申请日2014.11.13
公开(公告)日2015.07.08
IPC分类号C02F11/04; C02F11/00; C02F3/30
摘要
本发明公开了一种适用于污水生物处理过程的污水强化除磷方法，属于污水深度处理工艺技术领域，包括：通过蓝铁石(Fe3(PO4)2·H2O)结晶来实现污泥厌氧消化池内污泥混合液中磷的去除与回收;以及通过三价铁的絮凝沉淀作用来实现好氧生物反应池污水中磷的去除。本发明方法以蓝铁石结晶为主体过程除磷，采用生物-化学联合的方法除磷，除磷效率高，既不产生化学污泥，又可实现污水中磷资源的回收，同时还节约了污水处理的运行成本，是一种环境友好的污水除磷新技术方法。
权利要求书
1.一种污水强化除磷方法，其特征在于，包括在污泥厌氧消化池内强化蓝铁石 的结晶作用，去除污泥混合液中磷。
2.如权利要求1所述的强化除磷方法，其特征在于，所述的结晶强化过程包括： 向污泥厌氧消化池中投加Fe3+化合物，Fe3+经微生物作用还原为Fe2+，并与污泥 在厌氧消化过程中释放的磷酸根离子反应，生成蓝铁石结晶沉淀，从而去除污泥 中的磷。
3.如权利要求1或2所述的强化除磷方法，其特征在于，还包括向污泥厌氧消 化池中投加蓝铁石颗粒作为晶种以强化结晶过程。
4.如权利要求1或2所述的强化除磷方法，其特征在于，所述Fe3+化合物选择 无定型的羟基氧化铁、水合氧化铁、三氧化二铁或含铁矿渣。
5.一种污水/污泥的梯级除磷方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)向污泥厌氧消化池中投加Fe3+化合物，在厌氧条件下Fe3+被消化池的厌 氧微生物还原成Fe2+，并与污泥中在厌氧消化过程中释放的磷酸根离子反应，生 成蓝铁石结晶沉淀;
其中，步骤1)中所述污泥厌氧消化池可为A2/O、SBR、氧化沟法等不同污 水处理工艺中的污泥厌氧消化池;
2)污泥厌氧消化池中经蓝铁石强化结晶处理后的上清液、二沉池回流污泥 和经一级(初沉池)处理后的污水一起进入二级生物反应池(一般包括厌氧池/ 段、缺氧池/段和好氧池/段)，在二级生物反应池中的铁离子先后作为磷酸根的沉 淀剂(在厌氧池/段和好氧池/段中)和混凝剂(好氧池/段中)发挥梯级除磷作用;
3)经厌氧池/段、缺氧池/段、好氧生物反应池/段的混合液进入二沉池中进行 泥水分离，二沉池的上清液出水即为经梯级除磷后的污水处理厂出水。
6.如权利要求4或5所述的污水强化除磷方法，其特征在于，步骤1)中所述 投加Fe3+与污泥厌氧消化池中污泥总磷的摩尔比为1.8-2.2：1。
7.如权利要求4或5所述的污水强化除磷方法，其特征在于，步骤1)中所述 的含Fe3+化合物选择无定型的羟基氧化铁、水合氧化铁、三氧化二铁或含铁矿渣。
8.如权利要求4或5所述的污水强化除磷方法，其特征在于，步骤1)中还包 括向污泥厌氧消化池中投加蓝铁石颗粒作为蓝铁石结晶沉淀的晶种。
9.如权利要求4或5所述的污水强化除磷方法，其特征在于，步骤1)中污泥 厌氧消化池的消化温度为35-55℃，优选为50-55℃。
10.如权利要求4或5所述的污水强化除磷方法，其特征在于，步骤1)中采用 消化液内循环或通入污泥厌氧消化产气压缩气的方式获得优化的水力条件使污 泥消化反应区磷酸根与Fe2+充分混合与接触，以强化蓝铁石的结晶作用;同时， 生长至一定粒径的蓝铁石晶体颗粒可克服厌氧消化池内的水力扰动，经沉降至池 底部而得到分离。
说明书
一种污水强化除磷方法
技术领域
本发明属于污水深度处理工艺技术领域，具体涉及一种利用微生物作用和化 学反应处理污水的方法，特别涉及一种通过厌氧和好氧生物处理以及化学结晶方 法除磷，并实现磷资源回收和剩余污泥减量的污水处理方法。
背景技术
随着城市污水处理量的增长和处理效率的提高，作为污水处理的副产物剩余 污泥的数量也与日俱增。传统的污泥减量和处理方式在技术和环境安全方面均存 在一定的局限。对于目前国内外采用的各种污泥减量化技术，一个难以解决的问 题是：当污泥减量效果好、剩余污泥产量减少时，进入污泥中的磷含量也随之减 少，由此导致污水的磷去除效果明显降低。而随着水体富营养化趋势的加剧，氮、 磷等营养物质的去除已经成为城市污水处理的最重要任务之一，污水中磷的回收 和再循环利用成为污水处理的研究重点。污水的磷回收技术，就是采用一定的技 术方法将污水中的磷以能被再利用(磷酸盐工业或肥料工业中)的形式进行分离 与回收，而不单是将磷转移至剩余污泥中。
可实现除磷的污水生物处理技术较多，其中常用的有A2/O、SBR和氧化沟 等工艺。然而，这些污水生物除磷工艺仍存在以下问题：(1)除磷过程对污泥 龄的要求严格，实现高效除磷时泥龄应在8d以下;(2)污水处理工艺过程中 需定期排放剩余污泥，这些剩余污泥经浓缩和厌氧消化处理后，细胞内的磷得到 释放，若剩余污泥没有得到合理处置，可对附近受纳水体造成二次污染;(3) 污水中的磷持续转移至剩余污泥中，难以实现再次利用，造成磷资源的巨大浪费; (4)由于回流污泥中含有大量的磷，导致污水生物处理过程整体的除磷效率不 高，出水中磷的浓度难以达标。
目前，污水生物处理过程中的强化除磷技术主要有生物强化除磷法、化学沉 淀除磷法和结晶法等。生物强化除磷法利用聚磷菌在厌氧条件下水解胞内聚磷颗 粒释放磷(提供能量)，在好氧条件下利用PHB产生能量同时从污水中过量摄 入磷(合成多聚磷酸盐储存于细胞内)的特性，通过不断排放富磷污泥而使磷从 污水中脱除。该方法运行费用低，但稳定性差，出水磷浓度难以达到相应的标准。 同时，生物强化除磷技术难以彻底固定污水中的磷酸盐(仅使磷从水相转移至泥 相)。为实现污水中磷资源的回收利用，磷酸盐的化学沉淀成为不可或缺的环节。 上世纪50年代，化学沉淀除磷技术在瑞士首次得到应用，同时也是当前实际工 程中最主要的污水除磷技术之一。在处理过程中，Fe2+/Fe3+、Al3+或Ca2+等金属 离子一方面可与水中的磷酸根反应生成不溶性磷酸盐沉淀，另一方面通过絮凝作 用使磷得以有效去除。然而，传统化学沉淀在去除污水生物处理系统中的磷酸盐 时可生成大量化学污泥，其中夹杂较多的有机物质和活性污泥。这些化学污泥的 脱水、运输和处置费用十分昂贵，回收其中的磷酸盐也十分困难。
近十几年来，随着污水磷去除向磷回收的方向发展，磷酸盐结晶法作为磷化 学沉淀的一种改进技术，在回收污水中的磷资源方面得到广泛的研究，其主要结 晶产物有鸟粪石(MAP)和羟基磷灰石(HAP)两种，反应过程如式1和式2。
Mg2++NH4++PO43-+6H2O→MgNH4PO4·6H2O (1)
5Ca2++3PO43-+OH-→Ca5(PO4)3OH (2)
基于MAP和HAP的污水磷酸盐结晶技术可获得纯度较好的磷回收产品， 使污水磷回收的产业化成为可能，但这两种方法仍存在一些难以克服的缺陷。由 于MAP和HAP结晶的适宜pH水平分别为8.5～9.5和9.0～10.5，为使这两种磷 酸盐结晶反应高效进行，往往需要投加大量的碱液。而在磷酸盐水平最高的剩余 污泥消化单元中存在大量的CO2/CO32-，可对体系的pH调节产生巨大的缓冲作 用，使所需碱液的量急剧增加，或使CO2吹脱操作成为必要。对于HAP结晶体 系，CO32-还可与Ca2+反应，使药剂投加量增加。这些缺陷大大增加了MAP和 HAP磷回收技术的成本。因此，对传统的生物/化学除磷技术进行改进对于提高 污水除磷的效率与回收有用的磷资源均具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有污水生物除磷技术中存在除磷效果差、磷资源回收 困难等技术问题，提出一种污水的梯级强化除磷方法。本发明方法以蓝铁石结晶 为主体除磷过程，采用生物-化学联合除磷技术，除磷效率高，既不产生化学污 泥，又可实现污水中磷资源的有效回收，降低了污水处理的运行成本，是一种环 境友好型的污水除磷新技术方法。
为实现本发明的目的，本发明提供一种污水强化除磷方法，包括在污泥厌氧 消化池内强化蓝铁石的结晶作用，去除污泥混合液中磷。
其中，所述的结晶强化过程包括：向污泥厌氧消化池中投加Fe3+化合物，Fe3+经微生物作用还原为Fe2+，并与污泥在厌氧消化过程中释放的磷酸根离子反应， 生成蓝铁石结晶沉淀，从而去除污泥中的磷。
特别是，所述Fe3+化合物的投加量应使Fe3+与污泥厌氧消化池中污泥总磷含 量的摩尔比为1.8-2.2：1，，优选为1.9-2.1：1。
尤其是，所述的Fe3+化合物选择无定型的羟基氧化铁、水合氧化铁、三氧化 二铁或含铁矿渣。
特别是，还包括向污泥厌氧消化池中投加蓝铁石颗粒作为晶种以强化结晶过 程。
尤其是，所述投加蓝铁石颗粒的平均粒径为2-4mm，优选为3mm。
本发明另一方面提供一种污水/污泥的梯级除磷方法，包括如下步骤：
1)向污泥厌氧消化池中投加Fe3+化合物，在厌氧条件下Fe3+被消化池的厌 氧微生物还原成Fe2+，并与污泥中在厌氧消化过程中释放的磷酸根离子反应，生 成蓝铁石结晶沉淀;
其中，步骤1)中所述污泥厌氧消化池可为A2/O、SBR、氧化沟法等不同污 水处理工艺中的污泥厌氧消化池;
2)污泥厌氧消化池中经蓝铁石强化结晶处理后的上清液、二沉池回流污泥 和经一级(初沉池)处理后的污水一起进入二级生物反应池，一般包括厌氧池/ 段、缺氧池/段和好氧池/段，在二级生物反应池中的铁离子先后作为磷酸根的沉 淀剂(在厌氧池/段和好氧池/段中)和混凝剂(好氧池/段中)发挥梯级除磷作用;
3)好氧生物反应池/段的混合液进入二沉池中进行泥水分离，二沉池的上清 液出水即为经强化除磷后的污水处理厂出水。
特别是，采用强化生物除磷的污水处理工艺作为所述污水处理的二级生物反 应池主体处理工艺。
其中，步骤1)中所述Fe3+化合物的投加量应使Fe3+与污泥厌氧消化池中污 泥总磷含量的摩尔比为1.8-2.2：1，优选为1.9-2.1：1。
尤其是，所述的Fe3+化合物选择无定型的羟基氧化铁、水合氧化铁、三氧化 二铁或含铁矿渣。
特别是，向污泥厌氧消化池中投加三氧化二铁或含铁矿渣时，需同时向污泥 厌氧消化池中添加电子传递体，以提高Fe3+的还原效率和速率。
其中，所述的电子传递体选择2,6-双磺酸蒽醌(AQDS)或腐殖质，优选为 AQDS。
尤其是，电子传递体的添加量为污泥厌氧消化池内每1L污泥添加1-1.5g优 选为1g AQDS或2-2.5g优选为2g腐殖质。
特别是，步骤1)中还包括向污泥厌氧消化池中投加蓝铁石颗粒作为蓝铁石 结晶处理的晶种。
尤其是，所述投加蓝铁石颗粒的平均粒径为2-4mm，优选为3mm。
其中，步骤1)中污泥厌氧消化池的消化温度为35-55℃，优选为50-55℃。
特别是，还包括采用消化液内循环或通入污泥厌氧消化产气压缩气的方式使 厌氧消化池的反应区获得优化的水力扰动。
尤其是，所述消化液内循环或通入污泥厌氧消化产气压缩气使消化池中心污 泥上升流速为0.04-0.06m/s，优选为0.05m/s。
在污泥厌氧消化池中，污泥中的铁还原菌利用消化污泥作为电子供体将投加 的Fe3+还原为Fe2+，并使之与污泥厌氧消化释放的磷酸根离子在晶种蓝铁石颗粒 存在的条件下，通过诱导结晶强化生成蓝铁石晶体。同时，生长至一定粒径的蓝 铁石晶体颗粒克服厌氧消化池内由消化液内循环或通入消化产气压缩气引起的 水力扰动，沉降至池底部而得到分离。定期排出污泥厌氧消化池底部的蓝铁石晶 体颗粒，经过洗涤干燥后，获得磷回收产品。
污泥消化液中未反应的过量Fe2+被输送至污水的主体生物处理单元，在厌氧 池/段、缺氧池/段和好氧池/段中先后作为磷酸根的沉淀剂和混凝剂起梯级除磷作 用。在厌氧池/段中，回流污泥中的聚磷菌以原污水和污泥消化液中的有机物质 作为碳源，在低氧化还原电位的厌氧条件下，大量释磷，并与污泥消化液带入的 溶解性Fe2+生成磷酸盐沉淀。剩余的Fe2+经缺氧池/段后随污泥混合液进入好氧 反应池/段，还原态Fe2+被快速氧化为Fe3+。通过磷酸铁的沉淀作用和Fe3+的混 凝作用，污水中的磷酸根在好氧池生物吸磷的同时得到强化物化去除，二级处理 出水中磷的浓度可达到国家一级A排放标准。
在好氧池/段污泥中的Fe3+最终随污泥经二沉池和浓缩池回至剩余污泥厌氧 消化池。这些Fe3+在污泥消化池中被再次还原，并在蓝铁石晶种的作用下与污泥 厌氧消化释放的磷酸盐发生强化结晶反应，最终形成蓝铁石晶体使磷酸盐得到进 一步去除并回收。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的强化除磷方法除磷效果好，明显降低污水二级生物处理出水中 磷的浓度，污水中磷的去除效率高，除磷率达到95%以上。
2、本发明向污泥厌氧消化池内添加Fe3+化合物和蓝铁石晶体颗粒，蓝铁石 晶体作为诱导结晶的晶种，促使污泥厌氧消化释放的磷酸根与Fe3+经污泥中铁还 原菌还原得到的Fe2+反应，生成并回收蓝铁石晶体，即降低了系统的磷酸盐水平， 又有效地回收了污水中的磷资源。
3、本发明的强化除磷方法在pH中性或近中性的条件下进行，即在污水和 污泥处理过程中不需要调节pH，从而克服了传统化学结晶除磷法在碱性条件下 进行的技术缺陷，节省了化学药剂投加的费用，减低了污水处理的成本，同时还 减轻了化学药剂使用对环境的污染。
4、本发明除磷方法中所投加Fe3+化合物中的铁在蓝铁石的结晶过程中得到 回收，与此同时也实现了污水和污泥中磷资源的回收利用。整个过程不仅未增加 污水处理厂的运行成本，还回收了污水中的磷资源，从而具有重大的经济效益和 环境效益。
5、本发明的污水强化除磷方法操作简单、稳定性高、操作工艺条件可控， 不增加污水处理环节及处理成本，并能回收优质的磷酸盐，适用于强化去除和回 收城市污水或工业废水中的磷酸盐，利于大规模推广。
