市政污水处理厂化学除磷及过程优化研究

杨 鹏，崔凤国，张伟军，王东升

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012;2.中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京100085)

磷是水生植物生长的必须营养元素，能够促进水生植物的正常生长，维持水体生态平衡。但水体中积累过度的磷，会导致水体富营养化，藻类大量繁殖，水中含氧量下降，水质恶化［1］。水中磷的去除技术主要有化学法、活性污泥法、水生生物固定法、物理吸附法、膜过滤法和土壤净化法等［2，3］，较为常用的为化学沉淀法和微生物法［4］，而化学法包括化学沉淀法、离子交换法、反渗透法、电渗析法等［5－7］。近年来，由于水质标准的逐步提升，传统单纯依靠微生物好氧吸磷很难实现出水磷浓度的稳定达标［8，9］。化学沉淀法一般是在沉淀池之前投加铝铁盐等化学混凝剂［10］。由于具有去磷效果好、处理费用低等优点，因而被广泛应用［11－13］。

本文采用烧杯实验，对比了不同铁盐的化学除磷效果，研究了化学除磷中搅拌条件对除磷效果的影响，考察了污泥颗粒对污泥化学除磷效率的影响。并对放置过程中化学除磷的释磷量进行了定量分析，以期给出理论解释。

1 材料和方法

1.1 污泥来源及污泥情况

实验污泥来自北京市某污水厂进入二沉池之前污泥，混匀之后总磷含量为:26.42 mg/L，上清液总磷含量为:0.79 mg/L，污水呈黑色，静置一段时间后会出现泥水分离现象。

1.2 仪器与材料

分析纯硫酸盐铁(FeSO4·7H2O)与三氯化铁(FeCl3)为国药集团有限公司，实验时配制成10%的溶液使用，硫酸亚铁现用现配。将二价和三价铁按照摩尔比1∶1配制成复合药剂。

1.3 实验方法

1.3.1 化学除磷实验

采用400 mL 污泥体系，分别投加占污泥体积0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%的复合药剂，选择两种不同程序进行混凝搅拌，程序1分为两个阶段:①120 s转速为200 rpm快搅，②600 s转速为40 rpm慢搅;程序2分为两个阶段:①30 s转速为200 rpm快搅，②加药后600 s转速为100 rpm慢搅。取上清液测定TP的值，得到混凝投加量对TP的去除效果［14，15］。

采用400 mL污泥体系，按照污泥体积0.15%投加复合混凝剂，放置到程控混凝实验搅拌仪上，编订程序使转速分别为:50、100、150、200、250 rpm进行水力剪切10 min，沉淀1 h后取上清液测定TP。

1.3.2 磷的分析

总磷的测定采用钼锑抗分光光度法。经过硫酸钾消解法消解后样品的测定结果认定为总磷;经过水系0.45 μm滤膜测定结果认定为溶解性的无机磷;经过水系0.45 μm滤膜经消解后的测定结果认定为溶解性的总磷;而总磷与溶解性总磷之差认定为颗粒态的磷;过水系0.45 μm膜总磷浓度与无机磷之差认定为溶解性有机磷［16，17］。

2 结果及讨论

2.1 不同药剂对磷的去除效果

实验采用了三种药剂［18］，分别为二价铁、三价铁和复合药剂，投加量均为污泥体积的0.15%。实如图1所示，三价铁除磷效果最好，其次是复合药剂混凝，二价铁效果最差。

图1 三种药剂对除磷效果的影响

2.2 混凝剂投加量对除磷效果的影响

不同搅拌条件下混凝剂对污泥除磷的效率见图2所示。可以看出，磷的去除效率会随着混凝剂投加量的先上升后下降。当混凝剂投加量为0.15%(v/v)，磷的去除效率达到最高，继续提高投加量，反而导致磷的去除效率下降。这可能是由于过量的混凝剂会导致污泥胶体体系反稳，导致颗粒态磷去除效率下降。此外，还可以看出，不同搅拌条件下，磷的去除效率存在较大差异。另外，不同搅拌速率下，磷的去除效率有所差异，5 min 200 rpm快搅和30 s 200 rpm快搅后沉后水TP浓度分别为0.2 mg/L和0.3 mg/L。由于能量利用过程发生转化，污泥在厌氧条件下会释放出磷。在模拟沉淀过程中发现3 h后各个经化学除磷后的混合液体系均有不同程度的释磷情况发生。这说明沉淀过程中的磷释放也是决定污水处理厂除磷效率主要控制的关键因素。

图2 程序1(a)程序2(b)情况下混凝剂投加量对除磷效率的影响

2.3 不同转速对污泥剪切力对TP的影响

搅拌条件主要决定了混凝剂在污泥体系中的扩散速度［19］，图3显示了不同搅拌过程对化学混凝除磷过程的影响。不难看出，TP浓度随着转速的增加先下降后增加，证明在200 rpm之前，转速的增加对混凝除磷有增进作用，但当转速达到200 rpm以上时，反而会破坏污泥结构，导致小颗粒态磷难以沉降。因此，在实际运行过程中，控制混凝剂和污泥混合液的搅拌条件是实现高效除磷的关键因素。

图3 不同搅拌条件对化学除磷的影响

2.4 混凝后磷形态分析

实验采用了复合药剂，投加量为污泥体积0.15%。原始混合液中颗粒态、溶解无机态和溶解有机态磷分别为2.63、0.99、0.28 mg/L。混凝剂对不同形态磷的去除机理有所差异［20］，颗粒态磷主要通过压缩双电层和吸附架桥去除，而无机溶解态磷主要通过化学沉淀过程去除。如图4所示，混凝除磷时，污泥中颗粒态的磷、溶解性无机和有机磷都大幅减少，证明混凝除磷不仅发挥了混凝剂能使水中颗粒聚集沉淀的作用，而且能够与水中无机和有机磷发生化学反应从而达到除磷效果。

图4 不同磷形态分析

3 结 论

(1)混凝除磷时混凝剂的投加量有最适范围，混凝剂投加量为0.15%(v/v)时总磷含量达到最低，混凝剂投加过高时虽然除磷效果变差，但会抑制释磷的发生，混凝投加量为0.05%(v/v)时释磷量为0.034 mg/L，而混凝剂投加量为0.25%(v/v)时总磷含量反而减少0.035 mg/L;

(2)不同的水力剪切力会破坏污泥结构，导致磷的释放，故混凝除磷时药剂与污泥的混合不宜太快，也不宜太慢。200 r/min时最合适，总磷去除率可达98.4%;

(3)混凝法除磷不仅能去除掉颗粒状的磷，而且会发生铁系混凝剂与水中溶解性磷的反应。

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