污水處理廠高磷低分子混凝除磷試驗(yàn)研究

污水處理廠高磷低分子混凝除磷試驗(yàn)研究

2007年無(wú)錫發(fā)生供水危機(jī)后，國(guó)家對(duì)太湖流區(qū)城市污水處理廠的廢水排放提出了更嚴(yán)格的要求。新的城市污水處理廠必須按照gb18918-2002的要求進(jìn)行建設(shè)。為了緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)太湖的影響,浙江省采取了一系列消減入太湖流域氮磷的措施。目前我國(guó)城市污水處理廠主要采用生物除磷工藝,方法多為氧化溝法和活性污泥法。生物除磷工藝受到進(jìn)水COD/TP、BOD負(fù)荷、DO含量等因素的影響,除磷穩(wěn)定性差,出水TP含量難以達(dá)到GB18918-2002一級(jí)B排放要求(ρ(TP)≤1mg·L-1),更難達(dá)到一級(jí)A排放要求(ρ(TP)≤0.5mg·L-1)。實(shí)際上城鎮(zhèn)污水處理廠氮磷含量超標(biāo)排放的情況相當(dāng)普遍。為了滿足太湖流域排放提標(biāo)升級(jí)的要求,有必要對(duì)城市污水處理廠尾水進(jìn)行深度化學(xué)除磷。單純依靠生物處理難以達(dá)標(biāo)排放的情況下,化學(xué)除磷方法是最后的選擇,因此,仍然有必要加強(qiáng)化學(xué)除磷的研究。與過(guò)去不同,隨著高效新型絮凝劑的出現(xiàn),過(guò)去存在的問(wèn)題可以得到不同程度的改善。所以,選用高效混凝劑進(jìn)行混凝沉淀除磷,可以有效降低污水處理廠出水的TP含量,尤其對(duì)于不具備除磷脫氮功能的污水處理廠是一種簡(jiǎn)單而有效的方法。1化學(xué)生物絮凝強(qiáng)化處理技術(shù)化學(xué)沉淀法是一種最早、使用最廣的除磷方法,1870年在英國(guó)已成為一種廣泛使用的污水處理方法。但該方法的藥劑消耗量大,運(yùn)行費(fèi)用高,污泥產(chǎn)生量多,這些問(wèn)題在當(dāng)時(shí)不能得到很好的解決而被其它方法所替代。到了20世紀(jì)80年代,為了進(jìn)一步提高污水中磷的去除程度,又重新開(kāi)始重視化學(xué)沉淀法。例如上海市竹園第1污水處理廠就是采用化學(xué)生物絮凝強(qiáng)化一級(jí)處理工藝,TP去除率達(dá)到75%;挪威最大的污水處理廠(OsloWest)采用化學(xué)預(yù)沉淀技術(shù),其BOD5的去除率可達(dá)到與常規(guī)生物處理相同或更好的處理效果,磷的去除率高達(dá)90%以上,它還解決了常規(guī)生物處理的超負(fù)荷問(wèn)題。化學(xué)沉淀除磷的基本原理是通過(guò)投加化學(xué)藥劑,使污水中的磷轉(zhuǎn)化為不溶性的磷酸鹽沉淀物,然后通過(guò)固液分離轉(zhuǎn)移到污泥中。磷的化學(xué)沉淀分為4個(gè)步驟,沉淀反應(yīng)、凝聚作用、絮凝作用和固液分離?？捎糜诨瘜W(xué)除磷的金屬鹽主要有3種,即鈣鹽、鐵鹽和鋁鹽。最常用的是石灰、硫酸鋁、鋁酸鈉、三氯化鐵、硫酸鐵、硫酸亞鐵和鋁、鐵聚合物(AVR)等。其反應(yīng)式和相應(yīng)磷酸鹽沉淀物的溶度積平衡常數(shù)對(duì)數(shù)pKa列于表1。一般認(rèn)為磷酸鹽沉淀是配位基參與競(jìng)爭(zhēng)的電性中和沉淀,即通過(guò)PO43-與鋁離子、鐵離子或鈣離子的化學(xué)沉淀作用加以去除。在污水處理廠中,根據(jù)化學(xué)藥劑在處理流程中投加點(diǎn)的不同,化學(xué)沉淀除磷工藝主要有4種,前置化學(xué)沉淀、同步化學(xué)沉淀、后置化學(xué)沉淀和后繼接觸過(guò)濾。2測(cè)試方法2.1/o法處理工藝所用水樣取自太湖流域的杭州市某城市污水處理廠厭氧-好氧(A/O)法處理工藝的二沉池出水,主要水質(zhì)如表2所示。需要注意的是,因?yàn)樗畼又泻形勰?污泥中的嗜磷菌會(huì)釋放出磷而影響試驗(yàn)結(jié)果,故水樣放置時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng),一般要求當(dāng)天采樣當(dāng)天使用。2.2硫酸亞鐵、三氯化鐵混凝劑:聚合氯化鋁(PAC),Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥29%;聚合硫酸鐵(PFS),Fe3+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥22%。硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O),硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O),三氯化鐵(FeCl3·6H2O),均AR。助凝劑:聚丙烯酰胺(PAM),白色粉末,固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%±0.5%;非離子型(PAM),非離子膠體,固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%±0.5%。2.3標(biāo)準(zhǔn)曲線方程TP含量測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定,所用標(biāo)準(zhǔn)曲線方程是ρ(TP)=33.21A-0.1377(A為吸光度,線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9994)。2.4配制0.0%l-1溶液選用5種混凝劑,PAC、硫酸鋁、PFS、硫酸亞鐵和三氯化鐵進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)前各混凝劑分別配成質(zhì)量濃度為5g·L-1的溶液待用。采用燒杯試驗(yàn),取1L污水處理廠二沉池出水于2L的燒杯中,加入適量混凝劑,分別用六聯(lián)攪拌器先以快檔(轉(zhuǎn)速1r·min-1),再以慢檔(轉(zhuǎn)速10r·min-1)下先后攪拌3min,靜置沉淀20min后于液面下2cm處取樣,測(cè)定上清液中的TP含量。3結(jié)果與討論3.1混凝劑的篩選選擇對(duì)混凝效果有顯著影響的4個(gè)條件,混凝劑投加量分別為5、10、15mg·L-1,快轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速分別為200、300、400r·min-1、慢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速分別為40、60、80r·min-1、pH分別為6、7、8,每個(gè)因數(shù)3個(gè)水平,采用L9(34)正交表安排試驗(yàn),見(jiàn)表3。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的目的是比較相同操作條件下不同混凝劑的除磷效果,結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,隨著3水平試驗(yàn)投加量的依次增加,各混凝劑的除磷效率也依次遞增。無(wú)機(jī)高分子混凝劑PAC和PFS較其他幾種無(wú)機(jī)低分子混凝劑具有更好的除磷效果,且鐵系混凝劑比鋁系混凝劑總體除磷效果要好,PFS的除磷效果最好,PAC次之。對(duì)于TP的質(zhì)量濃度為1.63mg·L-1的水樣,出水TP的質(zhì)量濃度≤0.5mg·L-1的GB18918-2002一級(jí)A排放要求。在比較無(wú)機(jī)低分子混凝劑的除磷效率可以看出,三氯化鐵較硫酸鋁和硫酸亞鐵表現(xiàn)出較好的除磷效果。從試驗(yàn)過(guò)程看,無(wú)機(jī)高分子混凝劑比無(wú)機(jī)低分子混凝劑絮凝體形成速度快且顆粒大,沉淀時(shí)間短,在混凝過(guò)程中可吸附卷掃水中的膠體顆粒物,使形成的磷酸鹽沉淀物沉降更完全,速度更快。因此無(wú)機(jī)高分子混凝劑表現(xiàn)出了較好的除磷效果。3.2不同tp含量的混凝劑的投資3.2.1混凝除磷情況對(duì)于TP的質(zhì)量濃度為1.46mg·L-1的水樣,PFS、PAC和三氯化鐵的混凝除磷情況見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn),投加量分別在15、20、25、30mg·L-1時(shí),混凝除磷出水中TP的質(zhì)量濃度<0.5mg·L-1;在投加量超過(guò)25mg·L-1后,各混凝劑除磷效率基本達(dá)到穩(wěn)定,再增加投加量除磷效率增加緩慢。3.2.2混凝劑最佳投加量對(duì)于TP的質(zhì)量濃度為2.73mg·L-1的水樣,PFS、PAC和三氯化鐵的混凝除磷情況見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),為使混凝除磷出水達(dá)到TP的質(zhì)量濃度≤0.5mg·L-1的排放要求,各混凝劑的投加量也相應(yīng)成倍增加,其中PFS和PAC的投加量分別需要30和35mg·L-1,三氯化鐵在投加量為35mg·L-1。通過(guò)對(duì)高低2種不同磷含量的水樣對(duì)比試驗(yàn)可知,最佳投加量要視水樣磷含量而定。試驗(yàn)中各混凝劑的最佳投加量換算成摩爾比,PFS為n(Fe3+)/n(P)=1.25,FeCl3·6H2O為n(Fe3+)/n(P)=1.96,PAC為n(Al3+)/n(P)=1.82。因此,PFS是一種高效的混凝劑。3.3混凝劑對(duì)磷廢水的凈化處理效果PFS投加量在15mg·L-1時(shí),TP去除率隨pH的變動(dòng)情況見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn),PFS在pH為5~9時(shí)都具有較高的除磷率,其中最佳除磷pH為8?；炷齽┏茁孰SpH波動(dòng)的原因有以下2種:(1)根據(jù)混凝劑的形態(tài)分析:在低pH時(shí),混凝劑投加到水中后主要以Fe3+、A13+高電荷低聚合度的配合離子存在,因而起不了粘附架橋來(lái)除去水中雜質(zhì)的作用,混凝除磷效果極差;在中性和弱堿性附近,PFS和PAC的水解產(chǎn)物以帶有高電荷的高聚絡(luò)合物為主,除磷的機(jī)理主要是締合吸附作用。隨pH值的升高,受高含量的OH-影響,帶有較高電荷的PFS水解產(chǎn)物會(huì)首先與OH-結(jié)合,逐漸生成Fe(OH)3沉淀,PAC則生成偏鋁酸根陰離子,締合吸附作用減弱,所以除磷率出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。(2)根據(jù)磷酸鹽的形態(tài)分析:當(dāng)pH<4.6時(shí),磷酸溶液主要以H3PO4形態(tài)存在,不易與帶正電荷絮凝劑結(jié)合成絮體而被去除;當(dāng)pH為4.6~9.8時(shí),磷酸溶液主要以H2PO4-和HPO42-這2種形態(tài)存在,較易與帶正電荷的絮凝劑結(jié)合成絮體而被去除。3.4混凝劑投加量的影響以TP的質(zhì)量濃度為2.73mg·L-1的二沉池出水為原水,考察各混凝劑與有機(jī)高分子助凝劑PAM聯(lián)用時(shí)的除磷效果。采用陰離子和非離子2種類型的PAM,在PFS和PAC投加量分別為15和20mg·L-1時(shí)同時(shí)投加2種類型PAM,不同投加量對(duì)各混凝劑的除磷效果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn),PAM對(duì)混凝劑PFS的助凝效果不明顯,陰離子型PAM致使TP含量增加,非離子型PAM投加量為1mg·L-1時(shí)除磷率僅為11.1%;陰離子PAM對(duì)混凝劑PAC的助凝效果也不好,投加量為1mg·L-1時(shí)除磷率僅為5.7%。而非離子PAM表現(xiàn)出一定的助凝作用,非離子PAM投加量為0.4mg·L-1時(shí)除磷率為20.8%。3.5pam投加量的確定以TP的質(zhì)量濃度為2.73mg·L-1的二沉池出水為原水,PAC、三氯化鐵、非離子型PAM投加量分別為35、40、0.4mg·L-1時(shí),投加時(shí)間設(shè)為2個(gè),即在與混凝劑同時(shí)投加和混凝攪拌過(guò)程中慢速攪拌3min后投加,結(jié)果見(jiàn)表5。表5表明,非離子PAM在混凝中慢速攪拌3min后投加,比與混凝劑同時(shí)投加助凝效果更佳。4最佳除磷ph及ph的確定以位于太湖流域的某城市污水處理廠A/O處理工藝的尾水為對(duì)象,通過(guò)化學(xué)混凝除磷試驗(yàn)研究,得到如下結(jié)論:混凝劑和助凝劑聯(lián)用時(shí),陰離子PAM對(duì)PFS、PAC和三氯化鐵混凝除磷均起不到助凝效果;非離子PAM對(duì)PAC和三氯化鐵的助凝效果較明顯;非離子PAM在慢速攪拌開(kāi)始3min后投加比與混凝劑同時(shí)投加的助凝效果要好。無(wú)機(jī)高分子混凝劑PAC和PFS較其他無(wú)機(jī)低分子混凝劑具有更好的除磷效果,且鐵系混凝劑比鋁系混凝劑總體除磷效果要好,PFS的除磷效果最好,PAC次之?；炷齽㏄FS當(dāng)n(Fe3+)/n(P)為1.25時(shí)除磷效果最好,因此,PFS是一種高效的混凝劑,投加量少、成本低。PFS在pH為5~9時(shí)都具有較高的除磷率,其中最佳除磷pH值為8。對(duì)于TP的質(zhì)量濃度為1.46mg·L-1的水樣,PFS、PAC和三氯化鐵的投加量分別在15、20、25mg·L-1時(shí),可使混凝除磷出水TP的質(zhì)量濃度<0.5mg·L-1。各混凝劑的最佳投加量隨水樣TP濃度的不同而不同。PFS、PAC和三氯化鐵的最佳除磷pH分別為8、7、6,PFS在pH為5~9的范圍內(nèi)都具有較高的除磷率,三氯化鐵除磷效果受p