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污水除磷剂的使用对污水除磷效果影响的探讨

    发布时间:2019-05-13     点击数:447   【

摘要:为使出水TP达到《地表水环境质量标准》(GB3838——2002)中IV类标准(TP≤0.3mg/L),研究比较了FeCl3、Al2(SO4)3、FeCl3和Al2(SO4)3按n(Fe:AI)=3:1比例配制的污水除磷剂,以及污水除磷剂在分次投加方式下的除磷效果。结果表明:初始TP浓度为5 mg/L时,污水除磷剂比单独使用FeCl3 、Al2(SO4)3除磷效果好,当除磷剂投加量为100mg/L时,污水除磷剂磷去除率为96.4%,分别比Al2(SO2)3、FeCl3高出9.49%、1.68%;多次投加除磷剂时以二次和三次投加时效果较好,当污水除磷剂投加量为100mg/L,二次投加除磷剂时,磷去除率为98.2%,比一次投加、三次投加时高出1.88%、0.44%;实际水样连续流试验选择二次投加除磷剂,出水TP含量可稳定达到地表水IV类标准,并且出水浊度也从2.63NTU降低至0.99NTU,去除率达到了62.4%。综合考虑除磷剂消耗量和成本,选择污水除磷剂应用于实际生产较好,每处理1t含磷量5mg/L的废水成本约为0.22元。

随着经济发展和生活水平的提高,废水排放量逐年增多,排入水体的污染物种类越来越复杂,由此带来的水体污染的问题也变得日益严重。近年来,水体富营养化已经成为我国大部分湖泊水体存在的共同问题,水体富营养化不仅会危害水中水生生物的的生长,还会影响人体健康"。导致这一问题的原因就是大量富含氮、磷等营养元素的市政污水不经处理或处理不完全便排人水体。研究表明 与氮相比,磷是造成水体富营养化的限制因子,当水体中的P>0.01mg/L时就可以刺激藻类生长。《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918——2002)中一级A标准,要求出水中磷酸盐(以P计)不大于0.5mg/L。《地表水环境质量标准》( GB 3838-2002)中IV类标准,要求水中TP含量不大于0.3mg/L。但是,目前大多数城市污水处理厂出水磷元素浓度偏高,有些甚至无法达到排放标准。

目前,城市污水处理厂常用的除磷工艺有生物法和化学法。生物法是利用聚磷菌厌氧释磷、好氧吸磷的特性,将磷元素从污水中去除。但是,脱氮菌与聚磷菌本身在碳源、泥龄长短及生长环境上都存在差异,常规的城市污水处理厂工艺需要同时兼顾脱氮除磷因此很难使出水TP浓度低于1mg/L,必须辅以深度处理强化除磷工艺。世界上许多国家已经做出大量工作,并开展了实际工程,在美国等一些经济发达国家已经得到推广。深度除磷技术也分为生物法和化学法,其中,强化生物除磷成本高,故目前污水处理厂大都采用化学方法深度除磷,即投加化学除磷剂使之与水体中的磷发生化学反应生成沉淀,通过固液分离以达到去除磷的目的。谢经良等以城市污水厂二级出水为水样,研究了不同铁盐在混凝除磷性能方面的差异,发现当二级出水TP为1。74mg/L时,投加40mg/L离子态氯化铁即可去除90%的铁盐,处理后,上清液TP可稳定达到一级A标准。吕景花等以铝盐(硫酸铝)为除磷剂回收厌氧消化液中的磷,研究发现当铝和磷的摩尔比1。7时,可实现剩余污泥厌氧消化液中93。41%的磷回收率。

本文采用投加化学除磷剂的方法,使处理后出水TP浓度达到地表水IV类标准。选取FeCl3、Al2(SO4)3、FeClz和Al2(SO4)3按n(Fe:AI)=3:1比例配制的污水除磷剂进行化学除磷,对比了污水除磷剂在分次投加方式下的除磷效果,考察了污水除磷剂在实际水样(校园中水站中水)中的除磷效果及运行费用。

1 化学除磷原理

化学法除磷主要是通过投加化学药剂,使其与污水中的磷发生化学反应,生成不溶性的磷酸盐沉淀物,通过固液分离的方式将磷去除。投加金属盐类除磷剂能够降低污泥含水率使絮体变得密实,从而优化沉降性能,还能够在一定程度上降低出水的SS和色度。当传统的生化处理出水不能满足排放标准时,应采用投加化学药剂的方法深度除磷,常采用的化学除磷药剂有铁盐(FeCl3、FeSO4等)、铝盐[Al2(SO4)2 KAl(SO4)2等]等。

在水中投加化学除磷药剂后,一方面,除磷剂中的Fe3+、Al+在水中会发生水解反应如式(1)、式(2),反应生成的氢氧化物胶体在沉降过程中的网捕作用可以去除一部分磷。

Fe3++3H2O→Fe(OH)3↓ +3H+ (1)

Al3++3H2O→AI(OH)3↓+3H+ (2)

另一方面,除磷剂中的Fe3+、Al+会与水中P02发生化学反应,生成不溶性的磷酸盐沉淀,如式(3)~式(4),静沉后通过固液分离达到去除磷的目的。

Fe3++HnPO4(3-n)→FeP04↓+nH+ (3)

Al3++HnPO4(3-n)→AlPO4↓+nH+ (4)

由式(3)、式(4)可知,理论上1molFe+(或Al3+)可与1molPO2发生反应,生成不溶性磷酸盐沉淀,但是在实际反应过程中还存在Fe3+与Al+的水解反应,磷的存在形式以及其他离子与PO2的竞争反应,因此,在实际应用中Fe或Al与P的摩尔比一般大于1,且PO2越低,Fe或Al与P的摩尔比越大,当初始TP浓度为0.3~1mg/L时,Fe或Al与P的摩尔比一般为1.2~4。

不溶性磷酸盐沉淀物的溶度积在一定程度上也会影响除磷剂的除磷效果。根据溶度积原理,相同类型的难溶电解质Ksp越小,溶解度越小,从而越容易生成沉淀,磷的去除效果越好;反之,K越大,溶解度越大,去除效果越差。了解不同沉淀物的溶度积,可以为选择除磷剂提供参考。一些常见沉淀的溶度积如表1所示。

由表1可知,与FePO4相比,Fe2(PO4)3溶度积更小,但是Fe2(PO4)3絮体较小,沉降性差,从而二价铁盐除磷效果反而不及三价铁盐,故工程中一般采用三价铁盐作为除磷剂使用。孙连伟等采用校园内化粪池出水为原水,研究了氯化铝剂投加量对除磷效果的影响,研究发现AIPO4沉淀在pH值为6~7的溶解性最小,故铝盐除磷的最适pH值为6~7,这与Kim等的研究结果一致。

由式(1)~式(4)和表1可知,Fe(OH)3和AI(OH)3的溶度积比FePO4、AIPO4小,故投加除磷剂后,除磷剂中的Fe3+、AI3+会先发生水解反应生成Fe(OH)3和Al(OH)3,氢氧化物在沉淀过程中会网捕吸附一部分磷。继而,Fe3+、Al3+与PO3发生化学反应,生成不溶性磷酸盐沉淀物,这一反应是去除磷的主要步骤。

2 材料与方法

2.1 仪器与药剂

仪器:TU 1810 紫外可见分光光度计,ZR 4-6混凝试验搅拌机,哈纳HI 8424 NEW pH计,2100 Q便携式浊度计,DJL 100 COD恒温加热器, BXM-30R立式压力蒸汽灭菌器。

药剂:氯化铁、硫酸铝、污水除磷剂、抗坏血酸、过硫酸钾、钥酸铵、酒石酸锑钾,试验所选药剂均为分析纯。

污水除磷剂:由FeCl3、Al2(SO4)3混合配制而成,称取1.775g  FeCl3、0.725g Al2(SO4)3溶于水后混合,定容至250mL容量瓶,该除磷剂铁铝摩尔比为3:1。FeCl3购自天津市科密欧化学试剂有限公司,Al2(SO4)3购自天津市广成化学试剂有限公司,二者均为分析纯,主成分含量≥99.0%。

2。2 水样

分分时时彩模拟含磷废水1:采用磷酸二氢钾和自来水配制,TP含量为5mg/L,pH值为7。1~7。3。

模拟含磷废水2:采用磷酸二氢钾和山东建筑大学中水站出水配制,模拟最差水质(即TP含量为5mg/L)。中水站出水观察颜色为浅黄色,略浑浊,具体水质如表2所示。

由表2可知,中水中磷酸盐含量占TP的95%以上。冬季时水中TP含量较高,连续流试验时在中水中投加磷酸二氢钾至5mg/L,模拟含磷量较高时的水质。

2.3 除磷剂投加试验方法

分分时时彩一次投加:在混凝开始之前按照20、40、60、80、100、120、140、160mg/L的投加量一次性投加除磷剂。

多次投加:根据一次投加试验除磷效果,选择除磷效果最佳的除磷剂进行多次投加试验。混凝过程中除磷剂投加总量为40、50、60、70、80、90、100、110mg/L,对除磷剂投加总量按照多次投加次数进:行平分,得到分次投加量。试验选择一、二、三、四次投加,混凝开始之前及混凝开始后每隔1~2 min作为除磷剂投加点。

分分时时彩以上试验设置搅拌条件均为:第一段300r/min、30s; 第二段120r/min、5min; 第三段80r/min、10min。混凝过程中观察絮体生成效果,混凝完成后静沉30min,在液面以下2cm取上清液进行指标检测,试验进行3次,取平均值且均在室温下进行。

2.4 检测方法

pH测定使用便携式pH计法;TP和磷酸盐采用钼锑抗分光光度法测定;COD采用重铬酸钾法测定;浊度测定使用便携式浊度仪。

3 试验结果与分析

3。1 一次投加

由图1可知,初始TP为5mg/L时,随着除磷剂投加量的增加, FeCl3、Al2(SO4)3、污水除磷剂均能使出水TP降低至0.3mg/L以下。FeCI3、Al2(SO4)3、污水除磷剂三者之中,污水除磷剂除磷效果最好,当投加量为100mg/L时,出水TP就可达到0.18mg/L,此时磷去除率为96.4%,比单独使用Al2(S04)3高出9.49% ,比单独使用FeCl3高出1.68%,且污水除磷剂对pH影响最小。当污水除磷剂投加80mg/L时,出;水TP为0.81mg/L,增加除磷剂投加量至100mg/L时,出水TP为0.18mg/L,这时每去除1mgP需要污水除磷剂约32mg ,继续投加除磷剂至120mg/L,出水TP降至0.14mg/L,此时每去除1mgP需要污水除磷剂500mg。

反应过程中观察矾花生成情况发现,与FeCl3相比,Al2(SO4)3形成的絮体大,脱色性好,对出水;色度影响小,但是使出水TP达到地表水IV类标准需要的投加量较大;而FeCl3生成的矾花更加紧实,沉降速度快,投加量小,但是对出水pH影响大;污水除磷剂结合了二者的优点,絮体紧密沉降速度快,对出水色度和pH影响较小,投加量小则污泥产生少,处理污泥成本降低。

3。2 多次投加

根据一次投加效果,选择除磷效果最佳的污水除磷剂进行多次投加试验。选择污水除磷剂投加量为100mg/L,按照多次投加次数对除磷剂投加总量进行等量均分后进行投加,结果如表3所示。

由表3可知,初始TP为5mg/L时,多次投加除磷效果均比一次投加效果较好。其中,以二次和三次投加时效果较好,二次投加时磷去除率分别比一、三、四次投加时高出1。 88%、0。44%、1。5%。投加次数增加,除磷效果增加趋势逐渐减小。四次投加时,除磷效果与一次投加相比增加很少,主要是由于四次投加时水中TP已经较低,去除单位质量的磷需要除磷剂的量更多;另一方面,第四次投加点在混凝过程第三段,此时搅拌速度慢,除磷剂与水中的磷不能充分反应。

混凝过程中观察絮体生成及絮体沉降情况可以看出,二次投加时生成絮体更加密实,且沉降速度更快。分析原因为第一.次投加除磷剂后,在急速搅拌的情况下,会生成大量微小絮体,二次投加后,除磷剂颗粒与已经形成的微小絮体结合,生成更密实、沉降速度更快的絮体。

4 除磷剂在实际水样中的应用

4.1 静态试验

取500mL初始TP浓度为5 mg/L的实际水样置于搅拌机上,分别按照一次、二次投加方式投加污水除磷剂,混凝后静沉30min,取上清液进,行指标测定。由图2可知,二次投加除磷效果好,当污水除磷剂投加量为90mg/L时,出水TP可达到0。22mg/L,此时去除率为95。9%,比一次投加时磷去除率增加了3。95%,出水TP浓度减少了近二分之一,这与配水试验结果相似。因此,在连续流试验中选取污水除磷剂二次投加的方式除磷。

4.2 连续流试验

连续流试验时采用如图3所示流程,选择污水除磷剂投加量为90mg/L,讨论一次投加与二次投加方式的除磷效果。一.次投加时,在混合池中一次性投加除磷剂;二次投加时,第一次投加在混合池,第二次投加在反应池。混合池搅拌速度约为300r/min,在混合池反应30~40s后进入反应池,反应池搅拌速度为150 r/min,反应约5min后,进入沉淀池,经20~25min流至出水口。每30min取出水进行指标检测,磷去除效果如图4所示。试验发现,初始TP为5mg/L,二次投加除磷剂时,出水TP可以稳定达到地表水IV类标准,且出水TP明显低于一次投加,这与静态试验结果相符。二次投加时磷去除率比一次投加增加了约4%,因此选择二次投加除磷剂的方式是可行的,实际工程中可选择使用两组计量泵恒量投加除磷剂的方式。投加除磷剂后,出水浊度从2.63NTU降低至0.99NTU,去除率达到了62.4%,但是对水中COD却无明显去除效果,分析原因为校园的水中COD为溶解性COD,通过化学混凝的方法对其无去除作用。

4。3 成本核算

按照处理TP为5mg/L的生活废水达到地表水IV类标准计,需消耗除磷剂量与成本估算如表4所示。

由表4可知,污水除磷剂耗药量最少,Al2(SO4),成本最低,但是使用Al2(SO4)3除磷耗药量过多,且水中残留AI+过多时还会危害到人体健康,综上考虑,选择污水除磷剂应用于实际生产。

5 结论

用FeCl3和Al2(SO4)3按比例复合混合配制的污水除磷剂比单独使用FeCl3或Al2(SO4)3的除磷:效果好,在初始含磷量为5mg/L的情况下,当三者投加量均为100mg/L时,污水除磷剂的除磷率为96.4%,比Al2(SO4)3高出9.49%,比FeCl3高出1.68%,且对pH影响最小。

通过比较一次投加和多次投加除磷剂的除磷效果,发现多次投加均比一次投加除磷效果好,其中以二次和三次投加时效果最佳,在初始含磷量为5mg/L的情况下,当污水除磷剂投加量为100mg/L、二次投加除磷剂时,磷去除率为98.22%,比一次投加、三次投加时高出1.88%、0.44%。

实际水样连续流试验发现,当初始TP为5mg/L时,选择二次投加,出水TP含量可稳定达到地表水IV类标准,且出水浊度从2.63 NTU降低至0.99NTU,去除率达到了62.4%。综合考虑磷去除率及除磷剂消耗量,选择污水除磷剂应用于实际生 产较合理,每处理1tTP含量为5mg/L的废水成本:约为0.22元。

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