磷酸銨鎂法處理含氮磷廢水研究進(jìn)展

更新時(shí)間：2010-12-24 14:21 來源：中國(guó)給水排水作者: 姚濤　蔡偉民　李龍海閱讀：139891

摘　要: 　敘述了磷酸銨鎂在廢水中的形成機(jī)理及其在廢水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀。在廢水處理中利用鎂鹽作沉淀劑可以同時(shí)去除廢水中的氮和磷,該方法去除率高、反應(yīng)速度快、污泥體積小,同時(shí)還可回收磷酸銨鎂,具有一定的應(yīng)用前景。　　

關(guān)鍵詞: 　磷酸銨鎂; 　化學(xué)沉淀; 　條件溶度積; 　廢水處理

磷酸銨鎂(MgNH₄ PO₄ ·6H₂O)俗稱鳥糞石,英文名稱struvite (magnesium ammonium phosphate) ,簡(jiǎn) 稱MAP。廢水處理中的磷酸銨鎂(MAP)法就是將 Mg^{2 +}加入到含有磷酸鹽和氨氮的污水中反應(yīng)生成難溶的磷酸銨鎂沉淀,從而去除污水中的磷酸鹽和氨氮。

與傳統(tǒng)活性污泥法相比,該方法可以減少49% 的污泥體積。磷酸銨鎂不僅在化工、醫(yī)藥和建筑領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,更是一種高效的緩釋肥料,通過緩慢地釋放養(yǎng)分極大限度地減少肥料中氮、磷進(jìn)入附近水體,防止富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生。將廢水中大量磷酸鹽轉(zhuǎn)化生成磷酸銨鎂已經(jīng)引起很多水處理專家的興趣。

1　水中磷酸銨鎂形成機(jī)理

1. 1　磷酸銨鎂溶解度

磷酸銨鎂是一種非常復(fù)雜的晶體化合物。水中 pH值的變化對(duì)其生成反應(yīng)有很大影響,隨pH值的變化,水中的NH₄⁺ 、Mg^{2 +}和PO₄^{- 3} 濃度不斷變化,當(dāng) 這三種離子的活度積超過了磷酸銨鎂的溶度積常數(shù) (K_sp )時(shí),溶液過飽和然后發(fā)生沉淀。這三種離子的活度取決于體系的pH值和溶液中可溶的Mg、N和磷酸鹽的濃度。另外,離子強(qiáng)度、溫度以及水中的雜質(zhì)都會(huì)對(duì)上述三種離子的活度產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響磷酸銨鎂的沉淀。到目前為止,已經(jīng)有許多人通過試驗(yàn)和化學(xué)平衡計(jì)算得出磷酸銨鎂的溶度積常數(shù) (3. 89 ×10- 10 ～7. 08 ×10- 14 ) 。

1. 2　磷酸銨鎂條件溶度積

磷酸銨鎂的溶解性并不是由它的溶度積常數(shù)單獨(dú)控制,Adnan等[ 3 ]對(duì)比了磷酸銨鎂在純水和污泥消化液中的溶解情況,發(fā)現(xiàn)磷酸銨鎂在消化液中更容易溶解。為了在工程上準(zhǔn)確預(yù)測(cè)磷酸銨鎂的溶解性, Stumm等引用了條件溶度積( PS )的概念,即只是在給定的試驗(yàn)條件下(例如在一定pH值下)才可適用的平衡常數(shù)。磷酸銨鎂的PS 可以定義為:

1. 3　磷酸銨鎂的形成

PSeq受pH值影響很大:隨著pH值的升高,水中 PO3 - 4 增加,而Mg2 +和NH+ 4 濃度急劇下降,磷酸銨鎂的PSeq迅速降低,當(dāng)PS > PSeq時(shí)水中的磷酸銨鎂達(dá)到過飽和,當(dāng)過飽和度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)磷酸銨鎂則沉淀出來。或者在相同的pH值下,增加組成磷酸銨鎂的三種離子中任一離子的含量也可以使體系中磷酸銨鎂達(dá)到過飽和。磷酸銨鎂的過飽和度β ( degree of supersaturation)定義如下:

通常以β區(qū)分結(jié)晶和沉淀,當(dāng)β大于臨界過飽和度時(shí)溶液由結(jié)晶狀態(tài)變成沉淀,溶液中出現(xiàn)大量的磷酸銨鎂微晶,這些晶粒很難長(zhǎng)大。因此,在廢水處理和化工生產(chǎn)中,為了使反應(yīng)系統(tǒng)處理效率及生成的產(chǎn)物質(zhì)量好,一般都使磷酸銨鎂反應(yīng)處在結(jié)晶過程。Adnan等[ 3 ]認(rèn)為反應(yīng)的過飽和度在1～5之間時(shí)體系處于亞穩(wěn)定區(qū),磷酸鹽的去除率和生成的磷酸銨鎂晶體能達(dá)到最好。Hirasawa等證實(shí),當(dāng) 過飽和度小于臨界過飽和度時(shí)晶粒成長(zhǎng)的線速度與過飽和度呈一次線性關(guān)系。晶體在形成時(shí)要經(jīng)過成核和晶體成長(zhǎng)兩個(gè)階段。磷酸銨鎂晶體生長(zhǎng)很復(fù) 雜,不僅受溶液中傳質(zhì)和晶粒表面累積性質(zhì)的影響, 而且受環(huán)境的影響也很大:磷酸銨鎂更易在表面粗糙、管道的連接處等環(huán)境因素變化的地方聚集。

2　在廢水處理中的應(yīng)用

2. 1　鎂的來源

如果污水處理廠所在區(qū)域水的硬度比較高,通常該地的污水會(huì)含有大量的鎂離子。當(dāng)廢水中的鎂鹽不足時(shí),可以加入其他的鎂鹽。如果污水處理設(shè) 施位于海邊附近,那么利用海水或鹽乳充當(dāng)鎂源是個(gè)比較經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法。Tunay等[ 5 ]用MgCl2 去除含有大量氨氮的制革廢水。氧化鎂由于對(duì)環(huán)境影響小、溶解度較小以及有較強(qiáng)的堿性而被廣泛使用。養(yǎng)豬廢水的厭氧消化液中通常無需外加鎂鹽,消化液中的鎂足夠與氨氮及正磷酸鹽生成磷酸銨鎂沉淀。

2. 2　氨氮和磷的來源

通常城市生活污水中的含氮化合物在腐敗過程中會(huì)產(chǎn)生大量氨氮,一些化工制革廢水、老齡的垃圾滲濾液本身會(huì)含有高濃度的氨氮,通常相對(duì)于廢水中的鎂和磷,氨氮是過量的。污水中的磷以正磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機(jī)磷等形式溶解于水中。在污水處理廠的厭氧除磷池中,聚磷分解形成無機(jī)磷釋放回污水中, Jaffer等[ 6 ]為Slough污水處理廠的各個(gè) 處理設(shè)施中的氨氮、總磷及鎂鹽作了物料平衡圖,選擇厭氧消化污泥脫水后的回流液作為反應(yīng)物的來源不僅去除了水中大量營(yíng)養(yǎng)鹽,而且防止了回流液管道被磷酸銨鎂堵塞。

2. 3　磷酸銨鎂法脫氮除磷

磷酸銨鎂(MAP)沉淀法對(duì)于高濃度的氨氮廢水具有很好的處理效果,向該廢水中加入鎂鹽和磷酸鹽可迅速去除廢水中的氨氮。Zdybiewska等發(fā)現(xiàn) 當(dāng)pH為8～10時(shí)水體中剩余的氨氮量最低。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)在這方面作了很多工作,見表1 。表1　MAP去除氨氮試驗(yàn)結(jié)果　

Ohlinger和Jaffer等認(rèn)為為了保證磷的高去除率( > 80% ) ,反應(yīng)器內(nèi)的pH應(yīng)為8. 2～9。E2 lisabeth等用流化床處理磷酸鹽濃度為61 mg/L 的廢水,加入NaOH使水中pH在8. 5時(shí)磷的去除率達(dá) 到94%。Abe在處理磷酸鹽濃度為162 mg/L的廢水時(shí),通過將pH值升到8. 52使得磷的去除率達(dá) 到81%。Battistoni等處理消化污泥上清液時(shí),不加堿而采用吹脫水中二氧化碳使廢水的pH由7. 9 升到8. 3～8. 6,磷酸鹽的去除率也達(dá)到80%。Jaffer 等發(fā)現(xiàn)n (Mg^{2 +}+ ) ∶n ( PO4 ^{- 3} )是1. 05∶1時(shí),通過將廢水中的pH 升高至9. 0, 磷酸鹽的去除率高達(dá) 97%;但n (Mg^{2 +} ) ∶n ( PO4^{- 3} ) < 1. 05時(shí)磷酸鹽的去除率只有72%。

3　結(jié)論

磷酸銨鎂法處理廢水去除率高、反應(yīng)速度快,還可回收磷酸銨鎂。在實(shí)際應(yīng)用中,還需要進(jìn)一步優(yōu) 化反應(yīng)物配比并比較經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)pH值,以做到運(yùn) 行穩(wěn)定且生成產(chǎn)物具有更高的回收價(jià)值。

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