談污水處理廠污泥厭氧制取磷營(yíng)養(yǎng)液

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【摘要】在城市污水處理過(guò)程中，尤其是污水生物處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量富含磷的污泥，通過(guò)厭氧技術(shù)開(kāi)采污泥中的磷，經(jīng)過(guò)生物發(fā)酵、化學(xué)螯合以及物理活化等工藝相結(jié)合形成一種比較新型的磷營(yíng)養(yǎng)液，可以用于農(nóng)田施肥、園林綠化等方面，從而實(shí)現(xiàn)污泥資源化和磷資源良性循環(huán)利用。探索污泥厭氧制取過(guò)程中磷的變化規(guī)律，可以在一定程度上保證厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定，也可以根據(jù)此過(guò)程對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行回收利用。本文對(duì)污泥厭氧制取磷營(yíng)養(yǎng)液的相關(guān)研究進(jìn)行分析，并且提供了相應(yīng)的探索方向。

【關(guān)鍵詞】污泥；厭氧制??；磷營(yíng)養(yǎng)液

引言

污泥處理的常用手段是厭氧消化（見(jiàn)圖1），富有磷的污泥在厭氧消化的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的磷營(yíng)養(yǎng)液。污泥在制取磷營(yíng)養(yǎng)液的過(guò)程中會(huì)與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，堵塞管道并導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)磷負(fù)荷增加，致使污泥處理廠制取出來(lái)的磷營(yíng)養(yǎng)液不合格。再就是制取液中的磷會(huì)對(duì)厭氧制取系統(tǒng)中其他厭氧微生物的代謝產(chǎn)生影響，導(dǎo)致厭氧制取的系統(tǒng)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行，因此我們需要探索污泥厭氧制取磷營(yíng)養(yǎng)液的過(guò)程。磷屬于不可再生的資源，雖然目前我國(guó)的磷礦資源相對(duì)比較豐富，但是高品質(zhì)的磷是相對(duì)較少的，只占總量的一小部分。污泥中含有大量的磷，磷如果從污泥中制取出來(lái)，就能夠解決高濃度的磷對(duì)消化池的堵塞問(wèn)題，而且也可以解決磷短缺的問(wèn)題，促進(jìn)磷的可持續(xù)發(fā)展。

1磷營(yíng)養(yǎng)液在厭氧制取過(guò)程中的釋放與固定

磷在污泥中有三種存在形式：①有機(jī)磷，也叫生理性磷；②聚磷；③物理化學(xué)方式固定的磷。在污泥制取磷營(yíng)養(yǎng)液的過(guò)程中，磷有兩種來(lái)源：①聚磷；②有機(jī)磷。聚磷分解后大量的正磷會(huì)被稀釋到制取液中，再經(jīng)過(guò)制取形成磷營(yíng)養(yǎng)液。外界的溫度、pH等條件是正磷釋放速度的決定因素，當(dāng)然釋放的磷的量最終決定于聚磷菌胞內(nèi)的聚磷含量。在污泥厭氧制取磷營(yíng)養(yǎng)液的過(guò)程中，不只有聚磷釋放磷，有機(jī)磷也會(huì)分解釋放磷。當(dāng)聚磷菌發(fā)生代謝作用后，它的活力會(huì)遠(yuǎn)不如從前，一部分細(xì)胞也會(huì)因此死亡。這些死亡的細(xì)胞會(huì)將自己體內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)釋放出來(lái)，其中就包含有機(jī)磷，正磷會(huì)隨著有機(jī)磷的釋放而釋放。正磷的釋放速度和污泥的制取率以及降解的程度有關(guān)，當(dāng)然也有學(xué)者認(rèn)為制取的過(guò)程中有機(jī)磷降解會(huì)放出很多的正磷，這個(gè)釋放的速度可能會(huì)是一成不變的。污泥在厭氧制取的過(guò)程中釋放出正磷，而關(guān)于釋放磷的機(jī)制探索并不是很多。有機(jī)磷水解、生物釋磷等都是在污泥厭氧制取磷營(yíng)養(yǎng)液過(guò)程中所涉及的，但是這幾個(gè)過(guò)程有的是交叉進(jìn)行，有的是同時(shí)進(jìn)行，所以分辨出來(lái)是一個(gè)難題。污泥厭氧制取磷營(yíng)養(yǎng)液的過(guò)程中不僅有磷營(yíng)養(yǎng)液的釋放，還有磷營(yíng)養(yǎng)液的自發(fā)固定。污泥在厭氧制取過(guò)程會(huì)產(chǎn)生金屬離子，鉛離子、鎂離子以及銅離子等金屬離子會(huì)和磷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)之后就會(huì)產(chǎn)生沉淀。制取液中金屬離子的濃度會(huì)影響磷在制取液中的形態(tài)和濃度。相關(guān)研究提出，磷沉淀的潛能取決于厭氧制取過(guò)程中鎂、銅、鉛等金屬離子的濃度。在研究中發(fā)現(xiàn)，在厭氧制取磷營(yíng)養(yǎng)液的過(guò)程中有一部分溶解性的正磷，而鳥(niǎo)糞石就是由正磷和鎂離子發(fā)生反應(yīng)生成的，其他的正磷會(huì)和鋁發(fā)生反應(yīng)然后被固定下來(lái)。

2磷對(duì)厭氧消化過(guò)程的影響

污泥在使用厭氧消化系統(tǒng)處理的時(shí)候，濃度高達(dá)100~500mg/L的磷會(huì)破壞厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行造成嚴(yán)重的損壞，尤其是對(duì)厭氧過(guò)程第一階段的水解和發(fā)酵。消化液中除了磷之外，還有其他的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)和磷進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成沉淀，例如鳥(niǎo)糞石等，這些沉淀會(huì)把管道和消化池堵住，使消化池不能夠正常運(yùn)行。另外，濃度高達(dá)100~500mg/L的磷會(huì)對(duì)消化系統(tǒng)中一些微生物產(chǎn)生不良的影響。正常情況下，厭氧消化過(guò)程中的物質(zhì)都是互幫互助來(lái)完成自身的代謝活動(dòng)。不同的物質(zhì)會(huì)把厭氧消化過(guò)程中的其他微生物分解成不同的有機(jī)物，例如：以產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌為例來(lái)說(shuō)明，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌就會(huì)將水解酸化的產(chǎn)物進(jìn)行降解，生成氫氣和乙酸。再就是，如果磷在污泥厭氧消化過(guò)程中的濃度比較高，就會(huì)影響產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌以及水解酸化菌的代謝。外國(guó)學(xué)者探究厭氧消化的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)加入不同的磷化合物就會(huì)影響厭氧消化的過(guò)程。這個(gè)研究證明，加入含磷的化合物不一樣，如磷脂、核酸等含磷化合物，有機(jī)物的降解的速度就會(huì)不一樣，這就證明過(guò)量的磷就會(huì)不利于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和水解酸化菌的代謝；其次是，如果加入含磷化合物，產(chǎn)氣的速率也會(huì)受到影響，污泥中磷的含量超過(guò)25%，就會(huì)抑制消化的過(guò)程。有機(jī)物降解的過(guò)程與水解酸化菌的代謝有直接的關(guān)系，如果后續(xù)的制取過(guò)程受到影響，就說(shuō)明水解酸化菌的活躍性不大。如果厭氧消化過(guò)程中其他的有機(jī)代謝產(chǎn)物沒(méi)有及時(shí)被分解，就證明產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的活躍性下降，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌如果受到了抑制，最終就會(huì)影響產(chǎn)甲烷菌的代謝。

3有利于制取磷營(yíng)養(yǎng)液的污泥處理方式

如果消化池中磷的濃度過(guò)高，就會(huì)對(duì)消化池的運(yùn)行及磷營(yíng)養(yǎng)液的制取產(chǎn)生不利的影響。污泥處理的方式如果是合理的，就既能夠制取高質(zhì)量的磷營(yíng)養(yǎng)液，也能夠確保厭氧制取過(guò)程中污泥釋放出來(lái)的磷不干擾厭氧制取過(guò)程的運(yùn)行。MARTI比較了富磷污泥厭氧消化之前四種不同的處理方式：①將初沉污泥和富磷污泥分別進(jìn)行濃縮；②將初沉污泥和富磷污泥兩種污泥進(jìn)行混合濃縮，然后將壓縮后的污泥進(jìn)行淘洗；③把初沉污泥和富磷污泥在接觸池里混合后再壓縮；④用好氧池污泥替換二沉池污泥進(jìn)而提高對(duì)濃縮污泥的淘洗效率。最終表明，第四種處理污泥的方式能夠減少消化池里很大一部分磷的沉淀，因此大量的溶解性磷能夠被回收利用形成磷營(yíng)養(yǎng)液。利用合理的污泥處理方式既能夠提高磷營(yíng)養(yǎng)液的制取效率，也能夠?qū)⑾刂辛壮恋淼母怕式档?。還有一種研究是在污泥進(jìn)入?yún)捬跸刂埃瑢⑽勰噙M(jìn)行加熱處理使其中的聚磷得到完全釋放，之后再加入氯化鈣，使氯化鈣和磷反應(yīng)生成磷酸鈣，這樣就能夠制取出磷營(yíng)養(yǎng)液了。經(jīng)過(guò)加熱處理后的污泥進(jìn)入消化池，既能夠促進(jìn)甲烷的產(chǎn)量，也能夠降低消化池中鳥(niǎo)糞石的產(chǎn)生概率。

4磷資源化的途徑

消化液中將磷制取出來(lái)回收利用的方法有很多，像電滲析法、沉淀法、結(jié)晶法以及離子交換法等?，F(xiàn)在磷回收利用的主要手段是鳥(niǎo)糞石結(jié)晶的方法。當(dāng)消化液中溶解性磷的質(zhì)量濃度超過(guò)10mg/L，就可以使用鳥(niǎo)糞石結(jié)晶的方法。有的學(xué)者認(rèn)為，在消化液中除了有大量的磷，還有大量的氨氮，所以只要添加適量的鎂離子，就可以出現(xiàn)鳥(niǎo)糞石沉淀。結(jié)晶法也有一定的要求，一般情況下要求摩爾比在1.3:1.0左右，用曝氣吹脫二氧化碳來(lái)提高pH，有的時(shí)候還需要添加堿液。一般的結(jié)晶法會(huì)采用流化床反應(yīng)器，通過(guò)流體的攪拌作用，使得容器中的顆粒變成流體的形態(tài)，進(jìn)而完成磷的結(jié)晶，反應(yīng)容器里的鳥(niǎo)糞石經(jīng)過(guò)重力分解后就能夠進(jìn)行回收了。消化液中磷的濃度達(dá)到一定程度時(shí)，只要有氨氮的存在，就可以形成鳥(niǎo)糞石了，因此污泥厭氧消化液在鳥(niǎo)糞石回收方面具有很好的前景。

5結(jié)語(yǔ)

為確保出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，目前我國(guó)大部分城市污水處理廠采取生物強(qiáng)化除磷工藝，從而產(chǎn)生了大量的富有磷污泥，富有磷的污泥在厭氧消化的過(guò)程中會(huì)釋放出大量的磷，同時(shí)產(chǎn)生其他的微生物，磷會(huì)與其他的微生物發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，進(jìn)而使消化池的運(yùn)營(yíng)成本增加，濃度較高的磷還會(huì)影響其他微生物的代謝，影響消化系統(tǒng)的運(yùn)行。另外，磷作為一種比較稀缺的資源，如果將消化池中的磷回收，就可以一舉兩得，既能夠減少消化池的運(yùn)行成本，也可以實(shí)現(xiàn)磷資源的可持續(xù)發(fā)展。污泥厭氧消化中的磷有兩種釋放機(jī)制：①有機(jī)磷降解機(jī)制；②聚磷分解機(jī)制，但是這兩種機(jī)制還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。污泥厭氧消化系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行是非常重要的，要確保系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，各種微生物必須要相互幫助完成自己的代謝活動(dòng)。但是聚磷菌與水解酸化菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌以及產(chǎn)甲烷菌這三種微生物之間的探索并不多，所以還需要繼續(xù)探索聚磷菌與這三種微生物在消化過(guò)程中的相互作用。雖然鳥(niǎo)糞石結(jié)晶的方法已經(jīng)研究得比較深入，但是在經(jīng)濟(jì)和安全方面還有缺陷，還需要進(jìn)行系統(tǒng)地探索。為了我國(guó)的磷資源可以持續(xù)地利用，更要進(jìn)行多個(gè)方面的探索。總的來(lái)說(shuō)，整個(gè)關(guān)于污泥厭氧制取磷營(yíng)養(yǎng)液的研究都比較短缺，望相關(guān)學(xué)者加強(qiáng)這一方面的鉆研，為國(guó)家的稀缺資源貢獻(xiàn)自己的力量。

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作者：劉利 單位：重慶市三峽魚(yú)復(fù)排水有限責(zé)任公司