不同化学药剂的除磷效果及经济性分析

贾军峰,吴俊奇,王真杰,邓易芳,孙鹏展

(1.北京建筑大学 环境与能源工程学院，北京 100044;2.住房和城乡建设部科技与产业化发展中心，北京 100835；3.倍适科技有限公司，北京 100124)

污水除磷处理方法有物理法、化学法和生物法，化学除磷是使水中的磷转化为不溶性磷酸盐沉淀[1]。当污水中磷含量较高时，生物除磷法不易使出水稳定达标[2]。化学除磷作为污水处理厂生物除磷的补充，可以进一步降低出水总磷浓度，使出水稳定达标[3]。

化学法除磷包括化学沉淀法和化学絮凝法。污水中的磷以有机磷、聚磷酸盐和正磷酸盐形式为主，投加金属盐或絮凝剂，可将污水中磷转移至沉淀中并及时排出，从而实现污水除磷。常用的金属盐包括钙盐、铁盐、铝盐，钙盐主要是氢氧化钙，铁盐主要有三氯化铁、硫酸亚铁，铝盐主要是硫酸铝[4]。常用絮凝剂有聚合硫酸铁、聚合氯化铝和聚合氯化铝铁等[5-6]。

改良UCT工艺的小型污水实验装置进水总磷平均含量为15.4 mg/L，出水总磷平均含量为2.2 mg/L，生物除磷平均去除率为86%，虽总磷大部分去除，但是未达到北京地标B/A级排放标准，故需进一步对装置出水进行化学除磷实验。

1 实验部分

1.1 药品与仪器

聚合硫酸铁、聚合氯化铝铁、铝铁复合药剂、聚合氯化铝+聚丙烯酰胺、过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸盐等均为分析纯；污水，取自改良UCT工艺的小型污水装置的出水，水质见表1。

表1 污水水质Table 1 Sewage quality

ZR4-6混凝实验搅拌机；TU-1810型号紫外可见分光光度计;BOXUN立式压力蒸汽灭菌器；Milwaukee pH56笔式酸度计。

1.2 实验方法

打开混凝实验搅拌机开关，抬起搅拌桨，洗净搅拌杯并放在搅拌机对应位置。用玻璃棒搅匀水样，用量筒准确量取1 000 mL水样(并设置空白实验)，迅速倒入搅拌杯，测定pH后放下搅拌桨。用TopPette移液枪准确吸取化学除磷药剂至搅拌杯中，混凝搅拌15 min，抬起搅拌桨，静置20 min。打开取样阀，接取100 mL，测定上清液pH和TP。搅拌杯里的水样进行过滤，烘干后测其重量，与未投药的对比，确定污泥产量。

2 结果与讨论

2.1 主次因素分析

为了确定化学除磷法中药剂种类、投加量和反应时间的主次关系，以改良UCT工艺的小型污水装置的出水进行3因素4水平化学除磷正交实验[L16(43)]，出水的总磷含量为2.70 mg/L，实验结果见表2。

表2 L16(43)化学除磷正交实验结果Table 2 L16(43)Orthogonal experimental results of chemical phosphorus removal

由表2可知，主次因素为A>B>C，即药剂种类>药剂投加量>反应时间。4种药剂的除磷效果：铝铁复合药剂>聚合硫酸铁>聚合氯化铝+聚丙烯酰胺>聚合氯化铝铁。即铝铁复合药剂除磷效果最好，投加量为20 mg/L时，出水总磷含量为0.28 mg/L，可达到北京地标B级排放标准。上述4种化学药剂的出水总磷均未达到北京地标A级排放标准，需扩大药剂的投加范围。

2.2 化学药剂最佳投加量的确定

改良UCT工艺的小型污水装置出水总磷含量为2.70 mg/L，反应时间17 min，对聚合硫酸铁、聚合氯化铝铁、铝铁复合药剂、聚合氯化铝+聚丙烯酰胺4种化学药剂进行最佳投加量实验，使满足北京地标B/A排放标准。

2.2.1 聚合硫酸铁 聚合硫酸铁投加量对上清液TP和pH的影响见图1，投加量对TP去除率的影响见图2。

图1 聚合硫酸铁投加量对TP和pH的影响Fig.1 Effect of polymeric ferric sulfate dosage on TP and pH

图2 聚合硫酸铁投加量对TP去除率的影响Fig.2 Effect of polymeric ferric sulfate dosages on TP removal rate

由图1和图2可知，随着聚合硫酸铁投加量的增加，上清液总磷含量降低，磷去除率增加，pH逐渐减少。投加大量化学药剂，金属盐通过水解反应会导致pH显著降低[7]。当投加量为100 mg/L，pH由8.36降至7.68，上清液含磷量为0.30 mg/L，磷去除率89%；当投加量为120 mg/L，pH由8.36降至7.55，上清液含磷量为0.20 mg/L，磷去除率为93%，满足北京地标B/A级排放要求。

2.2.2 聚合氯化铝铁 聚合氯化铝铁投加量对上清液TP和pH的影响见图3，投加量对TP去除率的影响见图4。

图3 聚合氯化铝铁投加量对TP和pH的影响Fig.3 Effect of polyaluminium ferric chloride dosage on TP and pH

图4 聚合氯化铝铁投加量对TP去除率的影响Fig.4 Effect of polyaluminium ferric chloride dosage on TP removal rate

由图3和图4可知，随着聚合氯化铝铁投加量增加，上清液总磷降低，磷去除率增加，pH值逐渐减小。当投加量为150 mg/L，pH由8.36降至7.81，上清液含磷量为0.28 mg/L<0.30 mg/L，磷去除率89%；当投加量为180 mg/L，pH由8.36降至7.72，上清液含磷量为0.19 mg/L<0.20 mg/L，磷去除率93%，满足北京地标B/A排放要求。随着投加量的增加，总磷去除率增幅不明显，主要原因是上清液总磷含量大部分已经去除，水中磷含量较低。

2.2.3 铝铁复合药剂 铝铁复合药剂投加量对上清液TP和pH的影响见图5，投加量对TP去除率的影响见图6。

图5 铝铁复合药剂投加量对TP和pH的影响Fig.5 Effect of aluminum-iron composite agent dosage on TP and pH

图6 铝铁复合药剂投加量对TP去除率的影响Fig.6 Effect of aluminum-iron composite agent dosage on TP removal rate

由图5和图6可知，随着铝铁复合药剂投加量的增加，上清液总磷降低，磷去除率增加，pH值逐渐降低。当投加量19.2 mg/L时，上清液含磷量为0.30 mg/L， pH由8.52降至7.81磷去除率为89%；当投加量25.6 mg/L时，上清液含磷量为0.19 mg/L<0.20 mg/L，pH由8.36降至7.56，磷去除率为93%，满足北京地标B/A级排放要求。

2.2.4 聚合氯化铝+聚丙烯酰胺 以聚合氯化铝为化学药剂，聚丙烯酰胺为助凝剂，反应时间17 min，实验因素为聚合氯化铝投加量和聚合氯化铝与聚丙烯酰胺之比， 聚丙烯酰胺投加量为聚合氯化铝的1/1 000。聚合氯化铝不同投加量对应上清液TP和pH变化关系曲线见图7，不同投加量TP去除率见图8。

上述发现，构成了马克思在“强调自然”和“强调政治”“联盟”的意义上，接受费尔巴哈的重要原因。恩格斯后来回顾这段历史时曾经提到：“‘体系’被炸开并抛在一旁了，矛盾既然仅仅存在于想象之中，也就解决了。……我们一时都成为费尔巴哈派了。”(马克思、恩格斯，2012c：228)然而，并不为恩格斯所知晓的，或者说为马克思所刻意隐匿起来的是，后者一段失败了的费尔巴哈式的理论建构——《1844年经济学哲学手稿》中的异化劳动理论。

图7 聚合氯化铝投加量对TP和pH的影响Fig.7 Effect of polyaluminum chloride added amount on TP and pH

图8 聚合氯化铝投加量对TP去除率的影响Fig.8 Effect of polyaluminum chloride dosage on TP removal rate

由图7和图8可知，聚合氯化铝投加量越大，总磷含量越低， pH值变化不大。当聚合氯化铝投加量为250 mg/L、聚丙烯酰胺投加量为0.25 mg/L，上清液总磷为0.29 mg/L<0.30 mg/L，pH由8.36降至8.09，磷去除率为89%；当投加量为300 mg/L、聚丙烯酰胺投加量为0.30 mg/L，上清液总磷为0.20 mg/L， pH由8.36降至8.04，磷去除率为93%，满足北京地标B/A级排放要求。

2.3 化学药剂经济性分析

考虑到化学药剂的经济性，对聚合硫酸铁、聚合氯化铝铁、铝铁复合药剂、聚合氯化铝+聚丙烯酰胺等4种化学药剂进行成本分析，不同药剂的最佳加药量及药剂费用见表3。

表3 不同药剂的最佳加药量及药剂费用Table 3 Optimal dosage and cost of different reagents

由表3可知，在北京地标B/A排放标准下，4种药剂的最佳投加量大小：聚合氯化铝+聚丙烯酰胺>聚合氯化铝铁>聚合硫酸铁>铝铁复合药剂,4种化学药剂经济性：铝铁复合药剂>聚合氯化铝铁>聚合氯化铝+聚丙烯酰胺>聚合硫酸铁,可见铝铁复合药剂最经济且除磷效果最好。

2.4 污泥产量

污泥产量包括剩余污泥和化学污泥，剩余污泥有产量大、处理费用高、易产生二次污染的特点。投加化学药剂可以降低出水总磷的含量，但是会伴随一些化学污泥的产生，减少污泥产量不仅可以降低处理费用,还可以缓解对环境的压力，污泥的减量化越来越备受关注。

2.4.1 铝铁复合药剂投加量对化学污泥产量的影响 改良UCT工艺小型污水处理装置出水SS为39.6 mg/L，铝铁复合药剂投加量对化学污泥产量的影响见图9。

图9 铝铁复合药剂投加量对化学污泥产量的影响Fig.9 Effect of aluminum-iron composite agent dosage on chemical sludge yield

由图9可知，随着铝铁复合药剂投加量的增加，化学污泥产量逐渐增加。在满足北京地标B/A级排放标准下，铝铁复合药剂投加量为19.2 mg/L时，化学污泥产量为46.1 mg/L，投加量为25.6 mg/L时，化学污泥产量为67.8 mg/L。

2.4.2 与其他工艺产泥量对比分析 在进水TP为4.0～9.0 mg/L时，常规 A2/O 工艺处理1 m3水污泥产量为130.4 g/m3，出水TP为0.76 mg/L，常规 A2/O+厌/好氧交替工艺处理1 m3水污泥产量为81.1 g/m3，改良型 A2/O 工艺处理1 m3水污泥产量为80.5 g/m3，出水TP含量基本保持不变[8]。

SBR工艺处理1 m3水污泥产量为200 g/m3，SBR工艺加入超声作用，回流比2∶14，超声条件为25 kHz、1.6 W/mL、15 min时，污泥产量为82.4 g/m3，会产生磷的释放现象[9]。SBR/OSA工艺，即序批式活性污泥法与厌氧反应器结合，处理1 m3水污泥产量为27.3 g/m3，出水TP含量小于1.5 mg/L[10]。上述工艺出水TP均未达到北京地标B/A排放标准。

改良的UCT工艺处理装置未投加化学药剂时处理1 m3水剩余污泥产量为28.8 g/m3，投加铝铁复合药剂时处理1 m3水污泥产量为74.9 g/m3或96.6 g/m3，可达到北京地标B/A排放标准。化学污泥的产生量达到剩余污泥的1.6倍或2.4倍，可见化学除磷产泥量更大。与其他工艺相比，改良UCT工艺比常规 A2/O 工艺、常规 A2/O+厌/好氧交替工艺、改良型 A2/O 工艺、SBR工艺和加入超声作用的SBR工艺污泥产量分别降低了77.9%，64.5%，64.2%，85.6%，65.0%，与SBR/OSA工艺污泥产量相差不大，但是SBR/OSA工艺出水TP未达到北京地标B/A排放标准，改良UCT工艺采用化学除磷使出水达标并产生化学污泥，但污泥产量相比其他工艺仍最低。

污泥减量主要是使污泥破解溶胞后利用微生物的内呼吸作用进行氧化分解，使排放到系统外的污泥量减少。一方面可以采取改进工艺或组合工艺的方式；另一方面可以通过微型动物捕食、隐性生长、增加维持能量消耗和解偶联生长等方法进行污泥减量[11]。可见开发低污泥产率的污水处理技术、减少污泥产生，从而实现污泥从源头减量意义重大。

3 结论

采用化学除磷法对改良UCT工艺的小型污水装置出水进行实验，可得出如下结论：

(1)药剂种类对除磷效果影响最大，其次是投加量、反应时间。

(2)4种化学药剂经济性：铝铁复合药剂>聚合氯化铝铁>聚合氯化铝+聚丙烯酰胺>聚合硫酸铁。

(3)铝铁复合药剂在装置出水总磷含量为2.70 mg/L时，当投加量19.2 mg/L，上清液含磷量0.30 mg/L；当投加量25.6 mg/L，上清液含磷量0.19 mg/L，满足北京地标B/A排放标准。

(4)投加铝铁复合药剂化学除磷会使水的pH降低0.7～0.8。

(5)改良的UCT工艺处理1 m3水需投加铝铁复合药剂为19.2 g/m3，满足北京地标B级排放标准，污泥产量为74.9 g/m3。当投加铝铁复合药剂为25.6 g/m3时，满足北京地标A级排放标准，污泥产量为96.6 g/m3。与其他工艺相比，改良的UCT工艺在出水总磷达标条件下，污泥产量仍最低。