基于富營養(yǎng)化水體緩釋除磷試驗淺談鐵鹽除磷藥劑

喻晉芳+趙佳敏+孫瀟晗+彭趙旭

摘 要：綜述了化學(xué)除磷藥劑的的運用情況以及鐵鹽、鋁鹽、鈣鹽和復(fù)合絮凝劑的主要種類，比較得出鐵鹽更具發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)論，選用了三氯化鐵、硫酸亞鐵、硫酸鐵以及聚氯化鋁鐵作為富營養(yǎng)化水體緩釋除磷研究的基本試驗藥劑，通過試驗得出了這四種試劑的最優(yōu)投量并配制了一種高效鐵鹽復(fù)合除磷藥劑，淺談鐵鹽除磷藥劑的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：除磷藥劑；鐵鹽；除磷效率；研究現(xiàn)狀；試驗研究

隨著國家科技進步，人類生活水平提高，產(chǎn)生了大量工業(yè)廢水、生活污水。若將未處理的污水直接排入河流湖泊，會造成水體富營養(yǎng)化，引起藻類大量繁殖。由于造成藻類大量繁殖的因素中，磷含量超標(biāo)最為關(guān)鍵，因此提高水處理效率，降低水中磷含量，已成為防治富營養(yǎng)化水體中最為關(guān)鍵的一步。筆者將在此文中著重對化學(xué)除磷劑中的鐵鹽除磷藥劑進行研究。

1 化學(xué)除磷藥劑種類及其運用情況

污水中磷的去除包括化學(xué)除磷和生物除磷，其中生物除磷相對比較經(jīng)濟，但為了滿足國家污水處理標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)除磷法已成為常用方法，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的化學(xué)除磷劑有鋁鹽、鈣鹽、復(fù)合絮凝劑以及鐵鹽。

鋁鹽中常用的除磷劑主要包括三種：硫酸鋁、氧化鋁以及聚合氯化鋁，其中運用最為廣泛的是硫酸鋁，多運用于堿性廢水。如今在工藝相對落后的情況下，部分造紙廠等仍然采用硫酸鋁進行除磷。鈣鹽中最常見的是石灰石，一般只用于二級出水中，其污泥產(chǎn)量比采用其他絮凝劑時要多得多，而且還需配備汽提塔，污泥焚燒回收必需的相應(yīng)設(shè)備和生產(chǎn)、運行經(jīng)驗，不宜采用在現(xiàn)有污水廠改造上，但可以在新建污水廠中進行一些有益的嘗試[1]。復(fù)合絮凝劑主要分為三種，無機-無機、無機-有機以及有機-有機復(fù)合絮凝劑。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)用水、工業(yè)廢水以及生活污水的處理中，其中無機復(fù)合絮凝劑主要是鋁鹽、鐵鹽、以及硅酸鹽的復(fù)合，或者大分子聚合物，在污水處理中主要作為助凝劑和絮凝劑以及污水處理劑。鐵鹽除磷劑主要包括硫酸亞鐵、硫酸鐵、氯化鐵等，溶于水后發(fā)生水解反應(yīng)，溶液呈酸性，多應(yīng)用于處理堿性廢水。如今生產(chǎn)生活排放的污水多呈堿性，使得鐵鹽相比于其他除磷劑具有更為廣泛的應(yīng)用和更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 常見的除磷藥劑

（一）鋁鹽

鋁鹽在除磷過程中，其投放量與污水的含磷量必須嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，但經(jīng)過鋁鹽除磷藥劑處理過的污水含鋁量依然存在超標(biāo)的可能性。由于如今我國很多的水處理工程中所用的鋁鹽都是由廢鋁灰制成，在投放鋁鹽以后如果未經(jīng)檢測就排放，對水體的危害極大，且其中相當(dāng)一部分的鋁會被人或其他生物體吸收，危害人體健康，破壞生態(tài)環(huán)境，因此除了控制投入量以外，必須在污水處理后對水體的各項指標(biāo)進行監(jiān)測，使其控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)[2]。

（二）鈣鹽

采用石灰石除磷時，一方面，所生成的磷酸氫鈣，改善了沉淀效果，加快了沉析速率，另一方面，生成的磷酸鈣，作為增重劑其溶解度與pH值有關(guān)，當(dāng)pH值超過一定范圍就會產(chǎn)生碳酸鈣，有助于沉淀。高堿度廢水要求投加大量石灰石將pH 調(diào)節(jié)至10-11，在此氫離子濃度下，磷的沉淀是有效的[3]。只有在堿度非常低的廢水中，石灰石才主要消耗在磷沉淀反應(yīng)中，但同時易造成沉淀池壁上結(jié)垢，阻塞管道等現(xiàn)象，在城市污水處理過程中很難控制。

（三）復(fù)合混凝劑

復(fù)合混凝劑與單一的絮凝劑相比有明顯的優(yōu)勢，采用復(fù)合混凝劑是一種簡單經(jīng)濟的方法，比如目前國內(nèi)報道較多的陰離子復(fù)合氯根和硫酸根復(fù)合的鐵鹽，以及陽離子復(fù)合鐵鋁復(fù)合，這種絮凝劑不僅有良好的絮凝性，可以降低液體之間的摩擦阻力，而且有良好的除磷和除COD等性能。

（四）鐵鹽

鐵鹽相比鋁鹽和鈣鹽，對受納水體的影響較小，溶于水后，三價鐵一方面會形成難溶鹽，另一方面會通過溶解和吸水發(fā)生強烈水解，在水解的同時發(fā)生各種聚合反應(yīng)，生產(chǎn)各種具有較長線性結(jié)構(gòu)的多核羥基絡(luò)合物，含鐵的羥基絡(luò)合物能有效降低或消除水體中膠體的 電位，通過電中和，吸附架橋，及絮體的卷掃作用使膠體凝聚，再通過沉淀分離將磷去除[4]。鐵鹽化學(xué)除磷劑處理污水過量的磷極其有效，在磷含量為2.5mg/L 的二級水中，投入50-100mg/L 的氯化鐵就可以達到90%以上的去磷率，而且在一定條件下取得其他良好的效果，如降低污泥指數(shù)、進一步降解COD、減少異味等[5]，另外，鐵鹽及其復(fù)合混凝劑除磷相比鋁鹽除磷對于生物的危害更小，更環(huán)保，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，在污水處理過程中，鐵鹽除磷試劑與其它除磷試劑相比，有更高的發(fā)展價值和潛力。

3 鐵鹽除磷藥劑的研究現(xiàn)狀

由于鐵鹽除磷藥劑呈酸性，在堿性廢水中具有除磷效率高、工藝簡單等優(yōu)點，如今我國在除磷藥劑市場上的鐵鹽逐漸替代了鋁鹽，尤其在自來水與生活污水的處理上更是從法律上嚴(yán)格規(guī)定了不能使用鋁鹽只能使用鐵鹽。相比于形式單一的鋁系除磷劑，鐵系除磷劑比較多樣化，目前市場上使用的有低分子的三氯化鐵、硫酸亞鐵、硫酸鐵、氯化亞鐵等，另外，我國在研發(fā)、生產(chǎn)高分子復(fù)合鐵鹽方面也取得了較大進展，如聚氯化鋁鐵、復(fù)合亞鐵、聚硫酸鋁鐵等。

在2016年鄭州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目《富營養(yǎng)化水體緩釋除磷研究》中，主要針對三氯化鐵、硫酸亞鐵、硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵這四種鐵鹽除磷藥劑的除磷率進行了試驗研究。由于河南省境內(nèi)沒有磷含量超標(biāo)的富營養(yǎng)化水體，再者考慮到經(jīng)費有限，此試驗配制濃度為12.4mg/L的磷酸二氫鉀溶液模擬磷含量超標(biāo)的富營養(yǎng)化水體進行除磷研究。

（一）三氯化鐵（FeCl3·6H2O）

三氯化鐵極易溶于水，水解后溶液呈強酸性，腐蝕性大，低溫下混凝效果好，使用pH范圍為4～11[6]。固體三氯化鐵含有六個結(jié)晶水，在水溶液中以水合離子[Fe（H2O）6]3+形式存在，隨著pH的升高不斷發(fā)生水解反應(yīng)[7]。從FeCl3·6H2O除磷試驗結(jié)果來看，當(dāng)濃度為8.710g/L的FeCl3溶液的質(zhì)量為16.549mg時，除磷效果最佳，除磷率可達25.806%，可推知，F(xiàn)eCl3·6H2O最優(yōu)投量為82.8305mg/L。

（二）硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）

通常，硫酸亞鐵與三氯化鐵一起用于水處理，適用于pH為8～11，且其最佳pH>9.5，其溶解性較好，但混凝性不如Fe3+。固體硫酸亞鐵含有七個結(jié)晶水，在水溶液中多形成絡(luò)合物。

從FeSO4·7H2O除磷試驗結(jié)果來看，當(dāng)向200mL KH2PO4溶液中投入0.673mgFeSO4·7H2O時，除磷效果最佳，除磷率可達41.935%，即FeSO4·7H2O最優(yōu)投量為3.3640mg/L。相比三氯化鐵來說硫酸亞鐵更為經(jīng)濟，但考慮到Fe2+的還原性會消耗水中大量溶解氧，因此不宜大范圍使用。

（三）硫酸鐵（Fe2（SO4）

固體硫酸鐵不含結(jié)晶水，溶解性極差，因此溶解時間較長，導(dǎo)致部分Fe3+被氧化生成Fe（OH）3，降低了除磷效率。從Fe2（SO4）3除磷試驗結(jié)果來看，當(dāng)參與反應(yīng)的Fe2（SO4）3溶液質(zhì)量為6.450mg時，除磷效果最佳，除磷率為23.790%，可推知，F(xiàn)e2（SO4）3的最優(yōu)投量為32.25mg/L。由于硫酸鐵溶解慢，除磷效率低，因此目前除磷藥劑市場上應(yīng)用更多的是聚硫酸鐵（PFS），是一種鹽基性高價鐵的大分子化合物，具有混凝性好、適用水體pH范圍廣等優(yōu)點。

（四）聚氯化鋁鐵（PAFC）

聚氯化鋁鐵是工廠污水處理中經(jīng)常使用的除磷藥劑，是一種以鋁為主、鐵為輔、性能優(yōu)良的新型復(fù)合無定型、無機高分子混凝劑，有鐵鹽和鋁鹽的雙重特性，吸附性能好、絮體形成快等。查閱資料得知聚氯化鋁鐵的最優(yōu)投量在50mg/L左右，再考慮實驗的方便和合理性，確定配制濃度為2.5g/L的聚氯化鋁鐵溶液，分析實驗結(jié)果數(shù)據(jù)可知，5mg該聚氯化鋁鐵溶液除磷效果最佳，除磷率為31.855%，則聚氯化鋁鐵的最優(yōu)投量為25mg/L。

（五）其他復(fù)合鐵鹽

在此項目中，將以上四種除磷劑按其最優(yōu)投量的比值混合，并加入一定量硅藻土，以制備一種高效復(fù)合鐵鹽除磷藥劑。通過試驗可知，該除磷劑的最優(yōu)投量為15.8885mg/L，除磷率可達33%，具有除濁效率高、工作安全可靠、混凝效果好、pH適用范圍廣等優(yōu)點。

4 鐵鹽除磷藥劑的發(fā)展方向

隨著生活水平的提高，人類對水資源的需求以驚人的速度擴大，而日益嚴(yán)重的水污染卻蠶食大量可利用水資源。為了實現(xiàn)污水處理資源化和可持續(xù)發(fā)展，我國近年來新型鐵鹽除磷藥劑的發(fā)展也與時俱進，逐漸從單一型過渡到復(fù)合型、從低分子發(fā)展為高分子、具備更多優(yōu)良性能。其中復(fù)合型絮凝劑的發(fā)展包括有以下幾個方面：陰離子復(fù)合、陽離子復(fù)合、多種離子復(fù)合、無機-礦物復(fù)合和無機-有機復(fù)[8]。

具體來說，在鐵鹽除磷藥劑的研究、開放、制備、應(yīng)用等方面，環(huán)境工作者們也不斷在提高技術(shù)水平，以制備能廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實際，除磷效率較高，能夠進行多級除磷，且對生物無危害的復(fù)合鐵鹽除磷藥劑，以求耗材更少、費用更低、去除效率和回收率更高、更環(huán)保，并提倡采用生物化學(xué)法結(jié)合、聯(lián)合投藥的除磷方法。

參考文獻

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[3]金先平.探究化學(xué)除磷在污水處理中的應(yīng)用.資源與環(huán)境.1003-6490（2016）02-0154-02

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[6]陳國華.環(huán)境污染治理方法原理與工藝.北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2003

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[8]阮復(fù)昌.公國慶.莫炳祿等.聚合硫酸鐵的生產(chǎn)和應(yīng)用.江西化工，1996，1：25-28

作者簡介

喻晉芳（1996-），女，漢族，湖南長沙市人。

趙佳敏（1995-），女，漢族，湖南長沙市人。

孫瀟晗（1997-），男，漢族，湖南長沙市人。

彭趙旭（1983-），男，漢族，湖南長沙市人。