几种无机混凝剂除磷优化及污水深度净化处理

目前，我国85%的湖泊均存在不同程度的富营养化，有研究表明，城市污水的不合理排放是导致自然水体中磷含量超标的主要因素。对于低碳源的城市污水而言，其通常难以同时满足生物脱氮及生物除磷对碳源的需求，从而导致污水处理工艺的除磷效率低下。为达到日趋严格的污水排放标准，化学辅助除磷方法逐渐被广泛采用。化学法除磷的效率高于生物法，且操作简单、稳定可靠。

北京排水集团吴家村污水处理厂目前使用的除磷剂是液态聚合铝铁（LPAFC）。笔者通过试验对比了聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铝（PAC）、聚合硅酸铝铁（PAFSi）、聚合氯化铝铁（PAFC）和该厂目前使用的液态聚合铝铁等混凝剂的除磷效能及成本情况，以期为该污水厂深度除磷提供参考。

1材料和方法

1.1药剂

5种用作除磷剂的混凝剂均为工业级产品，除LPAFC来自淄博华清净水产品有限公司外，其余产品均来自湖北盛世环保科技有限公司。PFS，Fe2O3质量分数≥24.40%；PAC，Al2O3质量分数≥29.05%；PAFSi，Fe2O3质量分数≥1.54%，Al2O3质量分数≥18.30%；PAFC，Fe2O3质量分数≥2.46%，Al2O3质量分数≥23.60%；液态聚合铝铁，Fe2O3质量分数≥3.94%，Al2O3质量分数≥2.36%。PFS、PAC、PAFSi、PAFC为固体，使用时均配制成1%的溶液。

1.2试验条件及方法

试验以吴家村污水处理厂的沉砂池出水为原水，pH为7.37～7.69，浊度为258～541NTU，COD为716.26～939.1mg/L，TP为3.28～7.14mg/L，TN为82～138.4mg/L。采用烧杯试验进行混凝试验，试验在MY3000-6A型六联混凝试验搅拌仪上进行。取1L水样置于6个烧杯中，加入一定量混凝剂，先以300r/min速度快速搅拌1min，再以50r/min速度慢速搅拌15min，最后静置沉淀15min，取液面下2~3cm处水样测定pH、TP、浊度、COD、TN等。

1.3检测方法

COD采用快速密闭催化消解法；TP采用钼锑抗分光光度法；TN采用哈希试剂；pH采用sension1便携式pH测量仪；浊度采用HI98703高精度数据型浊度测定仪。

2结果与讨论

2.1对TP的去除效果

研究药剂投加量和TP去除率之间的关系，通常用投药量系数β表示，即：β＝n（M）∶n（TP）。本试验中M代表三价金属阳离子，即Fe和/或Al。β受多种因素影响，其理论值为1，但实际值通常在2～3或者更高〔5〕。

针对5种不同的除磷药剂，投药量系数与对应的TP去除效果见图1。

从图1可以看出，对于PFS、PAC、PAFSi、PAFC和LPAFC这5种混凝剂，除磷率均随β的升高（投药量的增加）而升高；β=2时，5种混凝剂出水TP质量浓度依次为PFS<LPAFC<PAFC<PAFSi<PAC。对于吴家村污水处理厂目前正在使用的LPAFC而言，其在β=4.33时，出水TP质量浓度为0.8mg/L，达到国家一级B排放标准。

2.2对COD的去除效果

不同β下5种混凝剂对COD的去除率见图2。

由图2可以看出，对于PFS和LPAFC，污水COD的去除率大致随药剂投加量的加大而增加，而PAC、PAFSi和PAFC对COD的去除率具有一定的波动性。在试验投药量范围内，PAC对COD的去除率最高，达到了75.40%，其次是PAFSi、PAFC、PFS和LPAFC，去除率分别为65.55%、63.51%、62.62%、50.30%，对应的β为3.80、2.00、3.20、2.00、4.33。

PAC高效去除COD的主要原因在于其高效的絮凝作用，不仅能够去除SS形态的COD，还能够去除胶体态的COD。

2.3对TN的去除效果

不同β下5种混凝剂对TN的去除率见图3。

由图3可以看出，5种混凝剂对TN的去除率没有明显的规律，去除率都比较低。PAC在β=3.04时，对TN的去除率达到了33.77%，而PFS、PAFSi、PAFC、LPAFC的最高去除率分别只有27.19%、17.44%、16.02%、13.58%。

污水中的TN主要以NO3-、NO2-和NO4+等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮等形式存在。对氮的去除主要依靠的是生物作用，混凝过程中TN的去除来自于含氮物质与混凝剂的共沉降，这可能是导致TN去除率较低的一个原因。

2.4对浊度的去除效果

不同β下5种混凝剂对浊度的去除率如图4所示。

由图4可以看出，5种混凝剂对浊度的去除率随着投加量的增加而增大。其中PAFSi和PAFC对浊度的去除率最高，分别达到了91.48%和91.24%，对应的β为2.47和3.20，投加质量浓度均为100mg/L。其次是PFS和LPAFC，去除率分别为88.57%和85.91%。而PAC对浊度的去除效果最差，去除率只有64.65%。

2.5药剂最佳投加量的确定

北京吴家村污水处理厂采用循环式活性污泥（CAST）工艺。运行数据表明，进水TP质量浓度总体上维持在5mg/L左右，出水TP质量浓度平均为2.9mg/L，去除率为56.9%，不能满足出水标准。

为达到国家一级排放标准，采用前置化学辅助除磷工艺。在除磷率为56.9%的前提下，要使出水达到国家一级B排放标准，生化池的进水TP质量浓度应该控制在2.3mg/L以下。通过试验确定化学除磷阶段，投加PFS、PAC、PAFSi、PAFC和LPAFC时分别按β为1.49、3.54、2.94、3.20、1.76投加可以满足生化池进水要求，对应的投加质量浓度分别为72、93、116、100、204mg/L。

2.6经济效益分析

现根据所选药剂的现行市场价格进行简单的经济分析，见表1。

从表1可以看出，LPAFC的单位药剂成本最低，只有0.12元/m3，因此建议采用LPAFC作为化学辅助除磷药剂。

2.7药剂投加量与出水TP浓度的相关性

以LPAFC作为同步除磷药剂，在不同药剂投量下分析投药量系数β与出水TP浓度的相关性。结果表明：当β≤4.33时，β与出水TP浓度呈现良好的相关性，相关函数为y=0.0111x2-0.6401x+3.3772（R2=0.9991）。在实际污水处理中，可以参考其相关关系，研究并推广污水处理厂化学除磷工艺精确控制技术，在保证出水水质稳定达标的前提下，实现降低药剂投加量，同时减少污泥排放量，最终实现节能和优化运行的目的。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

3结论

对PFS、PAC、PAFSi、PAFC和北京排水集团吴家村污水处理厂目前所用的液态聚合铝铁等5种混凝剂的除磷效能进行了考察，得出以下结论：

（1）5种药剂对TP、COD和浊度都有一定的去除，但是对TN的去除率很低。

（2）β=2条件下，PFS对TP的去除效果最好。要使吴家村污水处理厂的出水达到国家一级B排放标准，在实验条件下PFS、PAC、PAFSi、PAFC和液态聚合铝铁的投加质量浓度分别为72、93、116、100、204mg/L，相应的单位药剂处理成本为0.17、0.14、0.20、0.16、0.12元/m3，因此建议仍采用目前所用的液态聚合铝铁作为化学辅助除磷药剂。

（3）当选择液态聚合铝铁作为同步除磷药剂时，在β≤4.33的条件下，β与出水TP浓度呈现较好的相关性。

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