UCT生物反應(yīng)池內(nèi)鳥糞石產(chǎn)生成因分析

劉華鋒 魏利軍

摘要：以生活污水和含鎂工業(yè)廢水為水源的污水處理廠UCT生物反應(yīng)池出現(xiàn)了大量漂浮的白色固體，經(jīng)分析其主要成分為鳥糞石。通過鳥糞石的形成原因與污水生物處理運行條件的對比分析，進一步了解鳥糞石出現(xiàn)對生物脫氮除磷的積極影響，以及對污泥量的影響;鳥糞石是含磷量很高的一種綠色緩釋肥，鳥糞石結(jié)晶能夠?qū)崿F(xiàn)同步脫氮除磷，降低污泥處理費用，而且能增加污水處理廠經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：鳥糞石;脫氮除磷;生活污水;含鎂廢水;污泥減量

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）10-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.079

Abstract：A large number of floating white solids appeared in the UCT biological reaction tank of the sewage treatment plant using domestic sewage and magnesium-containing industrial wastewater as water sources. After analysis， the main component was struvite. Through the comparative analysis of the formation reasons of struvite and the operating conditions of biological treatment of sewage， we can further understand the positive effects of struvite on biological nitrogen and phosphorus removal， as well as the impact on the amount of sludge; struvite is very high in phosphorus a kind of green slow-release fertilizer， struvite crystals can achieve simultaneous nitrogen and phosphorus removal， reduce sludge treatment costs， and increase the economic benefits of sewage treatment plants.

Key words：Struvite;Nitrogen and phosphorus removal;Domestic sewage;Waste water containing magnesium;Sludge reduction

鄭州航空港區(qū)污水處理廠位于北部科技研發(fā)產(chǎn)業(yè)區(qū)，服務(wù)范圍為航空港區(qū)西北片區(qū)及機場核心區(qū)，污水來源為以服務(wù)區(qū)域內(nèi)的生活污水和工業(yè)廢水為主，總服務(wù)人口50萬人。一期工程設(shè)計日處理規(guī)模10萬t，生物處理采用改良型UCT處理工藝，于2013年建成并調(diào)試運行，設(shè)計出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）表1一級A標準。2019年3月份，該污水處理廠進水、出水監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

UCT工藝生物反應(yīng)池內(nèi)出現(xiàn)空心漂浮狀、卵石形、表面光滑、夾雜有黑斑的固體，粒徑分布1～10cm。經(jīng)查閱相關(guān)資料和對該固體進行分析，該固體主要成分為磷酸銨鎂即鳥糞石，含量80%以上，是污水處理過程形成的一種常見固體。在pH等條件合適，鳥糞石就很容易形成;已經(jīng)形成的鳥糞石吸附沉積到設(shè)施、設(shè)備或者管道內(nèi)壁上，或者鳥糞石直接以這些設(shè)施、設(shè)備或管道內(nèi)壁上的微小突起為晶核進行結(jié)晶生長，就會形成鳥糞石結(jié)垢[1]。

1 鳥糞石結(jié)晶原理

磷酸銨鎂（MgNH4PO·6H2O，即MAP）又叫鳥糞石，是一種難溶于水的白色晶體，正菱形晶體結(jié)構(gòu)，密度1.711 g/cm3，0℃時溶解度僅為0.023g/L，常溫下在水中的溶度積為2.5×10-13.26，其P2O5含量約為58%，是一種極好的緩釋肥，自然界中儲量極少。當(dāng)污水中含有Mg2+、NH4+以及PO43-且離子濃度積大于溶度積常數(shù)時，污水就會自發(fā)沉淀反應(yīng)產(chǎn)生鳥糞石，反應(yīng)式如下：

鳥糞石在低pH值下易溶，在高pH值中難溶，提高pH值有利于鳥糞石的生成，但在過高的pH值下會生成難溶解固體Mg3（PO4）2或者Mg（OH）2沉淀，應(yīng)根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)pH[2]。

2 鳥糞石形成條件

近年來，許多研究人員在實驗室條件下，采用污泥濃縮上清液和模擬污水等對鳥糞石結(jié)晶析出條件進行了大量的研究工作，使得業(yè)界對鳥糞石結(jié)晶及鳥糞石結(jié)晶去除污水中的氮磷有了更深入的了解，這也為分析該污水處理廠UCT生物反應(yīng)池內(nèi)鳥糞石成因奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)從以下幾個方面，對UCT生物反應(yīng)池內(nèi)鳥糞石的形成進行分析。

2.1 Mg2+的來源

Mg2+是形成鳥糞石結(jié)晶的必要條件，一般生活污水中Mg2+含量極低。該污水處理廠UCT生物反應(yīng)池鳥糞石形成所需的鎂主要來源于服務(wù)區(qū)域內(nèi)電子加工企業(yè)的含Mg2+廢水，這是在此污水處理廠形成鳥糞石的直接原因。

2.2 pH值控制

pH值是控制鳥糞石生成條件的最重要因素，不僅影響鳥糞石的生成量，且影響鳥糞石的生成速率、純度和最終形態(tài)[3]。根據(jù)化學(xué)平衡方程和實驗驗證，在pH=7.5～10時，均可形成鳥糞石，pH>10則有Mg3（PO4）2生成，pH>11，進一步生成Mg（OH）2。在實際應(yīng)用中，一般將pH控制在8～11之間。

最適宜于活性污泥中微生物生長的pH介于6.5～8.5之間[4]，因此，正常運行的UCT生物反應(yīng)池pH值條件也適合鳥糞石的大量形成。

2.3 鎂氮磷物質(zhì)的量比例

依據(jù)MgNH4PO4分子式，Mg、N、P三種組分的物質(zhì)的量比例為1：1：1，Mg、N、P同時存在即有可能生成鳥糞石。實際反應(yīng)中，要達到除磷目的，Mg和N的量要大于理論值。研究和實踐表明，磷的去除率隨銨離子濃度的增長而提高，殘余一定量的銨離子對提高鳥糞石的純度有利。特別是對低濃度含磷廢水進行除磷時，銨離子濃度過量程度需要更高。Mg與P的比值也很重要，大多數(shù)情況下，Mg：P為1.1～1.6之間可以取得較好的除磷效果。通常鳥糞石結(jié)晶除磷時，推薦的Mg：N：P比值為（1.1～1.6）：（1.5～3.0）：1。另外，水中的鈣離子等的存在，對鳥糞石的生成有重要影響，因為羥基磷灰石（HAP）類不溶物的生產(chǎn)會干擾鳥糞石的結(jié)晶。

該污水處理廠UCT生物反應(yīng)池是在無序化的狀態(tài)下隨著Mg2+的引入生成了鳥糞石，進水總磷濃度3.8mg/L屬于生活污水中低磷污水，所以鳥糞石的生成對現(xiàn)有污水處理廠出水中磷的濃度和工藝過程對磷的去除率影響并不明顯。若是加強對生成鳥糞石的定期清理，為鳥糞石的生成創(chuàng)造更有利的條件，應(yīng)該會使出水磷濃度和整體工藝對磷的去除率起到更積極的作用。

2.4 微生物的影響

礦物-微生物的相互作用廣泛存在于自然環(huán)境和合成環(huán)境中，例如：礦物分解、礦物形成和礦物的溶解。具體而言，特定的細菌代謝環(huán)境中的有機氮和有機磷也會受到微生物的作用，從而轉(zhuǎn)變?yōu)轼B糞石沉淀所必需的NH4+和PO43+，同時堿化環(huán)境，促進鳥糞石沉淀。與此同時，細菌體系可在細菌胞外代謝產(chǎn)物、細胞壁和細胞外鞘等處提供豐富的活性位點以捕獲溶液中的Mg2+，降低鳥糞石成核能壘并促進鳥糞石成核[5]。微生物代謝對鳥糞石除磷工藝的促進效果的發(fā)現(xiàn)和研究，有助于推動污水氮磷去除與鳥糞石結(jié)晶回收工藝的聯(lián)合，實現(xiàn)更加有效、更低成本的氮磷去除和鳥糞石的回收，并有望大幅度減少污水處理過程中產(chǎn)生的污泥量。UCT反應(yīng)池內(nèi)大量微生物的存在，為鳥糞石的形成提供了有利條件。

2.5 反應(yīng)時間

鳥糞石的形成是一個化學(xué)過程，可以在非常短的時間內(nèi)完成。大量的研究證明，鳥糞石可以在短至幾分鐘內(nèi)就可以完成，因而延長反應(yīng)時間，并不能大幅度提高磷的去除率，但晶體都在逐步長大，一般認為反應(yīng)時間為1～8h，就可以滿足鳥糞石除磷的目的?？紤]到后期晶體分離的方便，較長的時間便于生產(chǎn)體積更大、沉淀性能更好的晶體，對保障出水中較低的磷濃度有利。因此，較大的鳥糞石應(yīng)該是在UCT反應(yīng)池內(nèi)存在了較長的時間。

2.6 攪拌控制

攪拌方式與所采用的反應(yīng)器類型有關(guān)，無論是氣體攪拌還是機械攪拌，均以保證傳質(zhì)和晶體充分懸浮為目的。結(jié)晶反應(yīng)體系處于流態(tài)化或是懸浮狀態(tài)就可以滿足鳥糞石生成結(jié)晶要求。過量輸入能量，過度攪拌，都會破壞晶體。UCT生物反應(yīng)池的輕緩的推流和池底豎向曝氣的混合作用，為反應(yīng)池內(nèi)鳥糞石結(jié)晶和晶體生長提供了良好的混合條件，非常適宜鳥糞石的生成。

2.7 生產(chǎn)物控制

在結(jié)晶反應(yīng)器中不斷生成鳥糞石，鳥糞石量逐步增多，需要定期外排。排泥控制可以依據(jù)結(jié)晶物中P的含量加以控制，也可以按反應(yīng)器內(nèi)泥渣的濃度要求進行控制。每次排泥后，在反應(yīng)器內(nèi)保留足夠數(shù)量的剩余泥渣，對促進鳥糞石的生成有利。

2.8 晶種

加晶種進行結(jié)晶是控制結(jié)晶過程、提高結(jié)晶速率、保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要方法之一。晶種用以提供晶體生長的位點，以便從均勻的、僅存在一相的溶液中越過一個能壘形成晶核，加入的晶種加速了目標晶型的生長速率，有助于得到目標品型。加入適量的晶種作為晶體生長的核心通常是必須的，晶種的制備因此也成為制備晶體的一個重要環(huán)節(jié)。

UCT生物反應(yīng)池存在大量懸浮狀的菌膠團，其具有絮凝吸附作用，這為晶體的生長提供了豐富的位點，對鳥糞石結(jié)晶具有積極的促進作用。

2.9 溫度

反應(yīng)溫度對鳥糞石的溶度積、溶解度都有影響，過低或過高的溫度都不利于鳥糞石的生成，過高的溫度也會影響到鳥糞石的穩(wěn)定。該污水處理廠UCT生物反應(yīng)池的正常運行溫度，能夠形成鳥糞石并保持其晶體溫度，其溫度為12～30℃。

3 結(jié)語與展望

磷是萬物生長不可缺少的營養(yǎng)元素，也是水體富營養(yǎng)化最主要的限制性因子之一?？偭资俏鬯幚砼欧趴刂浦笜酥唬鬯幚沓资窍麥p磷排放的重要措施。同時，目前幾乎所有的磷資源都來自磷礦石的開采，使得全球磷礦石資源急劇減少，自然資源部已將磷礦列為不能滿足我國國民經(jīng)濟發(fā)展要求的20個礦種之一。在全球倡導(dǎo)可持續(xù)性發(fā)展的今天，全球普遍存在著陸地磷礦資源日益匱乏與水環(huán)境中磷含量過高而導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的雙重問題。正是這一雙重問題引起了業(yè)界日益廣泛的關(guān)注，并推動著污水處理磷回收技術(shù)的不斷發(fā)展。該污水處理廠UCT生物反應(yīng)池大量鳥糞石的形成成因研究，能為鳥糞石結(jié)晶除磷技術(shù)的推廣應(yīng)用提供必要的支撐，有利于促進我國污水處理技術(shù)的發(fā)展，具有十分現(xiàn)實而積極的意義。

3.1 減少脫氮除磷對碳源的依賴

當(dāng)城市污水總磷>（4～5）mg/L、BOD5/TKN<（5～8）時[6]，致使污水處理廠很難獲得優(yōu)異的同步脫氮除磷效果，這種現(xiàn)象在COD濃度較低的情況下表現(xiàn)得尤為突出。隨著磷排放指標的提高，多數(shù)城市污水低碳源現(xiàn)象越來越嚴重。

鳥糞石結(jié)晶除磷改變了磷去除的途徑，減少了低碳源污水為實現(xiàn)脫氮除磷對碳源的依賴，能節(jié)約低碳源污水處理因外加碳源而引起的成本。

3.2 通過磷回收增加污水處理經(jīng)濟效益

目前幾乎所有的磷資源都來自磷礦石的開采，使得磷礦石資源急劇減少。鳥糞石結(jié)晶法可將污水中的氮和磷轉(zhuǎn)化為緩釋肥，將“去除磷”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎厥樟住盵7]，回收污水中的磷資源，實現(xiàn)污水處理經(jīng)濟效益的增加，并能夠緩解污水處理廠因污水提標處理而造成的成本上升的經(jīng)濟壓力，促進磷資源的循環(huán)利用和污水處理廠的可持續(xù)發(fā)展，同時也可緩解磷資源稀缺危機。

3.3 減少污泥量

與傳統(tǒng)的化學(xué)沉淀法和生物法好氧除磷相比，可將污泥減量約49%[8]，大大降低污泥的處置成本，且不易造成二次污染。

參考文獻

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[8]羅毅.鳥糞石細菌礦化及其資源和環(huán)境中的潛在應(yīng)用[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2019.

收稿日期：2020-08-21

作者簡介：劉華鋒（1985-），男，注冊環(huán)保工程師，研究方向為污水處理、工業(yè)廢水等污染治理。