城市污水生物系統(tǒng)后置除磷實驗研究

張暉 張巖

上海城投污水處理有限公司白龍港污水處理廠（上海 201203）

0 前言

近十年來，城市和工業(yè)的飛速發(fā)展，導致大量氮磷營養(yǎng)物質的排放，使自然和城市水體水質嚴重惡化。目前科學界越來越多的研究表明，磷元素是最主要的限制因子[1-2]。因此，控制城市污水處理廠處理后水中的磷含量，顯得尤為重要和緊迫。

目前，污水中磷的去除技術主要分為生物除磷和化學除磷。生物除磷不需要添加藥劑，操作簡便，運行成本低，產(chǎn)生污泥量少等[3]，是最普遍的除磷方法。但在實際工程運行中，由于受到進水中的有機碳源以及進水頻繁沖擊的影響，僅通過生物除磷很難達到 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A標準（總磷質量濃度≤0.5 mg/L）[4]。因此，大部分污水廠在采用生物除磷的基礎上，輔加化學除磷的手段來保證出水水質穩(wěn)定達標。化學除磷主要是通過向污水中投加鋁鹽、鐵鹽來產(chǎn)生磷酸鹽沉淀，從而達到除磷的目的。磷的化學沉淀包括沉淀反應、凝聚反應、絮凝反應和固液分離4個過程[5]。

在污水處理廠，根據(jù)除磷藥劑設置位置的不同，化學除磷工藝主要包括前置化學沉淀、同步化學沉淀、后置化學沉淀3種類型[6-8]。其中，后置化學除磷不但能節(jié)約藥劑使用量，而且還可以降低化學藥劑對生物處理系統(tǒng)的影響[9]。目前，上海城投污水處理有限公司白龍港污水處理廠的工藝流程見圖1，由于進水碳源含量較低，在優(yōu)先保證氨氮達標運行的條件下，污水中可利用的碳源無法確保出水總磷穩(wěn)定達標。因此，需要對現(xiàn)有工藝進行改造，主要措施是在紫外消毒池后面新建高效沉淀池進行輔助化學除磷。

圖1 污水處理工藝流程簡圖

提標改造建成后，在二沉池后面新建了高效沉淀池，通過后置除磷工藝進行輔助生物除磷。主要的除磷藥劑有硫酸鋁［Al2(SO4)3］、硫酸亞鐵(FeSO4)、聚合氯化鋁（PAC）、聚合氯化鐵（PFC）、聚合氯化鋁鐵（PAFC）等[10]。通過投加上述不同種類的化學除磷藥劑，進行除磷效果分析，并進一步研究了水中磷的質量濃度和水的濁度對化學除磷效果的影響，為實際運行提供參考。

1 材料與方法

1.1 水樣與藥劑

實驗用水取自污水處理廠二沉池出水，藥劑包括Al2（SO4）3·18H2O，PAC，F(xiàn)eSO4，PFC，PAFC等5種污水處理中常見的化學除磷藥劑。

1.2 實驗步驟

出水攪拌均勻后，分取1 L的水樣分別置于5個1 L的燒杯中，然后將其置于六聯(lián)攪拌器上，開啟攪拌器，向各燒杯中分別加入上述5種混凝劑，以350 r/min的速率快速攪拌1 min，然后調節(jié)轉速為100 r/min，慢速攪拌10 min；關掉攪拌器，靜置沉降30 min后取上清液分析總磷（TP）含量。總磷測定標準方法指出，水中的總磷最終被消解成正磷酸鹽，故結果與討論部分采用正磷酸鹽表示總磷。

1.3 實驗方法

總磷測定采用國家標準方法[11]，濁度采用HACH 2100N型臺式濁度儀測定。

2 結果與討論

2.1 不同除磷藥劑的除磷效果研究

為表現(xiàn)不同除磷藥劑除磷效果的差異，首先往二沉池出水添加磷標準試劑，將其正磷酸鹽質量濃度調節(jié)至2.20 mg/L左右；然后向二沉池出水投加不同種類的除磷藥劑，投加量分別為0，10，20，30，40，50，60及70 mg/L。不同除磷藥劑的添加量與水樣中剩余正磷酸鹽質量濃度的關系如圖2所示。

圖2 不同除磷藥劑除磷效果

由圖2可得，在相同的實驗條件下，隨著除磷藥劑投加量的增加，二沉池出水中正磷含量逐漸降低，且隨著投加量的增加，出水正磷質量濃度快速降低，除磷藥劑的投加量繼續(xù)增大，出水正磷質量濃度趨于穩(wěn)定，各出水正磷質量濃度在0.4 mg/L左右。這是因為：隨著藥劑投加量的增加，各化學藥劑與水中的磷發(fā)生沉淀、絡合、縮聚等復雜的化學反應，導致水中的正磷質量濃度快速降低；投藥量繼續(xù)增加，雖然水中含有大量待絡合陽離子，但水中大量由磷參與形成的絡合離子將磷原子包裹起來，降低了藥劑與磷原子表面接觸的機會，并且由于大量的同種離子間電荷的排斥作用，導致出現(xiàn)分散穩(wěn)定的現(xiàn)象，藥劑與磷酸根離子較難進一步反應生成沉淀。因此，出水中磷的質量濃度難以進一步降低，出現(xiàn)了一個穩(wěn)定的低質量濃度區(qū)間。投加FeSO4的量為60 mg/L時，出水的正磷質量濃度為0.41 mg/L；而投加的PAC和PFC的量均為40 mg/L時，出水的正磷質量濃度分別為0.35和0.39 mg/L。因此，從除磷的效果來看，PAC的效果最好，其他藥劑效果排序為PFC＞FeSO4＞Al2（SO4）3·18H2O＞PAFC。后續(xù)實驗以PAC作為除磷藥劑。

2.2 不同磷質量濃度對除磷藥劑投加量的影響

將生物反應池出水靜置30 min后，取上清液作為實驗用水，向其加入磷標準試劑，得到不同磷質量濃度的水樣，然后分別加入0，10，20，0，40，50，60及70 mg/L的PAC，通過六聯(lián)攪拌器進行化學除磷研究，最終結果如圖3所示。

圖3 不同初始正磷質量濃度時的PAC除磷曲線

由圖3可知：一方面，在不同初始正磷質量濃度條件下，投加不同量的PAC，正磷質量濃度迅速降低，PAC投加量增大至40 mg/L時，正磷質量濃度基本趨于穩(wěn)定。另一方面，初始正磷質量濃度越大，反應后正磷質量濃度越低。實驗結果顯示正磷質量濃度均符合GB 18918—2002規(guī)定的一級A排放標準要求。在PAC投加量相同時，初始磷質量濃度越高，反應結束后剩余磷質量濃度越低。這可能是因為：化學除磷過程包括沉淀、凝聚、絮凝、絡合、水解、吸附等多個步驟，涉及多種反應，隨著磷質量濃度增大，反應體系中沉淀物、絡合物的質量濃度增大，部分磷通過被絡合物吸附、共沉淀等聯(lián)合作用去除。

2.3 不同進水濁度對除磷藥劑除磷效果的影響

在化學藥劑除磷過程中，在鐵鹽或者鋁鹽與磷酸鹽反應并形成沉淀的過程中，水中懸浮顆粒物的量也會影響對磷的去除效果。因此，進一步研究了二沉池的懸浮物含量對化學除磷藥劑效果的影響。取二沉池出水，加入少量活性污泥配制成不同濁度的水樣，濁度分別為10.3，21.5，31.2及41.2 NTU，控制各實驗組磷質量濃度約為2.21 mg/L，投加不同量的PAC。實驗結束后測定水樣的濁度、正磷酸鹽質量濃度、去除率，實驗結果如圖4所示。

圖4 不同初始濁度時的PAC除磷曲線

由圖4可得出，不同的濁度條件下，磷的去除率和濁度的去除率隨著PAC投加量的增加而快速增大，當PAC投加量約為40 mg/L時，濁度和正磷的去除率趨于穩(wěn)定。其中濁度為41.2 NTU，PAC投加量為50 mg/L時，濁度去除率達到最大，為98.5%；當濁度為10.3NTU，PAC投加量為40 mg/L時，正磷的去除率達到最大，為84.16%。結合圖3（a）可以得出，隨著濁度的增大，正磷的去除率逐漸降低，而達到最佳去除效果時PAC的用量也變大，由此可知，水的濁度對投加PAC進行化學除磷有一定影響。因為濁度大會導致水中的懸浮物和顆粒物增多，在化學除磷的過程中造成部分藥劑的消耗，導致實際用于除磷的藥劑利用率降低，進而使水中正磷去除率降低。

3 結論

對二沉池出水化學除磷的相關影響因素進行了研究，結果表明：PAC化學除磷的效果優(yōu)于其他幾種常見藥劑；初始磷質量濃度越高，化學除磷效果越好，主要原因可能與化學除磷過程中的相關絡合吸附、共沉淀反應有關；濁度的增大會影響化學藥劑的除磷效果，濁度越高，正磷的去除率越低，相應的化學藥劑消耗量越大。因此，在二沉池后面增加高效沉淀池作為后置除磷設施時，要根據(jù)二沉池出水正磷質量濃度和濁度情況，動態(tài)地調整加藥量，既要節(jié)約投藥量，又要做到出水總磷穩(wěn)定達標。