城市污水廠鐵鹽強化除磷試驗研究

□文/高亞賓 謝慎琳 崔 涵

城市污水廠主要是通過微生物的作用去除水中的污染物。但生物處理過程中脫氮和除磷往往相互抑制，生物法同時脫氮除磷較難達GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》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)加藥點的不同分為前置加藥除磷、協(xié)同加藥除磷和后置加藥強化除磷。本試驗研究了后置強化化學(xué)除磷，通過混凝試驗，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。

鐵鹽除磷的機理

在各種陰離子中，磷酸根對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-置換了兩個相鄰的OH-官能團并在兩個Fe3+之間形成了橋。因此鐵鹽不僅僅是通過生成FePO4沉淀除磷，F(xiàn)e3+和OH-及PO43-之間的強親和力，使溶液中可能會有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)合物表面有很強吸附作用，通過吸附作用可除去更多的磷。

試驗部分

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；UV2450紫外分光光度計；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——堿性過硫酸鉀紫外分光光度法。

試驗方法

混凝試驗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）——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 [2]，取500 mL水樣裝于燒杯中，然后將燒杯放在磁力攪拌器上，開動攪拌器，550 r/min條件下快速攪拌1 min，逐漸放慢攪拌強度，10 min后，靜沉30 min后取上清液或用普通濾紙過濾，測定TP及其他污染物去除情況。

結(jié)果與討論

攪拌強度對除磷的影響

攪拌強度為350 r/min和200 r/min條件下，聚鐵鹽和FeCl3對TP的去除效果見圖1和圖2。

圖1 攪拌強度對聚鐵鹽除磷影響

圖2 攪拌強度對FeCl3除磷的影響

當(dāng)聚鐵鹽（以Fe3+計）投加量為2.2 mg/L和4.4 mg/L，F(xiàn)eCl3（以Fe3+計）投加量為2 mg/L時，分別對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，在一定范圍內(nèi)攪拌強度對TP的去除率影響不大，這是由于鐵鹽投加量較低時，較強的攪拌速度可以促進鐵鹽的水解，增加分子間碰撞結(jié)合的機會，提高TP的去除率；當(dāng)鐵鹽投加量較高時，鐵鹽的水解受鐵鹽濃度的影響較大，水解過程較快且較容易與磷結(jié)合，而受攪拌條件的影響相對較小，同時攪拌強度較大時反而不利于礬花的形成，從而降低了礬花對難沉降細小顆粒的吸附作用，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較低的攪拌強度更有利于TP的去除。

pH值對除磷的影響

溶液的pH值直接影響鐵離子的水解形態(tài)，當(dāng)溶液中酸過量時，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，見圖3。

在酸性條件下，pH由3上升到6時，鐵鹽對TP的去除率隨pH升高而升高，因為在此pH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TP有較理想的去除效果，因為在此pH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，沉淀物為FePO4，溶度積 logKsp=23；當(dāng)r=2.5時 ，沉淀物為 Fe2.5PO4(OH)4.5，溶度積logKsp=97。

隨pH值的進一步升高至9左右，由于絡(luò)合物中的PO43-被溶液中越來越多的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，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)合的機會，使TP去除率降低。

過濾和投加助凝劑對鐵鹽除磷的影響

試驗對象是污水廠出水，濁度較低；單獨用鐵鹽混凝，當(dāng)鐵鹽投加量較低時，生成的絮體較松散且懸浮的細小絮體較多，需要較長的沉降時間。助凝劑的加入可有效改善絮凝狀況并可縮短沉降時間。如圖4所示，中性條件下，在 10.5 mg/L的 FeC13（以 Fe3+計）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 )，即可使同樣出水 TP濃度降至0.5 mg/L以下。這是因為過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現(xiàn)的。

圖4 過濾和投加助凝劑對FeCl除磷的影響

投加助凝劑和過濾對聚鐵鹽的影響見圖5。

投加助凝劑和過濾都能增加聚鐵鹽對TP的去除率，但投加助凝劑對除磷效果的影響不大，過濾則較大的提高了TP的去除率。因為聚鐵鹽屬于無機高分子絮凝劑，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其除磷效果的影響不大但過濾能有效地攔截細小顆粒物質(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（＜16 mg/L）對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，攪拌強度在一定范圍內(nèi)對TP的去除率無明顯影響。

（2）鐵鹽除磷適宜的pH值范圍為6～8。

（3）對總磷濃度為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，可使出水總磷濃度降至0.5 mg/L以下。

（4）投加助凝劑或過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 (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.