不同化學(xué)藥劑的除磷效果及經(jīng)濟(jì)性分析

賈軍峰,吳俊奇,王真杰,鄧易芳,孫鵬展

(1.北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044;2.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心，北京 100835；3.倍適科技有限公司，北京 100124)

污水除磷處理方法有物理法、化學(xué)法和生物法，化學(xué)除磷是使水中的磷轉(zhuǎn)化為不溶性磷酸鹽沉淀[1]。當(dāng)污水中磷含量較高時(shí)，生物除磷法不易使出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[2]。化學(xué)除磷作為污水處理廠生物除磷的補(bǔ)充，可以進(jìn)一步降低出水總磷濃度，使出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[3]。

化學(xué)法除磷包括化學(xué)沉淀法和化學(xué)絮凝法。污水中的磷以有機(jī)磷、聚磷酸鹽和正磷酸鹽形式為主，投加金屬鹽或絮凝劑，可將污水中磷轉(zhuǎn)移至沉淀中并及時(shí)排出，從而實(shí)現(xiàn)污水除磷。常用的金屬鹽包括鈣鹽、鐵鹽、鋁鹽，鈣鹽主要是氫氧化鈣，鐵鹽主要有三氯化鐵、硫酸亞鐵，鋁鹽主要是硫酸鋁[4]。常用絮凝劑有聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁和聚合氯化鋁鐵等[5-6]。

改良UCT工藝的小型污水實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)水總磷平均含量為15.4 mg/L，出水總磷平均含量為2.2 mg/L，生物除磷平均去除率為86%，雖總磷大部分去除，但是未達(dá)到北京地標(biāo)B/A級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，故需進(jìn)一步對(duì)裝置出水進(jìn)行化學(xué)除磷實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品與儀器

聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵、鋁鐵復(fù)合藥劑、聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺、過(guò)硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸鹽等均為分析純；污水，取自改良UCT工藝的小型污水裝置的出水，水質(zhì)見表1。

表1 污水水質(zhì)Table 1 Sewage quality

ZR4-6混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)；TU-1810型號(hào)紫外可見分光光度計(jì);BOXUN立式壓力蒸汽滅菌器；Milwaukee pH56筆式酸度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

打開混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)開關(guān)，抬起攪拌槳，洗凈攪拌杯并放在攪拌機(jī)對(duì)應(yīng)位置。用玻璃棒攪勻水樣，用量筒準(zhǔn)確量取1 000 mL水樣(并設(shè)置空白實(shí)驗(yàn))，迅速倒入攪拌杯，測(cè)定pH后放下攪拌槳。用TopPette移液槍準(zhǔn)確吸取化學(xué)除磷藥劑至攪拌杯中，混凝攪拌15 min，抬起攪拌槳，靜置20 min。打開取樣閥，接取100 mL，測(cè)定上清液pH和TP。攪拌杯里的水樣進(jìn)行過(guò)濾，烘干后測(cè)其重量，與未投藥的對(duì)比，確定污泥產(chǎn)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 主次因素分析

為了確定化學(xué)除磷法中藥劑種類、投加量和反應(yīng)時(shí)間的主次關(guān)系，以改良UCT工藝的小型污水裝置的出水進(jìn)行3因素4水平化學(xué)除磷正交實(shí)驗(yàn)[L16(43)]，出水的總磷含量為2.70 mg/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 L16(43)化學(xué)除磷正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 L16(43)Orthogonal experimental results of chemical phosphorus removal

由表2可知，主次因素為A>B>C，即藥劑種類>藥劑投加量>反應(yīng)時(shí)間。4種藥劑的除磷效果：鋁鐵復(fù)合藥劑>聚合硫酸鐵>聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺>聚合氯化鋁鐵。即鋁鐵復(fù)合藥劑除磷效果最好，投加量為20 mg/L時(shí)，出水總磷含量為0.28 mg/L，可達(dá)到北京地標(biāo)B級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。上述4種化學(xué)藥劑的出水總磷均未達(dá)到北京地標(biāo)A級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，需擴(kuò)大藥劑的投加范圍。

2.2 化學(xué)藥劑最佳投加量的確定

改良UCT工藝的小型污水裝置出水總磷含量為2.70 mg/L，反應(yīng)時(shí)間17 min，對(duì)聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵、鋁鐵復(fù)合藥劑、聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺4種化學(xué)藥劑進(jìn)行最佳投加量實(shí)驗(yàn)，使?jié)M足北京地標(biāo)B/A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 聚合硫酸鐵 聚合硫酸鐵投加量對(duì)上清液TP和pH的影響見圖1，投加量對(duì)TP去除率的影響見圖2。

圖1 聚合硫酸鐵投加量對(duì)TP和pH的影響Fig.1 Effect of polymeric ferric sulfate dosage on TP and pH

圖2 聚合硫酸鐵投加量對(duì)TP去除率的影響Fig.2 Effect of polymeric ferric sulfate dosages on TP removal rate

由圖1和圖2可知，隨著聚合硫酸鐵投加量的增加，上清液總磷含量降低，磷去除率增加，pH逐漸減少。投加大量化學(xué)藥劑，金屬鹽通過(guò)水解反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致pH顯著降低[7]。當(dāng)投加量為100 mg/L，pH由8.36降至7.68，上清液含磷量為0.30 mg/L，磷去除率89%；當(dāng)投加量為120 mg/L，pH由8.36降至7.55，上清液含磷量為0.20 mg/L，磷去除率為93%，滿足北京地標(biāo)B/A級(jí)排放要求。

2.2.2 聚合氯化鋁鐵 聚合氯化鋁鐵投加量對(duì)上清液TP和pH的影響見圖3，投加量對(duì)TP去除率的影響見圖4。

圖3 聚合氯化鋁鐵投加量對(duì)TP和pH的影響Fig.3 Effect of polyaluminium ferric chloride dosage on TP and pH

圖4 聚合氯化鋁鐵投加量對(duì)TP去除率的影響Fig.4 Effect of polyaluminium ferric chloride dosage on TP removal rate

由圖3和圖4可知，隨著聚合氯化鋁鐵投加量增加，上清液總磷降低，磷去除率增加，pH值逐漸減小。當(dāng)投加量為150 mg/L，pH由8.36降至7.81，上清液含磷量為0.28 mg/L<0.30 mg/L，磷去除率89%；當(dāng)投加量為180 mg/L，pH由8.36降至7.72，上清液含磷量為0.19 mg/L<0.20 mg/L，磷去除率93%，滿足北京地標(biāo)B/A排放要求。隨著投加量的增加，總磷去除率增幅不明顯，主要原因是上清液總磷含量大部分已經(jīng)去除，水中磷含量較低。

2.2.3 鋁鐵復(fù)合藥劑 鋁鐵復(fù)合藥劑投加量對(duì)上清液TP和pH的影響見圖5，投加量對(duì)TP去除率的影響見圖6。

圖5 鋁鐵復(fù)合藥劑投加量對(duì)TP和pH的影響Fig.5 Effect of aluminum-iron composite agent dosage on TP and pH

圖6 鋁鐵復(fù)合藥劑投加量對(duì)TP去除率的影響Fig.6 Effect of aluminum-iron composite agent dosage on TP removal rate

由圖5和圖6可知，隨著鋁鐵復(fù)合藥劑投加量的增加，上清液總磷降低，磷去除率增加，pH值逐漸降低。當(dāng)投加量19.2 mg/L時(shí)，上清液含磷量為0.30 mg/L， pH由8.52降至7.81磷去除率為89%；當(dāng)投加量25.6 mg/L時(shí)，上清液含磷量為0.19 mg/L<0.20 mg/L，pH由8.36降至7.56，磷去除率為93%，滿足北京地標(biāo)B/A級(jí)排放要求。

2.2.4 聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺 以聚合氯化鋁為化學(xué)藥劑，聚丙烯酰胺為助凝劑，反應(yīng)時(shí)間17 min，實(shí)驗(yàn)因素為聚合氯化鋁投加量和聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺之比， 聚丙烯酰胺投加量為聚合氯化鋁的1/1 000。聚合氯化鋁不同投加量對(duì)應(yīng)上清液TP和pH變化關(guān)系曲線見圖7，不同投加量TP去除率見圖8。

上述發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成了馬克思在“強(qiáng)調(diào)自然”和“強(qiáng)調(diào)政治”“聯(lián)盟”的意義上，接受費(fèi)爾巴哈的重要原因。恩格斯后來(lái)回顧這段歷史時(shí)曾經(jīng)提到：“‘體系’被炸開并拋在一旁了，矛盾既然僅僅存在于想象之中，也就解決了?！覀円粫r(shí)都成為費(fèi)爾巴哈派了?！?馬克思、恩格斯，2012c：228)然而，并不為恩格斯所知曉的，或者說(shuō)為馬克思所刻意隱匿起來(lái)的是，后者一段失敗了的費(fèi)爾巴哈式的理論建構(gòu)——《1844年經(jīng)濟(jì)學(xué)哲學(xué)手稿》中的異化勞動(dòng)理論。

圖7 聚合氯化鋁投加量對(duì)TP和pH的影響Fig.7 Effect of polyaluminum chloride added amount on TP and pH

圖8 聚合氯化鋁投加量對(duì)TP去除率的影響Fig.8 Effect of polyaluminum chloride dosage on TP removal rate

由圖7和圖8可知，聚合氯化鋁投加量越大，總磷含量越低， pH值變化不大。當(dāng)聚合氯化鋁投加量為250 mg/L、聚丙烯酰胺投加量為0.25 mg/L，上清液總磷為0.29 mg/L<0.30 mg/L，pH由8.36降至8.09，磷去除率為89%；當(dāng)投加量為300 mg/L、聚丙烯酰胺投加量為0.30 mg/L，上清液總磷為0.20 mg/L， pH由8.36降至8.04，磷去除率為93%，滿足北京地標(biāo)B/A級(jí)排放要求。

2.3 化學(xué)藥劑經(jīng)濟(jì)性分析

考慮到化學(xué)藥劑的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵、鋁鐵復(fù)合藥劑、聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺等4種化學(xué)藥劑進(jìn)行成本分析，不同藥劑的最佳加藥量及藥劑費(fèi)用見表3。

表3 不同藥劑的最佳加藥量及藥劑費(fèi)用Table 3 Optimal dosage and cost of different reagents

由表3可知，在北京地標(biāo)B/A排放標(biāo)準(zhǔn)下，4種藥劑的最佳投加量大小：聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺>聚合氯化鋁鐵>聚合硫酸鐵>鋁鐵復(fù)合藥劑,4種化學(xué)藥劑經(jīng)濟(jì)性：鋁鐵復(fù)合藥劑>聚合氯化鋁鐵>聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺>聚合硫酸鐵,可見鋁鐵復(fù)合藥劑最經(jīng)濟(jì)且除磷效果最好。

2.4 污泥產(chǎn)量

污泥產(chǎn)量包括剩余污泥和化學(xué)污泥，剩余污泥有產(chǎn)量大、處理費(fèi)用高、易產(chǎn)生二次污染的特點(diǎn)。投加化學(xué)藥劑可以降低出水總磷的含量，但是會(huì)伴隨一些化學(xué)污泥的產(chǎn)生，減少污泥產(chǎn)量不僅可以降低處理費(fèi)用,還可以緩解對(duì)環(huán)境的壓力，污泥的減量化越來(lái)越備受關(guān)注。

2.4.1 鋁鐵復(fù)合藥劑投加量對(duì)化學(xué)污泥產(chǎn)量的影響 改良UCT工藝小型污水處理裝置出水SS為39.6 mg/L，鋁鐵復(fù)合藥劑投加量對(duì)化學(xué)污泥產(chǎn)量的影響見圖9。

圖9 鋁鐵復(fù)合藥劑投加量對(duì)化學(xué)污泥產(chǎn)量的影響Fig.9 Effect of aluminum-iron composite agent dosage on chemical sludge yield

由圖9可知，隨著鋁鐵復(fù)合藥劑投加量的增加，化學(xué)污泥產(chǎn)量逐漸增加。在滿足北京地標(biāo)B/A級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)下，鋁鐵復(fù)合藥劑投加量為19.2 mg/L時(shí)，化學(xué)污泥產(chǎn)量為46.1 mg/L，投加量為25.6 mg/L時(shí)，化學(xué)污泥產(chǎn)量為67.8 mg/L。

2.4.2 與其他工藝產(chǎn)泥量對(duì)比分析 在進(jìn)水TP為4.0～9.0 mg/L時(shí)，常規(guī) A2/O 工藝處理1 m3水污泥產(chǎn)量為130.4 g/m3，出水TP為0.76 mg/L，常規(guī) A2/O+厭/好氧交替工藝處理1 m3水污泥產(chǎn)量為81.1 g/m3，改良型 A2/O 工藝處理1 m3水污泥產(chǎn)量為80.5 g/m3，出水TP含量基本保持不變[8]。

SBR工藝處理1 m3水污泥產(chǎn)量為200 g/m3，SBR工藝加入超聲作用，回流比2∶14，超聲條件為25 kHz、1.6 W/mL、15 min時(shí)，污泥產(chǎn)量為82.4 g/m3，會(huì)產(chǎn)生磷的釋放現(xiàn)象[9]。SBR/OSA工藝，即序批式活性污泥法與厭氧反應(yīng)器結(jié)合，處理1 m3水污泥產(chǎn)量為27.3 g/m3，出水TP含量小于1.5 mg/L[10]。上述工藝出水TP均未達(dá)到北京地標(biāo)B/A排放標(biāo)準(zhǔn)。

改良的UCT工藝處理裝置未投加化學(xué)藥劑時(shí)處理1 m3水剩余污泥產(chǎn)量為28.8 g/m3，投加鋁鐵復(fù)合藥劑時(shí)處理1 m3水污泥產(chǎn)量為74.9 g/m3或96.6 g/m3，可達(dá)到北京地標(biāo)B/A排放標(biāo)準(zhǔn)?；瘜W(xué)污泥的產(chǎn)生量達(dá)到剩余污泥的1.6倍或2.4倍，可見化學(xué)除磷產(chǎn)泥量更大。與其他工藝相比，改良UCT工藝比常規(guī) A2/O 工藝、常規(guī) A2/O+厭/好氧交替工藝、改良型 A2/O 工藝、SBR工藝和加入超聲作用的SBR工藝污泥產(chǎn)量分別降低了77.9%，64.5%，64.2%，85.6%，65.0%，與SBR/OSA工藝污泥產(chǎn)量相差不大，但是SBR/OSA工藝出水TP未達(dá)到北京地標(biāo)B/A排放標(biāo)準(zhǔn)，改良UCT工藝采用化學(xué)除磷使出水達(dá)標(biāo)并產(chǎn)生化學(xué)污泥，但污泥產(chǎn)量相比其他工藝仍最低。

污泥減量主要是使污泥破解溶胞后利用微生物的內(nèi)呼吸作用進(jìn)行氧化分解，使排放到系統(tǒng)外的污泥量減少。一方面可以采取改進(jìn)工藝或組合工藝的方式；另一方面可以通過(guò)微型動(dòng)物捕食、隱性生長(zhǎng)、增加維持能量消耗和解偶聯(lián)生長(zhǎng)等方法進(jìn)行污泥減量[11]?？梢婇_發(fā)低污泥產(chǎn)率的污水處理技術(shù)、減少污泥產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)污泥從源頭減量意義重大。

3 結(jié)論

采用化學(xué)除磷法對(duì)改良UCT工藝的小型污水裝置出水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得出如下結(jié)論：

(1)藥劑種類對(duì)除磷效果影響最大，其次是投加量、反應(yīng)時(shí)間。

(2)4種化學(xué)藥劑經(jīng)濟(jì)性：鋁鐵復(fù)合藥劑>聚合氯化鋁鐵>聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺>聚合硫酸鐵。

(3)鋁鐵復(fù)合藥劑在裝置出水總磷含量為2.70 mg/L時(shí)，當(dāng)投加量19.2 mg/L，上清液含磷量0.30 mg/L；當(dāng)投加量25.6 mg/L，上清液含磷量0.19 mg/L，滿足北京地標(biāo)B/A排放標(biāo)準(zhǔn)。

(4)投加鋁鐵復(fù)合藥劑化學(xué)除磷會(huì)使水的pH降低0.7～0.8。

(5)改良的UCT工藝處理1 m3水需投加鋁鐵復(fù)合藥劑為19.2 g/m3，滿足北京地標(biāo)B級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，污泥產(chǎn)量為74.9 g/m3。當(dāng)投加鋁鐵復(fù)合藥劑為25.6 g/m3時(shí)，滿足北京地標(biāo)A級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，污泥產(chǎn)量為96.6 g/m3。與其他工藝相比，改良的UCT工藝在出水總磷達(dá)標(biāo)條件下，污泥產(chǎn)量仍最低。