复配除磷剂对污水处理厂二级生化出水除磷效果的影响_王磊.pdf

王磊复配除磷剂对污水处理厂二级生化出水除磷效果的影响王磊（沧州市渤海新区环境监控中心，河北沧州 061113）摘要：研究以城镇污水处理厂二级生化出水为研究对象，比较聚合硫酸铁（PFS）、氯化铁、硫酸铝以及复配除磷剂对二级生化出水总磷（TP）去除效果的影响。实验研究表明：单一除磷剂 PFS 相对于复配除磷剂投加量较大，综合经济成本较高。PFS 和硫酸铝、氯化铁与硫酸铝分别以 14、11 的质量比进行复配，在较低温度下具有较佳的深度除磷效果，且 PFS 和硫酸铝复配除磷剂更具经济成本优势。当 PFS 与硫酸铝复配除磷剂投加量为 120 mg/L 时，总磷去除率 87.6%，剩余总磷（TP）浓度 0.48 mg/L，符合城镇污水一级 A 排放标准。关键词：聚合硫酸铁；氯化铁；硫酸铝；复配；除磷中图分类号：X 78文献标志码：A文章编号：2095-817X（2023）01-0061-005近年来，随着我国城市化进程和居民生活水平的不断提高，城镇生活污水排放量逐年剧增，而部分城镇污水处理厂由于采用的污水处理工艺所限，其出水水质的总磷指标尚不能稳定达到 GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级 A标准 1，从而成为全国湖泊河流水体富营养化的重要原因之一。为了满足水生态环境保护与治理的要求，确保出水水质总磷指标达标排放，对污水处理厂出水深度除磷处理具有重要的现实意义。本文选用聚合硫酸铁（PFS）、氯化铁、硫酸铝作为除磷剂，采用化学沉淀法对城镇污水处理厂二级生化出水深度处理，并进一步探讨复配除磷剂对于深度除磷效果的影响 2，旨在弥补部分城镇污水处理厂污水处理工艺的不足，为二级生化出水深度除磷处理提供现实可行的指导方案。1 实验部分1.1 污水水质指标本研究污水水样来自沧州某污水处理厂的生活污水，其采样点为二级生化处理池出口处，外观呈淡棕色，略显浑浊。污水水质特征分析均采用国家现行环保标准，水质指标详见表 1。收稿日期：2022-11-10作者简介：王磊（1986），男，工程师，主要从事环境监测与环保技术工作。1.2 实验试剂聚合硫酸铁（PFS，TFe 21%），六水氯化铁（99%），硫酸铝（Al2（SO4）318H2O），浓硫酸（H2SO4），氢氧化钠（NaOH），所用药品试剂均为分析纯。1.3 实验方法取污水水样 1 000 mL 置于烧杯中，用 1 mmol/L 氢氧化钠和硫酸溶液调节水样至不同 pH 值。在20 条件下，向水样分别加入一定剂量的聚合硫酸铁（PFS）、氯化铁、硫酸铝，用搅拌机先以150 r/min 速度快速混合 30 s，再以 60 r/min 速度慢速搅拌 15 min；静置沉淀 30 min 后，取上清液测定总磷（TP）浓度，计算去除率。筛选单一除磷剂最佳工艺条件下的除磷效果，并选择 2 种除磷剂进行复配，通过设置不同复配比例、投加量进一步优化工艺条件，进而确定二级生化出水深度除磷处理的最佳方 案。2 实验结果与讨论2.1 单一除磷剂的除磷效果2.1.1 初始 pH 值对总磷（TP）去除效果的影响分批次取 1 000 mL 水样调节至预定 pH 值，按表 1 污水水质特征分析结果Tab.1 Analysis results of wastewater quality characteristics项目pH总磷/（mg/L）COD/（mg/L）数值7 83.887061化 工 与 医 药 工 程第44卷第1期2023年2月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(1)HSE与节能减排照 1.3 实验方法，分别投加聚合硫酸铁（PFS）、氯化铁、硫酸铝各 100 mg，除磷处理后测定上清液总磷（TP）浓度，并计算去除率。（PFS）、氯化铁、硫酸铝，除磷处理后测定上清液总磷（TP）浓度，并计算去除率。图 1 pH 值对总磷（TP）去除效果的影响Fig.1 Effect of pH on removal rate of total phosphorus(TP)58070605040302010PFS氯化铁硫酸铝79681011初始 pH 值去除率/%图 2 投加量对总磷（TP）去除效果的影响Fig.2 Effect of charge quantity on removal rate of total phosphorus(TP)509080706050PFS氯化铁硫酸铝150250100200300350投加量/（mg/L）去除率/%从图 1 可以看出，随着水样初始 pH 值的增加，PFS 的除磷效果呈现先增加后减少的趋势，当 pH值=7.5 时，总磷（TP）去除率达到最大值为 62.5%；氯化铁、硫酸铝的除磷效果变化呈现出类似 M 型趋势，当 pH 值=7.0 时，总磷（TP）去除率达到最大值为 58.8%、50.5%。二级生化出水中的磷元素主要以磷酸盐的化学形态存在，Fe3+、Al3+离子的除磷作用有两部分，一部分是形成难溶性的金属磷酸盐沉淀，一部分是金属离子发生水解络合反应，形成的絮凝体对化学形态和物理形态的磷进行吸附。受电离平衡机理的制约，水体的酸碱度直接影响着水体中H2PO4-、HPO42-、PO43-等基团的浓度 3。当 pH 4.6时，磷酸盐主要以 H2PO4-、H3PO4形式存在，不仅影响 Fe3+、Al3+与 PO43-结合形成难溶性磷酸盐沉淀，也不利于 Fe3+、Al3+水解形成具有吸附作用的多羟基络合物。当 pH 9.8 时，磷酸盐则主要以 PO43-形式存在，虽然可以促进难溶性磷酸盐沉淀的形成，但当超过 Fe（OH）3、Al（OH）3的零点电荷对应的 pH值时，Fe3+、Al3+的多羟基络合物表面会带负电，从而降低对磷酸根离子的吸附能力。在适宜的 pH 条件下，Fe3+、Al3+的多羟基络合物才能够与磷酸根离子结合生成一种稳定的羟基磷酸铁络合物、羟基磷酸铝络合物，从而强化对磷的去除效果 4。因此，PFS 和氯化铁、硫酸铝适宜的初始 pH 值分别为 7.5 和 7.0。2.1.2 投加量对总磷（TP）去除效果的影响分批次取 1 000 mL 水样调节 pH 值至 7.0 和 7.5，按照 1.3 实验方法，分别投加不同剂量的聚合硫酸铁从图 2 可以看出，随着 PFS、氯化铁、硫酸铝投加量的增加，总磷（TP）去除率均呈现出先快速升高，后逐渐平稳的趋势。当 PFS、氯化铁、硫酸铝投加量为 150 mg/L、200 mg/L 和 250 mg/L 时，总磷（TP）去除率分别达到 76.6%、73.6%、71.5%；进一步增加除磷剂的投加量，总磷（TP）去除率并无明显增加趋势。这是因为当投加量不足时，Fe3（OH）45+、Al3（OH）45+等多羟基络合物数量较少，架桥能力较弱，不能有效吸附污水中的磷酸根离子，除磷效果并不明显。当投加量过多时，虽然水中络合离子数量增加了，但胶体颗粒易被过量絮凝体包裹而带正电，同种粒子的碰撞机会降低使得架桥作用减弱，难以形成长线型的多羟基络合物，导致与磷酸根离子结合的细小絮体较难沉降 5。因此，PFS、氯化铁、硫酸铝的适宜投加量应为 150 mg/L、200 mg/L 和 250 mg/L。2.1.3 温度对总磷（TP）去除效果的影响分 批 次 取 1 000 mL 水 样 调 节 pH 值 至 7.0 和7.5，分别投加聚合硫酸铁（PFS）150 mg、氯化铁200 mg、硫酸铝 250 mg，反应温度控制在 15 30，按照 1.3 实验方法，除磷处理后测定上清液总磷（TP）浓度，并计算去除率。从图 3 可以看出，在 15 30 范围内，PFS、氯化铁、硫酸铝的除磷效果随着温度的升高均有明显提升；在反应温度为 30 时，PFS、氯化铁、硫酸铝的总磷（TP）去除率分别达到 88.7%、84.3%、82.9%，PFS 除磷处理后总磷浓度为 0.44 mg/L，达到城镇污水一级 A 排放标准。这是因为，在较低温度下，62化 工 与 医 药 工 程第44卷第1期2023年2月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(1)Fe3+、Al3+水解速度缓慢，生成多羟基络合物所需的时间较长，并且絮体细而松散、吸附能力较差。适宜的反应温度有利于降低化学反应所需的活化能 6，缩短 Fe3+、Al3+水解生成多羟基络合物的时间，促进絮体的形成和对磷酸根离子的吸附，从而使反应快速达到平衡状态。但当反应温度过高时，Fe3+、Al3+水解速度过快，生成的絮体细小，吸附能力进而降低。因此，从实际处理工艺和设备能耗方面考虑，PFS 深度除磷反应温度宜控制在 25 30。2.2 复配除磷剂的除磷效果2.2.1 复配比例对总磷（TP）去除效果的影响分批次取 1 000mL 水样调节 pH 值至 7.0 7.5，将聚合硫酸铁（PFS）与硫酸铝、氯化铁与硫酸铝进行复配，分别投加不同比例复配除磷剂 100 mg，按照 1.3 实验方法，除磷处理后测定上清液总磷（TP）浓度，并计算去除率。从图 4 可以看出，随着 PFS、氯化铁复配比例的增加，复配除磷剂的除磷效果呈现出先升高后逐渐降低的趋势，当 PFS/（PFS+硫酸铝）=0.2、氯化铁/（氯化铁+硫酸铝）=0.5 时，总磷（TP）去除率达到最大值 75.6%、88.5%。铝铁盐的混凝机理主要是依靠水解聚合反应生成高分子多核羟基络合物的架桥和网捕作用 7，而传统的铝铁盐本身分子量小，水解过程中较难生成高聚态的多核羟基络合物。由于 Fe3+和 Al3+水解时的竞争关系，当 Fe3+/Al3+摩尔比较高时，Fe3+水解速度快，易形成高聚态产物，而水解速度相对较慢的 Al3+则多为低聚态产物。当 Fe3+/Al3+摩尔比较低时，Al3+的高聚态水解产物增加，Fe3+的高聚态水解产物则相应减少。因此，在适宜的 Fe3+/Al3+摩尔比条件下，其水解产物可交叉共聚形成高分子长链结构的铝铁多核络合离子或金属氧化物絮体，其对脱稳的微粒产生粘结架桥絮凝和卷扫沉淀作用更强 8，而且絮体更密实、沉降速度更快。因此，PFS、氯化铁与硫酸铝分别以14、11的质量比进行复配，可达到最佳的除磷效果。2.2.2 投加量对总磷（TP）去除效果的影响分批次取 1 000 mL 水样调节 pH 值至 7.0 7.5，分别投加不同量的复配除磷剂，按照 1.3 实验方法，除磷处理后测定上清液总磷（TP）浓度，并计算去除率。图 3 反应温度对总磷（TP）去除效果的影响Fig.3 Effect of reaction temperature on removal rate of total phosphorus图 4 复配比例对总磷（TP）去除效果的影响Fig.4 Effect of mixing proportion on removal rate of total phosphorus图 5 投加量对总磷（TP）去除效果的影响Fig.5 Effect of charge quantity on removal rate of total phosphorus1.01510090807060PFS氯化铁硫酸铝25203035反应温度/去除率/%0.210090807060PFS+硫酸铝氯化铁+硫酸铝0.60.40.8复配比例（质量比）去除率/%6010090807060PFS+硫酸铝氯化铁+硫酸铝12090150180210240投加量/（mg/L）去除率/%从图5可以看出，随着复配除磷剂投加量的增加，总磷（TP）去除率呈现出先快速增加，再缓慢增加，最后趋于平稳的趋势。当 PFS 复配硫酸铝投加量为120 mg/L、氯化铁复配硫酸铝投加量为 100 mg/L 时，总磷（TP）去除率分别达到 87.6%、88.5%，反应后63王磊.复配除磷剂对污水处理厂二级生化出水除磷效果的影响总磷（TP）浓度 0.48 mg/L、0.45 mg/L，达到城镇污水一级 A 排放