污水厂应用除磷药剂的比较研究

郑文昕

（佛山水业集团新之源污水处理有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

化学除磷的主要反应原理是首先在污水处理反应中添加元素盐类，金属离子和磷酸盐迅速融合，生成水溶性较小、晶体极小的金属磷酸盐物质，在流速梯度或混合扩散过程作用下相互接触产生不溶性磷酸盐或多磷酸盐沉淀产物，然后再加入絮凝剂，通过沉淀分离或过滤分离等方法去除水体中的磷酸盐，得到净化后的污水和化学污泥，从而达到化学除磷的目的［1］。因此，化学除磷工艺包括4 个步骤：沉淀、混凝、絮凝和固液分离，这基本上就是磷酸盐从液相转移到固相的过程［2］。从以上分析可以看出，化学除磷的效率与沉淀絮凝过程直接相关，沉淀、混凝和磷酸盐化合物的类型与化学除磷剂的类型和反应pH值等因素有关。因此，要提高污水厂化学除磷效率必须从化学除磷药剂的种类、反应环境的pH值及除磷工艺等因素考虑。pH 值和除磷工艺不变的情况下，本次实验关注的是化学除磷药剂的种类即硫酸铝和聚合氯化铝［3］的区别，二者的主要成分都是三价铝，反应机理也相似［2］。对聚合氯化铝及硫酸铝与Pam、磁粉联合投加处理后污泥的出水SV、SS、TP进行实验和分析，确定不同混凝剂的最佳投药范围，同时关注加药过程对最终水质的其他影响，并在此基础上结合该污水厂特点，进行加药成本估算。

1 污水厂水质及除磷工艺概况

某污水厂是地埋式污水处理厂，采用了“A2O+MBBR”技术，其设计处理能力超过10 万m3/d，目前已经成功投产，进水水质基本情况如下：SS 和TP 在2020—2022 年分别为106、113、122 mg/L 和2.83、2.40、2.03 mg/L，SS 升降比为14.76%，TP 升降比为-28.24%（2022 年数据统计到11 月份）。

进水TP 具体数据见图1，进水TP 与季节关系不大，浓度呈现逐年下降趋势。

图1 逐年进水TP 情况

污水厂除磷的工艺原理：在T1 区中投加混凝剂（该污水厂使用的是硫酸铝）后，再通过快速搅拌混合污水中的悬浮物质，产生的中和作用使污泥颗粒表面的负电荷被中和，让污泥颗粒“脱稳”形成细小絮凝体；在T2 区加入的磁粉与浓缩的回流污泥在混合池中充分混合絮凝［3］。混凝阶段产生的细小絮凝体流入T3 区，同时在T3 区加入絮凝剂（PAM），使得细小的絮凝体在电中和、吸附和架桥作用下形成大的絮凝体，并与磁粉相结合最终形成密度更大、更重的絮凝体网络［3］。其除磷工艺详见图2。

图2 污水厂除磷工艺

污泥车间现使用硫酸铝［4］、PAM 和磁粉进行污泥调理，目前实际生产药耗：硫酸铝0.084 mg/L，PAM 0.42 mg/L，磁粉3.18 mg/L。现存在药耗高、硫酸铝溶液易结晶堵塞管道的问题，因此考虑寻找聚合氯化铝替代硫酸铝，在保证污泥车间产能不变或提高的前提下，实现药剂成本的降低。

2 过程与设计

2.1 药剂种类梯度实验

保证磁粉投加量3.13 mg/L不变的情况下，改变硫酸铝、聚合氯化铝及阴离子PAM 的投加量，设计2 种除磷药剂梯度投药量分别为0.04、0.06、0.08、0.1 mg/L 的4 组实验组且PAM 投药量为0.2 mg/L［5］。观察上清液及液面的混浊情况并记录污泥SV，同时检测实验水样上清液的色度、SS 及TP［6］。

（1）取8 个烧杯，每2 个烧杯分为1 组，每个烧杯加入2000mL（即2L）曝气池末端水样；并单独测此水样SV，沉降30 min 后隔开表面浮沫取上清液送检。

（2）每组2 个烧杯，其中1 个加入一定量的硫酸铝，另1 个加入同等量的聚合氯化铝（第1 组加入0.08 mg；第2 组加入0.12 mg；第3 组加入0.16 mg；第4 组加入0.2 mg），2 个烧杯同时快速搅拌30 s。

（3）再加入3.18 mg/L 的磁粉慢速搅拌30 s。

（4）最后以组为单位加入等量的阴离子PAM 0.2 mg/L 慢速搅拌60 s，沉淀5 min，观察其沉降性记录SV，并隔开表面浮沫取上清液送检。

2.2 Pam 梯度实验

保证磁粉投加量3.13 mg/L不变的情况下，改变硫酸铝、聚合氯化铝及阴离子PAM 的投加量，根据2.1 节实验数据设计2 种除磷药剂投药量同为0.08 mg/L 且PAM 梯度投药量分别为0.2、0.3、0.4 mg/L。观察上清液及液面的混浊情况并记录污泥SV，同时检测实验水样上清液的色度、SS 及TP。

（1）取6 个烧杯，每2 个烧杯分为1 组，每个烧杯加入2000mL（即2L）曝气池末端水样；并单独测此水样SV，沉降30min 后隔开表面浮沫取上清液送检。

（2）每组2 个烧杯，其中1 个加入0.16 mg 的硫酸铝和聚合氯化铝，2 个烧杯同时快速搅拌30 s。

（3）再加入3.18 mg/L 的磁粉慢速搅拌30 s。

（4）最后以组为单位加入等量的阴离子PAM 0.2 mg/L 慢速搅拌60 s（第1 组加入0.4 mg；第2 组加入0.6 mg；第3 组加入0.8 mg），沉淀5 min，观察其沉降性记录SV，并隔开表面浮沫取上清液送检。

2.3 定量实验

保证磁粉投加量3.13 mg/L不变的情况下，改变硫酸铝、聚合氯化铝及阴离子PAM 的投加量，设计A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L 这12 组控制变量为：硫酸铝及聚铝的梯度投药量（0.04、0.06、0.08、0.1 mg/L）和PAM 梯度投药量（0.2、0.3、0.4 mg/L）。观察上清液及液面的混浊情况并记录污泥SV，同时检测实验水样上清液的色度、SS 及TP。

（1）取24 个烧杯，每2 个烧杯分为1 组，分别编号A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L 12 组。

（2）每个烧杯加入2 000 mL（即2 L）曝气池末端水样；并单独测此水样SV，沉降30 min 后隔开表面浮沫取上清液送检。

（3）每组2 个烧杯，其中1 个加入一定量的硫酸铝，另1 个加入同等量的聚合氯化铝（A 组、B 组、C组加入0.08 mg；D 组、E 组、F 组加入0.12 mg；G 组、H组、I组加入0.16 mg；J组、K组、L组加入0.2 mg），2 个烧杯同时快速搅拌30 s。

（4）再加入3.18 mg/L 的磁粉慢速搅拌30 s。

（5）最后以组为单位加入一定量的阴离子PAM（A 组、D 组、G 组、J 组加入0.4 mg；B 组、E 组、H 组、K 组加入0.6 mg；C 组、F 组、I 组、L 组加入0.8 mg）慢速搅拌60 s，沉淀5 min，观察其沉降性记录SV，并隔开表面浮沫取上清液。

3 实验数据及分析

3.1 药剂种类梯度实验

药剂种类梯度实验水样为生化池末端（2 L），加入聚铝或硫酸铝快搅30 s，加入磁粉慢搅30 s，加入PAM 慢搅60s。原水SV为16%，原水SS 为12mg/L，原水TP 为0.83 mg/L，磁粉为6.26 mg，实验数据见表1。

表1 药剂种类梯度实验数据

实验过程中通过肉眼可以观察发现，在铝离子药剂投加量相同的情况下，无论量为多少，加入硫酸铝药剂的上清液浮沫均少于聚铝上清液浮沫。观察表1，2 种除磷药剂投加量为0.08 mg/L 时出水SV、出水SS 和出水TP 数值最小，因此在Pam 梯度实验时选用0.08 mg/L 的投加量。

3.2 Pam 梯度实验

Pam 梯度实验水样为生化池末端（2 L），加入聚铝或硫酸铝快搅30 s，加入磁粉慢搅30 s，加入PAM慢搅60 s。原水SV 为19.5%，原水SS 为18 mg/L，原水TP 为0.87 mg/L，磁粉为6.26 mg，实验数据见表2。

表2 Pam 梯度实验

实验过程中通过肉眼可以观察发现，在铝离子药剂投加量相同但改变Pam 投加量的情况下，加入2 种药剂的上清液浮沫随着投加量上升而下降。观察表2，Pam 投加量为0.2 mg/L 时出水SV、出水SS数值最小，出水TP 在0.3 mg/L 时数值最小。确定了最佳投加范围之后进行定量实验。

3.3 定量实验

定量实验水样为生化池末端（2L），加入聚铝或硫酸铝快搅30 s，加入磁粉6.26 mg 慢搅30 s，加入PAM慢搅60 s。原水SV 为16%，原水SS 为12 mg/L，原水TP为0.83mg/L，A、B、C组实验数据见表3，A、B、C组平行样1 实验数据见表4，A、B、C 组平行样2 实验数据见表5，D、E、F组实验数据见表6，D、E、F组平行样1实验数据见表7，D、E、F组平行样2实验数据见表8。

表3 A、B、C 组实验数据

表4 A、B、C 组实验数据（平行样1）

表5 A、B、C 组实验数据（平行样2）

表6 D、E、F 组实验数据

表7 D、E、F 组实验数据（平行样1）

表8 D、E、F 组实验数据（平行样2）

原水SV 为19.5%，原水SS 为18 mg/L，原水TP为0.91mg/L，磁粉为6.26 mg，G、H、J 组实验数据见表9，G、H、J组平行样1 实验数据见表10，G、H、J组平行样2 实验数据见表11，J、K、L 组实验数据见表12，J、K、L组平行样1 实验数据见表13，J、K、L组平行样2 实验数据见表14。

表9 G、H、J 组实验数据

表10 G、H、J 组实验数据（平行样1）

表11 G、H、J 组实验数据（平行样2）

表12 J、K、L 组实验数据

表13 J、K、L 组实验数据（平行样1）

表14 J、K、L 组实验数据（平行样2）

由表3—表14 可知，在保持磁粉投加量一定的情况下，所有样品出水SS数值都是4 L，除磷效果随着药剂投加量的增大而提升，如图3 所示。最理想的是H 组但是SV 最大，污泥SV 随着聚合氯化铝和PAM 的加药量的变化一直在20%到42.5%之间波动，其中A、C、G 组2 个样品SV 在20%左右，其余SV在30%左右，SV最小的一组是G组，同时其除磷效果较好，且A、C 组除磷效果相对G 组较差，所以最佳投加量选择了G 组［7］。

图3 硫酸铝对比聚铝出水SS 和TP

因为磁粉必须按投每升污泥加3.13 mg的药剂，在此统计投加成本变化的时候将它暂时排除在外。目前污水厂阴离子PAM 为15 900 元/t，现使用量为配比浓度1‰（0.4 mg/L），即千吨水处理费6.36 元；10%硫酸铝540 元/t，现使用量为0.084 mg/L，即千吨水处理费45.36 元；8%聚合氯化铝519 元/t，参考使用量0.084 mg/L，即千吨水处理费43.596 元。组合为0.08 mg/L 硫酸铝+0.2mg/L 阴离子PAM 可使上清液TP 为0.23 mg/L，5 min SV 为23%，此时千吨水药剂费用为48.54 元；组合为0.08 mg/L 聚铝+ 0.2 mg/L 阴离子PAM 可使上清液TP 为0.33mg/L，5min SV 为21%，此时千吨水药剂费用为46.76 元。

4 结论

针对某污水厂进行一系列实验，选取硫酸铝、聚合氯化铝作为除磷药剂，控制投加PAM和磁粉的量，实验得出以下结论：该污水厂现有硫酸铝药剂在混凝澄清效果上具有一定优势，形成片状矾花理论上更易被活性砂滤池截留等优势。但由于硫酸铝溶液易结晶易堵塞管道，使用该药剂带来的人工成本巨大。同时综合除磷能力，投加后污泥的SV，聚合氯化铝可以替代硫酸铝，且对于预估更换的药剂费用，聚合氯化铝比硫酸铝花费更小，具有较明显的成本优势。建议在除磷药剂选择及投加量（0.08 mg/L 铝离子和0.2 mg/L PAM）上，结合该水厂自身水质特点进行调整。