聚合氯化铝与聚合氯化铁用于农村生活污水除磷效果研究

陈杰(北京中铁生态环境设计院有限公司，北京 102600)

0 引言

磷是维系生命系统的主要元素之一，是构成生物体以及参与生物新陈代谢的必不可少的元素，但如果水体中磷的含量超过一定浓度，就会促进藻类大量繁殖，严重时导致水体富营养化，最终引起鱼类等生物的大量死亡，破坏水中生态平衡。多种因素可导致磷污染，固定污染源(如：污水处理设施出水、化工厂、畜禽养殖场等)的磷排放仍是重要来源，在一些地方还是主要来源。随着我国人口的不断增长和生活水平的不断提高，生活污水中的磷含量也日益增高。全国水污染防治形势面临新的变化，总磷逐渐成为重点湖库、长江经济带地表水首要污染物，无机氮、磷酸盐成为近岸海域首要污染物，氮磷污染物在部分区域甚至已经上升为水污染防治的主要问题，成为影响水环境治理的突出瓶颈。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体富营养化的重要途径。生物除磷和化学除磷是污水处理厂常用的除磷方式，生物除磷具有成本低、无二次污染、不影响剩余污泥脱水性等优点[1]，但对于来水水质要求高，除磷稳定性无法保证，单纯依靠生物除磷，难以确保出水水质达标。化学除磷是通过投加药剂，形成不溶性磷酸盐沉淀物，最终通过固液分离使磷从污水中去除[2]，具有操作简单、除磷效果好且稳定、不会造成磷的二次释放等优点。除磷药剂的选择直接关系除磷效果的好坏，选择合适的除磷的药剂是污水厂正常运营和出水达标的重要保障。

1 生物除磷及化学除磷机理

1.1 生物除磷

污水生物除磷是通过培养聚磷菌，聚磷菌在经过厌氧条件下的释磷后，在好氧条件下能过量吸磷，所吸收的磷贮存于剩余污泥中，通过沉淀作用排出剩余污泥，达到系统除磷的目的[3]。聚磷菌的特点是既能贮存磷酸盐，又能以聚β羟丁酸(PHB)形式贮存碳源。当处于厌氧环境时，聚磷菌体内贮存的磷酸盐在外界碳源作用下分解，分解过程中提供能量，利用该阶段产生的能量(ATP)，聚磷菌将有机物摄入细胞内，以PHB形式贮存，在此过程中，细胞体内的磷得以释放；当处于好氧环境时，聚磷菌利用污水中的有机碳源及体内贮存的 ATP，摄取污水中的磷，形成磷酸盐贮存于细胞内。生物除磷即液相中的磷酸盐转移到细胞中的过程，所产生的剩余污泥的含磷量高，可达5%左右，而一般活性污泥含磷量仅为 1.5%左右。影响生物除磷的主要因素是合适的溶解氧浓度和碳源量，同时应限制生化系统的污泥龄，剩余污泥需尽快排出系统，否则，污泥中的磷会通过污泥回流，重新释放到液相中。

生物除磷技术经过多年的发展，已演化出多种处理工艺，在市政水厂及工业污水处理中应用广泛，现有典型的除磷处理工艺有：A/O、AAO、序批式活性污泥工艺、Bardenpho工艺、Phoredox工艺、Phostrip工艺以及氧化沟工艺。生物除磷工艺具有处理成本低、除磷范围广、除磷效果较好、不会导致污水处理厂污泥量显著增加、不增加出水的盐含量等优点。

1.2 混凝原理

(1)压缩双电层作用：当混凝剂溶于液相中，产生大量的正离子，液相中正离子浓度升高，通过离子间的电中和及吸附作用，正离子进入胶体扩散层和吸附层。因为胶核表面的总电位不变，增加扩散层及吸附层中的正离子浓度，就使扩散层厚度变小，当无扩散层时，胶体颗粒之间的静电斥力降为零，胶粒之间最容易产生聚集现象。

(2)吸附架桥作用：高分子混凝剂在液相中溶解后，在水解作用和缩聚反应下生成高聚物，由于该高聚物具有线性结构，容易受到胶粒的吸引，因其线性长度较大，可对距离远的胶体微粒之间产生吸附架桥作用，让胶粒慢慢成团，并形成明显的矾花絮体。

(3)网捕作用：混凝剂水解生成的沉淀物在自身沉淀过程过，能卷集、网捕水中的胶体等微粒，使胶体黏结。

1.3 聚合氯化铝除磷机理

当聚合氯化铝分散于水体时，在水中水解生成三价铝离子，一方面三价铝离子与水中的可溶性磷酸盐反应，生成非溶解性的磷酸盐沉淀；另一方面，三价铝离子水解生成单核络合物及偏铝酸根等，单核络合物进行聚合反应，形成多核络合物Aln(OH)m(3n-m)+(n＞1，m≤3n)，所产生的多核络合物带较高的正电荷且拥有较大的比表面积，能和水中负电荷迅速结合，中和胶体电荷，从而达到降低胶体电位的效果，使得胶体和悬浮物等快速结合、聚集和沉淀，通过排出剩余污泥，磷得以从系统中去除[4-5]。

1.4 聚合氯化铁除磷机理

聚合氯化铁溶于水中后，三价铁离子一方面与水中可溶性磷酸根生成磷酸盐沉淀，部分磷通过沉淀从水中去除；另一方面，聚合氯化铁在水解及各种聚合反应下，产生多核羟基络合物，这类络合物具有较长线性结构，在吸附及电中和作用下，胶体电位大大降低，再经过吸附架桥及网捕作用，胶体快速凝聚沉淀，通过排出剩余污泥，从而让磷从系统中去除。

2 试验部分

2.1 试验对象

本次试验取江苏省某农村污水处理厂生化单元出水作为试验对象，测得总磷浓度为1.962mg/L。该污水处理厂建设于2016年10月，服务范围为村内120户村民，进水为生活污水，无工业污水和养殖废水进入，污水经管网收集后，进入格栅井，后经调节池提升泵进入生化处理单元，然后自流进入沉淀澄清单元，通过化学除磷单元及紫外消毒单元，尾水排入河道。主体工艺采用AAO工艺，化学除磷单元暂未启动，出水标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B(TP≤1mg/L)，目前该水厂因出水总磷不达标，需选取适合农村生活污水的化学除磷药剂。

2.2 试验药剂和测试方法

聚合氯化铝(PAC)：无机高分子混凝剂，黄色固体，具有吸附、凝聚、沉淀等性能，能快速形成矾花，快速沉淀，所形成絮体的脱水性能好。聚合氯化铝的颜色一般有白色、黄色、棕褐色，本试验选用的聚合氯化铝为黄色。国家标准范围内因三氧化铝含量的不同，具有不同的颜色，其中浓度在30%左右的聚合氯化铝多为土黄色、淡黄色的固体粉状。这种浓度的聚合氯化铝极易溶于水，在溶解的过程中絮凝体形成快速、活性高、沉淀快、对高浊度水的净化效果明显。聚合氯化铁(PFC)：无机高分子混凝剂，褐色或黑褐色透明固体，易溶于水，水解速度快，水合作用弱，形成的矾花密实，沉降速度快。受水温变化影响小，可以满足在流动过程中产生剪切力的要求。本次试验的总磷测定采用钼酸铵分光光度法[6]，采用连华快速消解测定仪。

2.3 试验设置

取江苏省某农村污水处理厂生化单元出水水样一桶，在不断的匀速搅拌的情况下，每次准确量取600ml水样，共计12次，分别置于12个烧杯中，将所取水样分为A、B两组，每组6个水样，其中，A组水样滴加聚合氯化铝，B组水样滴加聚合氯化铁，每组的加药浓度梯度分别设置为30mg/L、50mg/L、70mg/L、90mg/L、110mg/L、130mg/L(均按固体浓度配药)，每个烧杯加药完成后，立即通过玻璃棒快搅30s，然后慢搅90s，并静置沉淀30min，最后取上清液进行总磷浓度的测定。

3 结果分析

如图1所示：A组(投加聚合氯化铝)中，随着加药浓度的提升，总磷浓度逐渐降低，当加药浓度由30mg/L逐渐增加到70mg/L时，水体总磷浓度有明显下降趋势，继续提高加药量，总磷浓度继续缓慢下降。在试验用水总磷浓度为1.962mg/L的情况下，当加药浓度在50 mg/L时，总磷能降至1mg/L以下，达到0.699mg/L；在加药浓度达到70mg/L时，总磷浓度降至0.251mg/L；在加药浓度达到130mg/L时，总磷浓度降至0.098mg/L；B组(投加聚合氯化铁)中，随着加药浓度的提升，总磷浓度逐渐降低，当加药浓度由30mg/L逐渐增加到70mg/L时，水体总磷浓度有明显下降趋势，继续提高加药量，总磷浓度继续缓慢下降，当加药浓度为130mg/L时，除磷效果不升反降。在试验用水总磷浓度为1.962mg/L的情况下，当加药浓度在70 mg/L时，总磷能降至1mg/L以下，达到0.806mg/L，在加药浓度达到110mg/L时除磷效果最好，总磷浓度降至0.538mg/L，加药浓度为130mg/L时，总磷浓度略有升高，为0.642mg/L。究其原因，此时的加药浓度超过了最佳加药量，混凝过程的电中和原理是通过加入强电解质，打破原有的胶体平衡状态，实现脱稳，最终形成矾花，因此当水中的正负电荷对等的时候，除磷效果达到最佳，如果投加量超过了最佳加药量，则过量的正电荷在废水中相互排斥，影响矾花的形成，除磷效果反而变差。

图1 聚合氯化铝及聚合氯化铁药剂除磷效果对比

4 结语

(1)聚合氯化铝的除磷效果明显，在本试验中，污水处理厂生化单元出水总磷浓度为1.962mg/L时，使用聚合氯化铝除磷，达到一级B出水标准的加药量为50mg/L，达到一级A出水标准(TP≤0.5mg/L)的加药量为70mg/L。

(2)聚合氯化铁的除磷效果较好，生化单元出水总磷浓度为1.962mg/L时，使用聚合氯化铁除磷，达到一级B的加药量为70mg/L，达到一级A的加药量为110mg/L以上。

(3)针对农村污水处理厂生化单元出水，对比不同加药浓度下的除磷效果，聚铝药剂优于聚合氯化铁药剂，对比两种药剂的市场零售售价，两者售价接近，且考虑到采用聚合氯化铁药剂会影响出水色度，综上，聚合氯化铝(PAC)更适合作为农村生活污水处理厂的除磷药剂。