聚合氯化鋁與聚合氯化鐵用于農(nóng)村生活污水除磷效果研究

陳杰(北京中鐵生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)院有限公司，北京 102600)

0 引言

磷是維系生命系統(tǒng)的主要元素之一，是構(gòu)成生物體以及參與生物新陳代謝的必不可少的元素，但如果水體中磷的含量超過(guò)一定濃度，就會(huì)促進(jìn)藻類大量繁殖，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，最終引起魚類等生物的大量死亡，破壞水中生態(tài)平衡。多種因素可導(dǎo)致磷污染，固定污染源(如：污水處理設(shè)施出水、化工廠、畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)等)的磷排放仍是重要來(lái)源，在一些地方還是主要來(lái)源。隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)和生活水平的不斷提高，生活污水中的磷含量也日益增高。全國(guó)水污染防治形勢(shì)面臨新的變化，總磷逐漸成為重點(diǎn)湖庫(kù)、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶地表水首要污染物，無(wú)機(jī)氮、磷酸鹽成為近岸海域首要污染物，氮磷污染物在部分區(qū)域甚至已經(jīng)上升為水污染防治的主要問(wèn)題，成為影響水環(huán)境治理的突出瓶頸。磷是生活污水中主要的污染物之一，生活污水除磷是防止水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要途徑。生物除磷和化學(xué)除磷是污水處理廠常用的除磷方式，生物除磷具有成本低、無(wú)二次污染、不影響剩余污泥脫水性等優(yōu)點(diǎn)[1]，但對(duì)于來(lái)水水質(zhì)要求高，除磷穩(wěn)定性無(wú)法保證，單純依靠生物除磷，難以確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。化學(xué)除磷是通過(guò)投加藥劑，形成不溶性磷酸鹽沉淀物，最終通過(guò)固液分離使磷從污水中去除[2]，具有操作簡(jiǎn)單、除磷效果好且穩(wěn)定、不會(huì)造成磷的二次釋放等優(yōu)點(diǎn)。除磷藥劑的選擇直接關(guān)系除磷效果的好壞，選擇合適的除磷的藥劑是污水廠正常運(yùn)營(yíng)和出水達(dá)標(biāo)的重要保障。

1 生物除磷及化學(xué)除磷機(jī)理

1.1 生物除磷

污水生物除磷是通過(guò)培養(yǎng)聚磷菌，聚磷菌在經(jīng)過(guò)厭氧條件下的釋磷后，在好氧條件下能過(guò)量吸磷，所吸收的磷貯存于剩余污泥中，通過(guò)沉淀作用排出剩余污泥，達(dá)到系統(tǒng)除磷的目的[3]。聚磷菌的特點(diǎn)是既能貯存磷酸鹽，又能以聚β羥丁酸(PHB)形式貯存碳源。當(dāng)處于厭氧環(huán)境時(shí)，聚磷菌體內(nèi)貯存的磷酸鹽在外界碳源作用下分解，分解過(guò)程中提供能量，利用該階段產(chǎn)生的能量(ATP)，聚磷菌將有機(jī)物攝入細(xì)胞內(nèi)，以PHB形式貯存，在此過(guò)程中，細(xì)胞體內(nèi)的磷得以釋放；當(dāng)處于好氧環(huán)境時(shí)，聚磷菌利用污水中的有機(jī)碳源及體內(nèi)貯存的 ATP，攝取污水中的磷，形成磷酸鹽貯存于細(xì)胞內(nèi)。生物除磷即液相中的磷酸鹽轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中的過(guò)程，所產(chǎn)生的剩余污泥的含磷量高，可達(dá)5%左右，而一般活性污泥含磷量?jī)H為 1.5%左右。影響生物除磷的主要因素是合適的溶解氧濃度和碳源量，同時(shí)應(yīng)限制生化系統(tǒng)的污泥齡，剩余污泥需盡快排出系統(tǒng)，否則，污泥中的磷會(huì)通過(guò)污泥回流，重新釋放到液相中。

生物除磷技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已演化出多種處理工藝，在市政水廠及工業(yè)污水處理中應(yīng)用廣泛，現(xiàn)有典型的除磷處理工藝有：A/O、AAO、序批式活性污泥工藝、Bardenpho工藝、Phoredox工藝、Phostrip工藝以及氧化溝工藝。生物除磷工藝具有處理成本低、除磷范圍廣、除磷效果較好、不會(huì)導(dǎo)致污水處理廠污泥量顯著增加、不增加出水的鹽含量等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 混凝原理

(1)壓縮雙電層作用：當(dāng)混凝劑溶于液相中，產(chǎn)生大量的正離子，液相中正離子濃度升高，通過(guò)離子間的電中和及吸附作用，正離子進(jìn)入膠體擴(kuò)散層和吸附層。因?yàn)槟z核表面的總電位不變，增加擴(kuò)散層及吸附層中的正離子濃度，就使擴(kuò)散層厚度變小，當(dāng)無(wú)擴(kuò)散層時(shí)，膠體顆粒之間的靜電斥力降為零，膠粒之間最容易產(chǎn)生聚集現(xiàn)象。

(2)吸附架橋作用：高分子混凝劑在液相中溶解后，在水解作用和縮聚反應(yīng)下生成高聚物，由于該高聚物具有線性結(jié)構(gòu)，容易受到膠粒的吸引，因其線性長(zhǎng)度較大，可對(duì)距離遠(yuǎn)的膠體微粒之間產(chǎn)生吸附架橋作用，讓膠粒慢慢成團(tuán)，并形成明顯的礬花絮體。

(3)網(wǎng)捕作用：混凝劑水解生成的沉淀物在自身沉淀過(guò)程過(guò)，能卷集、網(wǎng)捕水中的膠體等微粒，使膠體黏結(jié)。

1.3 聚合氯化鋁除磷機(jī)理

當(dāng)聚合氯化鋁分散于水體時(shí)，在水中水解生成三價(jià)鋁離子，一方面三價(jià)鋁離子與水中的可溶性磷酸鹽反應(yīng)，生成非溶解性的磷酸鹽沉淀；另一方面，三價(jià)鋁離子水解生成單核絡(luò)合物及偏鋁酸根等，單核絡(luò)合物進(jìn)行聚合反應(yīng)，形成多核絡(luò)合物Aln(OH)m(3n-m)+(n＞1，m≤3n)，所產(chǎn)生的多核絡(luò)合物帶較高的正電荷且擁有較大的比表面積，能和水中負(fù)電荷迅速結(jié)合，中和膠體電荷，從而達(dá)到降低膠體電位的效果，使得膠體和懸浮物等快速結(jié)合、聚集和沉淀，通過(guò)排出剩余污泥，磷得以從系統(tǒng)中去除[4-5]。

1.4 聚合氯化鐵除磷機(jī)理

聚合氯化鐵溶于水中后，三價(jià)鐵離子一方面與水中可溶性磷酸根生成磷酸鹽沉淀，部分磷通過(guò)沉淀從水中去除；另一方面，聚合氯化鐵在水解及各種聚合反應(yīng)下，產(chǎn)生多核羥基絡(luò)合物，這類絡(luò)合物具有較長(zhǎng)線性結(jié)構(gòu)，在吸附及電中和作用下，膠體電位大大降低，再經(jīng)過(guò)吸附架橋及網(wǎng)捕作用，膠體快速凝聚沉淀，通過(guò)排出剩余污泥，從而讓磷從系統(tǒng)中去除。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)取江蘇省某農(nóng)村污水處理廠生化單元出水作為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)得總磷濃度為1.962mg/L。該污水處理廠建設(shè)于2016年10月，服務(wù)范圍為村內(nèi)120戶村民，進(jìn)水為生活污水，無(wú)工業(yè)污水和養(yǎng)殖廢水進(jìn)入，污水經(jīng)管網(wǎng)收集后，進(jìn)入格柵井，后經(jīng)調(diào)節(jié)池提升泵進(jìn)入生化處理單元，然后自流進(jìn)入沉淀澄清單元，通過(guò)化學(xué)除磷單元及紫外消毒單元，尾水排入河道。主體工藝采用AAO工藝，化學(xué)除磷單元暫未啟動(dòng)，出水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B(TP≤1mg/L)，目前該水廠因出水總磷不達(dá)標(biāo)，需選取適合農(nóng)村生活污水的化學(xué)除磷藥劑。

2.2 試驗(yàn)藥劑和測(cè)試方法

聚合氯化鋁(PAC)：無(wú)機(jī)高分子混凝劑，黃色固體，具有吸附、凝聚、沉淀等性能，能快速形成礬花，快速沉淀，所形成絮體的脫水性能好。聚合氯化鋁的顏色一般有白色、黃色、棕褐色，本試驗(yàn)選用的聚合氯化鋁為黃色。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)因三氧化鋁含量的不同，具有不同的顏色，其中濃度在30%左右的聚合氯化鋁多為土黃色、淡黃色的固體粉狀。這種濃度的聚合氯化鋁極易溶于水，在溶解的過(guò)程中絮凝體形成快速、活性高、沉淀快、對(duì)高濁度水的凈化效果明顯。聚合氯化鐵(PFC)：無(wú)機(jī)高分子混凝劑，褐色或黑褐色透明固體，易溶于水，水解速度快，水合作用弱，形成的礬花密實(shí)，沉降速度快。受水溫變化影響小，可以滿足在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生剪切力的要求。本次試驗(yàn)的總磷測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法[6]，采用連華快速消解測(cè)定儀。

2.3 試驗(yàn)設(shè)置

取江蘇省某農(nóng)村污水處理廠生化單元出水水樣一桶，在不斷的勻速攪拌的情況下，每次準(zhǔn)確量取600ml水樣，共計(jì)12次，分別置于12個(gè)燒杯中，將所取水樣分為A、B兩組，每組6個(gè)水樣，其中，A組水樣滴加聚合氯化鋁，B組水樣滴加聚合氯化鐵，每組的加藥濃度梯度分別設(shè)置為30mg/L、50mg/L、70mg/L、90mg/L、110mg/L、130mg/L(均按固體濃度配藥)，每個(gè)燒杯加藥完成后，立即通過(guò)玻璃棒快攪30s，然后慢攪90s，并靜置沉淀30min，最后取上清液進(jìn)行總磷濃度的測(cè)定。

3 結(jié)果分析

如圖1所示：A組(投加聚合氯化鋁)中，隨著加藥濃度的提升，總磷濃度逐漸降低，當(dāng)加藥濃度由30mg/L逐漸增加到70mg/L時(shí)，水體總磷濃度有明顯下降趨勢(shì)，繼續(xù)提高加藥量，總磷濃度繼續(xù)緩慢下降。在試驗(yàn)用水總磷濃度為1.962mg/L的情況下，當(dāng)加藥濃度在50 mg/L時(shí)，總磷能降至1mg/L以下，達(dá)到0.699mg/L；在加藥濃度達(dá)到70mg/L時(shí)，總磷濃度降至0.251mg/L；在加藥濃度達(dá)到130mg/L時(shí)，總磷濃度降至0.098mg/L；B組(投加聚合氯化鐵)中，隨著加藥濃度的提升，總磷濃度逐漸降低，當(dāng)加藥濃度由30mg/L逐漸增加到70mg/L時(shí)，水體總磷濃度有明顯下降趨勢(shì)，繼續(xù)提高加藥量，總磷濃度繼續(xù)緩慢下降，當(dāng)加藥濃度為130mg/L時(shí)，除磷效果不升反降。在試驗(yàn)用水總磷濃度為1.962mg/L的情況下，當(dāng)加藥濃度在70 mg/L時(shí)，總磷能降至1mg/L以下，達(dá)到0.806mg/L，在加藥濃度達(dá)到110mg/L時(shí)除磷效果最好，總磷濃度降至0.538mg/L，加藥濃度為130mg/L時(shí)，總磷濃度略有升高，為0.642mg/L。究其原因，此時(shí)的加藥濃度超過(guò)了最佳加藥量，混凝過(guò)程的電中和原理是通過(guò)加入強(qiáng)電解質(zhì)，打破原有的膠體平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)脫穩(wěn)，最終形成礬花，因此當(dāng)水中的正負(fù)電荷對(duì)等的時(shí)候，除磷效果達(dá)到最佳，如果投加量超過(guò)了最佳加藥量，則過(guò)量的正電荷在廢水中相互排斥，影響礬花的形成，除磷效果反而變差。

圖1 聚合氯化鋁及聚合氯化鐵藥劑除磷效果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

(1)聚合氯化鋁的除磷效果明顯，在本試驗(yàn)中，污水處理廠生化單元出水總磷濃度為1.962mg/L時(shí)，使用聚合氯化鋁除磷，達(dá)到一級(jí)B出水標(biāo)準(zhǔn)的加藥量為50mg/L，達(dá)到一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)(TP≤0.5mg/L)的加藥量為70mg/L。

(2)聚合氯化鐵的除磷效果較好，生化單元出水總磷濃度為1.962mg/L時(shí)，使用聚合氯化鐵除磷，達(dá)到一級(jí)B的加藥量為70mg/L，達(dá)到一級(jí)A的加藥量為110mg/L以上。

(3)針對(duì)農(nóng)村污水處理廠生化單元出水，對(duì)比不同加藥濃度下的除磷效果，聚鋁藥劑優(yōu)于聚合氯化鐵藥劑，對(duì)比兩種藥劑的市場(chǎng)零售售價(jià)，兩者售價(jià)接近，且考慮到采用聚合氯化鐵藥劑會(huì)影響出水色度，綜上，聚合氯化鋁(PAC)更適合作為農(nóng)村生活污水處理廠的除磷藥劑。