化學(xué)強(qiáng)化除磷在生活污水處理中研究的進(jìn)展

張煥莉 南國英,2 代學(xué)民,2 楊孟林 郭嘉宇 張高偉 任淑萍

1河北建筑工程學(xué)院（075000）2河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗室（075000）

0 前言

研究表明，氮、磷等是植物生長的主要營養(yǎng)物質(zhì)，一般在淡水水體中的營養(yǎng)物質(zhì)是磷，減少水體中磷的含量會限制植物的生長[1]。早期，人們將污水直接排放到水體，但污廢水負(fù)荷太高，水體凈化負(fù)擔(dān)過重，造成水體富營養(yǎng)化，磷含量較高，需要化學(xué)強(qiáng)化除磷。傳統(tǒng)的生物脫氮除磷技術(shù)中脫氮菌與除磷菌之間存在競爭關(guān)系，TP出水指標(biāo)不能達(dá)標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，只能先保障生物脫氮的穩(wěn)定，后續(xù)添加化學(xué)絮凝劑輔助除磷?；瘜W(xué)藥劑除磷雖在應(yīng)用以來取得了良好的效果，但是還存在一些問題，化學(xué)藥劑投加量大、處理后的污泥處置問題一直是久懸不決的問題。高效、低成本、低耗、無二次污染的除磷材料目前成為研究的重點(diǎn)。化學(xué)沉淀法、吸附法等是目前國內(nèi)外除磷的主要方法。

1 化學(xué)沉淀法除磷

一般金屬的正磷酸鹽沉淀的溶解度很低，所以通過投加可溶性金屬鹽與水中溶解性正磷酸鹽配位體反應(yīng)生成難溶性固體，最終聚集成沉淀去除。一般認(rèn)為，磷的去除包括正磷酸鹽沉淀、沉淀發(fā)揮吸附架橋和卷掃作用吸附磷酸根離子兩個方面。鋁鹽、鐵鹽材料易得，是化學(xué)法除磷的常用藥劑。

1.1 鋁鹽除磷劑

鋁鹽常用除磷劑有硫酸鋁、鋁酸鈉和聚合鋁，其中常用的是硫酸鋁。污水中存在OH-和PO43-配位體，投加鋁鹽后發(fā)生兩個反應(yīng)過程[2]:主反應(yīng)，鋁離子與正磷酸根離子直接反應(yīng)生成磷酸鋁沉淀；副反應(yīng)，鋁離子與水反應(yīng)形成羥基配合物和固體氫氧化鋁。羥基配合物通過吸附架橋、電性中和、網(wǎng)補(bǔ)和卷掃作用使其脫穩(wěn)發(fā)生沉淀[3]。不同pH下所形成的沉淀類型和沉淀優(yōu)勢區(qū)域也不同。在pH＝5.5時固體磷酸鋁的溶解度最小，pH>5.5時氫氧化鋁固體占優(yōu)勢區(qū)域，pH<5.5時磷酸鋁固體占優(yōu)勢區(qū)域。因此，pH值是鋁鹽除磷過程中重要因素之一。在鋁鹽除磷過程中需要注意鋁鹽的用量，鋁鹽過多可能會導(dǎo)致排放水體中鋁的超標(biāo)。由于動植物間食物鏈的關(guān)系，鋁元素可能會逐漸富集對動植物造成一定傷害[4]。

1.2 鐵鹽除磷劑

鐵鹽常用除磷劑有三氯化鐵、氯化亞鐵、硫酸鐵和硫酸亞鐵，最常用的是三氯化鐵。污水中投加鐵鹽后反應(yīng)過程是與鋁鹽類似的。一方面，鐵離子與磷酸根離子反應(yīng)生成磷酸鐵；另一方面，鐵離子水解并聚和縮聚反應(yīng)生成多核羥基配合物。反應(yīng)消耗溶液中的堿度，使pH值下降。pH值影響磷酸鹽沉淀的溶解度，所以要注意鐵鹽除磷劑的最佳pH值范圍[5]。鐵鹽絮凝劑除磷的最佳pH值為6～7，而Fe2+在pH偏堿性時才能取得最大除磷效果，比污水處理廠中處理污水的pH高。在水中FePO4沉淀性能的穩(wěn)定性比Fe3(PO4)2好，所以二價鐵鹽一般不作后置投加。在污水處理廠中，為使二價鐵鹽絮凝劑達(dá)到最佳除磷效果，一般前置投加在曝氣沉砂池中，使二價鐵充分氧化成三價鐵。鐵鹽在污水處理廠中的應(yīng)用還是比較廣泛的，需要注意的是鐵鹽出水濁度和色度較高的問題。葛冬冬等[6]試驗研究了對臭氧化污泥減量工藝出水投加亞鐵鹽和三價鐵鹽后的除磷效果，得出了三價鐵鹽比亞鐵鹽處理效果好，而且兩者混合投加時效果會更好。張萌等[7]試驗從反應(yīng)原理、機(jī)理、成本等多個方面比較了常用二價、三價價態(tài)鐵鹽的除磷效果。結(jié)果表明，高鐵鹽除磷效果優(yōu)于亞鐵鹽。

1.3 影響因素

化學(xué)除磷的影響因素主要有pH值、投藥量等。不溶性沉淀的溶解度受pH值影響較大，因此化學(xué)藥劑除磷產(chǎn)生的磷酸鹽沉淀與pH值有關(guān)。一般，pH值對除磷效果的影響是先增大后減小，pH值較低或較高都不利于磷酸鹽的去除。試驗中觀察在不同pH值金屬鹽或絮凝劑與磷酸鹽反應(yīng)產(chǎn)生沉淀的情況，得到最小溶解度對應(yīng)pH值的范圍，使其除磷效果較好。

投藥量對化學(xué)除磷也有影響，水中磷含量的大小決定了投藥量的多少。投藥量較少出水指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，投藥量較大除磷效果可能也不理想。研究表明，藥劑投加量超過一定值時，磷去除率會減少，原因可能是脫穩(wěn)的膠粒由于膠體保護(hù)作用再次穩(wěn)定。

藥劑的投加點(diǎn)也會對磷的去除造成影響。藥劑可投加在生物反應(yīng)池之前、之中、之后，稱之為前沉析、同步沉析、后置沉析。前沉析時反應(yīng)會處理一部分污水中含碳、含氮有機(jī)物，對后續(xù)的生物脫氮部分產(chǎn)生制約，需要進(jìn)一步優(yōu)化用于以生活污水為主的城鎮(zhèn)污水廠。

2 吸附法除磷

吸附法操作簡單、經(jīng)濟(jì)、吸附能力強(qiáng)、吸附容量大，有良好的吸附劑靶向性和穩(wěn)定性、無二次污染等特點(diǎn)，成為近年來研究熱點(diǎn)。吸附劑達(dá)到最大吸附容量時，可通過再生技術(shù)循環(huán)利用。

目前，用于吸附除磷研究最多的吸附劑是金屬氧化物類吸附劑、硅酸鹽類吸附劑、固體廢棄物類吸附劑。金屬氧化物類吸附劑是將金屬氧化物或氫氧化物與其他物質(zhì)配制成合成吸附劑，主要是通過吸附劑與磷酸鹽之間的靜電吸附力、離子交換、配位交換去除水中的磷。

硅酸鹽類吸附劑雖具有吸附劑的比表面積大、吸附容量大的特性，但對磷酸鹽的吸附?jīng)]有靶向性，而且對磷的吸附量少。改性后的天然硅酸鹽類吸附劑會提高除磷率。

固體廢棄物類吸附劑中研究最多的是鋼渣。鋼渣是煉鋼產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢料，其成分有鈣、鐵、鎂、鋁等會使正磷酸鹽沉淀的金屬氧化物[8]。鋼渣因具有孔徑結(jié)構(gòu)、比表面積大、高效低耗、成本低、易獲得，成為除磷研究熱點(diǎn)。鋼渣溶于水在酸性環(huán)境會釋放出金屬離子，與水中磷酸鹽反應(yīng)生成不溶性沉淀物。

與傳統(tǒng)的金屬鹽混凝劑相比，混凝劑與鋼渣微粉混合后的除磷效果更佳。唐慶杰等[9]在試驗中進(jìn)行了只加PFS+PAM和PFS+PAM+鋼渣微粉兩組試驗，通過觀察并記錄，對沉降體積和生成的絮體進(jìn)行SEM成像分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，投加鋼渣微粉一組的PFS投加量下降，并且溶液中TP含量的降低率高。

3 結(jié)語

金屬鹽除磷在機(jī)理、影響因素等方面的研究目前比較成熟，在形成難溶性磷酸鹽沉淀的過程中與氫氧根沉淀存在競爭關(guān)系，pH值成為影響除磷效率的最大因素。此外，金屬鹽除磷存在的最大問題是藥劑投加量大、費(fèi)用高，尋找一種高效、低成本的除磷材料是未來的發(fā)展方向。

普通鋼渣和改性鋼渣均對磷的去除有較好的效果，考慮將鋼渣與絮凝劑復(fù)合處理含磷生活污水，既能減少絮凝劑的使用降低成本，又能將固體廢棄物鋼渣廢物利用、變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。