市政污水處理廠化學(xué)除磷及過程優(yōu)化研究

楊 鵬，崔鳳國(guó)，張偉軍，王東升

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085)

磷是水生植物生長(zhǎng)的必須營(yíng)養(yǎng)元素，能夠促進(jìn)水生植物的正常生長(zhǎng)，維持水體生態(tài)平衡。但水體中積累過度的磷，會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，藻類大量繁殖，水中含氧量下降，水質(zhì)惡化［1］。水中磷的去除技術(shù)主要有化學(xué)法、活性污泥法、水生生物固定法、物理吸附法、膜過濾法和土壤凈化法等［2，3］，較為常用的為化學(xué)沉淀法和微生物法［4］，而化學(xué)法包括化學(xué)沉淀法、離子交換法、反滲透法、電滲析法等［5－7］。近年來，由于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的逐步提升，傳統(tǒng)單純依靠微生物好氧吸磷很難實(shí)現(xiàn)出水磷濃度的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)［8，9］?；瘜W(xué)沉淀法一般是在沉淀池之前投加鋁鐵鹽等化學(xué)混凝劑［10］。由于具有去磷效果好、處理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用［11－13］。

本文采用燒杯實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了不同鐵鹽的化學(xué)除磷效果，研究了化學(xué)除磷中攪拌條件對(duì)除磷效果的影響，考察了污泥顆粒對(duì)污泥化學(xué)除磷效率的影響。并對(duì)放置過程中化學(xué)除磷的釋磷量進(jìn)行了定量分析，以期給出理論解釋。

1 材料和方法

1.1 污泥來源及污泥情況

實(shí)驗(yàn)污泥來自北京市某污水廠進(jìn)入二沉池之前污泥，混勻之后總磷含量為:26.42 mg/L，上清液總磷含量為:0.79 mg/L，污水呈黑色，靜置一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)泥水分離現(xiàn)象。

1.2 儀器與材料

分析純硫酸鹽鐵(FeSO4·7H2O)與三氯化鐵(FeCl3)為國(guó)藥集團(tuán)有限公司，實(shí)驗(yàn)時(shí)配制成10%的溶液使用，硫酸亞鐵現(xiàn)用現(xiàn)配。將二價(jià)和三價(jià)鐵按照摩爾比1∶1配制成復(fù)合藥劑。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 化學(xué)除磷實(shí)驗(yàn)

采用400 mL 污泥體系，分別投加占污泥體積0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%的復(fù)合藥劑，選擇兩種不同程序進(jìn)行混凝攪拌，程序1分為兩個(gè)階段:①120 s轉(zhuǎn)速為200 rpm快攪，②600 s轉(zhuǎn)速為40 rpm慢攪;程序2分為兩個(gè)階段:①30 s轉(zhuǎn)速為200 rpm快攪，②加藥后600 s轉(zhuǎn)速為100 rpm慢攪。取上清液測(cè)定TP的值，得到混凝投加量對(duì)TP的去除效果［14，15］。

采用400 mL污泥體系，按照污泥體積0.15%投加復(fù)合混凝劑，放置到程控混凝實(shí)驗(yàn)攪拌儀上，編訂程序使轉(zhuǎn)速分別為:50、100、150、200、250 rpm進(jìn)行水力剪切10 min，沉淀1 h后取上清液測(cè)定TP。

1.3.2 磷的分析

總磷的測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法。經(jīng)過硫酸鉀消解法消解后樣品的測(cè)定結(jié)果認(rèn)定為總磷;經(jīng)過水系0.45 μm濾膜測(cè)定結(jié)果認(rèn)定為溶解性的無機(jī)磷;經(jīng)過水系0.45 μm濾膜經(jīng)消解后的測(cè)定結(jié)果認(rèn)定為溶解性的總磷;而總磷與溶解性總磷之差認(rèn)定為顆粒態(tài)的磷;過水系0.45 μm膜總磷濃度與無機(jī)磷之差認(rèn)定為溶解性有機(jī)磷［16，17］。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同藥劑對(duì)磷的去除效果

實(shí)驗(yàn)采用了三種藥劑［18］，分別為二價(jià)鐵、三價(jià)鐵和復(fù)合藥劑，投加量均為污泥體積的0.15%。實(shí)如圖1所示，三價(jià)鐵除磷效果最好，其次是復(fù)合藥劑混凝，二價(jià)鐵效果最差。

圖1 三種藥劑對(duì)除磷效果的影響

2.2 混凝劑投加量對(duì)除磷效果的影響

不同攪拌條件下混凝劑對(duì)污泥除磷的效率見圖2所示。可以看出，磷的去除效率會(huì)隨著混凝劑投加量的先上升后下降。當(dāng)混凝劑投加量為0.15%(v/v)，磷的去除效率達(dá)到最高，繼續(xù)提高投加量，反而導(dǎo)致磷的去除效率下降。這可能是由于過量的混凝劑會(huì)導(dǎo)致污泥膠體體系反穩(wěn)，導(dǎo)致顆粒態(tài)磷去除效率下降。此外，還可以看出，不同攪拌條件下，磷的去除效率存在較大差異。另外，不同攪拌速率下，磷的去除效率有所差異，5 min 200 rpm快攪和30 s 200 rpm快攪后沉后水TP濃度分別為0.2 mg/L和0.3 mg/L。由于能量利用過程發(fā)生轉(zhuǎn)化，污泥在厭氧條件下會(huì)釋放出磷。在模擬沉淀過程中發(fā)現(xiàn)3 h后各個(gè)經(jīng)化學(xué)除磷后的混合液體系均有不同程度的釋磷情況發(fā)生。這說明沉淀過程中的磷釋放也是決定污水處理廠除磷效率主要控制的關(guān)鍵因素。

圖2 程序1(a)程序2(b)情況下混凝劑投加量對(duì)除磷效率的影響

2.3 不同轉(zhuǎn)速對(duì)污泥剪切力對(duì)TP的影響

攪拌條件主要決定了混凝劑在污泥體系中的擴(kuò)散速度［19］，圖3顯示了不同攪拌過程對(duì)化學(xué)混凝除磷過程的影響。不難看出，TP濃度隨著轉(zhuǎn)速的增加先下降后增加，證明在200 rpm之前，轉(zhuǎn)速的增加對(duì)混凝除磷有增進(jìn)作用，但當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到200 rpm以上時(shí)，反而會(huì)破壞污泥結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致小顆粒態(tài)磷難以沉降。因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中，控制混凝劑和污泥混合液的攪拌條件是實(shí)現(xiàn)高效除磷的關(guān)鍵因素。

圖3 不同攪拌條件對(duì)化學(xué)除磷的影響

2.4 混凝后磷形態(tài)分析

實(shí)驗(yàn)采用了復(fù)合藥劑，投加量為污泥體積0.15%。原始混合液中顆粒態(tài)、溶解無機(jī)態(tài)和溶解有機(jī)態(tài)磷分別為2.63、0.99、0.28 mg/L?；炷齽?duì)不同形態(tài)磷的去除機(jī)理有所差異［20］，顆粒態(tài)磷主要通過壓縮雙電層和吸附架橋去除，而無機(jī)溶解態(tài)磷主要通過化學(xué)沉淀過程去除。如圖4所示，混凝除磷時(shí)，污泥中顆粒態(tài)的磷、溶解性無機(jī)和有機(jī)磷都大幅減少，證明混凝除磷不僅發(fā)揮了混凝劑能使水中顆粒聚集沉淀的作用，而且能夠與水中無機(jī)和有機(jī)磷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而達(dá)到除磷效果。

圖4 不同磷形態(tài)分析

3 結(jié) 論

(1)混凝除磷時(shí)混凝劑的投加量有最適范圍，混凝劑投加量為0.15%(v/v)時(shí)總磷含量達(dá)到最低，混凝劑投加過高時(shí)雖然除磷效果變差，但會(huì)抑制釋磷的發(fā)生，混凝投加量為0.05%(v/v)時(shí)釋磷量為0.034 mg/L，而混凝劑投加量為0.25%(v/v)時(shí)總磷含量反而減少0.035 mg/L;

(2)不同的水力剪切力會(huì)破壞污泥結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磷的釋放，故混凝除磷時(shí)藥劑與污泥的混合不宜太快，也不宜太慢。200 r/min時(shí)最合適，總磷去除率可達(dá)98.4%;

(3)混凝法除磷不僅能去除掉顆粒狀的磷，而且會(huì)發(fā)生鐵系混凝劑與水中溶解性磷的反應(yīng)。

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