不同化學藥劑的除磷效果及經濟性分析

賈軍峰,吳俊奇,王真杰,鄧易芳,孫鵬展

(1.北京建筑大學 環境與能源工程學院，北京 100044;2.住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心，北京 100835；3.倍適科技有限公司，北京 100124)

污水除磷處理方法有物理法、化學法和生物法，化學除磷是使水中的磷轉化為不溶性磷酸鹽沉淀[1]。當污水中磷含量較高時，生物除磷法不易使出水穩定達標[2]。化學除磷作為污水處理廠生物除磷的補充，可以進一步降低出水總磷濃度，使出水穩定達標[3]。

化學法除磷包括化學沉淀法和化學絮凝法。污水中的磷以有機磷、聚磷酸鹽和正磷酸鹽形式為主，投加金屬鹽或絮凝劑，可將污水中磷轉移至沉淀中并及時排出，從而實現污水除磷。常用的金屬鹽包括鈣鹽、鐵鹽、鋁鹽，鈣鹽主要是氫氧化鈣，鐵鹽主要有三氯化鐵、硫酸亞鐵，鋁鹽主要是硫酸鋁[4]。常用絮凝劑有聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁和聚合氯化鋁鐵等[5-6]。

改良UCT工藝的小型污水實驗裝置進水總磷平均含量為15.4 mg/L，出水總磷平均含量為2.2 mg/L，生物除磷平均去除率為86%，雖總磷大部分去除，但是未達到北京地標B/A級排放標準，故需進一步對裝置出水進行化學除磷實驗。

1 實驗部分

1.1 藥品與儀器

聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵、鋁鐵復合藥劑、聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺、過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸鹽等均為分析純；污水，取自改良UCT工藝的小型污水裝置的出水，水質見表1。

表1 污水水質Table 1 Sewage quality

ZR4-6混凝實驗攪拌機；TU-1810型號紫外可見分光光度計;BOXUN立式壓力蒸汽滅菌器；Milwaukee pH56筆式酸度計。

1.2 實驗方法

打開混凝實驗攪拌機開關，抬起攪拌槳，洗凈攪拌杯并放在攪拌機對應位置。用玻璃棒攪勻水樣，用量筒準確量取1 000 mL水樣(并設置空白實驗)，迅速倒入攪拌杯，測定pH后放下攪拌槳。用TopPette移液槍準確吸取化學除磷藥劑至攪拌杯中，混凝攪拌15 min，抬起攪拌槳，靜置20 min。打開取樣閥，接取100 mL，測定上清液pH和TP。攪拌杯里的水樣進行過濾，烘干后測其重量，與未投藥的對比，確定污泥產量。

2 結果與討論

2.1 主次因素分析

為了確定化學除磷法中藥劑種類、投加量和反應時間的主次關系，以改良UCT工藝的小型污水裝置的出水進行3因素4水平化學除磷正交實驗[L16(43)]，出水的總磷含量為2.70 mg/L，實驗結果見表2。

表2 L16(43)化學除磷正交實驗結果Table 2 L16(43)Orthogonal experimental results of chemical phosphorus removal

由表2可知，主次因素為A>B>C，即藥劑種類>藥劑投加量>反應時間。4種藥劑的除磷效果：鋁鐵復合藥劑>聚合硫酸鐵>聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺>聚合氯化鋁鐵。即鋁鐵復合藥劑除磷效果最好，投加量為20 mg/L時，出水總磷含量為0.28 mg/L，可達到北京地標B級排放標準。上述4種化學藥劑的出水總磷均未達到北京地標A級排放標準，需擴大藥劑的投加范圍。

2.2 化學藥劑最佳投加量的確定

改良UCT工藝的小型污水裝置出水總磷含量為2.70 mg/L，反應時間17 min，對聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵、鋁鐵復合藥劑、聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺4種化學藥劑進行最佳投加量實驗，使滿足北京地標B/A排放標準。

2.2.1 聚合硫酸鐵 聚合硫酸鐵投加量對上清液TP和pH的影響見圖1，投加量對TP去除率的影響見圖2。

圖1 聚合硫酸鐵投加量對TP和pH的影響Fig.1 Effect of polymeric ferric sulfate dosage on TP and pH

圖2 聚合硫酸鐵投加量對TP去除率的影響Fig.2 Effect of polymeric ferric sulfate dosages on TP removal rate

由圖1和圖2可知，隨著聚合硫酸鐵投加量的增加，上清液總磷含量降低，磷去除率增加，pH逐漸減少。投加大量化學藥劑，金屬鹽通過水解反應會導致pH顯著降低[7]。當投加量為100 mg/L，pH由8.36降至7.68，上清液含磷量為0.30 mg/L，磷去除率89%；當投加量為120 mg/L，pH由8.36降至7.55，上清液含磷量為0.20 mg/L，磷去除率為93%，滿足北京地標B/A級排放要求。

2.2.2 聚合氯化鋁鐵 聚合氯化鋁鐵投加量對上清液TP和pH的影響見圖3，投加量對TP去除率的影響見圖4。

圖3 聚合氯化鋁鐵投加量對TP和pH的影響Fig.3 Effect of polyaluminium ferric chloride dosage on TP and pH

圖4 聚合氯化鋁鐵投加量對TP去除率的影響Fig.4 Effect of polyaluminium ferric chloride dosage on TP removal rate

由圖3和圖4可知，隨著聚合氯化鋁鐵投加量增加，上清液總磷降低，磷去除率增加，pH值逐漸減小。當投加量為150 mg/L，pH由8.36降至7.81，上清液含磷量為0.28 mg/L<0.30 mg/L，磷去除率89%；當投加量為180 mg/L，pH由8.36降至7.72，上清液含磷量為0.19 mg/L<0.20 mg/L，磷去除率93%，滿足北京地標B/A排放要求。隨著投加量的增加，總磷去除率增幅不明顯，主要原因是上清液總磷含量大部分已經去除，水中磷含量較低。

2.2.3 鋁鐵復合藥劑 鋁鐵復合藥劑投加量對上清液TP和pH的影響見圖5，投加量對TP去除率的影響見圖6。

圖5 鋁鐵復合藥劑投加量對TP和pH的影響Fig.5 Effect of aluminum-iron composite agent dosage on TP and pH

圖6 鋁鐵復合藥劑投加量對TP去除率的影響Fig.6 Effect of aluminum-iron composite agent dosage on TP removal rate

由圖5和圖6可知，隨著鋁鐵復合藥劑投加量的增加，上清液總磷降低，磷去除率增加，pH值逐漸降低。當投加量19.2 mg/L時，上清液含磷量為0.30 mg/L， pH由8.52降至7.81磷去除率為89%；當投加量25.6 mg/L時，上清液含磷量為0.19 mg/L<0.20 mg/L，pH由8.36降至7.56，磷去除率為93%，滿足北京地標B/A級排放要求。

2.2.4 聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺 以聚合氯化鋁為化學藥劑，聚丙烯酰胺為助凝劑，反應時間17 min，實驗因素為聚合氯化鋁投加量和聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺之比， 聚丙烯酰胺投加量為聚合氯化鋁的1/1 000。聚合氯化鋁不同投加量對應上清液TP和pH變化關系曲線見圖7，不同投加量TP去除率見圖8。

上述發現，構成了馬克思在“強調自然”和“強調政治”“聯盟”的意義上，接受費爾巴哈的重要原因。恩格斯后來回顧這段歷史時曾經提到：“‘體系’被炸開并拋在一旁了，矛盾既然僅僅存在于想象之中，也就解決了。……我們一時都成為費爾巴哈派了。”(馬克思、恩格斯，2012c：228)然而，并不為恩格斯所知曉的，或者說為馬克思所刻意隱匿起來的是，后者一段失敗了的費爾巴哈式的理論建構——《1844年經濟學哲學手稿》中的異化勞動理論。

圖7 聚合氯化鋁投加量對TP和pH的影響Fig.7 Effect of polyaluminum chloride added amount on TP and pH

圖8 聚合氯化鋁投加量對TP去除率的影響Fig.8 Effect of polyaluminum chloride dosage on TP removal rate

由圖7和圖8可知，聚合氯化鋁投加量越大，總磷含量越低， pH值變化不大。當聚合氯化鋁投加量為250 mg/L、聚丙烯酰胺投加量為0.25 mg/L，上清液總磷為0.29 mg/L<0.30 mg/L，pH由8.36降至8.09，磷去除率為89%；當投加量為300 mg/L、聚丙烯酰胺投加量為0.30 mg/L，上清液總磷為0.20 mg/L， pH由8.36降至8.04，磷去除率為93%，滿足北京地標B/A級排放要求。

2.3 化學藥劑經濟性分析

考慮到化學藥劑的經濟性，對聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵、鋁鐵復合藥劑、聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺等4種化學藥劑進行成本分析，不同藥劑的最佳加藥量及藥劑費用見表3。

表3 不同藥劑的最佳加藥量及藥劑費用Table 3 Optimal dosage and cost of different reagents

由表3可知，在北京地標B/A排放標準下，4種藥劑的最佳投加量大小：聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺>聚合氯化鋁鐵>聚合硫酸鐵>鋁鐵復合藥劑,4種化學藥劑經濟性：鋁鐵復合藥劑>聚合氯化鋁鐵>聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺>聚合硫酸鐵,可見鋁鐵復合藥劑最經濟且除磷效果最好。

2.4 污泥產量

污泥產量包括剩余污泥和化學污泥，剩余污泥有產量大、處理費用高、易產生二次污染的特點。投加化學藥劑可以降低出水總磷的含量，但是會伴隨一些化學污泥的產生，減少污泥產量不僅可以降低處理費用,還可以緩解對環境的壓力，污泥的減量化越來越備受關注。

2.4.1 鋁鐵復合藥劑投加量對化學污泥產量的影響 改良UCT工藝小型污水處理裝置出水SS為39.6 mg/L，鋁鐵復合藥劑投加量對化學污泥產量的影響見圖9。

圖9 鋁鐵復合藥劑投加量對化學污泥產量的影響Fig.9 Effect of aluminum-iron composite agent dosage on chemical sludge yield

由圖9可知，隨著鋁鐵復合藥劑投加量的增加，化學污泥產量逐漸增加。在滿足北京地標B/A級排放標準下，鋁鐵復合藥劑投加量為19.2 mg/L時，化學污泥產量為46.1 mg/L，投加量為25.6 mg/L時，化學污泥產量為67.8 mg/L。

2.4.2 與其他工藝產泥量對比分析 在進水TP為4.0～9.0 mg/L時，常規 A2/O 工藝處理1 m3水污泥產量為130.4 g/m3，出水TP為0.76 mg/L，常規 A2/O+厭/好氧交替工藝處理1 m3水污泥產量為81.1 g/m3，改良型 A2/O 工藝處理1 m3水污泥產量為80.5 g/m3，出水TP含量基本保持不變[8]。

SBR工藝處理1 m3水污泥產量為200 g/m3，SBR工藝加入超聲作用，回流比2∶14，超聲條件為25 kHz、1.6 W/mL、15 min時，污泥產量為82.4 g/m3，會產生磷的釋放現象[9]。SBR/OSA工藝，即序批式活性污泥法與厭氧反應器結合，處理1 m3水污泥產量為27.3 g/m3，出水TP含量小于1.5 mg/L[10]。上述工藝出水TP均未達到北京地標B/A排放標準。

改良的UCT工藝處理裝置未投加化學藥劑時處理1 m3水剩余污泥產量為28.8 g/m3，投加鋁鐵復合藥劑時處理1 m3水污泥產量為74.9 g/m3或96.6 g/m3，可達到北京地標B/A排放標準。化學污泥的產生量達到剩余污泥的1.6倍或2.4倍，可見化學除磷產泥量更大。與其他工藝相比，改良UCT工藝比常規 A2/O 工藝、常規 A2/O+厭/好氧交替工藝、改良型 A2/O 工藝、SBR工藝和加入超聲作用的SBR工藝污泥產量分別降低了77.9%，64.5%，64.2%，85.6%，65.0%，與SBR/OSA工藝污泥產量相差不大，但是SBR/OSA工藝出水TP未達到北京地標B/A排放標準，改良UCT工藝采用化學除磷使出水達標并產生化學污泥，但污泥產量相比其他工藝仍最低。

污泥減量主要是使污泥破解溶胞后利用微生物的內呼吸作用進行氧化分解，使排放到系統外的污泥量減少。一方面可以采取改進工藝或組合工藝的方式；另一方面可以通過微型動物捕食、隱性生長、增加維持能量消耗和解偶聯生長等方法進行污泥減量[11]。可見開發低污泥產率的污水處理技術、減少污泥產生，從而實現污泥從源頭減量意義重大。

3 結論

采用化學除磷法對改良UCT工藝的小型污水裝置出水進行實驗，可得出如下結論：

(1)藥劑種類對除磷效果影響最大，其次是投加量、反應時間。

(2)4種化學藥劑經濟性：鋁鐵復合藥劑>聚合氯化鋁鐵>聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺>聚合硫酸鐵。

(3)鋁鐵復合藥劑在裝置出水總磷含量為2.70 mg/L時，當投加量19.2 mg/L，上清液含磷量0.30 mg/L；當投加量25.6 mg/L，上清液含磷量0.19 mg/L，滿足北京地標B/A排放標準。

(4)投加鋁鐵復合藥劑化學除磷會使水的pH降低0.7～0.8。

(5)改良的UCT工藝處理1 m3水需投加鋁鐵復合藥劑為19.2 g/m3，滿足北京地標B級排放標準，污泥產量為74.9 g/m3。當投加鋁鐵復合藥劑為25.6 g/m3時，滿足北京地標A級排放標準，污泥產量為96.6 g/m3。與其他工藝相比，改良的UCT工藝在出水總磷達標條件下，污泥產量仍最低。