污水处理厂化学除磷工艺优化运行研究

黄琼清

（湛江市广业环保有限公司，广东 湛江 524000）

目前，我国污水处理厂的化学除磷工艺已得到广泛应用，其原理为化学除磷药剂与污水混合液中的磷酸盐产生聚合反应，生成絮状沉淀，再通过过滤沉淀的方式对污水混合液中的磷元素进行有效清除。

1 污水处理厂化学除磷工艺流程

化学除磷工艺根据不同的药剂投放位置分为前置沉淀、同步沉淀以及后置沉淀。

1.1 前置沉淀

前置沉淀工艺除磷药物的投加点一般是在初沉池进水口或沉砂池中。在实际应用中，通常需要使用产生涡流的装置或提供使药剂和污水混合液充分混合的能量，以此保障化学除磷药剂和污水混合液可以充分发生反应，将产生的沉淀产物在初沉池中进行分离。需要注意的是，若生物处理单元使用的是生物滤池，则不能使用铁盐作为除磷药剂，避免铁盐填料造成危害。现阶段的污水处理厂在改造升级后，十分适合前置沉淀工艺，这不仅可以去除污水混合液中的磷酸盐，还能去除部分SS等物质，降低了后续生物处理单元的工作负荷。

1.2 同步沉淀

同步沉淀通常是将化学除磷药剂投加在曝气池的出水口或二次沉淀池的入水口，部分污水处理厂也会将化学除磷药剂投加在曝气池的入水口或回流污泥中。同步沉淀中需使用较多的除磷药剂：铁盐和铝盐。但通常不会选择钙盐作为除磷药剂，这是因为用钙盐除磷需要较高的pH值环境，而且还会抑制后面生物处理单元中微生物的活性，甚至会破坏微生物的活性。同步沉淀充分利用了化学除磷药剂的效果，可以改善污泥的沉降性能，避免出现污泥膨胀的情况，且工程量较小。

1.3 后置沉淀

后置沉淀是将污水处理厂经过处理的污水混合液通过化学沉淀、絮凝作用的方式，将絮凝物质和污水混合液之间进行分离沉淀，最后进入生物处理单元的沉淀工艺。在此工艺中，通常会将化学除磷药剂投加在二沉池后的混合池中，且在后面设置相应的沉淀池和絮凝池。后置沉淀可将磷酸盐沉淀和生物净化进行分隔，且根据磷负荷变化情况控制药剂的投加量，还可将磷酸盐污泥单独排放，有利于回收[1]。

2 污水处理厂化学除磷工艺的优化研究

2.1 影响因素

在污水处理厂应用化学除磷工艺的过程中，污水内磷含量的去除效率与以下因素有关：①化学药剂的种类；②化学药剂的使用剂量；③化学药剂的投加位置；④污水的pH值；⑤污泥的浓度和温度。在这五种影响因素中，化学药剂的种类、使用剂量、投加位置以及污水的pH值对除磷效率的影响较大。

现阶段，污水处理厂在进行化学除磷过程中，化学药剂种类要选择经济适宜且不会对其他的污水处理系统以及构筑物产生危害，其使用剂量也要根据以上两个方面进行选择。同时，在选择化学药剂的投加位置时，要根据污水处理厂内的相关设施以及构筑物的实际情况来确定。例如，选择三个污水处理厂常用的化学除磷药剂进行除磷效果试验，其化学除磷药剂种类为聚合铁铝、三氯化铁以及三氯化铝。通过对化学药剂的种类、化学药剂的使用剂量、化学药剂的投加位置以及污水的pH值对除磷效率的影响情况进行分析，并对比化学药剂的除磷效 果[2]。

2.2 实验方法

2.2.1 实验装置

六联电动搅拌器、便携式分光光度计、便携式pH计；化学除磷药剂：聚合铁铝、三氯化铁、三氯化铝。

2.2.2 实验步骤

①在污水处理厂现场采集污水混合液样本时，要对未处理的污水混合液的初始含磷浓度进行测定；

②选择4 L未处理的污水混合液，将其分为4份，每份1 L，分别加入等量的聚合氯化铝、聚合硫酸铝铁、三氯化铁和三氯化铝。再选择1 L未处理的污水混合液加入等量的蒸馏水作为空白处理样品；

③使用六联电动搅拌器，首先进行1 min速度为300 r/min的快速搅拌，之后再进行5 min的速度为50 r/min的慢速搅拌，最后将搅拌好的污水混合液静置沉淀30 min。

④在化学除磷药剂和污水混合液反应结束后，取污水混合液上层的清液进行残留磷浓度的测定。测定标准依据国家规定标准，测定仪器为便携式分光光度计。

2.2.3 实验效果

2.2.3.1 不同化学除磷药剂效果

通过对污水混合液上层清液进行残留磷浓度测定的结果分析，三氯化铁化学除磷药剂以及三氯化铝化学除磷药剂属于纯化学除磷试剂，而聚合铁铝化学除磷药剂是污水处理厂实际使用的除磷药剂。

由图1可以看出，测得未处理的污水混合物上清液初始总磷浓度为1.583（图中1.56）mg/L，在其他变量相同的情况下，未投加除磷剂的空白组总磷基本无变化，四种除磷剂在定量投加的条件下聚合硫酸铝铁的除磷效果最佳，聚合氯化铝次之，三氯化铁和三氯化铝的除磷效果一般。

图1 不同类型除磷剂投加后的上清液总磷浓度

由图2可以看出，在实验变量范围内，聚合硫酸铝铁的除磷效率为90%，聚合氯化铝的除磷效率为86%，而三氯化铝和三氯化铁的除磷效率较差，分别为65%和63%。由此分析，高分子无机除磷剂对于污水处理厂的总磷的去除效果较佳，主要是由于高分子无机除磷剂与污水混合物的污泥形成架桥吸附和混凝沉淀，对磷酸盐的吸附效果较好。

图2 不同类型除磷剂投加后的总磷去除率

2.2.3.2 除磷剂最佳投加浓度的确定

试验中为了对除磷剂投加系数的最佳标准进行确定，需取同一污水处理厂内同一位置的污水混合液32 L，分成每份1 L的未处理污水混合液，使用不同浓度的聚合氯化铝、聚合硫酸铝铁、三氯化铁和三氯化铝进行批次试验。在试验步骤相同的情况下，对比分析四种除磷剂的最佳投加浓度。以湛江某污水处理厂的好氧池末端混合液（总磷：1～3 mg/L）为例，现测得试验所用的污水混合液的初始总磷浓度为1.538 mg/L；四种除磷剂分别设置不同的投加浓度梯度，分别为0、20、40、60、80、100、120、200 ppm。

由图3和图4可以看出，在其他变量相同的情况下，四种除磷剂的除磷效果均随着除磷剂投加浓度的增加而升高（进水磷酸盐浓度1～2 mg/L）；其中聚合硫酸铝铁在投加浓度为80 ppm时，总磷去除效率达到了最高值为95%，聚合氯化铝在投加浓度为100 ppm时总磷去除率达到了峰值，而三氯化铁和三氯化铝总磷去除效率最高为85%；但当除磷剂投加浓度达到一定阙值时，污水混合液中的磷酸盐去除率反而出现了下降的趋势，原因可能是由于过量投加除磷剂时会破坏混凝沉淀的环境导致一部分磷酸盐释放；在相同剂量的四种除磷剂的除磷效果中，聚合硫酸铝铁的除磷效果最佳，聚合氯化铝除磷效果次之，三氯化铝和三氯化铁除磷效果最差。此现象出现的主要原因为三氯化铁化学除磷药剂和三氯化铝化学除磷药剂的水合反应速度较快，而水和三氧化物性质为：刚形成时密度最小，表面积最大，形成时间越长，则密度越大，表面积越小，其对磷酸盐的吸附能力下降[3]。

图3 除磷剂在不同浓度投加后上清液的总磷浓度

图4 除磷剂在不同浓度下的总磷去除率

2.2.3.3 不同投药位置的除磷效果比较

试验中为了对不同投药点的除磷效果进行比较，取同一污水处理厂内不同位置的污水混合液，每个位置的污水混合液取1 L，共计3个位置，分成每份1 L的未处理污水混合液，在投加80 ppm的聚合硫酸铝铁进行除磷效果试验，试验步骤相同，对比分析除磷剂在不同投药带点的除磷效果情况。

由图5可以看出，同一污水处理厂中除磷剂（以聚合硫酸铝铁为例）在不同位置使用除磷剂的效果。在其他变量相同的条件下，在厌氧区末端使用化学除磷药剂的除磷效果最佳，曝气池末端投加的除磷效果次之，二沉池出水端使用化学除磷药剂的除磷效果最差。以出水磷酸盐浓度低于0.5 mg/L为判断标准，主要原因为厌氧池末端的总磷浓度最高，较大促进了混凝沉淀的反应程度，且污水混合物含有较高浓度的污泥，使得污水混合液中的磷元素大量吸附于污泥表面，而在二沉池出水端由于总磷浓度较低，不含有污泥等，故除磷剂对总磷的吸附去除能力较差。

图5 除磷剂在不同投加位置的总磷去除率

2.2.3.4 污水pH值对除磷药剂效果的影响比较

聚合铁铝化学除磷药剂、三氯化铁化学除磷药剂以及三氯化铝化学除磷药剂在进行污水混合液除磷试验中，以聚合硫酸铝铁为例，污水的pH值会对混凝反应的效果产生影响，导致聚合硫酸铝铁和污水混合液中的磷进行的水解聚合反应效果以及盐类水解产物的存在状态出现影响。因此，取同一污水处理厂内曝气池末端不同pH值的污水混合液8 L，分成每份1 L的未处理污水混合液，投加浓度为80 ppm，设置污水混合液的pH为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、9.0、10.0、11.0[4]。

由图6和图7可以看出，以聚合硫酸铝铁为例，投加浓度为80 ppm。结果显示，在混凝反应pH为7～9时总磷效果最佳，总磷去除率为90%，混合液pH低于7和高于10时总磷去除效果一般；当污水混合液pH值大于10时，总磷去除效率降低，主要原因可能为污水混合液的碱度较高，导致混凝反应效果变差和部分磷酸盐释放。随着除磷剂投加量的增加，降低了污水混合液的pH值，使得析出的溶解性硅酸盐重新溶解于污水混合液中，导致化学除磷药剂效果的降低。由此可知，除磷剂投加时应控制污水混合液pH为7～9之间总磷去除效果为最佳。

图6 除磷剂投加前后的pH变化情况

图7 除磷剂在不同pH下总磷的去除率

3 结语

综上所述，本文通过试验研究的方式，对现阶段污水处理厂化学除磷工艺优化运行进行了分析并得出以下优化运行结论：①在其他变量相应的情况下，聚合硫酸铝铁的除磷效率最高；②除磷剂最佳投加浓度为进水磷酸盐浓度为1～3 mg/L范围，当除磷剂投加浓度达到一定阙值时，污水混合液中的磷酸盐去除率反而出现了下降的趋势，所以在实际运行时要注意最佳投加浓度，避免过量投加；③厌氧区末端使用化学除磷药剂的除磷效果最佳；而实际运行时可考虑投加在曝气池末端，降低除磷剂对生物系统的影响；④在污水混合液pH值不大于10的前提下，其对化学除磷药剂的除磷效率影响不大。