硫酸亞鐵對污水廠痕量磷去除效果的研究

宋曉喬，宋少花，王宇峰，馬傳澍，方 睿，任天龍，周 濤

（1.西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710043；2.西安市環(huán)境監(jiān)測站，陜西 西安 710119；3.西安創(chuàng)業(yè)水務(wù)有限公司，陜西 西安 710086；4.西安華浦水處理設(shè)備有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

近年來，城市污水中N,P 濃度較高，導(dǎo)致城市周邊水體富營養(yǎng)化，造成了嚴重的社會經(jīng)濟與環(huán)境問題[1-2]。 而解決富營養(yǎng)化問題的根本途徑是控制進入水體的磷含量[3]。 化學(xué)除磷技術(shù)和生物除磷技術(shù)是國內(nèi)外常用的除磷方法[4-5]。 生物除磷技術(shù)無需添加任何化學(xué)藥劑，因此可節(jié)約除磷成本，同時在厭氧段具有良好的脫水性能，但因其除磷有限，含磷量高的生活污水雖經(jīng)處理也很難達到國家排放法規(guī)和標準[6]，導(dǎo)致痕量磷殘存。化學(xué)除磷技術(shù)主要采用鈣鹽、鋁鹽和鐵鹽等金屬鹽，因其除磷效率高[7]，在廢水除磷的研究中廣泛應(yīng)用[1]。

現(xiàn)行新標準要求污水出水水質(zhì)應(yīng)達到地表水準Ⅳ類水質(zhì)標準（TP 質(zhì)量濃度低于0.3 mg/L），而西安市某污水處理廠出水中TP 質(zhì)量濃度有時可達1 mg/L，說明其出水水質(zhì)不穩(wěn)定。 采用某專利藥劑處理后出水水質(zhì)可達標，但處理費用高達2 萬元/d，除磷成本過高。 綜合考慮后擬采用FeSO4對該污水處理廠生化出水痕量磷作深度處理，以尋求低廉方案使污水達標排放。

1 試驗方案

1.1 試驗水樣

試驗所用水樣取自西安市鄧家村污水廠二次沉淀池進水，其中ρ（TP） = 0.98 mg/L，pH 值為6 ～7。西安市鄧家村污水廠生化處理單元主要采用多級多段A/O/A/O 工藝。

1.2 主要藥品、試劑及儀器

主要藥品及試劑：FeSO4·7H2O（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；硫酸（分析純，成都市科隆化工試劑廠）；抗壞血酸（分析純，成都市科隆化工試劑廠）；過硫酸鉀（分析純，上海源葉生物科技有限公司）；鉬酸銨（分析純，金堆城鉬業(yè)股份有限公司化學(xué)分公司）。

主要儀器：電子天平（AL204，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；四聯(lián)數(shù)顯電動攪拌機（JJ-4A，金壇區(qū)西城新銳有限公司）；手提式壓力蒸汽滅菌器（DGS-280C 型，江蘇登冠醫(yī)療器械有限公司）；分光光度計（722 型，上海光譜儀器有限公司）。

1.3 試驗步驟

取4 個體積為250 mL 的燒杯，分別加入100 mL 的城市生活污水水樣后置于四聯(lián)數(shù)顯電動攪拌機上攪拌。 在室溫下，再分別加入0.5,1.0,1.5 和2.0 mL 的質(zhì)量濃度為10 g/L 的FeSO4后以一定的程序（混合時間為1 min，攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min，該階段加藥，反應(yīng)時間為20 min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速為100 r/min，沉淀時間為30 min）在攪拌機中進行混凝反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后取出沉淀，取上清液過濾，采用鉬酸鹽分光光度計法分別測定其總磷（TP）值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 FeSO4 投加量

FeSO4投加量對混凝效果的影響，試驗結(jié)果見圖1。 由圖1 可以看出，當FeSO4的投加量逐漸增加，TP 的質(zhì)量濃度呈先降后升趨勢。 說明投加少量的絮凝劑即可獲得良好的絮凝效果，絮凝劑投加量過大反而導(dǎo)致混凝效果較差。 推斷其原因是因為混凝劑投加過量，原本脫穩(wěn)的膠體再次吸附了大量帶有相反電荷的金屬水解離子，使得其重新帶電，出現(xiàn)了吸附脫穩(wěn)再重新穩(wěn)定的效應(yīng)[8]，與此同時，溶液的TP 濃度也相應(yīng)升高。 FeSO4的投加量為1.0 mL 時，除磷效率最高，達99.16%，因此，F(xiàn)eSO4最佳投加量為1.0 mL。

圖1 FeSO4 用量對混凝效果的影響

2.2 混凝轉(zhuǎn)速

取4 個體積為250 mL 燒杯，分別加入100 mL的水樣，F(xiàn)eSO4投加量均為1.0 mL，混凝轉(zhuǎn)速分別為200，250，300，400 r/min，其余條件同1.3 步驟。 試驗結(jié)果見圖2。

圖2 混凝轉(zhuǎn)速對混凝效果的影響

由圖2 可以看出，TP 去除率隨轉(zhuǎn)速的增加總體呈下降趨勢。混凝強度過高導(dǎo)致微絮體易破碎，說明這2 種情況下生成絮體的數(shù)量較少，故混凝效果較差，當轉(zhuǎn)速達到350 r/min 后TP 濃度又有小幅回升。但過高的攪拌強度造成動力成本增大，且其去除效果低于轉(zhuǎn)速為250 r/min 時的去除效果； 低攪拌速度下，混凝劑又不可以均勻分散到水中。 因此，從技術(shù)經(jīng)濟角度綜合考慮，在混合階段，當轉(zhuǎn)速為200 r/min混凝時沉淀效果最好，除磷效率最優(yōu)，去除率為99.16%。 最終確定FeSO4最佳混凝轉(zhuǎn)速為200 r/min。

2.3 絮凝轉(zhuǎn)速

取4 個體積為250 mL 燒杯，分別加入水樣100 ml，F(xiàn)eSO4投加量均為1.0 mL，混凝轉(zhuǎn)速為200 r/min，絮凝轉(zhuǎn)速分別為100，120，150，180 r/min，其余條件同1.3 步驟。 試驗結(jié)果見圖3。

圖3 絮凝轉(zhuǎn)速對混凝效果的影響

由圖3 可以看出，有機物及TP 的質(zhì)量濃度隨著轉(zhuǎn)速增加呈先降后升再降趨勢，在轉(zhuǎn)速為120 r/min時的出水效果較好。在絮凝過程中，強烈攪拌則使小顆粒難以形成較大顆粒，并且大絮體容易破碎，不利于絮體的生成，導(dǎo)致沉淀的吸附量減少，溶液中TP值增加。在轉(zhuǎn)速為100 r/min 時FeSO4的除磷效能最佳，除磷效率為99.16%。最終，確定最佳絮凝轉(zhuǎn)速為100 r/min。

2.4 絮凝時間

取4 個體積為250 mL 燒杯，分別加入100 mL的水樣，F(xiàn)eSO4投加量均為1.0mL，混凝轉(zhuǎn)速為200r/min，絮凝轉(zhuǎn)速為100 r/min，絮凝時間分別為10，20，30，40 min，其余條件同1.3 步驟。 試驗結(jié)果見圖4。

由圖4 可以看出，TP 值隨絮凝時間的增加先降后升并趨于穩(wěn)定，推斷原因是因為絮凝物隨絮凝時間的延長逐漸增加，沉淀對含磷酸鹽的吸附量也逐漸上升，F(xiàn)eSO4在絮凝40 min 時達到最佳效果，除磷率為99.37%，在20 min 時除磷率為99.16%，與40 min 相差較小，從技能經(jīng)濟的角度考慮，最終確定最佳絮凝時間為20 min。

2.5 沉淀時間

取4 個體積為250 mL 燒杯，分別加入100 mL的水樣，F(xiàn)eSO4投加量均為1.0 mL，混凝轉(zhuǎn)速為200 r/min，絮凝轉(zhuǎn)速為100 r/min，絮凝時間為20 min，沉淀時間分別為10，20，30，40 min，其余條件同1.3 步驟。 試驗結(jié)果見圖5。

圖5 沉淀時間對混凝效果的影響

由圖5 可以看出，水樣中TP 值隨沉淀時間的增加逐漸降低并趨于穩(wěn)定，說明延長沉淀時間有利于TP 的去除。 推斷原因是因為絮凝過程中部分微小膠體離子未被膠體聚集吸附，隨沉淀時間延長，膠體粒子將繼續(xù)吸附沉降，從而提高了TP 的去除率，但在沉降過程中，存在粒徑過小的懸浮物沒有脫穩(wěn)，因其受力平衡，即使時間延長也未能繼續(xù)沉淀。FeSO4在沉淀30 min 時達到最佳效果，除磷率為99.37%。 確定最佳沉淀時間為30 min。

2.6 pH 值

取4 個體積為250 mL 燒杯，分別加入100 mL的水樣，F(xiàn)eSO4投加量均為1.0 mL，混凝轉(zhuǎn)速為200 r/min，絮凝轉(zhuǎn)速為100 r/min，絮凝時間為20 min，沉淀時間為30 min，pH 值分別為5，6，7 和8 時，其余條件同1.3 步驟。 試驗結(jié)果見圖6。

圖6 pH 值對混凝效果的影響

由圖6 可以看出，隨著pH 值的升高，F(xiàn)eSO4對TP 的去除率呈先增后降趨勢。 推斷其主要原因：①在低pH 值下，磷在水體中的溶解度相對較高，所以形成的磷酸鐵沉淀比較少，除磷效率較低；②較高的pH 值下，雖也形成一些磷酸鐵沉淀，但氫氧化鐵膠體顆粒所帶的負電性易于吸附正離子，因此降低了對磷的吸附能力，然而在合適的pH 值條件下，鐵鹽的水解產(chǎn)物可與水中的磷酸根離子有效結(jié)合，發(fā)生化學(xué)沉淀或吸附等[9]生成一種穩(wěn)定的絡(luò)合物。 FeSO4在pH 值= 7 時除磷效果最好，TP 的去除率為99.37%。

3 結(jié)論

后置化學(xué)除磷工藝是去除痕量磷和實現(xiàn)城市污水處理廠出水TP 達到地表水IV 類標準（0.3 mg/L）的經(jīng)濟有效方法[10]。 用單因素實驗法分別進行試驗，最終確定最佳工藝參數(shù)：ρ（FeSO4）=10 g/L，投加量為1 mL，混凝轉(zhuǎn)速為200 r/min，混合時間為1 min，絮凝轉(zhuǎn)速為100 r/min，絮凝時間為20 min，沉淀時間為30 min，pH 值為7，除磷率為99.37%，出水TP 質(zhì)量濃度約0.01 mg/L，可達到地表水準Ⅳ類水質(zhì)標準。