絮凝劑在自來水凈化和污水除磷中的應(yīng)用差異性

朱學(xué)紅 王 斌 李寶生 陳 楊(漯河市水務(wù)投資有限公司，河南 漯河 462000)

絮凝劑在自來水凈化和污水除磷中的應(yīng)用差異性

朱學(xué)紅 王 斌 李寶生 陳 楊
(漯河市水務(wù)投資有限公司，河南 漯河 462000)

對絮凝劑在自來水凈化及污水除磷中的機(jī)理差異性進(jìn)行了分析，結(jié)合絮凝劑在污水除磷方面的應(yīng)用實(shí)例，發(fā)現(xiàn)投加低PH值、低鹽基度絮凝劑和強(qiáng)化其初始投加混合強(qiáng)度，可提高絮凝劑除磷的凈化效果。

絮凝劑；自來水凈化；污水除磷；差異性

引言

水中存在著膠體顆粒，微粒直徑小于0.1μm，大于1nm，這些膠體顆粒都帶著同號的電荷，它們之間的靜電斥力和膠體微粒的布朗運(yùn)動，使其保持分散的懸浮狀態(tài)而呈現(xiàn)穩(wěn)定性，不能用重力自然沉降的方法除去。

絮凝劑廣泛應(yīng)用于水質(zhì)凈化處理中。在水中加入絮凝劑可使水中膠體顆粒通過聚集作用而形成可分離的大顆粒，從而使水質(zhì)得到凈化。水處理中最常用的是鋁鹽和鐵鹽。隨著水處理技術(shù)的發(fā)展，絮凝劑品種已發(fā)展到除無機(jī)鋁鹽、無機(jī)鐵鹽外，還有無機(jī)高分子絮凝劑、有機(jī)高分子聚合物等品種。本文以無機(jī)鋁、鐵鹽為例，對其在自來水水質(zhì)凈化和污水化學(xué)除磷應(yīng)用中的差異性進(jìn)行了分析，并就其在污水除磷中的應(yīng)用情況進(jìn)行實(shí)例探討，以供污水處理人員在輔助化學(xué)除磷過程中參考。

1 化學(xué)絮凝的機(jī)理

絮凝劑的化學(xué)絮凝機(jī)理較復(fù)雜，目前比較一致的解釋可概括為以下幾個方面[1]：一是壓縮水中膠體顆粒的雙電層、降低電動勢，使顆粒聚集起來，產(chǎn)生沉淀作用；二是吸附電中和膠體顆粒所帶的部分電荷，減少靜電斥力，使膠體顆粒之間形成聚集作用；三是吸附架橋聯(lián)接水中膠體顆粒，將膠體顆粒聯(lián)接在一起，使膠體顆粒聚集而形成絮凝體；四是沉淀物卷掃作用：即當(dāng)向水中投加較多的鋁鹽、鐵鹽作絮凝劑時，若投加量大得足以迅速沉淀氫氧化物Al(OH)3、Fe(OH)3時，水中膠體顆?？杀贿@些沉淀物在形成時所卷掃而共同沉淀。

1.1 絮凝劑的水解反應(yīng)

鋁鹽和鐵鹽是最常用的絮凝劑，以鋁鹽為例說明其水解過程。

鋁鹽和鐵鹽在水中都以三價鋁(Al3+)和三價鐵(Fe3+)的各種化合物存在。就以鋁鹽為例，不論鋁鹽以何種藥劑形態(tài)加入，在水溶液中即使鋁以單純離子狀態(tài)存在，也不是以Al3+而是以水合鋁絡(luò)離子[Al(H2O)6]3+狀態(tài)存在。當(dāng)pH<3時，在水中主要是這種狀態(tài)。如pH升高，水合鋁絡(luò)離子發(fā)生水解，生成羥基鋁離子。隨著PH的升高，最終將產(chǎn)生氫氧化鋁沉淀物。這個過程反應(yīng)如下：

1.2 絮凝劑的縮聚反應(yīng)

鋁鹽的水解反應(yīng)要復(fù)雜得多，實(shí)際上，鋁鹽水解過程中產(chǎn)生的羥基鋁離子，隨著分子中羥基離子(OH-)增加，各離子的羥基可發(fā)生架橋連接，產(chǎn)生多核羥基絡(luò)合物，也即高分子縮聚反應(yīng)。這個過程反應(yīng)如下：

生成物[Al2(OH)2(H2O)8]4+還可以進(jìn)一步被羥基架橋成多核聚合物[Al3(OH)4(H2O)10]5+等，生成的多核聚合物也會繼續(xù)水解，水解和縮聚反應(yīng)是交錯進(jìn)行，最終產(chǎn)生高聚合度的氫氧化鋁絮體沉淀。

2 化學(xué)沉析除磷的機(jī)理

化學(xué)除磷是通過化學(xué)沉析過程完成的，污水化學(xué)沉析是指通過向污水中投加無機(jī)金屬鹽藥劑，其與污水中溶解性的鹽類，如磷酸鹽混合后，形成顆粒狀、非溶解性的物質(zhì)，這一過程涉及的是所謂的相轉(zhuǎn)移過程，反應(yīng)方程舉例如下：

而沉析除磷反應(yīng)可以簡單的理解為：水中溶解狀的磷酸鹽，大部分由離子狀物質(zhì)轉(zhuǎn)換為非溶解、顆粒狀物質(zhì)的過程。許多高價金屬離子藥劑投加到污水中后，都會與污水中的溶解性磷離子結(jié)合生成難溶解性的化合物。出于經(jīng)濟(jì)原因，用于磷沉析的金屬鹽藥劑主要是鋁鹽、鐵鹽。

3 化學(xué)絮凝與化學(xué)沉析的差異性

3.1 絮凝與沉析的機(jī)理差異

絮凝是向水中投加一定量的鋁鹽、鐵鹽等類型絮凝劑，通過鋁鹽、鐵鹽的水解形成生成羥基鋁離子如[Al(OH)(H2O)5]2+、羥基鐵離子，隨著這些離子中羥基離子(OH-)增加，各離子的羥基可發(fā)生架橋連接，縮聚成多核羥基絡(luò)合物，生成的多核絡(luò)合物也會繼續(xù)水解，水解和縮聚反應(yīng)是交錯進(jìn)行。在鋁鹽、鐵鹽水解和縮聚的反應(yīng)過程中，水中的膠體顆粒能強(qiáng)烈吸附水解和縮聚反應(yīng)產(chǎn)物。被吸附的帶正電的多核羥基絡(luò)離子能夠壓縮雙電層、降低動電位，同時進(jìn)行著架橋作用，多核聚合物為兩個或兩個以上的膠?？梢运餐?，將兩個或兩個以上的膠粒架橋連接，膠體顆粒逐漸變大，逐步形成大絮凝體，進(jìn)而形成高聚合度的沉淀絮凝體。

而化學(xué)沉析是指通過向溶液中投加金屬鹽類等藥劑，這些金屬鹽類物質(zhì)與溶液中溶解性的鹽類發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶性物質(zhì)，這些不溶性物質(zhì)在新的溶液中沉淀下來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沉淀物的相分離。

3.2 自來水凈化與污水除磷工藝比較

自來水原水的凈化正是利用鋁鹽或鐵鹽等絮凝劑在水中的水解、縮聚形成的帶電高聚合度多核羥基氫氧化鋁(或鐵)，在絮凝反應(yīng)池中對水中存在的塵埃、腐殖質(zhì)、纖維素、菌藻或蛋白質(zhì)等分散性膠體顆粒，進(jìn)行壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋形成大的礬花，這些礬花又在斜管沉淀池中通過重力沉降的方式沉淀下來，一部分沒有來得及沉淀的小礬花被砂濾池進(jìn)一步攔截過濾出來，從而實(shí)現(xiàn)了自來水的凈化。

通過上面的比較可知，自來水的凈化主要發(fā)生化學(xué)絮凝反應(yīng)，而污水的除磷則是化學(xué)沉析與化學(xué)絮凝相伴發(fā)生。

4 污水處理除磷實(shí)例

4.1 污水廠運(yùn)行概況

某污水處理廠，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為8×104m3/d，二級處理系統(tǒng)采用Carrousel氧化溝工藝，三級處理系統(tǒng)采用網(wǎng)格絮凝沉淀+D型纖維濾池+二氧化氯消毒工藝，出水排放指標(biāo)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)進(jìn)、出水水質(zhì)如表1所示。

表1 進(jìn)、出水水質(zhì) mg/L

該污水處理廠實(shí)際進(jìn)水量約計(jì)9×104m3/d，其中工業(yè)廢水占該廠進(jìn)水量的40%左右。根據(jù)對該廠日常進(jìn)水水質(zhì)化驗(yàn)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水TP≥5mg/L的概率在67.3%，這主要是因?yàn)檫M(jìn)水中含有較多工業(yè)廢水，有含磷量較高的廢水進(jìn)入所致。

在實(shí)際污水處理運(yùn)行過程中，該廠出水指標(biāo)除SS和TP外，其余各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)出水指標(biāo)。

4.2 污水除磷

4.2.1 生物除磷

生物除磷的機(jī)理表明，只有除磷菌在厭氧條件下進(jìn)行充分釋磷，才能實(shí)現(xiàn)除磷菌在好氧條件下的大量吸收磷。相關(guān)研究表明[1]，除磷菌在厭氧條件下釋放1mg的磷可以在好氧區(qū)吸收2.54mg的磷，然后經(jīng)沉淀分離，把富含磷的剩余污泥排出系統(tǒng)，達(dá)到除磷的目的。該污水廠雖然在生物處理系統(tǒng)進(jìn)行了降低厭氧區(qū)、缺氧區(qū)溶解氧濃度等優(yōu)化運(yùn)行措施，但由于BOD5/TP比值較低，進(jìn)水營養(yǎng)物少，采用單一的生物除磷技術(shù)難以穩(wěn)定達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2.2 化學(xué)除磷

為解決出水TP的達(dá)標(biāo)問題，該廠進(jìn)行了輔助化學(xué)除磷處理，如圖1除磷系統(tǒng)工藝流程圖所示。

圖1 除磷系統(tǒng)工藝流程圖

(1)后置化學(xué)除磷

按照工程設(shè)計(jì)要求，在二級生物處理二沉池后增加了深度處理系統(tǒng)，用于化學(xué)除磷。參照工藝設(shè)計(jì)參數(shù)要求，在深度處理進(jìn)水管道混合器處(如圖1所示改造前投加位置)，按進(jìn)水量核算投加80～120mg/L的聚合氯化鋁，經(jīng)絮凝沉淀池處理后進(jìn)入D型濾池。D型濾池的出水指標(biāo)如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)，后置投加化學(xué)藥劑除磷后，只有出水TP不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，雖然反復(fù)進(jìn)行了工藝調(diào)整和藥劑選配，仍然滿足不了出水標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 D型濾池出水水質(zhì) mg/L

(2)氧化溝出水口投加藥劑除磷

為保證出水TP的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，該廠經(jīng)過多次比對試驗(yàn)后，對化學(xué)除磷加藥系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，將藥劑投加位置改到了氧化溝出水口處(如圖1所示)，同時用聚合硫酸鐵取代了聚合氯化鋁。改造后的除磷系統(tǒng)改造后的運(yùn)行結(jié)果表明：通過在氧化溝出水口跌水處投加低PH、低鹽基度硫酸鐵鹽溶液，D型濾池出水水質(zhì)變好(如表2所示)，各項(xiàng)出水指標(biāo)均優(yōu)于GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；硫酸鐵溶液投加量小于50mg/L，每噸污水除磷藥劑成本≤0.03元。另外，由于藥劑投加位置在二沉池之前，D型濾池的反沖洗周期也由原來的8h，延長至現(xiàn)在的36h以上，節(jié)約了電力消耗，降低了勞動強(qiáng)度。

5 結(jié) 語

絮凝劑在自來水水質(zhì)凈化與污水除磷應(yīng)用中存在差異，絮凝劑在自來水凈化中主要發(fā)生化學(xué)絮凝反應(yīng)，而在污水除磷中絮凝劑同時相伴發(fā)生化學(xué)沉析、化學(xué)絮凝及生物絮凝共聚反應(yīng)。在污水除磷系統(tǒng)，通過投加低PH、低鹽基度硫酸鐵鹽絮凝劑，同時強(qiáng)化絮凝劑初始投加混合強(qiáng)度，可改善絮凝劑除磷的凈化效果。

[1]鄭淳之，梅建.水處理劑和工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)分析方法[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]熊鴻斌，夏曉宇，王玉芳等.低C/N值城市污水處理廠出水達(dá)標(biāo)的運(yùn)行條件優(yōu)化[J].中國給水排水，2013，29(1)：92-96.

Discussion on Distinction of Flocculant Performance in Water Purification and Wastewater Phosphorus removal

ZHU Xuehong WANG Bin LI Baosheng CHEN Yang
(Luohe Water Investment Co．Ltd．，Luohe 462000，China)

This paper aims to discuss the distinction of the flocculant performance in water purification and wastewater phosphorus removal process. Moreover，according to the application of flocculant in the wastewater phosphorus removal process，the effect of adding the low PH and low salt flocculant base degrees，strengthening the intensity of the initial mixing，which can improve the phosphorus removal of the flocculant.

flocculant；water purification；wastewater phosphorus removal；distinction

朱學(xué)紅，本科，高級工程師，研究方向?yàn)樗廴局卫怼⑽勰嗵幚硖幹?/p>

X823

A

1673-288X(2017)01-0104-03

引用文獻(xiàn)格式：朱學(xué)紅 等.絮凝劑在自來水凈化和污水除磷中的應(yīng)用差異性[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(1)：104-106.