聚合氯化鋁與聚合氯化鐵用于農村生活污水除磷效果研究

陳杰(北京中鐵生態環境設計院有限公司，北京 102600)

0 引言

磷是維系生命系統的主要元素之一，是構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一定濃度，就會促進藻類大量繁殖，嚴重時導致水體富營養化，最終引起魚類等生物的大量死亡，破壞水中生態平衡。多種因素可導致磷污染，固定污染源(如：污水處理設施出水、化工廠、畜禽養殖場等)的磷排放仍是重要來源，在一些地方還是主要來源。隨著我國人口的不斷增長和生活水平的不斷提高，生活污水中的磷含量也日益增高。全國水污染防治形勢面臨新的變化，總磷逐漸成為重點湖庫、長江經濟帶地表水首要污染物，無機氮、磷酸鹽成為近岸海域首要污染物，氮磷污染物在部分區域甚至已經上升為水污染防治的主要問題，成為影響水環境治理的突出瓶頸。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養化的重要途徑。生物除磷和化學除磷是污水處理廠常用的除磷方式，生物除磷具有成本低、無二次污染、不影響剩余污泥脫水性等優點[1]，但對于來水水質要求高，除磷穩定性無法保證，單純依靠生物除磷，難以確保出水水質達標。化學除磷是通過投加藥劑，形成不溶性磷酸鹽沉淀物，最終通過固液分離使磷從污水中去除[2]，具有操作簡單、除磷效果好且穩定、不會造成磷的二次釋放等優點。除磷藥劑的選擇直接關系除磷效果的好壞，選擇合適的除磷的藥劑是污水廠正常運營和出水達標的重要保障。

1 生物除磷及化學除磷機理

1.1 生物除磷

污水生物除磷是通過培養聚磷菌，聚磷菌在經過厭氧條件下的釋磷后，在好氧條件下能過量吸磷，所吸收的磷貯存于剩余污泥中，通過沉淀作用排出剩余污泥，達到系統除磷的目的[3]。聚磷菌的特點是既能貯存磷酸鹽，又能以聚β羥丁酸(PHB)形式貯存碳源。當處于厭氧環境時，聚磷菌體內貯存的磷酸鹽在外界碳源作用下分解，分解過程中提供能量，利用該階段產生的能量(ATP)，聚磷菌將有機物攝入細胞內，以PHB形式貯存，在此過程中，細胞體內的磷得以釋放；當處于好氧環境時，聚磷菌利用污水中的有機碳源及體內貯存的 ATP，攝取污水中的磷，形成磷酸鹽貯存于細胞內。生物除磷即液相中的磷酸鹽轉移到細胞中的過程，所產生的剩余污泥的含磷量高，可達5%左右，而一般活性污泥含磷量僅為 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，同時應限制生化系統的污泥齡，剩余污泥需盡快排出系統，否則，污泥中的磷會通過污泥回流，重新釋放到液相中。

生物除磷技術經過多年的發展，已演化出多種處理工藝，在市政水廠及工業污水處理中應用廣泛，現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、不會導致污水處理廠污泥量顯著增加、不增加出水的鹽含量等優點。

1.2 混凝原理

(1)壓縮雙電層作用：當混凝劑溶于液相中，產生大量的正離子，液相中正離子濃度升高，通過離子間的電中和及吸附作用，正離子進入膠體擴散層和吸附層。因為膠核表面的總電位不變，增加擴散層及吸附層中的正離子濃度，就使擴散層厚度變小，當無擴散層時，膠體顆粒之間的靜電斥力降為零，膠粒之間最容易產生聚集現象。

(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下生成高聚物，由于該高聚物具有線性結構，容易受到膠粒的吸引，因其線性長度較大，可對距離遠的膠體微粒之間產生吸附架橋作用，讓膠粒慢慢成團，并形成明顯的礬花絮體。

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

1.3 聚合氯化鋁除磷機理

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

1.4 聚合氯化鐵除磷機理

聚合氯化鐵溶于水中后，三價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下，產生多核羥基絡合物，這類絡合物具有較長線性結構，在吸附及電中和作用下，膠體電位大大降低，再經過吸附架橋及網捕作用，膠體快速凝聚沉淀，通過排出剩余污泥，從而讓磷從系統中去除。

2 試驗部分

2.1 試驗對象

本次試驗取江蘇省某農村污水處理廠生化單元出水作為試驗對象，測得總磷濃度為1.962mg/L。該污水處理廠建設于2016年10月，服務范圍為村內120戶村民，進水為生活污水，無工業污水和養殖廢水進入，污水經管網收集后，進入格柵井，后經調節池提升泵進入生化處理單元，然后自流進入沉淀澄清單元，通過化學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，化學除磷單元暫未啟動，出水標準執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B(TP≤1mg/L)，目前該水廠因出水總磷不達標，需選取適合農村生活污水的化學除磷藥劑。

2.2 試驗藥劑和測試方法

聚合氯化鋁(PAC)：無機高分子混凝劑，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，本試驗選用的聚合氯化鋁為黃色。國家標準范圍內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，在溶解的過程中絮凝體形成快速、活性高、沉淀快、對高濁度水的凈化效果明顯。聚合氯化鐵(PFC)：無機高分子混凝劑，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，沉降速度快。受水溫變化影響小，可以滿足在流動過程中產生剪切力的要求。本次試驗的總磷測定采用鉬酸銨分光光度法[6]，采用連華快速消解測定儀。

2.3 試驗設置

取江蘇省某農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，每次準確量取600ml水樣，共計12次，分別置于12個燒杯中，將所取水樣分為A、B兩組，每組6個水樣，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置為30mg/L、50mg/L、70mg/L、90mg/L、110mg/L、130mg/L(均按固體濃度配藥)，每個燒杯加藥完成后，立即通過玻璃棒快攪30s，然后慢攪90s，并靜置沉淀30min，最后取上清液進行總磷濃度的測定。

3 結果分析

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，當加藥濃度由30mg/L逐漸增加到70mg/L時，水體總磷濃度有明顯下降趨勢，繼續提高加藥量，總磷濃度繼續緩慢下降。在試驗用水總磷濃度為1.962mg/L的情況下，當加藥濃度在50 mg/L時，總磷能降至1mg/L以下，達到0.699mg/L；在加藥濃度達到70mg/L時，總磷濃度降至0.251mg/L；在加藥濃度達到130mg/L時，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，當加藥濃度由30mg/L逐漸增加到70mg/L時，水體總磷濃度有明顯下降趨勢，繼續提高加藥量，總磷濃度繼續緩慢下降，當加藥濃度為130mg/L時，除磷效果不升反降。在試驗用水總磷濃度為1.962mg/L的情況下，當加藥濃度在70 mg/L時，總磷能降至1mg/L以下，達到0.806mg/L，在加藥濃度達到110mg/L時除磷效果最好，總磷濃度降至0.538mg/L，加藥濃度為130mg/L時，總磷濃度略有升高，為0.642mg/L。究其原因，此時的加藥濃度超過了最佳加藥量，混凝過程的電中和原理是通過加入強電解質，打破原有的膠體平衡狀態，實現脫穩，最終形成礬花，因此當水中的正負電荷對等的時候，除磷效果達到最佳，如果投加量超過了最佳加藥量，則過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比

4 結語

(1)聚合氯化鋁的除磷效果明顯，在本試驗中，污水處理廠生化單元出水總磷濃度為1.962mg/L時，使用聚合氯化鋁除磷，達到一級B出水標準的加藥量為50mg/L，達到一級A出水標準(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，使用聚合氯化鐵除磷，達到一級B的加藥量為70mg/L，達到一級A的加藥量為110mg/L以上。

(3)針對農村污水處理廠生化單元出水，對比不同加藥濃度下的除磷效果，聚鋁藥劑優于聚合氯化鐵藥劑，對比兩種藥劑的市場零售售價，兩者售價接近，且考慮到采用聚合氯化鐵藥劑會影響出水色度，綜上，聚合氯化鋁(PAC)更適合作為農村生活污水處理廠的除磷藥劑。