城市污水生物系統(tǒng)后置除磷實驗研究

張暉 張巖

上海城投污水處理有限公司白龍港污水處理廠（上海 201203）

0 前言

近十年來，城市和工業(yè)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致大量氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的排放，使自然和城市水體水質(zhì)嚴重惡化。目前科學(xué)界越來越多的研究表明，磷元素是最主要的限制因子[1-2]。因此，控制城市污水處理廠處理后水中的磷含量，顯得尤為重要和緊迫。

目前，污水中磷的去除技術(shù)主要分為生物除磷和化學(xué)除磷。生物除磷不需要添加藥劑，操作簡便，運行成本低，產(chǎn)生污泥量少等[3]，是最普遍的除磷方法。但在實際工程運行中，由于受到進水中的有機碳源以及進水頻繁沖擊的影響，僅通過生物除磷很難達到 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中的一級A標(biāo)準(zhǔn)（總磷質(zhì)量濃度≤0.5 mg/L）[4]。因此，大部分污水廠在采用生物除磷的基礎(chǔ)上，輔加化學(xué)除磷的手段來保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)。化學(xué)除磷主要是通過向污水中投加鋁鹽、鐵鹽來產(chǎn)生磷酸鹽沉淀，從而達到除磷的目的。磷的化學(xué)沉淀包括沉淀反應(yīng)、凝聚反應(yīng)、絮凝反應(yīng)和固液分離4個過程[5]。

在污水處理廠，根據(jù)除磷藥劑設(shè)置位置的不同，化學(xué)除磷工藝主要包括前置化學(xué)沉淀、同步化學(xué)沉淀、后置化學(xué)沉淀3種類型[6-8]。其中，后置化學(xué)除磷不但能節(jié)約藥劑使用量，而且還可以降低化學(xué)藥劑對生物處理系統(tǒng)的影響[9]。目前，上海城投污水處理有限公司白龍港污水處理廠的工藝流程見圖1，由于進水碳源含量較低，在優(yōu)先保證氨氮達標(biāo)運行的條件下，污水中可利用的碳源無法確保出水總磷穩(wěn)定達標(biāo)。因此，需要對現(xiàn)有工藝進行改造，主要措施是在紫外消毒池后面新建高效沉淀池進行輔助化學(xué)除磷。

圖1 污水處理工藝流程簡圖

提標(biāo)改造建成后，在二沉池后面新建了高效沉淀池，通過后置除磷工藝進行輔助生物除磷。主要的除磷藥劑有硫酸鋁［Al2(SO4)3］、硫酸亞鐵(FeSO4)、聚合氯化鋁（PAC）、聚合氯化鐵（PFC）、聚合氯化鋁鐵（PAFC）等[10]。通過投加上述不同種類的化學(xué)除磷藥劑，進行除磷效果分析，并進一步研究了水中磷的質(zhì)量濃度和水的濁度對化學(xué)除磷效果的影響，為實際運行提供參考。

1 材料與方法

1.1 水樣與藥劑

實驗用水取自污水處理廠二沉池出水，藥劑包括Al2（SO4）3·18H2O，PAC，F(xiàn)eSO4，PFC，PAFC等5種污水處理中常見的化學(xué)除磷藥劑。

1.2 實驗步驟

出水?dāng)嚢杈鶆蚝螅秩? L的水樣分別置于5個1 L的燒杯中，然后將其置于六聯(lián)攪拌器上，開啟攪拌器，向各燒杯中分別加入上述5種混凝劑，以350 r/min的速率快速攪拌1 min，然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為100 r/min，慢速攪拌10 min；關(guān)掉攪拌器，靜置沉降30 min后取上清液分析總磷（TP）含量。總磷測定標(biāo)準(zhǔn)方法指出，水中的總磷最終被消解成正磷酸鹽，故結(jié)果與討論部分采用正磷酸鹽表示總磷。

1.3 實驗方法

總磷測定采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法[11]，濁度采用HACH 2100N型臺式濁度儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同除磷藥劑的除磷效果研究

為表現(xiàn)不同除磷藥劑除磷效果的差異，首先往二沉池出水添加磷標(biāo)準(zhǔn)試劑，將其正磷酸鹽質(zhì)量濃度調(diào)節(jié)至2.20 mg/L左右；然后向二沉池出水投加不同種類的除磷藥劑，投加量分別為0，10，20，30，40，50，60及70 mg/L。不同除磷藥劑的添加量與水樣中剩余正磷酸鹽質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同除磷藥劑除磷效果

由圖2可得，在相同的實驗條件下，隨著除磷藥劑投加量的增加，二沉池出水中正磷含量逐漸降低，且隨著投加量的增加，出水正磷質(zhì)量濃度快速降低，除磷藥劑的投加量繼續(xù)增大，出水正磷質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定，各出水正磷質(zhì)量濃度在0.4 mg/L左右。這是因為：隨著藥劑投加量的增加，各化學(xué)藥劑與水中的磷發(fā)生沉淀、絡(luò)合、縮聚等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致水中的正磷質(zhì)量濃度快速降低；投藥量繼續(xù)增加，雖然水中含有大量待絡(luò)合陽離子，但水中大量由磷參與形成的絡(luò)合離子將磷原子包裹起來，降低了藥劑與磷原子表面接觸的機會，并且由于大量的同種離子間電荷的排斥作用，導(dǎo)致出現(xiàn)分散穩(wěn)定的現(xiàn)象，藥劑與磷酸根離子較難進一步反應(yīng)生成沉淀。因此，出水中磷的質(zhì)量濃度難以進一步降低，出現(xiàn)了一個穩(wěn)定的低質(zhì)量濃度區(qū)間。投加FeSO4的量為60 mg/L時，出水的正磷質(zhì)量濃度為0.41 mg/L；而投加的PAC和PFC的量均為40 mg/L時，出水的正磷質(zhì)量濃度分別為0.35和0.39 mg/L。因此，從除磷的效果來看，PAC的效果最好，其他藥劑效果排序為PFC＞FeSO4＞Al2（SO4）3·18H2O＞PAFC。后續(xù)實驗以PAC作為除磷藥劑。

2.2 不同磷質(zhì)量濃度對除磷藥劑投加量的影響

將生物反應(yīng)池出水靜置30 min后，取上清液作為實驗用水，向其加入磷標(biāo)準(zhǔn)試劑，得到不同磷質(zhì)量濃度的水樣，然后分別加入0，10，20，0，40，50，60及70 mg/L的PAC，通過六聯(lián)攪拌器進行化學(xué)除磷研究，最終結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同初始正磷質(zhì)量濃度時的PAC除磷曲線

由圖3可知：一方面，在不同初始正磷質(zhì)量濃度條件下，投加不同量的PAC，正磷質(zhì)量濃度迅速降低，PAC投加量增大至40 mg/L時，正磷質(zhì)量濃度基本趨于穩(wěn)定。另一方面，初始正磷質(zhì)量濃度越大，反應(yīng)后正磷質(zhì)量濃度越低。實驗結(jié)果顯示正磷質(zhì)量濃度均符合GB 18918—2002規(guī)定的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)要求。在PAC投加量相同時，初始磷質(zhì)量濃度越高，反應(yīng)結(jié)束后剩余磷質(zhì)量濃度越低。這可能是因為：化學(xué)除磷過程包括沉淀、凝聚、絮凝、絡(luò)合、水解、吸附等多個步驟，涉及多種反應(yīng)，隨著磷質(zhì)量濃度增大，反應(yīng)體系中沉淀物、絡(luò)合物的質(zhì)量濃度增大，部分磷通過被絡(luò)合物吸附、共沉淀等聯(lián)合作用去除。

2.3 不同進水濁度對除磷藥劑除磷效果的影響

在化學(xué)藥劑除磷過程中，在鐵鹽或者鋁鹽與磷酸鹽反應(yīng)并形成沉淀的過程中，水中懸浮顆粒物的量也會影響對磷的去除效果。因此，進一步研究了二沉池的懸浮物含量對化學(xué)除磷藥劑效果的影響。取二沉池出水，加入少量活性污泥配制成不同濁度的水樣，濁度分別為10.3，21.5，31.2及41.2 NTU，控制各實驗組磷質(zhì)量濃度約為2.21 mg/L，投加不同量的PAC。實驗結(jié)束后測定水樣的濁度、正磷酸鹽質(zhì)量濃度、去除率，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同初始濁度時的PAC除磷曲線

由圖4可得出，不同的濁度條件下，磷的去除率和濁度的去除率隨著PAC投加量的增加而快速增大，當(dāng)PAC投加量約為40 mg/L時，濁度和正磷的去除率趨于穩(wěn)定。其中濁度為41.2 NTU，PAC投加量為50 mg/L時，濁度去除率達到最大，為98.5%；當(dāng)濁度為10.3NTU，PAC投加量為40 mg/L時，正磷的去除率達到最大，為84.16%。結(jié)合圖3（a）可以得出，隨著濁度的增大，正磷的去除率逐漸降低，而達到最佳去除效果時PAC的用量也變大，由此可知，水的濁度對投加PAC進行化學(xué)除磷有一定影響。因為濁度大會導(dǎo)致水中的懸浮物和顆粒物增多，在化學(xué)除磷的過程中造成部分藥劑的消耗，導(dǎo)致實際用于除磷的藥劑利用率降低，進而使水中正磷去除率降低。

3 結(jié)論

對二沉池出水化學(xué)除磷的相關(guān)影響因素進行了研究，結(jié)果表明：PAC化學(xué)除磷的效果優(yōu)于其他幾種常見藥劑；初始磷質(zhì)量濃度越高，化學(xué)除磷效果越好，主要原因可能與化學(xué)除磷過程中的相關(guān)絡(luò)合吸附、共沉淀反應(yīng)有關(guān)；濁度的增大會影響化學(xué)藥劑的除磷效果，濁度越高，正磷的去除率越低，相應(yīng)的化學(xué)藥劑消耗量越大。因此，在二沉池后面增加高效沉淀池作為后置除磷設(shè)施時，要根據(jù)二沉池出水正磷質(zhì)量濃度和濁度情況，動態(tài)地調(diào)整加藥量，既要節(jié)約投藥量，又要做到出水總磷穩(wěn)定達標(biāo)。