低碳源城市污水處理廠化學除磷藥劑選擇試驗研究

方欣昱 （河海大學環境科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

傳統的生物脫氮除磷工藝（如A/O、SBR）存在較多問題，如脫氮與除磷之間存在碳源競爭，致使污水廠很難獲得優異的脫氮除磷效果，這種現象在低碳源型污水廠表現尤為嚴重。住建部“全國城鎮污水處理信息系統”的數據顯示，污水的碳氮比（C/N）值偏低是我國城鎮污水處理廠的普遍性問題，多數城鎮污水的C/N值僅為3～4。造成低碳源進水的原因有很多，主要原因是城市排水管網建設不完善，合流制排水體系使得城市污水低碳源現象較普遍。

對于低碳源城市污水廠，常采用化學除磷和外加碳源的方法，使得出水TP滿足排放要求。化學除磷工藝是在生物除磷的基礎上投加絮凝劑，通過化學除磷的方法使出水TP降低到排放標準。絮凝劑的投加方式常采用同步投加（生物曝氣池）方式，如侯紅娟等就某低碳、高氮源污水，選擇聚合硅酸鐵作混凝劑，并將其直接投加到生物反應器中（在好氧結束前30min投加），對于進水TP為2.68～5.71mg/L，當其投量為12.0mg/L（以Fe計）時，出水中的TP為0.34～0.50mg/L。汪咫就昆山港東污水處理廠進水碳源濃度偏低的情況，開展向曝氣池投加亞鐵鹽進行化學除磷的生產性試驗。結果表明，當FeSO投藥量控制在n（Fe）:n（TP）≥1.50時，可使出水TP達標。外加碳源的方法是投加甲醇或乙酸等降解有機物與生物營養物去除工藝的缺氧段和厭氧段，以滿足反硝化菌和聚磷菌對碳源的需求。

設計進、出水水質（mg/L） 表1

10月平均進、出水水質（mg/L） 表2

本文基于某低碳源型城市污水處理廠，其化學除磷單元工藝參數設計不合理，導致除磷效果較差。在不改變其生化構筑物前提下，通過分析不同藥劑的化學除磷效果，并考察了助凝劑聚丙烯酰胺（PAM）的助凝效果，優選出最佳除磷藥劑以及投加量，對國內同類低碳源污水廠運行具有一定的參考意義。

1 試驗地點簡介

合肥市某污水處理廠設計規模Q=5×10m/d。該污水處理廠采用微曝氣氧化溝（A/O）加化學除磷微絮凝工藝，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918－2002）的一級A標準。設計進、出水質情況，見表1。

化學除磷采用混凝、沉淀、過濾、消毒工藝（見圖1），二沉池的污水通過取水泵進入混合絮凝階段，通過立式攪拌器混合，再經過折板反應，產生微小絮凝顆粒，然后經配水后直接進入濾池進行過濾。實際運行時化學除磷藥劑為堿式氯化鋁（5%），加藥混凝時間：混合2min，絮凝接觸2.5min。

圖1 污水處理廠化學除磷工藝流程

2 低碳源水質運行及除磷效果分析

該污水廠運行階段（2020年10月）的實際平均進、出水水質見表2。

由表2可知，原水COD、BOD遠低于設計進水值，COD/TN=4.9，COD/TP=46.8，處于低負荷運行狀態，出水TN、TP超標。其中10月二沉池出水TP平均為1.76mg/L，生物段除磷率為53.2%。影響生物除磷效果的因素很多，進水BOD/TP和處理系統的BOD負荷是主要因素，當BOD/TP>20、BOD負 荷 為 0.21～0.50kgBOD/（kgMLSS·d），除磷效果較好。該廠實際進水的BOD/TP=22，而BOD負荷為0.036kgBOD/（kgMLSS·d），生物除磷效果較差。

通常要想獲得較好的化學除磷效果，投加點距離出水口水力停留時間為15～20min，而該廠混合時間為2min，絮凝接觸時間僅為2.5min，化學除磷段設計不合理，導致化學段除磷率較低。化學段除磷率僅為18.2%。

水廠原生產上混凝劑采用PAC，但由于實際水質和設計水質存在較大的差異，并且水廠化學除磷段設計存在不合理處，水廠現有混凝劑已經不能滿足實際除磷要求，有必要通過化學除磷試驗選擇一種更加適宜的混凝劑并確定其最佳投加量，從而使深度處理后出水中總磷達到一級A要求。

3 試驗材料與方法

3.1 儀器與試劑

儀器:TA6-4型程控混凝試驗攪拌儀器；TU-1901雙光束紫外可見分光光度計；立式壓力蒸汽滅菌鍋。

混凝劑：PAC溶液（質量分數30%，水廠現用）、FeCl.（H0）（質量分數96%）、Ca（OH），（含量99%）、聚丙烯酰胺（PAM）。

試驗用水：取自二沉池出水。

3.2 試驗方法

試驗采用燒杯混凝試驗考查混凝劑的除磷效果，然后進行聚丙烯酰胺（陰、陽離子型）助凝試驗。水樣在投加混凝劑前曝氣30min，以消除厭氧釋磷影響。通常混凝實驗加藥后先快速（250r/min）攪 拌 2min，在 慢 速（40r/min）攪 拌15min，靜置10min后取樣。試驗模擬該廠實際混凝時間，混凝操作分兩步：①快速混合：攪拌槳轉速200r/min，時間1min；②慢速反應：攪拌槳轉速30r/min，時間2min，混凝后水樣靜置5min，測定1/3處上清液TP值，并設空白樣。PAC 配 置 濃 度 均 為 5g/L，FeCl、Ca（OH）配置濃度為 1.0g/L，PAM 配置0.1g/L。

4 試驗結果與討論

4.1 PAC、FeCl3、Ca（OH）2對除磷的影響

4.1.1 PAC

測得原水TP為1.23mg/L，PH為7.27。于400mL原水中分別投加10mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L、40mg/LPAC，其結果如圖2。由圖2知，隨著PAC的投加量的增大，TP的去除率逐漸增大。對于原水TP為1.23mg/L，當PAC的投加量為25mg/L，出水TP濃度為0.36mg/L，TP去除率達71.2%。在慢攪拌過程中細小礬花形成較快，但聚合網捕作用不明顯，礬花輕，沉降較慢。由于水廠深度除磷單元混合絮凝時間短，導致采用PAC作為除磷劑，除磷效果不理想。

“道教以‘氣’為本的風水觀念大約在三國時期傳入朝鮮半島，與朝鮮原始宗教中的山岳信仰相結合，形成了只有靠山川風水之蔭佑，人才能獲得福壽的觀念。”[4]249 新羅末期，桐里山祖師道詵曾入唐學習中國地理之法，返回朝鮮半島后，著有《道詵秘記》，詳細講述了地理風水之法，道詵和其著作在政治和文化上給古代朝鮮帶來了深遠的影響。

圖2 PAC的投加量對TP去除率的影響

4.1.2 FeCl

測得原水TP為1.23mg/L，PH為7.27。于400mL原水中分別投加20mg/L、30mg/L、40mg/L、60mg/L、60mg/L/、80mg/LFeCl3溶液，其結果如圖3。由圖3知，當20mg/L<投加量<30mg/L，TP的去除率增長緩慢；當30<投加量<50mg/L，隨著投加量的增大，TP去除率增長加快；當50mg/L<投加量<60mg/L，TP去除率增長緩慢，這是因為當鐵鹽投量過高時，雖然增加了水中絡合鐵離子的數量，但架橋所需的表面吸附活性點位卻減少了，同時由于同種粒子間的排斥作用而出現的分散穩定現象，使鐵鹽與磷酸根生成的細小絮體較難沉降，導致TP和磷酸鹽去除率難以進一步提高；當投加量>60mg/L，隨著投加量的進一步增加，TP去除率降低，這是因為鐵鹽與磷酸根生成的較難沉降的細小絮體增多，使T P的去除率降低。當FeCl3投加量為50mg/L，出水TP濃度為0.19mg/L，TP去除率達84.8%。在慢攪拌過程中，礬花形成快，聚合網捕作用較明顯，礬花大而重，沉降較快，但礬花易打散。

圖3 FeCl3的投加量對TP去除率的影響

4.1.3 Ca（OH）

測得原水TP為1.57mg/L，PH為7.19。于400mL原水中分別投加為20mg/L、30mg/L、50mg/L、70mg/L、80mg/L、100mg/LCa（OH）2溶液，其結果如圖4。由圖4知，當20mg/L<投加量<30mg/L，TP的去除率增長緩慢；當投加量>30mg/L，隨著投加量逐漸增大，TP去除率增長的趨勢明顯。鈣離子在堿性條件下與水中PO生成難溶性羥基磷酸鈣時，當PH升高，磷的去除率也隨之提高，這是因為Ca（OH）的加入使[OH]、[Ca]增大，易造成難溶性羥基磷酸鈣析出，除磷率隨之增加。當投加量為80mg/L，出水 TP為0.38mg/L，除磷率為69%，PH為9.5。由于鈣鹽的投加會增大出水的PH，暫不考慮作為除磷劑使用。

圖4 Ca（OH）2的投加量對TP去除率影響

4.2 增投聚丙烯酰胺對PAC、FeCl3除磷效果的影響

試驗將考察陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）、陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）協同PAC、FeCl對原水TP去除率的影響。考慮到PAM投加會增加濾料的黏性，增大濾池反沖洗難度，PAM的投加量不宜超過0.2mg/L。本試驗PAM投加量為0.2mg/L，改變混凝劑的投加量（分別投加10mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L、35mg/L、40mg/L），考察其對TP去除率的影響。

4.2.1 PAC

原水TP濃度為1.83mg/L，考察PAC的投加量對TP去除率的影響，其結果如圖5。由圖5知，三種投加方式，PAC的投加量越大，TP的去除率越大。三種投加方式對TP的去除率影響較小，投加APAM后除磷率稍高，投加CPAM除磷率降低。這是因為APAM的分子量更大，聚合網捕作用更強，另外帶正電的CPAM會吸附PO，從而影響沉淀的生成。當PAC投加量為40mg/L，投加APAM，TP去除率為82.8%，在慢攪拌過程中，礬花形成較快，但聚合網捕作用不明顯，礬花細小，沉降慢，這可能與PAM投加量較小有關。

圖5 PAC投加量、PAM助凝對TP去除率影響

調試階段進、出水水質（mg/L） 表3

4.2.2 FeCl

圖6 FeCl3投加量以及PAM助凝對TP去除率的影響

4.3 討論

試驗結果表明，最適合該污水廠的化學除磷藥劑為FeCl和APAM。當Fe?Cl投加量為40mg/L，APAM投加量為0.2mg/L，除磷率高達88.9%，礬花密實易沉降。FeCl約 3800元/t，APAM 約18000元/，污水處理成本為0.19元/t。水廠原先PAC投加量為25mg/L，30%PAC價格約1200元/t，其處理成本為0.1元/t。根據試驗結果，對原污水工藝進行改造，于化學除磷劑投加點后增加了APAM輔助除磷工藝。該廠于2020年11月10號加藥調試，結果如圖7所示。

由圖7知，進水水質TP濃度為3.0～6.0mg/L，二沉池出水TP濃度平均為1.84mg/L，出水TP濃度為0.15～0.5mg/L，滿足了排放要求。由此可見，投加三氯化鐵和PAM后除磷效果明顯提高。

圖7 調試階段TP的變化

該廠調試階段（2020年11月10～30號）平均進、出水水質見表3。

5 結論

對于低碳源型污水處理廠，其除磷效果較差，可以通過優選化學混凝劑，達到出水TP≤0.5 mg/L標準。

試驗結果表明，當原水TP濃度為1.51mg/L，FeCl投 加 量 為 40mg/L，APAM投加量為0.2mg/L時，除磷率達88.7%，出水TP濃度為0.17mg/L，并且礬花大而密實，沉降快，可以彌補設計混凝時間過短的缺點。生產性試驗證明，當進水水質TP濃度為3～6mg/L，在此投加量下，出水TP濃度為0.15～0.5mg/L，滿足排放標準。

鑒于該污水廠混凝時間短，若對其化學除磷工藝進行改造，將會大幅度加大其成本，試驗通過優選化學混凝劑，在不改變生化池等構筑物的前提下，使TP達標排放。