再生水除磷工艺中聚合氯化铝投放的控制研究

潘 萌 姚大伟 江 梅 陈 畅

(1.北京城市排水集团有限责任公司， 北京 100044； 2.北京化工大学 化学工程学院， 北京 100029)

引 言

除磷是再生水处理工艺中的重要环节，再生水厂出水中的磷含量是评价其是否符合排放标准的重要指标[1-2]。为了确保再生水排放时总磷含量达标，在除磷工艺中需要辅以化学絮凝除磷技术，通过投加沸石、无机盐等将溶解性的磷转化为固体沉淀物，从而达到除磷的目的[3-5]。本文的目标再生水厂通过在V型滤池中投放聚合氯化铝(PAC)，将水体中过量的磷元素脱除，同时通过絮凝作用去掉一部分悬浮物[6]。如果PAC投放的量不够，不足以达到除磷和絮凝的效果，影响出水水质达标；而PAC投放过量，对企业经济效益不利。

近年来，有文献将PAC纯药/总磷去除比作为一个衡量PAC投放是否合理的指标[7-10]。所谓PAC纯药/总磷去除比，是指单位体积水中PAC纯药的投放量(mg/L)与总磷去除量(mg/L)的比值，代表所投放的纯PAC与磷去除量之间的比例关系。去除比值越大，说明除去单位量的磷所投放的PAC药剂量越大，超过一定值可能造成浪费。然而，目前尚未有文献给出公认的PAC/总磷去除比合理范围。本文拟建立PAC 投放量与多影响因素之间的关系方程，为一线操作工人提供投放标准，以期为保证企业再生水处理效率、提高经济效益提供帮助。

1 材料与方法

研究对象为北京市某再生水厂，该厂日处理规模10万m3，采用两级生物滤池工艺，上游污水厂处理后的污水作为再生水厂的进水，经提升泵房，送入两级生物滤池中进行脱氮处理，之后再生水送入V形滤池进行化学絮凝除磷，投放药剂为聚合氧化铝(质量分数10%，沧州临港六环化工有限公司)；通过臭氧完成除色消毒后送入清水池，经配水泵房出水。为表述方便，以下统一以进水、出水代表该再生水厂的进、出水。总磷含量采用钼酸铵分光光度法[10]及哈希总磷Phosphax Sigma在线分析仪(HACH上海水质分析仪器有限公司)测定。

PAC投放量与进水总磷值、出水总磷值、处理水量等因素均有关系。为了能够精准控制PAC参与除磷的过程，得出PAC投放量及与各因素之间的关系，必须在长期运行数据的基础上归纳、总结规律。为此，本文监测采集了2015年1月1日至2016年12月31日两年的运行数据，包括进水总磷(input TP)、出水总磷(output TP)、PAC药剂(质量分数10%)投放量、总磷去除率(TP removal)、日进水总量等指标。经最小二乘法线性分析拟合推导PAC精准投放公式，在2017年推广使用，采集全年运行数据，进行检验。

2 结果与讨论

2.1 两年再生水各指标监测结果

由2015—2016年数据分析可知，日进水总磷浓度(图1(a))在0.045～1.38 mg/L之间波动，平均值为0.405 mg/L；处理后的日出水(再生水)总磷含量(图1(b))在0.017～0.299 mg/L之间波动，平均值为0.113 mg/L。

经计算，日总磷去除量(图1(c))处于0.007～1.148 mg/L之间，平均值为0.292 mg/L。进水总磷值越高，所需PAC量也就越大，直接影响出水中总磷的含量。以上长期运行数据将直接作为分析PAC投放规律的重要基础，用于后续拟合公式的推导。2015—2016两年的每日水处理量、PAC药剂投放量、PAC纯药投配率RPAC(单位水体中PAC纯药的投放质量，mg/L)、PAC纯药/总磷去除比数据如图2所示。从图2(a)可知，两年内日水处理量处于(5.30～13.42)万t之间，日均水处理量为10.29万t，基本符合日处理量10万t的设计负荷。在水厂运行中，日水量波动属正常情况，会直接影响PAC投放量。图2(b)是两年运行过程中的日PAC药剂投放量曲线，其值在8.33～7 007 kg之间波动，均值为2 203.5 kg。日纯PAC投配率(图2(c))在0.08～7.74 mg/L之间波动，均值为2.17 mg/L。从图2(d)中可以看到PAC纯药/总磷去除比在0.137～180之间，波动非常大，也表明现场急需要一个方便使用的规律公式，以便指导工人随时根据实时情况准确控制PAC的投放量。

2.2 除磷工艺中PAC投放量方程的拟合

在PAC投放量方程拟合过程中，需要甄别2015—2016年数据，利用投放量比较合理的数据进行规律推导。将2015—2016年每日进水总磷含量、PAC纯药/总磷去除比曲线放在一起进行比较，如图3所示，可以发现，以进水磷浓度0.3 mg/L为界，高于此值时PAC纯药/总磷去除比相对较小，而低于此浓度时去除比要大得多。这是因为当需除去的磷较少时，PAC主要起絮凝作用，PAC投放未能根据进水总磷浓度进行及时精准的调整，因而得到偏高的去除比。

考虑到《城镇污水处理厂水污染物排放标准》 (DB11/890—2012)中对于再生水出水中磷的限值为0.3 mg/L，若进水时磷浓度已经小于0.3 mg/L，则PAC只需维持基本絮凝作用，无需多加；若进水磷浓度高于0.3 mg/L，则需要增加PAC投放量，发挥其除磷和絮凝作用。对数据进行筛选，以进水磷浓度在0.3 mg/L以上的点为研究对象，同时选取去除比在7及以下的各点数据(过大的数值代表投放明显过量，不符合经济性要求，应予舍弃)拟合规律方程。共筛选出合理点256 d，对纯PAC投配率(RPAC)、进水总磷(P进)、出水总磷(P出)进行皮尔逊相关性分析，结果可知，PAC投配率与进水总磷、出水总磷呈显著正相关，即去除的磷越多，所需的PAC投配率就越高，符合科学规律。在此基础上，以PAC投配率为因变量，以进、出水总磷含量为自变量，进行最小二乘法线性拟合，得拟合方程为

RPAC=0.371+4.316P进-4.082P出

(1)

经方差分析得F值为151.106，sigma值为0.000，说明可信度为100%。经共线性诊断可知，各自变量参数之间相互独立。

2.3 公式的变形

式(1)是在2015—2016年数据基础上拟合出的原始方程，然而在实际应用中必须考虑方程使用的简便性。RPAC不方便在现场使用，一线工人在操作时，习惯使用流量计控制PAC药剂投放体积VPAC(L/h)。PAC药剂中PAC的质量分数为10%，为了便于使用，将式(1)变形，10%PAC药剂的密度(ρPAC)按1.15 kg/L换算成体积，即

VPAC=RPAC×10×V水/ρPAC=(0.371+4.316P进-4.082P出)×V水×10-2/1.15

(2)

在变形后的公式中，P进、P出可以通过快速在线监测仪读数读出，每小时处理的再生水量(V水,m3)由流量计进行监控，将实时数值代入式(2)，即可确定每小时需要的PAC药剂投放体积VPAC。这样使PAC投配率转换为容易操控的PAC流量，同时也将再生水的流量考虑在内，方程更为合理、方便，工人可根据每小时的监控数据随时代入式(2)计算，以控制投放流量。然而，式(2)只适用于进水总磷浓度大于0.3 mg/L的情况，若实时监测进水总磷小于0.3 mg/L，则依照以往总结得到的絮凝经验系数，按40 L/h的流量投放10%PAC药剂。

2.4 除磷工艺PAC投放量方程应用效果评估

2017年全年的每日水处理量、PAC药剂投放量、PAC纯药投配率、PAC纯药/总磷去除比数据如图4所示。

由图4(a)可知，2017年内日水处理量在(4.58～13.29)万t之间，日均水处理量为9.68万t，波动较2015—2016年略大。日水处理量波动属正常情况，该因素已经考虑在式(2)内，可以随时根据不同水量调整所需PAC量，使投药过程更加准确。图4(b)为2017年的每日PAC药剂投放量曲线，其值在694～5 452 kg之间波动，均值为2 437.6 kg；日纯PAC投配率(图4(c))在0.63～5.00 mg/L之间波动，均值为2.52 mg/L。在图4(d)中可以看出PAC纯药/总磷去除比在4.37～83.22之间，从均值上看，2017年PAC纯药/总磷去除比为6.95，与2015—2016年的值(7.38)相比有显著降低，说明采用本文式(2)进行精准投放有显著效果。

2017年每日监测进水、出水的总磷浓度，数据如图5所示。经分析可知，日进水总磷浓度(图5(a))在0.09～1.02 mg/L之间波动，平均值为0.479 mg/L；处理后的日出水(再生水)总磷浓度(图5(b))在0.039～0.299 mg/L之间波动，平均值为0.120 mg/L，全年均未超过0.3 mg/L的标准，全部合格。经计算，日总磷去除量(图5(c))在0～0.917 mg/L之间，平均值为0.360 mg/L。利用本文所推导公式进行精准投放后，出水总磷符合平稳与经济原则，与2015—2016年相比波动较小。

2.5 经济效益评价

利用拟合公式进行精准投放后，在保持出水总磷达标和平稳的同时，2017年共使用10%PAC药剂889 758 kg，PAC纯药/总磷去除比为6.95，如按照2015—2016年的7.38水平计算，10%PAC少投放55 881 kg，按照700元/t的价格计算，节约了约3.91万元。

3 结论

以某再生水厂为对象，对其再生水处理工艺除磷过程中外加药剂的投放量进行了研究。通过对两年再生水的相关指标进行统计分析，拟合得出PAC投放体积与进、出水总磷和水处理量之间的关系方程。稳定运行一年的结果表明，按照拟合方程的要求投放PAC药剂后，出水的总磷符合标准要求，且波动范围明显减小。经济效益评价表明，按照拟合方程投放药剂，全年可为该再生水厂节省约3.91万元的成本投入，在不影响再生水处理效率的基础上节约了经济成本。