鐵鹽復(fù)混除磷劑的優(yōu)化

喻晉芳，趙佳敏，彭趙旭

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001)

我國大多數(shù)城市污水處理廠進(jìn)水TP均值在5 mg/L左右[1]，傳統(tǒng)工藝采用經(jīng)濟(jì)的生物法進(jìn)行除磷[2].隨著(GB18918-2002)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的普遍執(zhí)行(TP≤0.5 mg/L)，越來越多的水廠輔以化學(xué)法進(jìn)行深度除磷.此舉不但能夠?qū)崿F(xiàn)磷的達(dá)標(biāo)排放，而且通過優(yōu)化投藥點(diǎn)、處理工藝等措施，也有助于磷資源的回收[3].一般來講，化學(xué)除磷劑主要包括鋁鹽和鐵鹽兩大類.由于鋁鹽適用范圍較窄且殘留物對(duì)環(huán)境有負(fù)作用[4]，因此鐵鹽除磷劑近年來更受歡迎，尤其是其產(chǎn)物之一包含藍(lán)鐵礦的主要成分Fe3(PO4)2·8H2O，但是目前市場上并無廣泛應(yīng)用的鐵鹽除磷劑.本文通過探索常見鐵鹽除磷劑的最優(yōu)投量，嘗試制備復(fù)合高效的鐵鹽除磷劑，為水廠的實(shí)際運(yùn)行提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水來源和水質(zhì)

為便于分析機(jī)理，試驗(yàn)采用人工配水.每升去離子水中加入0.115g KH2PO4, 配制PO43--P質(zhì)量濃度為12.4 mg/L的母液.

1.2 試驗(yàn)裝置和方法

分別以FeCl3·6H2O、Fe2(SO4)3、FeSO4·7H2O和含鐵聚合氯化鋁(PAC)為溶質(zhì)，制備液態(tài)除磷劑.以200 mL盛滿母液的燒杯為反應(yīng)器，投加除磷劑后采用YP11-2型恒溫磁力攪拌器，以150 r/min的轉(zhuǎn)速反應(yīng)10min.試驗(yàn)共分兩個(gè)階段，第一階段考察不同除磷劑的最優(yōu)投量(如表1所示)；第二階段以各鐵鹽的最優(yōu)投量為基礎(chǔ)，通過復(fù)混開發(fā)高效復(fù)配除磷劑.

表1試驗(yàn)步驟

藥 劑溶液質(zhì)量濃度/(g·L-1)投量/mLFeCl3·6H2O8.710.512410Fe2(SO4)36.450.51248FeSO4·7H2O13.460.51258PAC2.5124816

1.3 檢測分析項(xiàng)目

PO43--P測定采用鉬銻抗分光光度法[5]，所有水樣均在GT10-1型離心機(jī)中以4 000 r/min離心1 min后取上清液進(jìn)行檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1 FeCl3·6H2O的最優(yōu)投量

在初始Fe3+/PO4物質(zhì)的量比小于1時(shí)，出水PO43--P質(zhì)量濃度隨FeCl3·6H2O投量的增加而減小，等于1時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳除磷率，之后增加投量反而不利于除磷，如圖1所示.這說明Fe3+與PO43-在水中基本按照方程式(1)進(jìn)行[6].出水有明顯的磷殘留，主要原因是Fe3+在水中的其他水解產(chǎn)物阻礙了其與PO43-的結(jié)合.本研究單獨(dú)用FeCl3·6H2O除磷，最優(yōu)投量為108.2 mg/L(處理每升水投加FeCl3·6H2O的質(zhì)量).

Fe3++ PO43-= FePO4

(1)

圖1 不同投量下FeCl3·6H2O的除磷效果

2.2 Fe2(SO4)3的最優(yōu)投量

不同投量下Fe2(SO4)3的除磷效果如圖2所示.與FeCl3·6H2O相似的是，最高除磷率也是發(fā)生在初始Fe3+/PO4物質(zhì)的量比為1左右時(shí)，且出水都有磷殘留.這是因?yàn)镾O42-與Cl-都是強(qiáng)酸根，兩者在水中的水解特性相似.本研究單獨(dú)用Fe2(SO4)3除磷時(shí)，最優(yōu)投量為80.0 mg/L.需要注意的是，在實(shí)際水廠中投加Fe3+做化學(xué)除磷劑，雖然能夠起到強(qiáng)化除磷作用，有助于污泥沉降性的改善.但是長時(shí)應(yīng)用會(huì)對(duì)生物除磷產(chǎn)生抑制，且停止投藥后易產(chǎn)生出水磷質(zhì)量濃度的反彈[7-8].因此實(shí)際應(yīng)用過程中，要盡可能地降低投藥量，以確保生物除磷的順利進(jìn)行.

圖2 不同投量下Fe2(SO4)3的除磷效果

2.3 FeSO4·7H2O的最優(yōu)投量

采用Fe2+作為除磷劑，結(jié)果如圖3所示.在初始Fe2+/PO4物質(zhì)的量比為1.5左右時(shí)，出水PO43--P質(zhì)量濃度最低，之后增加投量反而不利于除磷.這說明Fe2+與PO43-在水中基本按照方程式(2)進(jìn)行，最優(yōu)投量為166.8mg/L.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與Fe3+相比投加Fe2+具有更好的除磷效果[9]，其對(duì)PO43--P的去除率提高了近80%.本試驗(yàn)僅考察了Fe2+/PO4物質(zhì)的量比，未研究pH值、溫度等其他因素對(duì)除磷的影響，這是因?yàn)樵贔e2+除磷反應(yīng)中，F(xiàn)e2+/PO4物質(zhì)的量比是最重要的影響因素[10].

3Fe2++2PO43-=Fe3(PO4)2

(2)

圖3 不同投量下FeSO4·7H2O的除磷效果

2.4 含鐵PAC的最優(yōu)投量

采用水廠中廣泛使用的液態(tài)含鐵PAC作為除磷劑，外觀呈深褐色，結(jié)果如圖4所示.投量為25 mg/L時(shí)，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)除磷效果.其除磷機(jī)理是一系列鐵鋁鹽高聚物在形成的過程中，會(huì)裹脅部分磷酸根生成羥基絡(luò)合離子[4].該類物質(zhì)絮凝特性強(qiáng)，常伴隨著礬花的產(chǎn)生，沉降性良好.本試驗(yàn)采用去離子水，濁度很低，限制了絮凝絡(luò)合作用，最高除磷率為32%.

圖4 不同投量下PAC的除磷效果

2.5 鐵鹽復(fù)配除磷劑的探索

在明晰常見鐵鹽單一除磷最優(yōu)投量的基礎(chǔ)上，通過配制復(fù)合鐵鹽藥劑，意在強(qiáng)化除磷效率.以液態(tài)FeCl3·6H2O、Fe2(SO4)3、FeSO4·7H2O和PAC為基本組分，按照體積比2∶5∶1∶2混合，探索了該復(fù)合藥劑投量與除磷效率之間的關(guān)系，如圖5所示.從中可見，由于復(fù)合藥劑中鐵鹽的存在形態(tài)多樣，因此可以發(fā)揮多種除磷途徑(沉淀、絡(luò)合、混凝等)，且除磷效率隨著投量的增加而增大.考慮到投量過高會(huì)增加藥劑成本，在實(shí)際運(yùn)行中，建議在保證出水的前提下，盡量降低投藥量.例如按照1mL/L的投加量，可以實(shí)現(xiàn)30%的除磷率.

圖5 不同投量下復(fù)合藥劑的除磷效果

實(shí)際污水中含有很多懸浮物、膠體等雜質(zhì)離子，常投加某些吸附劑以協(xié)助去除.本研究在復(fù)合藥劑投量為1 mL/L的前提下，加入不同質(zhì)量的硅藻土為吸附劑，考察協(xié)助除磷的效果，如圖6所示.加入硅藻土后，除磷率提升的幅度有限，最優(yōu)硅藻土投量為5 mg/L，這可能是試驗(yàn)用水濁度較低所致.

圖6 不同硅藻土投量下的除磷效果

3 結(jié) 論

1)以FeCl3·6H2O、Fe2(SO4)3、FeSO4·7H2O和含鐵PAC為藥劑，分別處理PO43--P為12.4mg/L的原水，最優(yōu)投量分別為108.2、80.0、166.8和25 mg/L.

2)離子型鐵鹽和絮凝型鐵鹽分別通過結(jié)晶沉淀和絮凝絡(luò)合的途徑除磷.

3)相比于Fe3+、Fe2+在與PO43-結(jié)晶反應(yīng)生成沉淀的過程中，具有更高的除磷效率.

4)鐵鹽復(fù)混藥劑在除磷過程中，會(huì)發(fā)揮沉淀、絡(luò)合、混凝等多重作用，從而提高除磷率.

[1] 謝小明. 污水廠化學(xué)強(qiáng)化除磷技術(shù)的研究與實(shí)踐[J]. 中國給水排水，2016, 32(7)：92-95

[2] OEHMEN A, LEMOS P C, GARVALHO G,etal. Advances in enhanced biological phosphorus removal: from micro to macro scale[J]. Water Research, 2007, 41(11): 2271-2300.

[3] 郝曉地，衣蘭凱，王崇臣，等. 磷回收技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010,30(5): 897-907.

[4] 唐朝春，邵鵬輝，簡美鵬，等. 強(qiáng)化混凝除磷技術(shù)的研究進(jìn)展 [J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013, 52(4): 749-754.

[5] 國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[6] 謝經(jīng)良，劉娥清，趙 新，等. 不同形態(tài)鐵鹽的除磷效果[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012,10(6): 3429- 3432.

[7] 高 穎，袁林江，呂景花. 鐵鹽化學(xué)除磷對(duì)活性污泥生物除磷系統(tǒng)的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016,10(10): 5366-5372

[8] 樊 杰，胡 晗. 化學(xué)鐵鹽輔助除磷對(duì)生物除磷的影響研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013,36(2): 41-45

[9] 姚婧梅，張 智，任麗平，等. 化學(xué)除磷中Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)鹽對(duì)活性污泥系統(tǒng)的影響[J]. 中國給水排水，2012,28(9): 20-25

[10] 張 萌，邱 琳，于曉晴，等. 亞鐵鹽除磷工藝的優(yōu)化研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2012,32(7): 1223-1227.