低碳源城市污水处理厂化学除磷药剂选择试验研究

方欣昱 （河海大学环境科学与工程学院，江苏 南京 210098）

0 引言

传统的生物脱氮除磷工艺（如A/O、SBR）存在较多问题，如脱氮与除磷之间存在碳源竞争，致使污水厂很难获得优异的脱氮除磷效果，这种现象在低碳源型污水厂表现尤为严重。住建部“全国城镇污水处理信息系统”的数据显示，污水的碳氮比（C/N）值偏低是我国城镇污水处理厂的普遍性问题，多数城镇污水的C/N值仅为3～4。造成低碳源进水的原因有很多，主要原因是城市排水管网建设不完善，合流制排水体系使得城市污水低碳源现象较普遍。

对于低碳源城市污水厂，常采用化学除磷和外加碳源的方法，使得出水TP满足排放要求。化学除磷工艺是在生物除磷的基础上投加絮凝剂，通过化学除磷的方法使出水TP降低到排放标准。絮凝剂的投加方式常采用同步投加（生物曝气池）方式，如侯红娟等就某低碳、高氮源污水，选择聚合硅酸铁作混凝剂，并将其直接投加到生物反应器中（在好氧结束前30min投加），对于进水TP为2.68～5.71mg/L，当其投量为12.0mg/L（以Fe计）时，出水中的TP为0.34～0.50mg/L。汪咫就昆山港东污水处理厂进水碳源浓度偏低的情况，开展向曝气池投加亚铁盐进行化学除磷的生产性试验。结果表明，当FeSO投药量控制在n（Fe）:n（TP）≥1.50时，可使出水TP达标。外加碳源的方法是投加甲醇或乙酸等降解有机物与生物营养物去除工艺的缺氧段和厌氧段，以满足反硝化菌和聚磷菌对碳源的需求。

设计进、出水水质（mg/L） 表1

10月平均进、出水水质（mg/L） 表2

本文基于某低碳源型城市污水处理厂，其化学除磷单元工艺参数设计不合理，导致除磷效果较差。在不改变其生化构筑物前提下，通过分析不同药剂的化学除磷效果，并考察了助凝剂聚丙烯酰胺（PAM）的助凝效果，优选出最佳除磷药剂以及投加量，对国内同类低碳源污水厂运行具有一定的参考意义。

1 试验地点简介

合肥市某污水处理厂设计规模Q=5×10m/d。该污水处理厂采用微曝气氧化沟（A/O）加化学除磷微絮凝工艺，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）的一级A标准。设计进、出水质情况，见表1。

化学除磷采用混凝、沉淀、过滤、消毒工艺（见图1），二沉池的污水通过取水泵进入混合絮凝阶段，通过立式搅拌器混合，再经过折板反应，产生微小絮凝颗粒，然后经配水后直接进入滤池进行过滤。实际运行时化学除磷药剂为碱式氯化铝（5%），加药混凝时间：混合2min，絮凝接触2.5min。

图1 污水处理厂化学除磷工艺流程

2 低碳源水质运行及除磷效果分析

该污水厂运行阶段（2020年10月）的实际平均进、出水水质见表2。

由表2可知，原水COD、BOD远低于设计进水值，COD/TN=4.9，COD/TP=46.8，处于低负荷运行状态，出水TN、TP超标。其中10月二沉池出水TP平均为1.76mg/L，生物段除磷率为53.2%。影响生物除磷效果的因素很多，进水BOD/TP和处理系统的BOD负荷是主要因素，当BOD/TP>20、BOD负 荷 为 0.21～0.50kgBOD/（kgMLSS·d），除磷效果较好。该厂实际进水的BOD/TP=22，而BOD负荷为0.036kgBOD/（kgMLSS·d），生物除磷效果较差。

通常要想获得较好的化学除磷效果，投加点距离出水口水力停留时间为15～20min，而该厂混合时间为2min，絮凝接触时间仅为2.5min，化学除磷段设计不合理，导致化学段除磷率较低。化学段除磷率仅为18.2%。

水厂原生产上混凝剂采用PAC，但由于实际水质和设计水质存在较大的差异，并且水厂化学除磷段设计存在不合理处，水厂现有混凝剂已经不能满足实际除磷要求，有必要通过化学除磷试验选择一种更加适宜的混凝剂并确定其最佳投加量，从而使深度处理后出水中总磷达到一级A要求。

3 试验材料与方法

3.1 仪器与试剂

仪器:TA6-4型程控混凝试验搅拌仪器；TU-1901双光束紫外可见分光光度计；立式压力蒸汽灭菌锅。

混凝剂：PAC溶液（质量分数30%，水厂现用）、FeCl.（H0）（质量分数96%）、Ca（OH），（含量99%）、聚丙烯酰胺（PAM）。

试验用水：取自二沉池出水。

3.2 试验方法

试验采用烧杯混凝试验考查混凝剂的除磷效果，然后进行聚丙烯酰胺（阴、阳离子型）助凝试验。水样在投加混凝剂前曝气30min，以消除厌氧释磷影响。通常混凝实验加药后先快速（250r/min）搅 拌 2min，在 慢 速（40r/min）搅 拌15min，静置10min后取样。试验模拟该厂实际混凝时间，混凝操作分两步：①快速混合：搅拌桨转速200r/min，时间1min；②慢速反应：搅拌桨转速30r/min，时间2min，混凝后水样静置5min，测定1/3处上清液TP值，并设空白样。PAC 配 置 浓 度 均 为 5g/L，FeCl、Ca（OH）配置浓度为 1.0g/L，PAM 配置0.1g/L。

4 试验结果与讨论

4.1 PAC、FeCl3、Ca（OH）2对除磷的影响

4.1.1 PAC

测得原水TP为1.23mg/L，PH为7.27。于400mL原水中分别投加10mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L、40mg/LPAC，其结果如图2。由图2知，随着PAC的投加量的增大，TP的去除率逐渐增大。对于原水TP为1.23mg/L，当PAC的投加量为25mg/L，出水TP浓度为0.36mg/L，TP去除率达71.2%。在慢搅拌过程中细小矾花形成较快，但聚合网捕作用不明显，矾花轻，沉降较慢。由于水厂深度除磷单元混合絮凝时间短，导致采用PAC作为除磷剂，除磷效果不理想。

“道教以‘气’为本的风水观念大约在三国时期传入朝鲜半岛，与朝鲜原始宗教中的山岳信仰相结合，形成了只有靠山川风水之荫佑，人才能获得福寿的观念。”[4]249 新罗末期，桐里山祖师道诜曾入唐学习中国地理之法，返回朝鲜半岛后，著有《道诜秘记》，详细讲述了地理风水之法，道诜和其著作在政治和文化上给古代朝鲜带来了深远的影响。

图2 PAC的投加量对TP去除率的影响

4.1.2 FeCl

测得原水TP为1.23mg/L，PH为7.27。于400mL原水中分别投加20mg/L、30mg/L、40mg/L、60mg/L、60mg/L/、80mg/LFeCl3溶液，其结果如图3。由图3知，当20mg/L<投加量<30mg/L，TP的去除率增长缓慢；当30<投加量<50mg/L，随着投加量的增大，TP去除率增长加快；当50mg/L<投加量<60mg/L，TP去除率增长缓慢，这是因为当铁盐投量过高时，虽然增加了水中络合铁离子的数量，但架桥所需的表面吸附活性点位却减少了，同时由于同种粒子间的排斥作用而出现的分散稳定现象，使铁盐与磷酸根生成的细小絮体较难沉降，导致TP和磷酸盐去除率难以进一步提高；当投加量>60mg/L，随着投加量的进一步增加，TP去除率降低，这是因为铁盐与磷酸根生成的较难沉降的细小絮体增多，使T P的去除率降低。当FeCl3投加量为50mg/L，出水TP浓度为0.19mg/L，TP去除率达84.8%。在慢搅拌过程中，矾花形成快，聚合网捕作用较明显，矾花大而重，沉降较快，但矾花易打散。

图3 FeCl3的投加量对TP去除率的影响

4.1.3 Ca（OH）

测得原水TP为1.57mg/L，PH为7.19。于400mL原水中分别投加为20mg/L、30mg/L、50mg/L、70mg/L、80mg/L、100mg/LCa（OH）2溶液，其结果如图4。由图4知，当20mg/L<投加量<30mg/L，TP的去除率增长缓慢；当投加量>30mg/L，随着投加量逐渐增大，TP去除率增长的趋势明显。钙离子在碱性条件下与水中PO生成难溶性羟基磷酸钙时，当PH升高，磷的去除率也随之提高，这是因为Ca（OH）的加入使[OH]、[Ca]增大，易造成难溶性羟基磷酸钙析出，除磷率随之增加。当投加量为80mg/L，出水 TP为0.38mg/L，除磷率为69%，PH为9.5。由于钙盐的投加会增大出水的PH，暂不考虑作为除磷剂使用。

图4 Ca（OH）2的投加量对TP去除率影响

4.2 增投聚丙烯酰胺对PAC、FeCl3除磷效果的影响

试验将考察阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）、阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）协同PAC、FeCl对原水TP去除率的影响。考虑到PAM投加会增加滤料的黏性，增大滤池反冲洗难度，PAM的投加量不宜超过0.2mg/L。本试验PAM投加量为0.2mg/L，改变混凝剂的投加量（分别投加10mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L、35mg/L、40mg/L），考察其对TP去除率的影响。

4.2.1 PAC

原水TP浓度为1.83mg/L，考察PAC的投加量对TP去除率的影响，其结果如图5。由图5知，三种投加方式，PAC的投加量越大，TP的去除率越大。三种投加方式对TP的去除率影响较小，投加APAM后除磷率稍高，投加CPAM除磷率降低。这是因为APAM的分子量更大，聚合网捕作用更强，另外带正电的CPAM会吸附PO，从而影响沉淀的生成。当PAC投加量为40mg/L，投加APAM，TP去除率为82.8%，在慢搅拌过程中，矾花形成较快，但聚合网捕作用不明显，矾花细小，沉降慢，这可能与PAM投加量较小有关。

图5 PAC投加量、PAM助凝对TP去除率影响

调试阶段进、出水水质（mg/L） 表3

4.2.2 FeCl

图6 FeCl3投加量以及PAM助凝对TP去除率的影响

4.3 讨论

试验结果表明，最适合该污水厂的化学除磷药剂为FeCl和APAM。当Fe⁃Cl投加量为40mg/L，APAM投加量为0.2mg/L，除磷率高达88.9%，矾花密实易沉降。FeCl约 3800元/t，APAM 约18000元/，污水处理成本为0.19元/t。水厂原先PAC投加量为25mg/L，30%PAC价格约1200元/t，其处理成本为0.1元/t。根据试验结果，对原污水工艺进行改造，于化学除磷剂投加点后增加了APAM辅助除磷工艺。该厂于2020年11月10号加药调试，结果如图7所示。

由图7知，进水水质TP浓度为3.0～6.0mg/L，二沉池出水TP浓度平均为1.84mg/L，出水TP浓度为0.15～0.5mg/L，满足了排放要求。由此可见，投加三氯化铁和PAM后除磷效果明显提高。

图7 调试阶段TP的变化

该厂调试阶段（2020年11月10～30号）平均进、出水水质见表3。

5 结论

对于低碳源型污水处理厂，其除磷效果较差，可以通过优选化学混凝剂，达到出水TP≤0.5 mg/L标准。

试验结果表明，当原水TP浓度为1.51mg/L，FeCl投 加 量 为 40mg/L，APAM投加量为0.2mg/L时，除磷率达88.7%，出水TP浓度为0.17mg/L，并且矾花大而密实，沉降快，可以弥补设计混凝时间过短的缺点。生产性试验证明，当进水水质TP浓度为3～6mg/L，在此投加量下，出水TP浓度为0.15～0.5mg/L，满足排放标准。

鉴于该污水厂混凝时间短，若对其化学除磷工艺进行改造，将会大幅度加大其成本，试验通过优选化学混凝剂，在不改变生化池等构筑物的前提下，使TP达标排放。