城市污水廠鐵鹽強(qiáng)化除磷試驗(yàn)研究

□文/高亞賓 謝慎琳 崔 涵

城市污水廠主要是通過(guò)微生物的作用去除水中的污染物。但生物處理過(guò)程中脫氮和除磷往往相互抑制，生物法同時(shí)脫氮除磷較難達(dá)GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，因此現(xiàn)在城市污水廠多采用化學(xué)藥劑輔助除磷方法，化學(xué)藥劑輔助除磷多根據(jù)加藥點(diǎn)的不同分為前置加藥除磷、協(xié)同加藥除磷和后置加藥強(qiáng)化除磷。本試驗(yàn)研究了后置強(qiáng)化化學(xué)除磷，通過(guò)混凝試驗(yàn)，考察了三氯化鐵（FeCl3·6H2O）、聚鐵鹽（PFS）絮凝劑的除磷效果、影響因素及其他污染物的去除情況。

鐵鹽除磷的機(jī)理

在各種陰離子中，磷酸根對(duì)Fe3+水解行為影響最為突出，它可以取代與Fe3+結(jié)合的部分羥基，形成堿式磷酸鐵復(fù)合絡(luò)合物，改變Fe3+的水解路徑。Roger[1]等用IR光譜研究得出，氫氧化鐵凝膠及各種鐵氧化物都能吸附大量的磷酸根，其IR光譜表明有雙核絡(luò)合物存在，推斷PO43-置換了兩個(gè)相鄰的OH-官能團(tuán)并在兩個(gè)Fe3+之間形成了橋。因此鐵鹽不僅僅是通過(guò)生成FePO4沉淀除磷，F(xiàn)e3+和OH-及PO43-之間的強(qiáng)親和力，使溶液中可能會(huì)有Fe2.5PO4（OH）4.5及Fe1.6H2PO4（OH）3.8等難溶絡(luò)合物生成且生成的絡(luò)合物表面有很強(qiáng)吸附作用，通過(guò)吸附作用可除去更多的磷。

試驗(yàn)部分

儀器與試劑

07HWS-2數(shù)顯恒溫恒速磁力攪拌器；pHS-3B精密pH計(jì)；UV2450紫外分光光度計(jì)；電子天平；LDZX-50FAS立式電熱壓力蒸汽滅菌鍋；普通定性快速濾紙；FeCl3·6H2O；聚丙烯酰胺；聚鐵鹽。

分析方法

TP——鉬酸銨分光光度法；pH值——玻璃電極法；COD——重鉻酸鹽法；NH4-N——蒸餾和滴定法；TN——堿性過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法。

試驗(yàn)方法

混凝試驗(yàn)用水取自某污水廠二沉池出水，該污水廠采用A/O脫氮工藝，二沉池出水水質(zhì)為pH——6～8；總磷TP（以P計(jì)）——1～3 mg/L；NH3-N——＜5 mg/L；TN——15～25 mg/L；COD——＜50 mg/L。

混凝方法參照文獻(xiàn) [2]，取500 mL水樣裝于燒杯中，然后將燒杯放在磁力攪拌器上，開(kāi)動(dòng)攪拌器，550 r/min條件下快速攪拌1 min，逐漸放慢攪拌強(qiáng)度，10 min后，靜沉30 min后取上清液或用普通濾紙過(guò)濾，測(cè)定TP及其他污染物去除情況。

結(jié)果與討論

攪拌強(qiáng)度對(duì)除磷的影響

攪拌強(qiáng)度為350 r/min和200 r/min條件下，聚鐵鹽和FeCl3對(duì)TP的去除效果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 攪拌強(qiáng)度對(duì)聚鐵鹽除磷影響

圖2 攪拌強(qiáng)度對(duì)FeCl3除磷的影響

當(dāng)聚鐵鹽（以Fe3+計(jì)）投加量為2.2 mg/L和4.4 mg/L，F(xiàn)eCl3（以Fe3+計(jì)）投加量為2 mg/L時(shí)，分別對(duì)TP=2.89 mg/L和2.17 mg/L水樣以較高的速度攪拌，TP的去除率分別提高了15%、10%和10%；當(dāng)鐵鹽投加量繼續(xù)增大時(shí)，在一定范圍內(nèi)攪拌強(qiáng)度對(duì)TP的去除率影響不大，這是由于鐵鹽投加量較低時(shí)，較強(qiáng)的攪拌速度可以促進(jìn)鐵鹽的水解，增加分子間碰撞結(jié)合的機(jī)會(huì)，提高TP的去除率；當(dāng)鐵鹽投加量較高時(shí)，鐵鹽的水解受鐵鹽濃度的影響較大，水解過(guò)程較快且較容易與磷結(jié)合，而受攪拌條件的影響相對(duì)較小，同時(shí)攪拌強(qiáng)度較大時(shí)反而不利于礬花的形成，從而降低了礬花對(duì)難沉降細(xì)小顆粒的吸附作用，一定程度上降低了TP的去除率。圖1和圖2還表明鐵鹽用量較大時(shí)較低的攪拌強(qiáng)度更有利于TP的去除。

pH值對(duì)除磷的影響

溶液的pH值直接影響鐵離子的水解形態(tài)，當(dāng)溶液中酸過(guò)量時(shí)，F(xiàn)e3+離子主要以[Fe（H2O）6]3+形式存在[3]，隨著pH值增大，水解度增大，縮合度也增大，進(jìn)而影響到與磷酸根離子發(fā)生反應(yīng)后生成的化合物的形態(tài)。在pH為3～10的范圍內(nèi)考察鐵鹽除磷的效果，見(jiàn)圖3。

在酸性條件下，pH由3上升到6時(shí)，鐵鹽對(duì)TP的去除率隨pH升高而升高，因?yàn)樵诖藀H范圍內(nèi)有穩(wěn)定的FePO4沉淀生成。在pH值為6～8的范圍內(nèi)，鐵鹽對(duì)TP有較理想的去除效果，因?yàn)樵诖藀H范圍內(nèi)，鐵鹽的水解產(chǎn)物能有效地結(jié)合水中的磷酸根離子并生成穩(wěn)定的、具有良好吸附作用的羥基磷酸鐵絡(luò)合物，使TP的去除率提高，可用式（1）表示[1]。

當(dāng) r=1時(shí)，沉淀物為FePO4，溶度積 logKsp=23；當(dāng)r=2.5時(shí) ，沉淀物為 Fe2.5PO4(OH)4.5，溶度積logKsp=97。

隨pH值的進(jìn)一步升高至9左右，由于絡(luò)合物中的PO43-被溶液中越來(lái)越多的OH-取代，生成的沉淀以 Fe(OH)3為主，使得溶液中殘余總磷濃度增加，導(dǎo)致去除率有所降低。聚鐵鹽在中性和弱堿性范圍內(nèi)水解產(chǎn)物以高聚合物為主，所帶電荷數(shù)較高，因此在較寬的pH范圍內(nèi)，都有一定的電中和能力，所以除磷的適宜pH范圍較寬。但當(dāng) pH＞8時(shí)，受高濃度的OH-離子的影響，帶有較高電荷的聚鐵鹽水解產(chǎn)物會(huì)首先與OH-結(jié)合，生成 Fe(OH)3沉淀，減少了與磷酸根離子結(jié)合的機(jī)會(huì)，使TP去除率降低。

過(guò)濾和投加助凝劑對(duì)鐵鹽除磷的影響

試驗(yàn)對(duì)象是污水廠出水，濁度較低；單獨(dú)用鐵鹽混凝，當(dāng)鐵鹽投加量較低時(shí)，生成的絮體較松散且懸浮的細(xì)小絮體較多，需要較長(zhǎng)的沉降時(shí)間。助凝劑的加入可有效改善絮凝狀況并可縮短沉降時(shí)間。如圖4所示，中性條件下，在 10.5 mg/L的 FeC13（以 Fe3+計(jì)）中投加0.05 mg/L陰離子助凝劑PAM，使TP濃度為2.17 mg/L的水樣出水TP濃度降至0.5 mg/L以下。這是由于PAM的高分子吸附架橋作用提高了絮凝效率，使絮體成長(zhǎng)得更快更大，水中的溶解態(tài)PO43-以及反應(yīng)生成的FePO4微粒能吸附在絮體上沉淀去除[4]。在混凝沉降后，采用普通定性濾紙過(guò)濾，可在絮凝劑用量較少的情況下，獲得明顯的除磷效果。8.4 mg/L的FeC13(以 Fe3+計(jì) )，即可使同樣出水 TP濃度降至0.5 mg/L以下。這是因?yàn)檫^(guò)濾能將水中大部分已與鐵鹽相結(jié)合卻又難以沉降的磷酸鹽顆粒截留，這也是投加高分子助凝劑難以實(shí)現(xiàn)的。

圖4 過(guò)濾和投加助凝劑對(duì)FeCl除磷的影響

投加助凝劑和過(guò)濾對(duì)聚鐵鹽的影響見(jiàn)圖5。

投加助凝劑和過(guò)濾都能增加聚鐵鹽對(duì)TP的去除率，但投加助凝劑對(duì)除磷效果的影響不大，過(guò)濾則較大的提高了TP的去除率。因?yàn)榫坭F鹽屬于無(wú)機(jī)高分子絮凝劑，溶于水后起電性中和與吸附架橋作用，自身能生成較好的絮體，因此高分子助凝劑對(duì)其除磷效果的影響不大但過(guò)濾能有效地?cái)r截細(xì)小顆粒物質(zhì)，從而增加TP去除率。

聚鐵鹽和FeCl3除磷效果比較

聚鐵鹽由多聚合物組成，與FeCl3在除磷作用上有所不同，因此混凝效果和除磷效果也略有區(qū)別。在pH=7.32、TP=2.30 mg/L以及攪拌強(qiáng)度為200 r/min的條件下，比較了聚鐵鹽和FeCl3的混凝除磷效果，見(jiàn)圖6。

圖6 聚鐵鹽和FeCl3除磷效果比較

聚鐵鹽和FeCl3在用量較低時(shí)（＜16 mg/L）對(duì)TP的去除率差別較明顯，其中聚鐵鹽的除磷效果明顯優(yōu)于FeCl3，隨著鐵鹽用量的增加這種差別逐漸縮小。當(dāng)鐵鹽投加量＞16 mg/L時(shí)兩種鐵鹽的除磷效果相當(dāng)，剩余TP濃度＜0.5 mg/L。

結(jié)論

（1）在鐵鹽用量合適的情況下，攪拌強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)對(duì)TP的去除率無(wú)明顯影響。

（2）鐵鹽除磷適宜的pH值范圍為6～8。

（3）對(duì)總磷濃度為2.94 mg/L和2.17 mg/L的水樣，聚鐵鹽和三氯化鐵用量分別為13.2 mg/L和12.6 mg/L時(shí)，可使出水總磷濃度降至0.5 mg/L以下。

（4）投加助凝劑或過(guò)濾能有效改善鐵鹽除磷效率，降低鐵鹽用量。

（5）聚鐵鹽和三氯化鐵相比，具有更強(qiáng)的除磷效率。

[1]Roger L P，Roger J A.The mechanism of phosphatefixation by iron oxides[J].Soil Sci Soc Amer Proc，1975，39：837-841.

[2]蔡康煜.水的混凝及絮凝杯罐試驗(yàn)方法的研究[J].化學(xué)清洗，1998，14（06）：1-7.

[3]呂俊芳，陳小利，張理平，等.三價(jià)鐵鹽的水解原理及水溶液的配制方法[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2003，22（3）：65-67.

[4]Mahmut Ozacar，I Ayhan Sengil.Enhancing phosphate removal from wastewater by using polyelectrolytes and clainjection[J].Journal of Hazardous Materials，2003，100（1/3）：131-146.