净水技术 | 污泥磷资源回收技术与国外典型案例（二）
磷是不可再生的自然资源，而全球普遍存在着陆地磷矿资源日益匮乏与水环境中磷含量过高而导致水体富营养化这一矛盾。由于人口的快速增长，对磷的需求预计会到2050年将增加50%到100%。然而，水体中富余的磷导致水体富营养化，世界各地对自然水体的磷排放实施严格的监管。废水中除磷技术虽然开发得也较早，但是都存在一些问题，包括污泥体积较大、污泥中磷的积累以及鸟粪石结垢等问题。因此，从污水或者污泥中回收磷既可以解决结垢问题，还可以缓解磷资源的短缺，实现资源回收利用的循环经济。
污水处理厂可以采用不同的技术手段回收磷，包括从污泥脱水上清液中、污泥厌氧消化的上清液中以及污泥焚烧的灰烬中。上一期我们介绍污泥中回收磷的主要技术手段（会议通知 | 第七届新形势下污泥处理处置及资源化循环利用技术论坛即将召开），本期将和大家分享国外污水厂利用相关技术进行污泥磷回收的典型案例。
污泥焚烧灰作为肥料的德国乌尔姆污水处理厂
焚烧可以有效破坏有机物、致病菌生物、药物、激素以及致癌和诱变物质。乌尔姆污水处理厂污泥通过焚烧热处理后产生的焚烧灰符合德国肥料条例（Dungemittelverordnung DuMV, 2008）的要求，因此可以作为磷肥进入市场。
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工艺描述
乌尔姆污水处理厂整个工厂由两条相同的平行线组成，每条平行线可容纳22万人口。污水厂的工艺流程为格栅-细格栅-沉淀池-反硝化-消化-澄清。采用活性炭吸附剂深度处理，由接触反应器、沉淀池和过滤器组成，这个过程中，可以去除像致病菌、药物、激素、致癌物和诱变物等常规污水处理厂无法控制的污染物。在接触反应器和过滤装置中，使用铝盐絮凝剂。
下图为乌尔姆污水处理厂污泥焚烧处理工艺。污水污泥和吸附器中负载的活性炭首先脱水，然后热干燥，送到燃烧装置。脱水发生在加有絮凝剂的离心分离机中。旋转式干燥机将物料干燥至残余含水量为35%~45%。焚化部分由一个燃床燃烧室和余热锅炉组成。产品灰从锅炉和静电除尘器（ESP）中收集。气体在二级湿式洗涤器、活性炭吸附器和织物絮凝剂中得到进一步净化。
在焚烧厂中，污泥中的有机污染物在850 ℃的高温下被热降解处理，将砷、镉、汞、铊等挥发性重金属转化为气相。然后，它们分别在湿式洗涤器、吸附器和织物滤网中被阻挡。在洗涤器和织物絮凝剂中捕获的固体被分开收集，送去安全处理。
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性能参数
废水中大约有98%的磷进入污泥中。粉煤灰产品的599.7 t P/a的产量与热处理工厂600 t P/a的投入相比，整个过程的磷总收集率为99.3%。这表明磷的回收过程非常有效。焚烧灰中磷的含量在70~100g/kg之间，相当于160~240gP2O5/kg。2014年来，污泥焚烧灰产品是由德国维尔茨堡的sePura GmbH推向市场，作为磷肥回收利用。灰烬中的磷实际上是不溶于水的。
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成本
直接使用污水污泥灰作为磷肥不需要额外的处理费用。目前乌尔姆污水处理厂只承担焚烧灰到肥料分配器的每吨3欧元或每公斤0.35欧元的运输费用。
采用Ostara磷资源回收技术的荷兰Amersfoort污水处理厂
荷兰Amersfoort污水处理厂能源与资源回收工厂，污水处理厂处理规模30万人口当量，处理工艺采用Carrousel2000氧化沟。污泥消化后离心脱水，沼气热电联产。Amersfoort污水处理厂的进水CODCr约300mg/L，出水BOD5约2mg/L，出水CODCr约15~20mg/L,出水TN约4~5mg/L、出水TP约0.1mg/L，进水含10%的工业废水。
项目采用热水解工艺大大促进了污泥厌氧消化产CH4，使Amersfoort污水厂能源自给率高达130%，产生2×108 kW∙h/a的电量，剩余电量供应社会（可满足600个家庭1年使用）。采用磷回收技术WASSTRIP®＋Pearl®。WASSTRIP®工艺是对Pearl®营养回收技术的理想补充，这一工艺在剩余污泥浓缩消化之前将磷和镁从剩余污泥中分离，形成富磷与镁的上清液，并被直接送往Pearl®反应器。Pearl®技术用于侧流处理含高磷和氨氮浓度的脱水污泥上清液，主要生成鸟粪石。鸟粪石颗粒纯度超过99.9%，其颗粒尺寸和硬度都非常适合用作肥料，收集干燥后可包装成优质肥料—Crystal Green®
应用PHOSPAQ技术的荷兰Waterstromen Olburgen污水处理厂
荷兰Waterstromen Olburgen污水处理厂结合了PHOSPAQ™鸟粪石技术和ANAMMOX®脱氨法。2006年开始，污水处理厂（WWTP） Olburgen的侧流污水处理厂处理污水污泥消化废液和附近一家马铃薯加工厂的厌氧工业废水。该污水处理厂包括两个300 m³的PHOSPAQ反应器和一个600 m³的ANAMMOX®除氨反应器，用于去除残留的氨氮，磷的日去除量为200 kg/d。下图为Waterstromen Olburgen污水处理厂的总体工艺流程图。
2014年，收集的鸟粪石被螺旋压榨脱水并放入料斗中，将鸟粪石风干至干物质含量70%~75%。鸟粪石晶体的大小约为0.7 mm，被作为一种有价值的原料出售，用于其他地方生产混合肥料。
近期，Waterstromen Olburgen升级了他们的鸟粪石处理系统，将其他成分混合在一起，现场生产定制肥料。通过利用现有的现场热电联产系统的热量，混合肥料热干燥至90%以上的干物质，并可按需制粒。
应用PHOSNIX工艺的日本Shinji东湖污水处理厂
Shinji东湖污水处理厂（WWTP）位于Naka-Umi湖西端的，污水排放至Naka-Umi湖。为此，1994年采用高级活性污泥法（AAO法）与化学沉淀法相结合，对TP排放进行了严格的控制，避免了相关湖泊的富营养化。最初采用的是AAO中添加聚氯化铝（PAC），1998年开始采用PHOSNIX工艺处理厌氧消化污泥。下图为污水厂的PHOSNIX工艺的示意图。该设备由结晶器、旋风分离器、圆筒筛、料斗、加药装置和鼓风机组成。
该结晶器具有反应区和沉降区组合结构。反应区是一种复式管流化床反应器，其上部外壳与沉降区相连。包括沉降区在内的总水力停留时间（HRT）约为1小时。浆液混合物在结晶器内气举作用下循环，内管向上流，外管向下流。
滤液被送入反应区的中心，发生早期结晶。结晶主要发生在结晶器内的循环过程中，由于沉降区重力分离，大部分结晶颗粒仍留在结晶器内。旋风分离器从沉降区冲刷出的细晶颗粒被截留下来，作为种子晶体返回结晶器，经过处理的细晶颗粒被送回污水处理厂的进口点。
在上述主要流程操作中，其中的磷酸盐形成晶体颗粒，颗粒的浓度和大小逐渐增大。生长充分的颗粒可以通过以下操作提取，即将结晶器中的一部分混合物抽干并送入转鼓筛。筛上分离的颗粒储存在料斗中，其大小可由筛孔大小自动调节。当微粒被去除后，被分离的微粒上附着的水在储存过程中可以很容易的排出，大约三周的时间，含水量降低到10%左右。转鼓筛上的细小晶体颗粒经洗涤水作为种子晶体反馈到结晶器。这种鸟粪石的提取操作每1到2周进行一次，大约需要3~5 h。鸟粪石产品的提取每3至4周进行一次。
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设备性能
磷酸氢钙的PO4-P浓度为110~160 mg/L，经磷化处理后降至10 mg/L左右。同时，污水处理厂最终流出物的TP浓度已经稳定下降到0.4 mg/L左右。从1999年到2007年，PO4-P的年回收率一直在49%~74%的范围内。当化学剂量低于推荐剂量时，比例小于60%。
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成本
下表为1997年化学沉淀法与1999年PHOSNIX工艺的年度运行成本对比，PHOSNIX工艺的操作成本仅为化学沉淀法的七分之一。
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产品质量
回收的鸟粪石外观为奶白色颗粒。产品的主要成分与纯鸟粪石几乎相同。重金属和其他化学物质的污染远远低于日本肥料控制法规定的容许量，该产品已在日本注册为化学复合肥（CCF）。2000年到2014年，该产品平均每年产量为131吨，通过化肥公司销售。
采用Ostara磷资源回收技术的美国Durham污水处理厂
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项目概况
Durham污水处理厂位于美国俄勒冈州的泰格德市，始建于1976年，由美国Clear Water Services （以下简称CWS）建设并运营管理，目前处理规模约为9.8万m³/日，服务人口约25万，污水来源主要为市政污水（雨污合流）及少量经预处理的工业废水。该厂原主体工艺采用典型的AAO工艺加强化化学除磷和砂滤，污泥处理采用厌氧消化并利用厌氧产生的沼气发电以回收能源。
为解决污泥消化上清液、脱水回流液等对主体工艺造成的氨氮和磷的冲击负荷，以及解决鸟粪石积累对污泥厌氧消化系统、管道等的堵塞问题，同时考虑“变废为宝”，将磷、氨氮加以回收利用，实现污水、污泥的资源化。Durham污水厂于2009年开始采用总部位于加拿大温哥华的Ostara的Pearl®磷回收工艺进行提标改造，并于2011年开始研发了与Pearl®工艺配套的剩余污泥内含磷分离专利工艺WASSTRIPTM®。其工艺流程图如图所示。
通过Pearl®工艺和WASSTRIPTM工艺的联合使用，Durham污水处理厂在实际操作过程中能够将聚磷菌中约三分之一的磷释放出来用于形成鸟粪石颗粒，但这也因具体情况而波动。VFA从初沉池污泥水解发酵工艺中分离至WASSTRIPTM工艺的操作需要不断调节，毕竟发酵所产生的VFA浓度和总量有限，过多的分流一是会影响主体AAO工艺本身的生物脱氮除磷效果，二是会稀释WASSTRIPTM工艺中污泥的浓度，降低磷、镁的浓度，影响在后续的Pearl®工艺中添加的碱量、鸟粪石形成的速率和颗粒大小等。目前该厂实际运行中将停留时间设置在10~24 h之间、VFA和剩余污泥的比例控制在0.05~0.3之间。
在WASSTRIPTM工艺应用后，通过释磷进入到Pearl®中的磷占剩余污泥中磷含量的30%左右。在安装WASSTRIPPTM后由于新释放的磷的增加，Pearl®的磷负荷较之前增加了约80%。在伴随磷释放的过程中，镁也同时得到释放，实际生产数据表明大约剩余污泥中的50%左右的镁被释放到Pearl®工艺中。WASSTRIPPTM工艺投产试用之后污泥厌氧消化系统中形成的鸟粪石沉淀现象大大减轻，改善了设备、管道等的运行。
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联合改造效果
实际生产数据表明，剩余污泥中大约65%的磷固化至鸟粪石产品中去，从而减少了80%左右回流到主体工艺的溶解性磷负荷、改善了生物除磷的效果、减少了后端强化化学除磷所需药剂量的40%而节约了生产成本，并同时增加了鸟粪石颗粒的产量，提高了经济效益。污泥厌氧消化过程中产生的氨氮也被固化到鸟粪石当中去，减少了回流到主体AAO工艺的氨氮量，减轻了硝化负荷而减少了曝气量，也减少了因硝化所需外加碱度的药剂量。
Durham污水处理厂实际运行中磷和铵的高效回收利用，取得了一定的经济效益，为中国大量采用生物除磷工艺的污水处理厂正在进行的提标改造工作提供了实践经验。
编辑：朱琼宇