除磷劑不同時空尺度下除磷效果研究

＊王磊 潘紅忠* 陳鵬

（1.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 湖北 430000 2.清水華明（武漢）生態(tài)科技有限公司 湖北 430000）

引言

水資源在不合理的使用過程中，常常因為氮、磷、鉀等元素含量超標而引起水體富營養(yǎng)化，其中尤以總磷超標最為麻煩[1]。目前比較常用的、成熟的除磷方法主要分為物化除磷法和生物除磷法，其中又以物化除磷法中的化學(xué)除磷法使用最為廣泛[2]。經(jīng)過實際應(yīng)用對比可知，相較于生物除磷法的技術(shù)條件要求高、適應(yīng)性差等缺點，化學(xué)除磷法的優(yōu)勢在于穩(wěn)定性強、達標可靠、見效快[3]。

化學(xué)除磷劑常用的金屬鹽當(dāng)屬鐵鹽的應(yīng)用最為廣泛，鐵鹽主要有硫酸亞鐵、聚合硫酸鐵、三氯化鐵及聚合氯化鐵等，鋁鹽主要有硫酸鋁、氯化鋁和聚合氯化鋁等[4]。鐵鹽除磷的作用機理是通過生成難溶性的磷酸鐵，將可溶態(tài)的磷轉(zhuǎn)化為不可溶的沉淀，以此脫離水體。但如今市場上的鐵鹽除磷劑種類繁多，良莠不齊，在工程實踐中，根據(jù)不同的工程規(guī)模、工程期限和水體水環(huán)境，在種類繁多的除磷劑中選擇一種性價比高的除磷劑十分重要。本文選擇四種成分不同的鐵鹽除磷劑，通過在不同時空尺度上的實驗，先優(yōu)選出除磷效果最佳、經(jīng)濟性最好的一種，然后將其在三個不同尺度上進行實驗，分析尺度效應(yīng)，為除磷劑在工程上的應(yīng)用提供參考。

1.材料與方法

室內(nèi)試驗，原水取自待實施除磷工程的水體，實驗前原水TP含量為0.254mg/L?？偭诇y定采用《GB 11893-89 水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》，使用島津UV2550紫外分光光度計測定。

(1)材料

本實驗選取A、B、C和D四種鐵鹽除磷劑進行試驗，其中A除磷劑主要成分為聚合氯化鐵、B的主要成分為聚合硫酸鐵、C的主要成分為硫酸亞鐵、D的主要成分為三氯化鐵?？偭讬z測標準參照《水質(zhì)總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》（GB 11893-1989）。

(2)實驗方法

化學(xué)除磷的就是在污水中投加金屬鹽類等除磷藥劑，形成不可溶性磷酸鹽或多聚磷酸鹽沉淀物，從而從水體中分離沉淀出去，達到除磷效果。

通過藥品介紹我們知道化學(xué)藥品除磷主要采用吸附法進行除磷，吸附法除磷技術(shù)有選擇性高、性能穩(wěn)定、可脫附再生、無二次污染等優(yōu)點[5]，以除磷劑使用量和pH為主要控制因素，1L水體中投放不同量的除磷劑，對比效果。

為了驗證在不同時空尺度下除磷劑的除磷效果，設(shè)置三組實驗，體積容量分別為1L、1m3和1000m3。為了對比幾大除磷劑的除磷劑效果，在實驗室做一個1L水體中投放除磷劑的實驗，實驗設(shè)2因素3水平正交表，如表1。

表1 試驗計劃表Tab.1 Test schedule

本實驗參考王龍輝[6]碩士論文結(jié)論：y=-0.02x+7，x為加藥量，y為TP濃度。1t水中，降解1ppm濃度的TP，需要投加50g左右的加藥量。

(3)結(jié)果分析

本實驗對比分析四個廠商生產(chǎn)的除磷劑的除磷效率，實驗結(jié)果和除磷效果情況如圖1：

圖1 除磷劑使用后的磷含量及下降幅度Fig.1 Phosphorus content and its decreasing range after the use of dephosphorizing agent

根據(jù)產(chǎn)品說明以及在實驗過程中的發(fā)現(xiàn)，除磷劑的除磷效率在第八天達到最佳，因此以第八天的磷含量計算除磷效率。由圖1可知，使用D除磷劑的水體總磷含量降幅達到了90.6%，使用C除磷劑的水體總磷含量降幅達到了89.0%，相較于使用B除磷劑的降幅76.7%和A除磷劑的降幅75.2%都要更加高效。所以通過實驗，分析不同的鐵鹽除磷劑的效率值 （磷去除率），初步篩選出的鐵鹽為C和D；但是通過對C和D的價格比較，最終選擇D除磷劑作為最終產(chǎn)品。

然后進行D除磷劑的投放量分別為25mg/L、50mg/L和100mg/L的梯度實驗，結(jié)果如圖2：

圖2 不同濃度除磷劑使用后磷含量及降幅Fig.2 Phosphorus content and decreasing range of different concentration phosphorus remover

所以根據(jù)實驗分析可知，在隨著除磷劑使用量增加的過程中水體總磷含量呈現(xiàn)下降的趨勢，而在除磷劑使用量為50mg/L時，除磷效果達到了82%；而在使用量為100mg/L時，磷的去除效率為88.3%，和50mg/L使用量時的磷去除率差別不大。通過上述分析最終確定最佳實驗投放藥物濃度為50mg/L，即處理每噸水體需要除磷劑50g。

在實驗室進行的實驗中，實驗尺度為1L體系，投加D三氯化鐵除磷劑的實驗組結(jié)果如圖3：

圖3 實驗室1L體系除磷實驗Fig.3 Experiment on phosphorus removal by 1L system

通過實驗，我們可以看出湖水的室內(nèi)除磷試驗效果良好，除磷效率達到了82%以上。

2.戶外試驗

(1)戶外小試

為模擬待實施除磷工程的水體除磷劑投放的實際工程情況，選取容量為1000L的兩個小池進行戶外小試，測試結(jié)果如下圖4：

圖4 戶外1000L體系除磷劑使用小試Fig.4 Outdoor trial 1000L system for phosphorus removal

通過上述分析，對戶外小池進行除磷劑投放后，戶外小池的總磷含量變化較大，以第八天的磷含量計算磷去除率，總磷去除率約為72%。

(2)戶外中試

為進一步模擬待實施除磷工程的水體除磷劑投放的實際工程情況，劃定片相對封閉水域做對標實驗，計算該相對封閉水體水量，按比例投放除磷劑；本次實驗旨在驗證： ①大型水體僅治理部分目標水域時的治理效果；②驗證除磷劑投放比例和安全性；③積累實際工程中除磷劑的投放經(jīng)驗。

①實驗方法

通過計算，相對封閉水體體積為1000m3，按照50mg/L投放比例，實驗區(qū)域總投放量為50kg，投放采用加水稀釋、水泵噴撒的方式進行。除磷劑投放后水體指標變化如圖5：

圖5 106L體系除磷劑使用中試Fig.5 Pilot test of phosphorus removal agent in 106L system of Mingyuan Lake

通過以上數(shù)據(jù)，我們可以看出在三氯化鐵除磷劑使用之后，目標水體的總磷含量均在三類水標準（0.05mg/L）以下，但由于戶外天氣影響，所以水體的總磷含量有一定的起伏，不過最終水體的總磷含量趨近于0.031mg/L；實驗區(qū)域原水總磷含量為0.075mg/L，除磷效率約為58.7%。

②結(jié)果分析

通過工程應(yīng)用結(jié)果可知，除磷劑使用前后，原水水質(zhì)改善幅度較大，主要表現(xiàn)在：

A.室內(nèi)實驗感官效果提升顯著，水體由渾濁變清澈，透明度大幅度提高；室外水體透明度有所改善，改善幅度一般；室外小池透明度未見明顯改善。B.TP濃度降幅明顯，室內(nèi)實驗從湖庫劣五類水（0.254mg/L）提升到三類水（0.05mg/L）左右，除磷率高；室外1m3小池，磷去除率平均為53%左右；室外封閉水體水質(zhì)為Ⅲ類水，水質(zhì)較好，改善幅度小，磷去除率為37.3%左右。C.工程應(yīng)用過程中，水生動植物生長一切正常，沒有破壞生物生長的環(huán)境，但水體的pH變小，這是三氯化鐵作用過程中消耗堿度造成的，堿度降低將會影響脫氮過程中的硝化反應(yīng)，因此應(yīng)適當(dāng)增加堿度[7]。

在戶外實驗的應(yīng)用過程中，D的除磷效果明顯，應(yīng)用在水質(zhì)較差的水體中效果更佳。中試結(jié)果，驗證了除磷劑在天然水體中使用的生物安全性，也驗證了湖泊中取部分水域投放除磷劑的可行性和有效性。

3.結(jié)論

通過對四種除磷劑的對比性實驗和對目標除磷劑在不同時空尺度下的實驗，可以得出如下結(jié)論：

（1）室內(nèi)實驗中A、B、C和D四個不同成分的鐵鹽除磷劑的除磷效果：D三氯化鐵和C硫酸亞鐵的除磷效率高于A聚合氯化鐵和B聚合硫酸鐵；而結(jié)合經(jīng)濟價值分析，D的綜合價值優(yōu)于C，所以最終選擇D氯化鐵除磷劑作為目標除磷劑。

（2）在不同尺度和水體磷含量下的除磷效果如下圖6。 由上圖我們可知，隨著水體磷含量和治理區(qū)域水體體積的變化，除磷效果會受到一定的影響，治理區(qū)域變大除磷效果會減弱；在水質(zhì)較好的水域，除磷效果會被削減，所以在水質(zhì)越差的水體中除磷劑的除磷效果越好；而在實際的應(yīng)用中需要根據(jù)治理區(qū)域的大小對用量進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，即1000L體系的戶外使用的除磷效率占實驗室1L體系的87.8%，戶外1000000L體系的除磷效果占室內(nèi)1L體系的71.6%，在實際應(yīng)用中根據(jù)所需適當(dāng)調(diào)整，達到最佳的除磷效率。

圖6 不同尺度及磷含量下除磷效果Fig.6 Effect of phosphorus removal at different scale and phosphorus content

（3）在實際水體治理中，要達到預(yù)期除磷效果，根據(jù)相關(guān)文獻論述、廠家推薦使用量都為50mg/L；而在實驗室的實驗過程中，通過對比除磷劑使用量50mg/L的除磷率為82%，使用量100mg/L的除磷率為88.3%，藥劑使用量增加一半，除磷率增幅不大；因此考慮到治理成本，最后選擇在工程應(yīng)用中除磷劑投放量為50mg/L。同時在使用過程中應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾訅A度，以維持水體脫氮對的最佳效果。