低碳源城市污水處理廠化學(xué)除磷藥劑選擇試驗(yàn)研究

方欣昱 （河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝（如A/O、SBR）存在較多問題，如脫氮與除磷之間存在碳源競爭，致使污水廠很難獲得優(yōu)異的脫氮除磷效果，這種現(xiàn)象在低碳源型污水廠表現(xiàn)尤為嚴(yán)重。住建部“全國城鎮(zhèn)污水處理信息系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)顯示，污水的碳氮比（C/N）值偏低是我國城鎮(zhèn)污水處理廠的普遍性問題，多數(shù)城鎮(zhèn)污水的C/N值僅為3～4。造成低碳源進(jìn)水的原因有很多，主要原因是城市排水管網(wǎng)建設(shè)不完善，合流制排水體系使得城市污水低碳源現(xiàn)象較普遍。

對(duì)于低碳源城市污水廠，常采用化學(xué)除磷和外加碳源的方法，使得出水TP滿足排放要求?；瘜W(xué)除磷工藝是在生物除磷的基礎(chǔ)上投加絮凝劑，通過化學(xué)除磷的方法使出水TP降低到排放標(biāo)準(zhǔn)。絮凝劑的投加方式常采用同步投加（生物曝氣池）方式，如侯紅娟等就某低碳、高氮源污水，選擇聚合硅酸鐵作混凝劑，并將其直接投加到生物反應(yīng)器中（在好氧結(jié)束前30min投加），對(duì)于進(jìn)水TP為2.68～5.71mg/L，當(dāng)其投量為12.0mg/L（以Fe計(jì)）時(shí)，出水中的TP為0.34～0.50mg/L。汪咫就昆山港東污水處理廠進(jìn)水碳源濃度偏低的情況，開展向曝氣池投加亞鐵鹽進(jìn)行化學(xué)除磷的生產(chǎn)性試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)FeSO投藥量控制在n（Fe）:n（TP）≥1.50時(shí)，可使出水TP達(dá)標(biāo)。外加碳源的方法是投加甲醇或乙酸等降解有機(jī)物與生物營養(yǎng)物去除工藝的缺氧段和厭氧段，以滿足反硝化菌和聚磷菌對(duì)碳源的需求。

設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)（mg/L） 表1

10月平均進(jìn)、出水水質(zhì)（mg/L） 表2

本文基于某低碳源型城市污水處理廠，其化學(xué)除磷單元工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致除磷效果較差。在不改變其生化構(gòu)筑物前提下，通過分析不同藥劑的化學(xué)除磷效果，并考察了助凝劑聚丙烯酰胺（PAM）的助凝效果，優(yōu)選出最佳除磷藥劑以及投加量，對(duì)國內(nèi)同類低碳源污水廠運(yùn)行具有一定的參考意義。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)簡介

合肥市某污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模Q=5×10m/d。該污水處理廠采用微曝氣氧化溝（A/O）加化學(xué)除磷微絮凝工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918－2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)進(jìn)、出水質(zhì)情況，見表1。

化學(xué)除磷采用混凝、沉淀、過濾、消毒工藝（見圖1），二沉池的污水通過取水泵進(jìn)入混合絮凝階段，通過立式攪拌器混合，再經(jīng)過折板反應(yīng)，產(chǎn)生微小絮凝顆粒，然后經(jīng)配水后直接進(jìn)入濾池進(jìn)行過濾。實(shí)際運(yùn)行時(shí)化學(xué)除磷藥劑為堿式氯化鋁（5%），加藥混凝時(shí)間：混合2min，絮凝接觸2.5min。

圖1 污水處理廠化學(xué)除磷工藝流程

2 低碳源水質(zhì)運(yùn)行及除磷效果分析

該污水廠運(yùn)行階段（2020年10月）的實(shí)際平均進(jìn)、出水水質(zhì)見表2。

由表2可知，原水COD、BOD遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)進(jìn)水值，COD/TN=4.9，COD/TP=46.8，處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，出水TN、TP超標(biāo)。其中10月二沉池出水TP平均為1.76mg/L，生物段除磷率為53.2%。影響生物除磷效果的因素很多，進(jìn)水BOD/TP和處理系統(tǒng)的BOD負(fù)荷是主要因素，當(dāng)BOD/TP>20、BOD負(fù) 荷 為 0.21～0.50kgBOD/（kgMLSS·d），除磷效果較好。該廠實(shí)際進(jìn)水的BOD/TP=22，而BOD負(fù)荷為0.036kgBOD/（kgMLSS·d），生物除磷效果較差。

通常要想獲得較好的化學(xué)除磷效果，投加點(diǎn)距離出水口水力停留時(shí)間為15～20min，而該廠混合時(shí)間為2min，絮凝接觸時(shí)間僅為2.5min，化學(xué)除磷段設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致化學(xué)段除磷率較低?；瘜W(xué)段除磷率僅為18.2%。

水廠原生產(chǎn)上混凝劑采用PAC，但由于實(shí)際水質(zhì)和設(shè)計(jì)水質(zhì)存在較大的差異，并且水廠化學(xué)除磷段設(shè)計(jì)存在不合理處，水廠現(xiàn)有混凝劑已經(jīng)不能滿足實(shí)際除磷要求，有必要通過化學(xué)除磷試驗(yàn)選擇一種更加適宜的混凝劑并確定其最佳投加量，從而使深度處理后出水中總磷達(dá)到一級(jí)A要求。

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 儀器與試劑

儀器:TA6-4型程控混凝試驗(yàn)攪拌儀器；TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)；立式壓力蒸汽滅菌鍋。

混凝劑：PAC溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，水廠現(xiàn)用）、FeCl.（H0）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%）、Ca（OH），（含量99%）、聚丙烯酰胺（PAM）。

試驗(yàn)用水：取自二沉池出水。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用燒杯混凝試驗(yàn)考查混凝劑的除磷效果，然后進(jìn)行聚丙烯酰胺（陰、陽離子型）助凝試驗(yàn)。水樣在投加混凝劑前曝氣30min，以消除厭氧釋磷影響。通?；炷龑?shí)驗(yàn)加藥后先快速（250r/min）攪 拌 2min，在 慢 速（40r/min）攪 拌15min，靜置10min后取樣。試驗(yàn)?zāi)M該廠實(shí)際混凝時(shí)間，混凝操作分兩步：①快速混合：攪拌槳轉(zhuǎn)速200r/min，時(shí)間1min；②慢速反應(yīng)：攪拌槳轉(zhuǎn)速30r/min，時(shí)間2min，混凝后水樣靜置5min，測(cè)定1/3處上清液TP值，并設(shè)空白樣。PAC 配 置 濃 度 均 為 5g/L，F(xiàn)eCl、Ca（OH）配置濃度為 1.0g/L，PAM 配置0.1g/L。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 PAC、FeCl3、Ca（OH）2對(duì)除磷的影響

4.1.1 PAC

測(cè)得原水TP為1.23mg/L，PH為7.27。于400mL原水中分別投加10mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L、40mg/LPAC，其結(jié)果如圖2。由圖2知，隨著PAC的投加量的增大，TP的去除率逐漸增大。對(duì)于原水TP為1.23mg/L，當(dāng)PAC的投加量為25mg/L，出水TP濃度為0.36mg/L，TP去除率達(dá)71.2%。在慢攪拌過程中細(xì)小礬花形成較快，但聚合網(wǎng)捕作用不明顯，礬花輕，沉降較慢。由于水廠深度除磷單元混合絮凝時(shí)間短，導(dǎo)致采用PAC作為除磷劑，除磷效果不理想。

“道教以‘氣’為本的風(fēng)水觀念大約在三國時(shí)期傳入朝鮮半島，與朝鮮原始宗教中的山岳信仰相結(jié)合，形成了只有靠山川風(fēng)水之蔭佑，人才能獲得福壽的觀念。”[4]249 新羅末期，桐里山祖師道詵曾入唐學(xué)習(xí)中國地理之法，返回朝鮮半島后，著有《道詵秘記》，詳細(xì)講述了地理風(fēng)水之法，道詵和其著作在政治和文化上給古代朝鮮帶來了深遠(yuǎn)的影響。

圖2 PAC的投加量對(duì)TP去除率的影響

4.1.2 FeCl

測(cè)得原水TP為1.23mg/L，PH為7.27。于400mL原水中分別投加20mg/L、30mg/L、40mg/L、60mg/L、60mg/L/、80mg/LFeCl3溶液，其結(jié)果如圖3。由圖3知，當(dāng)20mg/L<投加量<30mg/L，TP的去除率增長緩慢；當(dāng)30<投加量<50mg/L，隨著投加量的增大，TP去除率增長加快；當(dāng)50mg/L<投加量<60mg/L，TP去除率增長緩慢，這是因?yàn)楫?dāng)鐵鹽投量過高時(shí)，雖然增加了水中絡(luò)合鐵離子的數(shù)量，但架橋所需的表面吸附活性點(diǎn)位卻減少了，同時(shí)由于同種粒子間的排斥作用而出現(xiàn)的分散穩(wěn)定現(xiàn)象，使鐵鹽與磷酸根生成的細(xì)小絮體較難沉降，導(dǎo)致TP和磷酸鹽去除率難以進(jìn)一步提高；當(dāng)投加量>60mg/L，隨著投加量的進(jìn)一步增加，TP去除率降低，這是因?yàn)殍F鹽與磷酸根生成的較難沉降的細(xì)小絮體增多，使T P的去除率降低。當(dāng)FeCl3投加量為50mg/L，出水TP濃度為0.19mg/L，TP去除率達(dá)84.8%。在慢攪拌過程中，礬花形成快，聚合網(wǎng)捕作用較明顯，礬花大而重，沉降較快，但礬花易打散。

圖3 FeCl3的投加量對(duì)TP去除率的影響

4.1.3 Ca（OH）

測(cè)得原水TP為1.57mg/L，PH為7.19。于400mL原水中分別投加為20mg/L、30mg/L、50mg/L、70mg/L、80mg/L、100mg/LCa（OH）2溶液，其結(jié)果如圖4。由圖4知，當(dāng)20mg/L<投加量<30mg/L，TP的去除率增長緩慢；當(dāng)投加量>30mg/L，隨著投加量逐漸增大，TP去除率增長的趨勢(shì)明顯。鈣離子在堿性條件下與水中PO生成難溶性羥基磷酸鈣時(shí)，當(dāng)PH升高，磷的去除率也隨之提高，這是因?yàn)镃a（OH）的加入使[OH]、[Ca]增大，易造成難溶性羥基磷酸鈣析出，除磷率隨之增加。當(dāng)投加量為80mg/L，出水 TP為0.38mg/L，除磷率為69%，PH為9.5。由于鈣鹽的投加會(huì)增大出水的PH，暫不考慮作為除磷劑使用。

圖4 Ca（OH）2的投加量對(duì)TP去除率影響

4.2 增投聚丙烯酰胺對(duì)PAC、FeCl3除磷效果的影響

試驗(yàn)將考察陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）、陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）協(xié)同PAC、FeCl對(duì)原水TP去除率的影響?？紤]到PAM投加會(huì)增加濾料的黏性，增大濾池反沖洗難度，PAM的投加量不宜超過0.2mg/L。本試驗(yàn)PAM投加量為0.2mg/L，改變混凝劑的投加量（分別投加10mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L、35mg/L、40mg/L），考察其對(duì)TP去除率的影響。

4.2.1 PAC

原水TP濃度為1.83mg/L，考察PAC的投加量對(duì)TP去除率的影響，其結(jié)果如圖5。由圖5知，三種投加方式，PAC的投加量越大，TP的去除率越大。三種投加方式對(duì)TP的去除率影響較小，投加APAM后除磷率稍高，投加CPAM除磷率降低。這是因?yàn)锳PAM的分子量更大，聚合網(wǎng)捕作用更強(qiáng)，另外帶正電的CPAM會(huì)吸附PO，從而影響沉淀的生成。當(dāng)PAC投加量為40mg/L，投加APAM，TP去除率為82.8%，在慢攪拌過程中，礬花形成較快，但聚合網(wǎng)捕作用不明顯，礬花細(xì)小，沉降慢，這可能與PAM投加量較小有關(guān)。

圖5 PAC投加量、PAM助凝對(duì)TP去除率影響

調(diào)試階段進(jìn)、出水水質(zhì)（mg/L） 表3

4.2.2 FeCl

圖6 FeCl3投加量以及PAM助凝對(duì)TP去除率的影響

4.3 討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，最適合該污水廠的化學(xué)除磷藥劑為FeCl和APAM。當(dāng)Fe?Cl投加量為40mg/L，APAM投加量為0.2mg/L，除磷率高達(dá)88.9%，礬花密實(shí)易沉降。FeCl約 3800元/t，APAM 約18000元/，污水處理成本為0.19元/t。水廠原先PAC投加量為25mg/L，30%PAC價(jià)格約1200元/t，其處理成本為0.1元/t。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)原污水工藝進(jìn)行改造，于化學(xué)除磷劑投加點(diǎn)后增加了APAM輔助除磷工藝。該廠于2020年11月10號(hào)加藥調(diào)試，結(jié)果如圖7所示。

由圖7知，進(jìn)水水質(zhì)TP濃度為3.0～6.0mg/L，二沉池出水TP濃度平均為1.84mg/L，出水TP濃度為0.15～0.5mg/L，滿足了排放要求。由此可見，投加三氯化鐵和PAM后除磷效果明顯提高。

圖7 調(diào)試階段TP的變化

該廠調(diào)試階段（2020年11月10～30號(hào)）平均進(jìn)、出水水質(zhì)見表3。

5 結(jié)論

對(duì)于低碳源型污水處理廠，其除磷效果較差，可以通過優(yōu)選化學(xué)混凝劑，達(dá)到出水TP≤0.5 mg/L標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)原水TP濃度為1.51mg/L，F(xiàn)eCl投 加 量 為 40mg/L，APAM投加量為0.2mg/L時(shí)，除磷率達(dá)88.7%，出水TP濃度為0.17mg/L，并且礬花大而密實(shí)，沉降快，可以彌補(bǔ)設(shè)計(jì)混凝時(shí)間過短的缺點(diǎn)。生產(chǎn)性試驗(yàn)證明，當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)TP濃度為3～6mg/L，在此投加量下，出水TP濃度為0.15～0.5mg/L，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于該污水廠混凝時(shí)間短，若對(duì)其化學(xué)除磷工藝進(jìn)行改造，將會(huì)大幅度加大其成本，試驗(yàn)通過優(yōu)選化學(xué)混凝劑，在不改變生化池等構(gòu)筑物的前提下，使TP達(dá)標(biāo)排放。