2. Основы удаления фосфора

Удаление фосфора с
помощью
физико-химических
и биологических способов
Д-р Матиас Эрнст
Берлинский технический университет
Руководитель Центра водного хозяйства в
городских зонах
1
Краткий обзор






Законодательство ЕС и Германии в сфере очистки
сточных вод
Соответствующие соединения фосфора
Физико-химические методы удаления
Станция очистки наземных вод Тегель (Берлин)
Усовершенствованный процесс биологического
удаления P
Выводы
2
Требования ЕС
91/271/EEC – городские сточные воды
Чувствительные воды
БПК5 (мг/л)
Интенсивность удаления (%)
< 25 мг/л
70-90
ХПК (мг/л)
Интенсивность удаления (%)
< 125
75
Взвешенные вещества
Интенсивность удаления [%]
< 35
90
Азот
Nобщ (мг/л)
10 000-100 000 экв. по
населению
>100 000 экв. по населению
< 15 (70-80%)
Фосфор
Pобщ (мг/л)
10 000 – 100 000 экв. по
населению
>100 000 экв. по населению
<2
< 10 (70-80%)
<1
Реализация в Германии Постановление о сточных водах (AbwV)
Параметр
Класс 1
Класс 2
Класс 3
Класс 4
Класс 5
Ruhleben
БПК5 (мг/л)
40
25
20
20
15
4
ХПК (мг/л)
150
110
90
90
75
45
NH4-N (мг/л)
-
-
10
10
10
0.3
Азот, Nобщ
(по Кьельдалю) (мг/л)
-
-
10
18
13
8
Фосфор, общий
(мг/л)
-
-
-
2
1
0.2
Класс
Класс
Класс
Класс
Класс
1:
2:
3:
4:
5:
<40 кг БПК5/сутки
40-200
200-400
400-4000
>4000
1 эквивалент по населению= 60 г БПК5/сутки
Типичные концентрации
общего фосфора в воде
Бытовые сточные воды
3 – 15 мг общего фосфора/л
Table 6-4
Сельскохозяйственные
стоки
0,05 – 1 мг общего фосфора/л
Наземные воды озера
Мезотропная зона
Робщ 14,5 - 49 мг м-3
Chl a 3 – 7,4 мг м-3
0,01 – 0,04 мг общего фосфора/л
[Vollenweider, 1982]
5
Формы фосфора

Общий P (P ) состоит из:
 общего органического P (P
) (например, фосфолипиды)
 общего неорганического P (P
) (орто- и полифосфаты)
общ
общ орг
общ неорг

Неочищенные сточные воды: Р , P
общ
общ орг
,P
общ неорг
10, 3, 7 мг/л
Система фосфорной кислоты
7
Формы фосфора

Общий P (P ) состоит из:
 общего органического P (P
) (например, фосфолипиды)
 общего неорганического P (P
) (орто- и полифосфаты)
общ
общ орг
общ неорг

Неочищенные сточные воды: Р , P

Важно для удаления Р
общ
общ орг
,P
общ неорг
10, 3, 7 мг/л
общ


Дисперсные / коллоидные частицы (фрагменты клеток)
Растворенный фосфор
8
Быстрая фильтрация через песок (RSF):
технология получения питьевой воды,
используемая при усовершенствованной очистке
сточных вод(фильтрация III)
Однокомпонентная среда (песок или
антрацит) по сравнению с
многокомпонентной средой
(песок и антрацит);
(песок и гранулы активированного угля)
Размер частиц < 0,5 мм до > 2 мм
9
Эффективность удаления в зависимости от
размера частиц:
фильтрация III сточных вод после очистки
активным илом
10
Фильтрация III с добавлением
реагентов

Добавление реагентов:
Коагулянты (соли
полимеры, известь


металлов
Al(III),
Fe(III)),
органические
Коагулянты (соли металлов):
Al3+ (или Fe3+) + 3 OHAl(OH)3 (или Fe(OH)3 )
При усовершенствованной очистке сточных вод обычно происходит
в зоне флокуляции
Также Al3+ (или Fe3+) + PO43AlPO4 (или FePO4 );
Al:P (мол.): 1,4, 1,7, 2,3  удаление P 75 %, 85 %, 95%
Диаграмма Log C в сравнении с pH:
равновесие концентраций фосфатов и алюминия
Figure 6-13
12
Lg c (Al, Fe) в сравнении с pH
(гидроксиды Al-, Fe-)

Stabilitätsdiagramm für Eisen und
Aluminium
Фильтрация III с добавлением
реагентов

Добавляемые реагенты:
Коагулянты (соли
полимеры, известь



металлов
(Al(III),
Fe(III)),
органические
Коагулянты (соли металлов):
Al3+ (или Fe3+) + 3 OHAl(OH)3 (или Fe(OH)3 )
При усовершенствованной очистке вод обычно происходит в зоне
флокуляции
Al3+ (или Fe3+) + PO43AlPO4 (или FePO4 );
Al:P (мол.): 1,4, 1,7, 2,3  удаление Р 75 %, 85 %, 95 %
Органические полимеры:
Первичные коагулянты (катионные, анионные, незаряженные
полимеры)
14
Полимерная флокуляция


Высокомолекулярные соединения адсорбируются двумя
частицами
Высокомолекулярные полимеры (0, +, -) в качестве средства
флокуляции
Фильтрация III с добавлением
реагентов

Добавляемые реагенты:
Коагулянты (соли металлов Al(III), Fe(III)), органические полимеры,
известь



Коагулянты (соли металлов):
Al3+ (или Fe3+) + 3 OHAl(OH)3 (или Fe(OH)3 )
При усовершенствованной очистке вод обычно происходит
флокуляции
Al3+ (или Fe3+) + PO43AlPO4 (или FePO4 );
Al:P (molar): 1,4, 1,7, 2,3  удаление Р 75 %, 85 %, 95 %
в
зоне
Органические полимеры:
Первичные коагулянты (катионные, анионные, незаряженные полимеры)

Известь (Ca(OH)2
Ca2+ + 2 OH-):
Ca2+ + CO32CaCO3
Mg2+ + 2 OHMg(OH)2
3 Ca2+ + 2 PO43Ca3(PO4)2
5 Ca2+ + 3 PO43- + OHCa5(PO4)3OH
(гидроскиапатит) 
16
Фильтрация III с добавлением реагентов

Точки введения для удаления Р:




Фильтрация III
относительно малые дозы; совмещенная, статическая мешалка,
мешалка быстрого перемешивания или флокулятор
Перед первичным отстойником (высокие дозы);
Перед биологической очисткой (взаимодействие с биол.);
Перед вторичным отстойников (более высокие дозы)
17
Badegewässerrichtlinie
Система водопользования в г. Берлине
Озеро Тегель
Озеро Тегель
Площадь:
4 км²
Средняя глубина:
8м
Максимальная глубина: 16 м
По берегам:
скважины и водохозяйственные объекты для
получения питьевой воды из берегового
фильтрата
Tри притока:
Нордграбен (с Панке), Тегелер Флис, Оберхавель
70-е:
PO43- в озере Тегель 2,88 мг/л
1985:
введена в эксплуатацию установка по удалению Р,
пропускная способность 6 м3/с
2003:
PO43- в озере Тегель 0,05 мг/л
Две трубы: DN 1000 каждая
Флокулянт: Fe2(SO4)3
Fe3+ + PO43- ↔ FePO4 ↓
pH=5-5.5
Fe3+ + 3 OH- ↔ Fe(OH)3↓
pH ≈ 8 - 9
Коагуляция
(дестабилизация, микрофлокулы: 0,01 – 0,05
мм)
Комплексирование органическими
соединениями
Реакции адсорбции
Остаточное время 30 с (время коагуляции)
→ флокуляция в трубе
β-фактор:
PO4
cFe
cPO4
Добавление флокулянта:
слабоанионный полиакриламид
Макрофлокулы: более быстрая агломерация,
больший размер → более быстрое
осаждение
Установка по удалению фосфатов
Тегель




Концентрация на входе: 0,2 – 0,5 мг/л Робщ (смесь
трех типов сточных вод)
На выходе: 18-22 мкг Робщ/л
(согласно требованиям: 25 мкг Робщ/л)
Удаление P 96% - 99%
Стоимость очистки сточных вод в настоящее
время: 7 центов/м³ (в т. ч. амортизация)
Зеленый: класс II
Желтый: класс III
Озеро Тегель
Качество воды –
класс II
Другие воды в Берлине:
класс II-III или
класс III
Вторая установка по удалению P
в Берлине: цепь Грюнвальдских озер
(обеспечение питьевой водой)
Фильтрация III с добавлением реагентов



Осветление / седиментация до фильтрации при использовании
высоких доз
Эффективность: удаление Р до 95 %; мутность
1
нефелометрической единицы мутности
Другие преимущества осветления с помощью реагентов:
1) Дезинфекция при высоком рН с помощью извести;
2) Физическое удаление патогенных микроорганизмов с
помощью
фильтрации
III;
улучшенное
удаление
микроорганизмов: >2-log простейшие и бактерии; >1-log вирусы
3) Химическое осаждение металлов (например, Zn(OH)2 , или
адсорбция на флокулы Al(OH)3) (эффект «floc sweep»)
26
Усовершенствованное биологическое
удаление фосфора
Обзор: удаление C и N – две ступени
External Carbon Source
QI
QE
N – аэробная зона
NH4 ~> NO3
БПК5 ~> CO2
DN - бескислородная зона
NO3 ~> N2
QR (возвратный активный ил)
QR
QW
QW
C-Source
Energy-Source
inorg C (CO2) ~> org C (Biomass) NH4 + O2 ~> NO3
Autotroph B. (aerobic)
Heterotroph B.
BOD5 Removal (aerobic) org C (BOD) ~> org C (Biomass)
Denitirfication (anoxic)
org C (BOD) ~> org C (Biomass)
org C + O2 ~> CO2
org C + NO3 ~> CO2 + N2
27
Обзор: удаление C и N – одна ступень
QI
DN – бескисл. зона
NO3 ~> N2
QE
N – аэробная зона
NH4 ~> NO3
БПК5 ~> CO2
QIR (внутренняя рециркуляция)
QR (возврат активного ила)
QW
C-Source
Energy-Source
inorg C (CO2) ~> org C (Biomass) NH4 + O2 ~> NO3
Autotroph B. (aerobic)
Heterotroph B.
BOD5 Removal (aerobic) org C (BOD) ~> org C (Biomass)
Denitirfication (anoxic)
org C (BOD) ~> org C (Biomass)
org C + O2 ~> CO2
org C + NO3 ~> CO2 + N2
28
Обзор: удаление C и N – одна ступень
Удаление N
до 80 %
QI 100 л/с
500 л/с
DN – бескислор. зона
NO3 ~> N2
N – аэробная зона
NH4 ~> NO3
БПК5 ~> CO2
100 л/с
QE
300 л/с QIR
100 л/с QR
QW
29
Усовершенствованное биологическое
удаление фосфора
QI
QE
Анаэр.
PO4
Rel.
DN – бескисл. зона
NO3 ~> N2
N – аэробная зона
NH4 ~> NO3
Абсорбция PO4
QIR
QR
QW
Autotroph B. (aerobic)
Heterotroph B.
BOD5 Removal (aerobic)
Denitrification
Denitirfication(anoxic)
(anoxic)
PAOs
Step 1 (mainly anaerobic)
Step 2 (mainly aerobic, anoxic)
C-Source
Energy-Source
inorg C (CO2) ~> org C (Biomass) NH4 + O2 ~> NO3
org C (BOD) ~> org C (Biomass)
org C (BOD) ~> org C (Biomass)
Storage
Consumption
org C ~> Intrac. C
growth on In. C
org C + O2 ~> CO2
org C + NO3 ~> CO2 + N2
Storage
Consumption
Poly-P ~> PO4
PO4 ~> Poly-P Cons. of In. C 30
Усовершенствованное биологическое
удаление фосфора
QI
Анаэр.
PO4
Rel.
DN – бескисл. зона
NO3 ~> N2
N - аэробная зона
NH4 ~> NO3
Абсорбция PO4
QE
QIR
QR
QW
C-Source
Energy-Source
inorg C (CO2) ~> org C (Biomass) NH4 + O2 ~> NO3
Autotroph B. (aerobic)
Heterotroph B.
BOD5 Removal (aerobic) org C (BOD) ~> org C (Biomass)
Denitirfication (anoxic)
org C (BOD) ~> org C (Biomass)
PAOs
Storage
Consumption
Step 1 (mainly anaerobic)
org C ~> Intrac. C
Step 2 (mainly aerobic, anoxic)
growth on In. C
org C + O2 ~> CO2
org C + NO3 ~> CO2 + N2
Storage
Consumption
Poly-P ~> PO4
PO4 ~> Poly-P Cons. of In. C 31
Улучшенное биологическое удаление
фосфора
QI
Анаэр.
PO4
DN – бескисл. зона
NO3 ~> N2
N - Аэробная зона
NH4 ~> NO3
Абсорбция PO4
QE
QIR
QR
QW
При желании: соли Al3+ Fe3+
32
Преимущества усовершенствованного
биологического удаления фосфора
(EBРR)



Незначительное увеличение количества осадка, так как
P хранится внутриклеточно
Требуется меньшее осаждение с помощью реагентов
 Сокращение потребности в реагентах
 Сокращение количества осадка по сравнению с
осаждением только с помощью реагентов
Требуется небольшая по объему анаэробная зона
(возможность переоснащения)
33
Выводы





Для предотвращения эвтрофикации приемных водоемов
требуется удаление P из городских сточных вод
Необходимый уровень удаления Р высок (до 99%), так как
концентрации Тобщ> 50 мкг/л общего фосфора уже
вызывают эвтрофикацию пресных вод
Для физико-химического удаления Р требуется
использование эффективных коагулянтов (Fe, Al, известь,
полимеры), далее фильтрация и контроль уровня pH
При использовании методов P/C образуется значительное
количество осадка
Если возможно, следует применять EBPR
(образуется меньше осадка, более высокая экономическая
эффективность, сочетание с удалением C и N)
34
Благодарю за внимание!
Mathias.ernst@tu-berlin.de