后,污水中进行的不 仅是沉析反应,同时还发生着化学絮凝作用,即形成的细小的非溶解状的固体物互相粘结成较大形状的絮凝体。

 

污水沉析反应 可以简单的理解为: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。絮凝是用于改善沉淀池的沉淀效果,而沉析 则用于污水中溶解性磷的去除。

 

2、化学除磷药剂

 

为了生成非溶解性的磷酸盐化合物,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,但出于经济原 因考虑,用于磷沉析的金属盐药剂主要是Fe3+盐、Fe2+盐和Al3+盐,这些药剂是以溶液和悬浮液状态使用的。除金属 盐药剂外,氢氧化钙也用作沉析药剂,反应生成不溶于水的磷酸钙。

 

表1  污水净化常用药剂

类型

名称

分子式

状态

铝盐

硫酸铝

Al2(SO4) 3·18H2O

固体

Al2(SO4) 3·14H2O

液体

nAl2(SO4) 3·xH2O+mFe2(SO4)3·yH2O

固体

氯化铝

AlCl3

液体

AlCl3+FeCl3

液体

聚合氯化铝

[Al2(OH)nCl6-n]m

液体

二价铁盐

硫酸亚铁

FeSO4·7H2O

固体

FeSO4

液体

三价铁盐

氯化硫酸铁

FeClSO4

液体(约40%)

氯化铁

FeCl3

液体(约40%)

熟石灰

氢氧化 钙

Ca(OH)2

约40%的乳液

 

铝盐的混凝沉 淀

 

Al2(SO4)  3 + 6H2O----2Al(OH) 3+3SO42-+6CO2

Al2 (SO4) 3 + 2PO4----2AlPO4+3SO42-

 

在pH为6.0—6.5的条件下,每1mol的磷需 要加铝1.5-3.0 mol。如果水显碱性,在加铝之前应先降低pH以减少Al(OH)3 沉淀。

 

铁盐的混凝沉 淀

 

Fe2(SO4)3 + 3HCO3----Fe(OH)3+2SO42- +3CO2 

Fe3+ + PO43----FePO4↓   pH=5 ~5.5     

 

每1mol磷需要加铁(Fe3+) 1.5—3 mol,pH为5.0。对磷含量为5mg/l左右的二级 处理水,通过投加100-200mg/l的氯化铁( FeCl3.6H2O)就可以得到90%以上的磷去除率。

 

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,但在分离时有机性胶体以及悬浮物的凝结在絮凝体中则是决定性的过程。

 

沉析效果是受 PH值影响的,金属磷酸盐的溶解性同样也受PH的影响。对于铁盐PH值范围为5.0~5.5,对于铝盐为6.0~7.0,因 为在以上PH值范围内FePO4或AIPO4的溶解性小。另外使用金属盐药剂会给污水和污泥处理还会带来益处,比如会降 低污泥的污泥指数,有利于沼气脱硫等。

 

由于金属盐药剂的投加会使污水处理厂出水中的Cl-或SO2-4离子含量增加。如果沉析药剂 溶液中另外含有酸的话,则需特别加以注意。

 

投加金属盐药剂后相应会降低污水的碱度,这也许会对净化产生不利影响。当在同步沉析 工艺中使用硫酸铁时,必须考虑对硝化反应的影响。

 

另外,如果污水处理厂污泥用于农业,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。

 

石灰的混凝沉淀

 

5Ca2+ + 4OH- + 3HPO42----Ca5OH(PO4)3 + 3H2O

 

为使磷的去除率达到90%以上,需要把pH值调 到10.5-11.0以上。Ca/P的重量比为2.2:1以上。

 

沉折过程中,对于不溶解性的磷酸钙的形成起主要作用的不是Ca2+,而是OH-离子,因为随 着pH值的提高,磷酸钙的溶解性降低,采用Ca(OH)2除磷要求的pH值为8.5以上。

 

但在pH值为8.5到10.5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。其反应式

 

Ca2+ +CO32-→CaCO3

 

与钙进行磷酸盐沉析的反应除了受到PH值的影响,另外还受到碳酸氢根浓度(碱度)的影响 。在一定的PH值惰况下,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,为了达到所要求的PH值所需要的钙 量是很少的,具有强缓冲能力的污水相反则要求较大的钙投加量。

 

3、化学除磷药剂投加点的优缺点

 

化学除磷工艺可按化学药剂的投加地点来分类,实际中常采用的有:前置除磷、同步除磷 和后置除磷。

 

前置除磷工艺的特点是化学药剂投加在沉砂池中、初沉池的进水渠(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)在初沉池中通过沉淀被分离。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)。

 前置除磷工艺由于仅在现有工艺前端增加化学除磷措施,比较适合于现有污水处理厂的改建,通过这一工艺步 骤不仅可以除磷,而且可以减少生物处理设施的负荷。常用的化学药剂主要是石灰和金属盐药剂。前置除磷后控制剩 余磷酸盐的含量为1.5-2.5mg/L,完全能满足后续生物处理对磷的需要。

 

同步除磷 是目前使用广泛的化学除磷工艺,在国外约占所有化学除磷工艺的50%。其工艺是将化学药剂投加在曝气池 出水或二沉池进水中,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。

目前已确定对于活性污 泥法工艺和生物转盘工艺可采用同步化学除磷方法,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。

 

后置除磷是将沉析、絮凝以及被絮凝物质的分离在一个 与生物处理相分离的设施中进行,因此也叫二段法工艺。一般将化学药剂投加到二沉池后的一个混合池中,并在其后 设置絮凝池和沉淀池(或气浮池)。

对于要求不严的受纳水 体,在后置除磷工艺中可采用石灰乳液药剂,但必须对出水pH值加以控制,如可采用CO2进行中和。

 

采用气浮池可 以比沉淀池更好地去除悬浮物和总磷,但因为需要恒定供应空气因而运行费用较高。

 

表2  各种化学除磷工艺比较

工艺类型

优点

缺点

前置除磷工艺

1)能降低生物处理构筑物负荷,平衡负荷的波动变化,从而降低能耗;

2)与同步除磷相比,活性污泥中有机成分不会 增加;

3)现有污水 厂易于实施改造。

1)总污泥产量增加;

2)影响反硝化反应(底物分解过多);

3)对改善污 泥指数不利。

同步除磷工艺

1)通过污泥回流可以充分利用除磷药剂;

2)如果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;

3)金属 盐药剂会使活性污泥重量增加,从而可以避免污泥膨胀;

4)同步除磷设施的工程量较小。

1)采用同步除磷工艺会增加污泥产量;

2)采用酸性金属盐药剂会使pH值下降到更佳范围以下,对 硝化反应不利;

3)硝酸 盐污泥和剩余污泥混合在一起,回收磷酸盐较为困难,此外在厌氧状态下污泥中磷会再释放;

4)回流泵会破坏絮体,但可通过投加高分子絮 凝助凝剂减轻这种危害。

后置除磷工艺

1)硝酸盐的沉淀与生物处理过程相分离,互不影响;

2)药剂投加 可以按磷负荷的变化进行控制;

3)产生的磷酸盐污泥可以单独排放,并可以加以利用。

后置除磷工艺所需投资大、运行费用高,但当新建污水处理厂时,采用后置除磷工艺可以 减小生物处理二沉池的尺寸。

 

 

4、化学除磷对污水处理的影响

 

(1)化学除磷对污水 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、投加系数β、pH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、pH为中性及有足够好的二次沉淀池或沉淀池的情况下,铝和铁的含量一般不会超过1.0mg/l,而且尽 管污水处理厂进水中的铁常常超过1.0mg/l;对于絮凝滤池出水中铁或铝的含量一般小于0.5mg/l。
 

(2)化 学除磷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(Cl-或 SO42-含量)增加。

 

含有 少量工业废水的城市污水处理厂正常出水中Cl-<100mg/l、SO24-<200mg/l ,也就是说采用金属药剂后出水中的盐 含量Cl-升高50%、SO42-升高25%。当受纳水体有严格求时,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。
 

(3)化学除磷对碱度 的影响
 

水的碱度是指使一升水达到某一PH值的HCI用量,碱度也是指对酸的缓冲能力。污水 处理厂进水的碱度对应的是其所在流域饮用水的碱度和由铵产生的碱度。在磷酸盐沉析时,只要铁或铝离子进入水溶 液中就形成六水复和体;一般形式为Me(H2O)3+6(Me:金属),这种复合体象酸一样可进一步水解:

 

Me(H2O) 63+→3H++Me(OH)3+3H2O

 

该反应与溶液的pH值有关,同时会降低水的碱度。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。

 

(4)化学除磷对剩余 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。对于同步沉析则 是以剩余污泥的形式排出设施。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BOD5产生的剩余污泥和同步沉析除磷的沉析物所组成。
  

对于由同步沉析,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。在投加系数 β=1.5时,投加1kgFe产生产2.5kg的干物质,或投加1kgAl产生产4kg的干物质。
 

(5)化学除磷对硝化 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,在这种情况下故 而推荐将污泥泥龄提高10%。采用氯化铁盐药剂对硝化反应是没有影响的。表2是各种沉析工艺对硝化反应的影响系数 ,这种影响系数是指在特定工艺条件下的污泥泥龄与常规工艺条件下(无磷的去除,且在同等硝化反应能力情况下)的 污泥泥龄的比值。

 

因为 在前沉析的同时非溶解状的碳化合物也会被沉析出来,由此不能为氮氧化过程的稳定所要求的反硝化反应提供足够的 碳化合物,所以前沉析对氮的去除也会产生负作用。经常出现的问题是,通过一次沉淀已去除掉许多碳化合物,这常 不足于前置反硝化反应所需,再经前沉析更加剧了这种矛盾。


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