磷回收技术在欧洲污水处理厂的工程应用
在全球许多资源例如磷逐渐短缺的情况下，近些年来从污水或污泥中抽提磷的技术愈来愈受到重视。在许多市政污水处理厂和工业废水处理厂内，可通过引入相应措施和设备之后有效地将污水污泥内所含有的磷抽提取出。
1 磷回收工程的应用限制因素
原则上说，在污水处理厂的各污水处理和污泥处理工段内都可以进行磷回收处理。图1显示了磷回收技术在污水处理厂内最主要的应用场所：
1) 在污泥脱水机房的回流工艺水(污泥脱水后的上清液)内进行磷回收①；
2) 在污泥消化塔和污泥脱水机房之间的消化污泥内进行磷回收②。
在污泥消化期间，一部分被返溶，会经常导致后续污泥脱水性能的下降。因此，在此处进行磷抽提回收不仅可以回收磷肥，还可以进一步提高后续污泥的脱水性能。此外，还可以降低回流液体内的磷含量，即中断装置内磷返回途径或磷返回负荷。
但必须指出，在此处进行磷回收时，污水处理厂内必须具有运转良好的增强型生物除磷污水处理系统 (Bio-P) 作为前提条件。
从单污泥焚烧炉的污泥灰烬内进行磷回收③
图1 污水处理厂内的磷回收地点
在污水处理厂的进水区域和出水区域没有标出磷回收地点，这是因为液体内磷浓度太低，很难进行磷抽提回收。但如果在污水或工艺流程水内含有很高的磷浓度时，则此时也可以采用各种类型的提磷工艺在液体内直接进行磷回收。这种应用情况主要是在一些工业领域，例如奶酪业或土豆加工业。
在上述提及的磷回收情况中，应用最为广泛的是从市政污泥固体物质或污泥灰烬内定向抽提回收营养物质。主要原因是在污水处理或污泥处理过程中所产生的固体物质内含有很高浓度的营养物质。但这些从固体物质提磷的处理工艺十分繁琐昂贵，必须事先采用生物，化学和机械方法，将和污泥或灰烬结合在一起的磷转化成溶解性的正态磷之后才能进行提磷回收。
与此相反，虽然液相内的磷含量浓度较低，但在液相内进行提磷回收的处理工艺则明显简单容易。此时采用的提磷回收工艺是利用了沉淀结晶原理，可以快速简单地整合安装在污水处理厂内。这些处理工艺在近些年来已经变得十分成熟，目前已在全球许多大型污水处理厂内获得成功应用。
2 从液体中回收MAP的各种提磷方案
目前在欧洲已经有许多从液相内提磷回收技术已经转化成工业规模的处理工艺，并且在市政污水处理厂内获得成功应用。在表1内列出了这些处理工艺，即:
1) 从污水或过程水内进行磷回收
2) 从脱水污泥的上清液内进行磷回收
3) 从消化污泥的液相内进行磷回收
采用这些处理工艺的基本前提条件是：污水处理厂具有运转良好的生物除磷功能，或者在污水/工艺流程水中含有很高的磷和氨氮浓度。在这些领域内采用的磷回收工艺在工作原理类似，即基本上都采用沉淀结晶处理方法。不同处理工艺之间的一些差别在于:
1) 反应罐体的几何形状
2) 所设置的pH值(通过吹脱或者投加NaOH来提升pH数值)
3) 所采用的沉淀剂类型(采用MgO或者MgCl2)
4) 反应罐体内的搅拌方式(采用机械搅拌或者气体搅拌)
5) 所选用的固液分离技术或者结晶颗粒物质的分离回收技术(沉淀方法，水力旋流方法，离心方法，配置或不含洗涤清理设备的过滤方法，或者根本就不进行分离，将结晶颗粒直接存留在污泥内)
6) 产品形式(小型结晶颗粒，大型球状结晶体等)。
表1 在欧洲已经实施工程的MAP回收工艺一览
备注：这些项目是目前在欧洲的调查结果，均为目前实际在运转的处理工艺和设备。
2.1 采用NuReSys -工艺在污水/工艺流程水内进行磷回收
NuReSys 处理工艺主要用于直接对污水/工艺流程水的提磷回收。这一磷回收工艺是在2个工艺步骤或反应器内进行。在第一个反应器内，被处理液流受到曝气处理并投加NaOH药剂，使反应罐内的pH 值控制在所需要的数值。在后续第二个反应罐内，则通过投加MgCl2来形成MAP结晶颗粒。这一结晶反应器是全混合反应罐，所形成的结晶颗粒是在反应罐的下部排出。NuReSys公司计划今后不仅将此处理工艺用于污水/工艺流程水，还将进一步扩展到污泥水领域和市政污泥液相领域，进行MAP沉淀结晶和磷回收。
图2 NuReSys - 处理工艺流程
2.2 采用PEARL (Ostara) - 工艺在脱水污泥的上清液内进行磷回收
PEARL (Ostara) - 处理工艺主要用于直接对污泥水进行提磷回收。此时在一个流化床反应器内，通过投加氯化镁和氢氧化钠(反应器内pH值被调节设置在7.2和8.0之间)，可在反应器内沉淀形成MAP。被处理的污泥水从下向上穿流反应罐。作为补充，一部分污泥水进行内部环流，产生流化效应。也因为这一原因，这一处理工艺所需要的反应器体积和相应投资费用就变得很大。
MAP的长晶，或者说MAP圆形大颗粒的形成(Crystal Green Product)是在反应器内鸟粪石结晶种基础上形成。在流化床内，晶种始终不断地与新沉淀的MAP相接触，并逐渐变大。直到晶体直径长大至6 mm 时，因为颗粒本身重量原因下沉至反应器底部，此时MAP以产品形式排出装置。这些MAP产品后续还必须进行干燥处理。
根据加拿大Ostara公司的产品说明，这些MAP颗粒产品 (Crystal Green) 内不含有机微污染物质和治病微生物，重金属含量甚至低于传统的磷肥标准。 Crystal Green 产品的市场销售目前是由Ostara公司自己进行。
图3 PEARL (Ostara) - 处理工艺流程
2.3 采用AirPrex - 工艺在消化污泥的液相内进行磷回收
AirPrex – 处理工艺是由德国柏林水务公司(BWB)研制开发，并在2001年申报专利。德国PCS咨询公司在2006年购买了这一专利的销售许可权，目前在欧洲市场上独家销售这一磷回收处理技术。在不更改工艺流程情况下，可以十分简单地在市政污水处理厂内整合增加AirPrex - 处理工艺，即一般可以在消化塔后面直接安装AirPrex 装置。
图4 荷兰Wieden-Echten污水厂内的AirPrex -处理工艺流程
消化污泥直接泵送进入一个反应罐内，并进行曝气吹脱处理。通过CO2 吹脱处理，可将pH值提高至8.0。与此同时在反应罐内投加氯化镁药剂，从而沉淀形成MAP/鸟粪石。消化污泥在反应罐内的平均停留时间大约为8h，反应罐内的pH值被设置在7.8~8.5。
通过MAP沉淀反应，污泥液相内的正态磷浓度可以最高降低至大约90%。形成的鸟粪石以结晶颗粒形式被洗涤分离，然后排出装置。此时必须注意，结晶颗粒的形状或体积必须达到一定程度之后才能被有效分离。与此同时，液相内PO4-P浓度被降低在10和20 mg/L范围以内，从而明显降低了磷返回负荷。
产生的MAP颗粒物质是一种具有市场潜力的产品，十分容易被回收利用。其中含有Mg, P 和N多种营养元素，是一种营养成分很高的植物肥料。并且多年来的实践工作已经证明，这些产品可以很好地作为肥料直接用于植物。在将产品内的有机物成分洗涤去除之后，鸟粪石也是许多肥料配方中的主要成分。
因为从污泥中分离结晶颗粒相对较为困难，因此磷回收效率也相对较低。这一处理工艺经常被认为是一种污泥处理工艺而不是一种磷回收处理工艺。
与其它磷回收处理工艺相比较，这一处理工艺通过降低消化污泥内的正态磷浓度和同时增加二价金属离子的浓度，可以明显降低污泥的亲水能力。这些化学反应使得后续污泥脱水时形成的絮凝块更为结实稳定，污泥脱水后固含量一般可以提高3%~5%DS。
在此项目中，对初级污泥和次级污泥进行分别处理：
1) 对于初级污泥来说，处理工艺保持原来方式。从初沉池排出的初级污泥进入传统消化塔进行消化处理，然后进行脱水处理。
2) 对于生物剩余污泥来说，主要工艺流程是由以下部分组成: 通过污泥浓来缩富集剩余污泥中的营养物质，污泥热水解和污泥消化处理(LysoGest-处理工艺)，然后通过AirPrex-处理工艺进行磷回收。
通过采用的热水解作为剩余污泥的预处理，许多难以分解的基质，例如蛋白质和多糖物质被转化成容易被微生物分解吸收的物质。同时在剩余污泥累积储存的磷以正态磷形式被释放，然后在污泥消化之后采用AirPrex-处理工艺进行磷回收处理。
通过上述方式对初级污泥和剩余污泥进行分别处理，可为用户带来以下好处：
1) 生物剩余污泥在此作为营养物质储存库，其中碳物质可转为甲烷，而在剩余污泥内储存的磷物质释放程度最大可达90%，可作为肥料被回收利用。
2) 如果将磷含量很低的初级污泥和生物剩余污泥相分离，AirPrex-处理工艺的磷回收效果将得到明显增强。
3) 初级污泥内含有很多容易降解的有机物基质，污泥本身脱水性能良好。与此相反，剩余污泥在厌氧条件下很难降解，产沼能力相对较低。此外，剩余污泥内很强的胶体系统和细胞外多聚体物质 (EPS), 如果两种污泥相互混合后会导致污泥脱水性能下降。
为此，根据初级污泥和剩余污泥的不同特点(降解性能和营养物储存性能)，德国PCS咨询公司进一步开发了LysoGest-处理系统(已申报专利)，对这些污泥分别进行高效处理。
作者：德国 DEW技术公司 高颖博士
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