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磷酸铵镁除磷脱氮技术

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来源: 作者: 2018-10-28 22:41:20

磷酸铵镁除磷脱氮技术

摘要:氨氮和磷酸盐是水质富营养化的重要来源。对含磷和氨氮的废水采用镁盐作沉淀剂可同时去除废水中的氨氮和磷酸盐,生成可用作肥料的沉淀物——磷酸铵镁,简称MAP,去除率均可达90%以上。

关键词:废水处理;磷酸铵镁;化学沉淀;除磷脱氮

目前,生物脱氮除磷常采用A2O工艺,但其流程长且成本高,对进水氨氮浓度变化的适应性及抗负荷冲击的能力较差。本文介绍一种化学沉淀法,即MAP(Magnesium Ammonium Phosphate)脱氮除磷法。

1 MAP除磷脱氮的基本原理

向含NH4+和PO43-的废水中添加镁盐,发生的主要化学反应如下:

Mg2++HPO42-+NH4++6H2O→MgNH4PO4•6H2O↓+H+(1)

Mg2++PO43-+NH4++6H2O→MgNH4PO4•6H2O↓(2)

Mg2++H2PO4-+NH4++6H2O→MgNH4PO4•6H2O↓+2H+(3)

再经重力沉淀或过滤,就得到MAP。其化学分子式是MgNH4PO4•6H2O,俗称鸟粪石;它的溶度积为2.5×10-13。因为它的养分比其它可溶肥的释放速率慢,可以作缓释肥(SRFs);肥效利用率高,施肥次数少;同时不会出现化肥灼烧的情况。

2 MAP除磷脱氮的影响因素和沉淀物组成分析

2.1 Mg2+,NH4+,PO43-三者在反应过程中的比例

在处理氨氮废水方面,将H3PO4加入到含有MgO的固体粉末中制成一种乳状液,对2.47×10-3mol/L氨氮废水进行处理,得出H3PO4与MgO的物质的量之比大于1.5时,氨氮去除率最高(90%以上),当进水氨氮质量浓度为42mg/L,在最佳条件下,氨氮质量浓度可降到0.5mg/L以下[1]。赵庆良[2]等人对5618mg/L氨氮的垃圾渗滤液进行处理,按n(Mg2+):(NH4+):n(PO43-)=1:1:1投加氯化镁和磷酸氢二钠,废水中氨氮质量浓度降为172mg/L,过量投加10%的镁盐或磷酸盐,氨氮质量浓度可分别降为112mg/L和158mg/L,继续提高镁盐或磷酸盐的量,废水中剩余氨氮质量浓度处在100mg/L左右,很难进一步降低。笔者对某一合金厂的质量浓度为1600mg/L的氨氮废水进行处理,按最佳配比n(Mg2+):(NH4+):n(PO43-)=1.3:1:1,加入硫酸镁和磷酸氢二钠,氨氮质量浓度可降到60mg/L,对某炼油厂的氨氮含量高(1231mg/L)的废水用此方法处理,氨氮质量浓度可降到112mg/L。

在除磷方面,国外有人证明,晶体纯度与初始氨氮质量浓度有关,最佳比例n(Mg2+):(NH4+):n(PO43-)=1:1.6:1,磷、镁去除率达95%以上[3]。Katsuura[4]认为n(Mg):n(P)为1.3:1时,除磷效果最好。

2.2反应的pH值

MAP溶于酸不溶于碱,笔者对模拟氨氮废水进行重复验证,证明废水在pH值为7.0以上,才会出现小颗粒沉淀物,当用NaOH将pH值调至8.0以上时,会出现大量沉淀。pH值在7.0~10.5之间,主要的反应过程如式(1),(2),(3),当pH值上升到10.5~12之间,固定氨会从MgNH4PO4中游离出来,生成更难溶的Mg3(PO4)2(ksp=9.8×10-25)。

笔者在对无杂质氨氮废水与含杂质氨氮废水进行比较,发现前者pH值必须达到7.0以上,才会生成沉淀,而后者在pH值为6.3左右时,水中不断出现白色沉淀物,表明氨氮废水有比较大的悬浮颗粒时,沉淀物MAP可提前生成。

国内外的研究人员对MAP除磷脱氮最佳pH值进行了研究,结果见表1。

表1不同废水MAP除磷脱氮的最佳pH值

从表1可以看出,生成MAP沉淀的最佳pH值范围8~10,由于废水水质不同,造成最佳pH值范围有一定的差别。

反应pH值的调节一般采用以下方法:

①投加NaOH

一般人们常用NaOH来调pH值,此方法操作过程简便,但需要耐腐蚀罐装NaOH溶液。

②投加Mg(OH)2

氢氧化镁具有缓冲能力,pH值最高不超过9.5,即使氢氧化镁过量也不会严重影响沉淀效果,而且氢氧化镁无毒、无腐蚀,无须专门防腐设备。不足之处,pH值与投加n(Mg):n(P)的比例不能互相独立控制。

③脱气法

对厌氧消化污泥上清液生物厌氧反应产生的高浓度CO2,可用脱气法将CO2吹出[3]以提高pH值。Battisioni[6]用连续通气方法,将上清液中的CO2从35%~40%降到0.035%,pH值也从7.9上升到8.3~8.6。不过这种方法只能局限于厌氧消化上清液这类含高浓度CO2的废水。

2.3反应时间与晶种

Zdybiewska[7]对氮肥厂废水进行实验,发现当反应时间为25min时,氨氮去除率最高(80%)。同时反应时间也是形成MAP晶粒大小的因素之一。Straful在实验中发现反应时间1min时,晶粒长度只有0.1mm,当反应时间为60min时,晶粒长度达0.8mm,3h后晶粒可达3mm,虽然氮磷去除率变化不大,但是晶粒越大,沉淀效果越好。Battisioni在中试试验中,将0.21~0.35mm的石英砂填到φ58mm×0.42m的流化床,为MAP提供晶种,除磷效率为80%。

3沉淀物组成分析

表2是处理社区废水得到的沉淀物[8],可以看出沉淀物中营养元素含量比较高,镁和磷元素均高于理论值,这是因为沉淀物中还有Ca5(PO4)3OH,Mg(OH)2,Mg3(PO4)2等物质。表2还可以看出CODcr的含量比较小,说明沉淀物MAP很少吸收有机物。

表2某生活污水生成的MAP的组成%

澳大利亚Elisabeth[5]用这种方法回收厌氧消化污泥上清液中的磷,生成的MAP淤泥干燥快,最终产物呈白色细粉末(见表3)。

表3厌氧污泥生成的MAP的组成%

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