欧洲水环境控磷策略与污水除磷技术_上_.pdf

给水排水V ol. 24No. 8199869[ 提要] 欧洲水环境控磷已有近 50 年的历史, 主要策略是洗衣粉禁磷和污水处理除磷 洗衣粉禁磷出于政策、 法规、 经济、 磷替代物及其副作用、 生产工艺等方面的考虑, 并非所有欧洲国家一致赞同通过污水处理除磷是欧洲国家一贯使用且不存在异议的控磷手段, 所以从80年代起各种生物除磷技术在欧洲广泛应用本文综述欧洲水环境控磷方面的历程与经验, 重点介绍在欧洲应用的几种/ 强化生物除磷0( EBPR) 污水处理工艺[ 关键词] 水环境磷洗衣粉污水处理生物除磷化学除磷除磷工艺PAO/OPB 细菌# 科技情报综述 #欧洲水环境控磷策略与污水除磷技术( 上)郝晓地刘 壮刘国军5- 10早在本世纪初, 瑞士人便发现了非人为因素下的水体富营养化现象[ 1]二次大战后, 欧洲水体富营养化现象已变得十分普遍特别是受 50 年代含磷洗衣粉开始在欧洲普遍使用等人为因素的影响, 进一步加剧了欧洲水体富营养化现象 人们通过调查发现, 在诸多因素中, 大量排向 水环境中的磷是这一现象的罪魁祸首[ 2] [ 3]从 50 年代起,欧洲各国已开始考虑水环境控磷问题 除农业面源污染和城市雨水径流污染外, 城市污水是欧洲湖泊等地面水体磷污染的主 因[2] [3]。

因此, 欧洲水环境控磷在很大程度上指的是控制城市污水中的磷含量在水环境控磷策略上欧洲各国作法略有不同: 有的强调/ 防患于未然0, 有的主张/ 除患于既 成之后0, 更多的则是坚持两者兼而有之/ 防患于未然0要求从化工工艺角度开发与生产无磷洗衣粉;/ 除患于既成之后0需要相应的污水除磷技 术前者从理论上看似乎很有道理, 但实际操作有一定难度;后者从 50 年代欧洲国家开始控磷便是各国普遍采取的对策事实上, 目前大多数欧洲国家采纳的是前、 后两者并存的举措, 即所 谓的瑞士模式欧洲国家在水环境控磷策略与污水除磷技术方面已有近 50年的历史,他们在此方面的深思熟虑与成功经验很值得我国借鉴 本文首先对 欧洲水环境控磷历史作简短回顾, 以反映欧洲国家在控磷策略上的决策历程 在介绍欧洲现行控磷政策和污水磷排放标准的基础上, 以瑞士为例 比较洗衣粉禁磷对水环境以及污水处理产生的影响最后, 介绍国际当代污水生物除磷理论以及目前在欧洲广泛应用的除磷工艺一、 水环境控磷历程 瑞士是水环境控磷走在欧洲乃至世界前列的国家, 它的成功经验将有可能逐步成为欧洲模式 本节主要以瑞士经历来说明欧洲国家在水环境控磷方面的决策历程, 并以此对照其它国家的 发展趋势。

11 瑞士的经历本世纪 40 年代将三磷酸盐( P3O) 作为骨 架成分引入合成洗衣粉后的短短 10年间, 河流、湖泊等地面水体富营养化的现象以前所未有的速度大规模扩展 虽然当时环境科学家们已初步辨清, 洗衣粉中的磷是水体富营养化的元凶, 但 由于认识上的局限, 大多数专业人士与有关官员给水排水Vol. 24No. 8199870在水环境控磷上的看法还只强调对污水的收集 与处理, 并未涉及污染源的制造端))) 洗衣粉生产阶段这一点在瑞士 1955年首次颁布的 5水保护法6中可见一斑[ 3]实际上,那时一些环境科学家以及洗衣粉 生产商已意识到从洗衣粉生产阶段去限制、甚至废除磷将有可能是根治水体富营养化的根本性措施但是, 当时所开发的替代磷的洗衣粉新 组分性能不佳,加之它们对环境产生的影响也未能确定, 故直至 50年代末, 生产少磷、 无磷洗衣粉的愿望也未被提到议事日程上来60年代初,不仅仅是环境科学家对含磷洗 衣粉的继续生产和使用表示担忧,就连一些政府要员们对此也向联邦政府提出质询在此情形下, 联邦政府不得不于 1962年修订了 1955 年 版本的5水保护法6, 在里面增补了/ 含磷洗衣粉会对水环境产生危害0的说明性条款[ 3]。

法律条文的明确, 促使洗衣粉生产商从 60 年代开始加大了研制和开发无磷洗衣粉的力度然而, 政府 担心磷替代物可能会对环境产生新的难以预料的负面影响, 直到 60 年代末也没有正式批准无磷洗衣粉的生产,还是强调通过污水处理控制进入水环境中的磷1967年, 联邦政府签署文 件, 要求其河流、 湖泊流域内的所有污水处理厂增设化学沉淀除磷单元,以最大限度地遏制磷的排放[3]进入 70年代,环境保护的压力越来越大,瑞士不得不在 1971年更新版 5水保护法6 中增加限制含磷产品 ( 洗衣粉等) 进入污水的条款[ 3] 这一举措导致 70年代更多、 更好的磷替代 物相继出现, 无磷洗衣粉应运而生到 80年代, 瑞士政府对洗衣粉磷酸盐含量有了相当严格的限制标准1985 年 7 月联邦政 府环保部签署洗衣粉禁磷文件, 于 1986 年 7 月1日起全面禁止含磷洗衣粉的生产与销售[ 3]在此基础上, 瑞士联邦政府又于 1991 年再次修订 5水保护法6, 将洗衣粉禁磷以法律形式明确, 并进一步引申为禁止一切可能随产品进入水体并影响水环境质量的元素或物质隐含在产品中[3]至此,瑞士在水环境控磷策略上实现了由 / 治后0 向/ 治前0 的转变, 并开始把一贯的污水处理除磷手段作为洗衣粉禁磷的辅助性措施。

21 欧洲其它国家情况 瑞士的经历并不是欧洲其它国家 90 年代以前所普遍存在的情况德国、 荷兰、 挪威等国就曾经不赞成以洗衣粉禁磷方式解决水体富营养化问题, 它们期望通过污水处理的方式消除 磷污染[ 3] [ 4] 瑞典至今还不同意洗衣粉禁磷的动议, 仍热衷于以污水处理除磷方式控制水环境中的磷污染[ 5]1988 年在一次欧洲各国环境专家云集的国际会议上[ 3], 瑞士同行向与会者介绍了他们在水环境控磷方面的经验,并试图说服欧洲各国能采取统一行动,仿照瑞士模式去解决欧洲各国 普遍存在的水体富营养化问题虽然当时一些国家对效仿瑞士模式显得有些牵强, 但随后的事实表明, 包括德国、荷兰、 挪威等国在内的许多欧洲国家市场上出现了无磷洗衣粉,并占据 了相当的市场份额情况表明, / 治前0 辅以/ 治后0 正悄然成为欧洲各国水环境控磷的大趋势 二、 现行控磷政策与磷排放标准1991 年 5 月 21 日欧共体国家共同签署了5欧共体城市污水协定6[3] 该协定以总量控制为依据,要求各国在本世纪结束前作出各自的积 极努力, 最大限度地限制氮、 磷等植物性营养元素进入敏感性国际水域在此协定下,莱茵河沿岸国家随后又制订 了5莱茵河行动计划6( RAP) 和5北海行动计划6( NSAP)[6] [7], 对各国排入水体的氮、 磷等植物性给水排水V ol. 24No. 8199871营养元素实行总量控制。

以上述文件为依据, 欧共体制定了污水磷排放参考标准: 总磷( 以 P 计) [ 110mg/ L各国根据各自的情况, 在具体执行磷排放标准时还表现出一定的灵活性例如, 荷兰政府在欧共体要求 的总期限范围内, 规划其从污水中排入水体的磷负荷在 1995 年底和 2000 年底以前分别降低50%和 70%[ 7] 按照这一计划, 在荷兰凡大于 10万当量人口的污水处理厂,出水总磷浓度应 [110mg/ L; 而对 2000~ 10万当量人口之间的污水处理厂, 出水总磷浓度可放宽至[ 210mg/ L[7]三、洗衣粉禁磷的环境效益及对污水处理的 影响瑞士是第一个洗衣粉禁磷的欧洲国家在禁磷后的 10年间, 其境内水体富营养化现象几乎不 复存在 同时, 洗衣粉禁磷后也大大减轻了污水处理环节的压力11 禁磷的环境效益瑞士联邦政府环保部对其境内 14个湖泊禁 磷前后所做的环境评价表明, 禁磷后使这些湖泊的磷输入量减少了 15%~ 45%[4] [8]洗衣粉禁磷与污水处理相结合使日内瓦湖和苏黎士湖的磷输 入量分别减少 50%和 60%[9] 到 1993年, 日内瓦湖中的总磷含量已从最高年 ( 1979 年)时的0109mg/ L 下降为 0104mg/ L[9]。

改观最为明显的是墨尔顿 ( Murten) 湖,其磷含量从 1982 年的 0115mg/ L 下降到 1995 年的 0104mg/ L[3]这样的磷含量已接近湖水清澈见底的目标值( [0103mg/ L[4]) 总之, 瑞士从 1986年开始的洗衣粉禁磷之举使排入水环境中的磷每年至少减少了 5000t[3]21 禁磷对污水处理的影响因为含磷洗衣粉主要组分为可溶性三磷酸盐 ( P3O) , 所以, 禁磷后使进入污水中的溶解性磷负荷减少了 50%以上[10]; 表 1列出了瑞士 1980年和 1994年原污水磷含量的详细数值来自粪便和居家废料中的磷一般为颗粒状或有机化合物形式; 几乎所有的正磷酸盐( PO) 均 来自于尿液在 1980年, 初级污水处理出水总磷含量中约有 70% ~ 80%为溶解磷禁磷对各种污水处理的影响分述如下: ( 1)普通二级污水处理对普通二级污水处理工艺 ( 未设专门除磷单元) 来说,一级处理通常只能沉淀原水总磷量的10%~ 20% ( 颗粒状) ; 二级生物处理可去除一级 出水总磷量的 15%~ 20% ( 溶解性) ; 一、 二级处理总除磷效率约为 20%~ 35%[10]。

禁磷后, 污水中 磷含 量 减 少 使 P/T OC 之 比 大 为 降 低 ( 1980~ 1990年间下降 50% 以上) , 从而导致二级处理生物除磷的比例相对上升到 30%~ 60%, 使一、 二级处理总除磷效率上升为 50%~ 60%[10] 2)化学沉淀与混凝过滤 禁磷使二级出水化学除磷药剂投加量减少50%, 出水中磷含量大为降低[10]禁磷前, 为保证达到 [ 110mg/ L 的总磷( 或[ 014mg/ L 的溶解 磷) 排放标准, 需要在化学沉淀过程中维持 Fe/Pdiss\213( Pdiss为溶解性磷) 这样的比例[ 10] 禁磷后, 获得[ 014mg/ L 这样的总磷出水浓度仅需保持 Fe/ Pdiss\210[ 10]禁磷对混凝过滤的除磷过程影响不大, 因为禁磷前这样的除磷工艺之效率已在 95%以上[ 10]禁磷前后污水磷含量对比表 1[ 10]原污水1980 年1994 年尿液( g/ (人#a)) 粪便( g/ (人#a)) 居家废料( g/ (人#a) ) 洗衣粉( g/ (人#a)) 其它洗涤剂与清洗剂 ( g/ (人#a)) 雨水冲刷地面 ( g/ (人#a))450 200 100 750 17050450 200 100 50 11050合计17209603- 4给水排水Vol. 24No. 8199872( 3) 强化生物除磷工艺( EBPR)在厌氧环境中被释放的磷视水中的硬度可以磷酸钙的形式作为污泥沉淀。

可见, 禁磷不仅可使化学药剂投加量降低, 而且也会使污泥量减 少 瑞士生活污水中 CODBN BP= 60B6B1[ 10],所以大部分溶解磷均可通过 EBPR 工艺去除四、 污水除磷技术原理 化学沉淀法除磷是欧洲较早应用的除磷方法,采用的化学药剂一般为铝盐 [ Al2( SO4)3# 18H2O] 、 亚铁盐( FeCl2) 、 石灰[ CaO 或 Ca( OH )2] 和 AVR( 瑞典生产的一种 Al3+与 Fe2+的聚合物) 化学沉淀法的最大缺陷就是费用高和产生大量无用的化学污泥为解决上述化学污泥问题, 开发了用来化学 除磷的流化床结晶法[11]在以石英砂等材料为载体的流化床中, 含磷二级出水以上向流方式通过床体, 并由底部引入少量碱性溶液 ( 苛性钠或石灰) ;水中磷在向上流动过程中以磷酸钙结晶 形式沉积于砂粒表面, 从而避免了化学污泥的产生 干燥后被磷酸钙包裹着的无水砂粒可用于磷的回收在化学药剂经济性方面, 最新试验显示, 聚 合氯化铝 ( PAC) 是一种便宜的化学沉淀除磷药剂[12] 以 PAC 取代普通铝盐, 药剂用量很低 普通铝盐除磷的摩尔比为 Al B P = 215 B 1。