Технологические маршруты удаления общего фосфора и полного азота: от технологических принципов к технологическому выбору

Технологические маршруты удаления общего фосфора и полного азота: от технологических принципов к технологическому выбору

В проектах модернизации городских очистных сооружений и проектов очистки промышленных сточных вод одновременное удаление общего фосфора (TP) и общего азота (TN) является технической проблемой и ключевым показателем экологического регулирования. Общий фосфор в основном поступает из моющих средств в бытовых сточных водах, фосфатов в промышленных сточных водах и остатков пестицидов. Общий азот состоит из аммиачного азота, нитратного азота, органического азота и т. д. Оба являются ключевыми факторами, вызывающими эвтрофикацию воды.

Для инженерных подрядчиков и системных интеграторов понимание применимого объема и граничных условий различных технологий удаления фосфора и азота является основой для проектирования технологического процесса и выбора оборудования.

1. Маршруты технологии полного удаления фосфора

Общий фосфор существует в воде в формах ортофосфата, полифосфата и органического фосфора. Разные формы соответствуют разным механизмам удаления.

1.1 Метод химического осаждения

Химическое осаждение является основным процессом удаления фосфора. Он включает добавление солей металлов или извести для преобразования фосфатных радикалов в нерастворимые осадки.

Метод осаждения солей кальция: Добавление извести (CaO) или хлорида кальция в фосфорсодержащие сточные воды приводит к образованию осадка гидроксиапатита в щелочных условиях. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

5Ca²⁺ + 7OH⁻ + 3H₂PO₄⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓ + 6H₂O

Инженерные параметры: Наилучший эффект удаления фосфора достигается при поддержании pH на уровне 10,5–12,5, а концентрация фосфатов в сточных водах может быть ниже 0,5 мг/л. Время реакции 10–15 минут. Сотрудничество с флокулянтом PAM может повысить эффективность седиментации.

Метод осаждения солей алюминия/железа: Добавление сульфата алюминия, хлорида полиалюминия или хлорида железа приводит к образованию осадка фосфата алюминия или фосфата железа. Его преимуществом является то, что он может работать в условиях pH, близких к нейтральному (6,5–7,5), что подходит для постбиохимического удаления фосфора из системы.

Следует отметить, что метод химического осаждения в основном нацелен на неорганический фосфор и оказывает ограниченное влияние на удаление органического фосфора. Требуется проверка процесса в соответствии с фактическим качеством воды.

1.2 Биологическое удаление фосфора

Биологическое удаление фосфора зависит от чрезмерного поглощения фосфора организмами, накапливающими фосфор (ПАО), в чередующихся анаэробных/аэробных средах. На анаэробной стадии полифосфат гидролизуется с высвобождением фосфата; на аэробной стадии избыток фосфатов поглощается и сохраняется в клетках в виде полифосфата, а фосфор удаляется посредством выделения избыточного ила.

Когда система усиленного биологического удаления фосфора (EBPR) работает стабильно, общее содержание фосфора в сточных водах может достигать менее 0,5 мг/л. Однако биологическое удаление фосфора чувствительно к поступающим источникам углерода и условиям эксплуатации, а эффективность значительно снижается в условиях низкой температуры или низкого соотношения углерода к азоту.

1.3 Метод адсорбции

Использование адсорбционного эффекта пористых материалов для удаления фосфатов из воды. Исследования показали, что активированный уголь на основе осадка имеет способность к адсорбции фосфора 7,3 мг/г при pH 6 и время адсорбции 360 минут, что лучше, чем у коммерческого активированного угля с 4,1 мг/г. Биоуголь, приготовленный из волокон финиковой пальмы, может обеспечить общую степень удаления фосфора 81–91%.

Адсорбционный метод пригоден для глубокой очистки низкоконцентрированных фосфорсодержащих сточных вод или в качестве установки доочистки, однако затраты на регенерацию и замену адсорбентов необходимо учитывать в технико-экономическом расчете.

2. Технологические маршруты полного удаления азота

Суть полного удаления азота заключается в преобразовании различных форм азота в газообразный азот и высвобождении его из водоема. Основные технические пути включают биологическую денитрификацию и физико-химические методы.

2.1 Процесс биологической денитрификации

Биологическая денитрификация завершается сочетанием процессов нитрификации и денитрификации.

Нитрификация: В аэробных условиях аммиачный азот последовательно окисляется до нитратного азота нитритными и нитрифицирующими бактериями.

Денитрификация: В бескислородных условиях денитрифицирующие бактерии используют органические вещества в качестве доноров электронов для восстановления нитратного азота до газообразного азота.

Общие процессы в инженерии включают:

• Процесс ААО (анаэробно-бескислородный-кислородный): Стандартная трехступенчатая структура, обеспечивающая одновременное удаление азота и фосфора. Усовершенствованный процесс AAO за счет более точного контроля внутреннего флегмового числа и добавления источника углерода может обеспечить TN сточных вод.<11 mg/L and TP<0.5 mg/L when the influent C/N ratio is 3–4.

• Процесс Барденфо: Добавляется дополнительная постаноксическая стадия, чтобы в полной мере использовать эндогенные источники углерода для глубокой денитрификации. Исследования показали, что при дозировке источника углерода 38,63 мг/л и внутреннем флегмовом коэффициенте 300% TN сточных вод составляет 8,15 мг/л, а TP - 0,3 мг/л.

• AOA-SBR процесс: Анаэробный/кислородный/бескислородный реактор периодического действия для секвенирования. При низкой температуре 15,7 ℃, когда TN притока составляет 45,5 мг/л, а TP составляет 3,9 мг/л, содержание сточных вод снижается до 10,9 мг/л и 0,1 мг/л соответственно.

2.2 Стратегия добавления внешних источников углерода

Низкое соотношение углерода и азота (C/N<4) is a typical feature of municipal sewage in northern regions. Insufficient carbon sources will limit denitrification efficiency. In actual projects, external carbon sources such as sodium acetate are used for supplementation.

Стратегии точного контроля связывают дозировку источника углерода с концентрацией нитратного азота в бескислородной секции, что может снизить потребление источника углерода на тонну воды с 60 г до 20 г (в пересчете на чистый ацетат натрия), экономя около 70% затрат на источник углерода.

2.3 Физико-химические методы денитрификации

Для сточных вод с высокой концентрацией азота, не поддающихся биохимической очистке (например, свалочных фильтратов и промышленных сточных вод), можно использовать следующие методы:

• Ионный обмен: Селективная адсорбция ионов аммония с использованием таких материалов, как цеолит.

• Мембранное разделение: Обратный осмос или электродиализ для достижения концентрации и разделения азота.

• Удаление аммиачного азота: Применимо только к сточным водам, в которых преобладает аммиачный азот, который преобразуется в газообразный азот посредством химических реакций. Обратите внимание, что средства для удаления аммиачного азота неэффективны против нитратного и органического азота. Эффект полного удаления азота зависит от доли аммиачного азота в общем азоте.

3. Справочник по сочетанию процессов и техническому выбору

4. Синергия процессов: инженерные трудности одновременного удаления азота и фосфора.

Существуют технологические противоречия при одновременном удалении общего азота и общего фосфора:

• Биологическое удаление фосфора требует достаточных источников углерода (анаэробный раздел), в то время как биологическая денитрификация также требует источников углерода (бескислородный раздел).

• Удаление фосфора зависит от сброса избыточного ила, тогда как денитрификация зависит от более длительного срока хранения ила.

Инженерное дело достигает баланса посредством следующих стратегий:

• Внедрить поэтапный процесс подачи воды для распределения источников углерода в анаэробных и бескислородных секциях.

• Возраст ила контролируют через 10–15 дней с учетом потребностей роста нитрифицирующих бактерий и фосфораккумулирующих бактерий.

• Когда требования к TP для сточных вод строгие (<0.3 mg/L), supplement chemical post-precipitation unit

5. Мониторинг и контроль процессов

Для системных интеграторов онлайн-мониторинг общего фосфора и общего азота является основой регулирования процесса. В настоящее время для мониторинга общего фосфора используют спектрофотометрический метод молибдата аммония (предел обнаружения 0,01–1,0 мг/л), а общего азота – щелочно-ультрафиолетовый спектрофотометрический метод разложения персульфата калия. В процессе ААО концентрация нитратного азота в бескислородной секции является ключевым параметром для контроля внутреннего флегмового числа и дозировки внешнего источника углерода.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1. Эффективно ли химическое удаление фосфора для органического фосфора?

Неэффективно. Метод химического осаждения эффективен только в отношении неорганических фосфат-ионов. Органический фосфор необходимо сначала преобразовать в неорганический фосфор путем окисления или биоразложения, прежде чем удалять осадки.

В2. Почему денитрификация затруднена в сточных водах с низким соотношением углерода и азота?

Процесс денитрификации требует органического вещества в качестве донора электронов. Когда C/N ниже 4, источника углерода в сырой воде недостаточно для обеспечения полной денитрификации, и необходимо дополнить внешние источники углерода (такие как ацетат натрия) или стратегии многоточечного водозабора.

Вопрос 3. Как выбрать между биологическим удалением фосфора и химическим удалением фосфора?

Для основного процесса используется биологическое удаление фосфора (низкие эксплуатационные затраты, но на эффективность влияют колебания качества воды); химическое удаление фосфора используется в качестве защитной меры (стабильная реакция, но высокая стоимость химикатов). В технике часто принимается режим совмещения биологии как основной и химии как вспомогательной.

Вопрос 4. Если соблюдение общего азота затруднено, какие параметры следует отрегулировать в первую очередь?

Последовательность проверок: внутреннее флегмовое число (должно быть 200–400%), растворенный кислород в бескислородной секции (должен быть <0.5 mg/L), carbon source dosage and dosing point (should be added at the entrance of the anoxic zone), sludge age (nitrifying bacteria require longer sludge age).

Вопрос 5. Какой процесс является наиболее экономичным, чтобы снизить общий фосфор с 1,0 мг/л до 0,3 мг/л?

Когда TP входящего потока снижается примерно до 1,0 мг/л, потенциал биологического удаления фосфора близок к верхнему пределу. Использование солей алюминия или железа для химического постосаждения (дозировка около 10–30 мг/л) является экономичным и осуществимым решением для глубокого удаления фосфора.

Вопрос 6. Какова продолжительность цикла насыщения адсорбции активированным углем для удаления фосфора?

Это зависит от концентрации поступающего фосфора и типа углерода. Регенерация необходима, когда адсорбция фосфора достигает 60–70% насыщенной адсорбционной емкости. На примере активированного угля из скорлупы кокосового ореха при очистке вторичных стоков фосфором 1–2 мг/л цикл насыщения составляет около 2000–5000 объемов слоя.

Вопрос 7. Может ли комплексное оборудование для очистки сточных вод одновременно соответствовать стандартам TP и TN?

Да, это можно настроить. Необходимо внедрить процессы с анаэробным, бескислородным и аэробным сегментным контролем (например, интегрированное оборудование AAO) и оборудовать устройствами дозирования химикатов и инструментами онлайн-мониторинга. Подходит для сценариев децентрализованной очистки сточных вод с расходом 50–500 м³/сут.

Краткое содержание:

Удаление общего фосфора и общего азота является систематической проблемой в области очистки сточных вод. Общее удаление фосфора в основном основано на химическом осаждении и биологическом удалении фосфора, тогда как общее удаление азота основано на биологической нитрификации/денитрификации. Между ними существует игра в распределении источников углерода и контроле возраста осадка.

Инженерным подрядчикам необходимо уточнить характеристики качества поступающей воды (соотношение C/N, форма фосфора, диапазон температур) на стадии проектирования, выбрать соответствующие основные процессы и зарезервировать установки дозирования химикатов и установки глубокой фильтрации в качестве гарантий соответствия. Системным интеграторам следует сосредоточиться на настройке инструментов онлайн-мониторинга (нитратный азот, аммиачный азот, анализаторы TP/TN), чтобы обеспечить поддержку данных для более точного регулирования процесса.

Технический паспорт датчика качества воды

NBL-WQ-CL Water Quality Sensor Online Residual Chlorine Sensor.pdf    

NBL-WQ-DO Online Fluorescence Dissolved Oxygen Sensor.pdf    

NBL-WQ-NHN Ammonia Nitrogen Water Quality Sensor.pdf    

NBL-WQ-COD Online Water Quality COD Sensor.pdf    

NBL-WQ-PH Online pH Water Quality Sensor.pdf    

NBL-WQ-EC water quality conductivity sensor.pdf    

NBL-WQ-BOD-4A Online BOD Sensor.pdf    

NBL-WQ-TH-4S online total hardness sensor.pdf