李思敏,王俊,宋晓娟

(1.河北工程大学 城市建设学院,河北邯郸 056038;2.北华建筑设计有限公司,河北邯郸 056000)

水体富营养化是由于人们大量的使用了农药、化肥及含磷洗涤剂,造成水体中的氮、磷含量增加,藻类大量繁殖,水体中的溶解氧被消耗殆尽,致使鱼类等水生生物死亡,水质恶化,严重危害了人类健康[1-4]。近年来,世界各地的水体富营养化现象时有发生,引起了人们的广泛关注。而水体中的氮可由固氮生物获得,因此,只有降低排入水体中的磷含量才是解决水体富营养化的有效途径。

污水的除磷方法有化学沉淀法、O-R法、电解法、物理吸附法、回转截留式活性污泥法、生物处理法等,其中生物处理法和化学沉淀法应用较多。单独采用生物处理法除磷时对工艺要求较高,一般较难满足出水含磷量低于1.0mg/L的排放要求[3]。化学沉淀除磷法早在18世纪的英国就已得到应用,在19世纪后期被英、美等国广泛采用,随后因引入了新的化学物质、药剂消耗量大等原因,被生物处理方法所代替[5-7]。近年来,为进一步提高污水中磷的去除程度,化学沉淀法又被重新重视。

本文通过烧杯试验分别考察了聚合氯化铝(PAC),硫酸铝(Al2(SO4)3◦18H2O),硫酸亚 铁(FeSO4◦7H2O)和氯化铁(FeCl3◦6H2O)四种混凝剂对城市污水中TP的去除效果,并对协同去除SS和CODCr的情况进行了比较,旨在为化学辅助除磷工艺提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验水质

试验用水为经曝气沉砂池预处理后的城市污水,水质参数见表1。

表1 原水水质Tab.1 Quality of raw water mg◦L-1

1.2 试验仪器及药剂

试验仪器包括721型分光光度计,pH计,COD快速测定仪,电子天平,MY-3000K型六联电动搅拌器。

1.3 试验方法

取原水水样测定其TP、SS、CODCr值,然后分别取1 000mL水样置于6个烧杯中,投加 0mg/L、20mg/L、40mg/L 、60mg/L 、80mg/L 、100mg/L、120mg/L的混凝剂;搅拌器先后以300r/min快速搅拌1min,以100r/min中速搅拌10min,以50r/min慢速搅拌5min;静沉30min后取上清液100mL,测定其TP、SS、CODCr值。为减小因原水水质而产生的误差,每种混凝剂做5次试验,求其平均值。

1.4 分析方法

COD值的测定:水样经5B-X消解器消解后,用30mm光程的比色皿在610nm波长处采用5B-3型快速COD测定仪测定。

其余水质指标根据《水和废水监测分析方法》(第4版)中提供的标准方法进行监测[8]。

2 结果与讨论

2.1 PAC除磷效果分析

PAC投加量超过60mg/L时,水样开始出现矾花,沉淀后上清液较为浑浊,且絮体的沉降性能较差;TP的去除率随PAC投加量的增加而逐渐升高,在PAC投加量为120mg/L时,上清液中TP可降到1.0mg/L以下,去除率为79.10%(图1);PAC对CODCr和SS去除率在投加量由0增加到100mg/L时增加较快,此时,上清液中CODCr可降至35mg/L以下,SS可降至10mg/L以下,去除率分别为86.10%和94.48%(图2)。

由此可以看出,PAC对TP的去除效果较差,去除率最高仅为79.10%,单独使用PAC除磷时,所需的药剂量较大,费用较高。但其对CODCr和SS的去除率较高,在投加量为100mg/L时,去除率均在85%以上,这是因为PAC为高分子絮凝剂,分子链较长,其上有许多官能团,在中和粒子表面电荷的同时,能使粒子间牢固结合,从而形成稳定的絮凝体,可以大大提高CODCr和SS的去除。

2.2 FeSO4◦7H2O除磷效果分析

FeSO4◦7H2O的投加量超过80mg/L时,水样逐渐产生细小絮凝体,且不易沉淀,沉淀后上清液呈淡黄色。在FeSO4◦7H2O投加量由0增加到80mg/L的过程中,TP去除率增加较快(图3),此时,TP去除率为78.18%,上清液中TP浓度为0.72mg/L;投加量由80mg/L增加到120mg/L时,TP去除率曲线略微下降后又缓慢上升,原因可能是投加FeSO4◦7H2O过量,致使絮凝体脱稳后又复稳;CODCr和SS的去除率变化幅度较小,在FeSO4◦7H2O投加量为120mg/L时,上清液中CODCr和SS的浓度分别为160.84mg/L和40.08mg/L,去除率分别为31.73%和70.23%(图4)。

可见,FeSO4◦7H2O 对TP、SS 和 CODCr的去除效果均较差,原因是FeSO4◦7H2O水解后只能形成简单的络合物,需进一步氧化成三价铁才能形成多核羟基络合物,这些羟基络合物能有效降低或消除胶体的ξ电位,使胶体凝聚。在使用FeSO4◦7H2O进行除磷时,可考虑将硫酸亚铁投加在曝气池中,进行氧化后除磷,以节省药剂的投加量。

2.3 FeCl3◦6H2O除磷效果分析

FeCl3◦6H2O投加量为20mg/L时,水样产生微小的絮体;当投加量超过40mg/L时,水样产生硕大密实的絮体,且沉降性能较好,沉淀后上清液较为清澈。在投加量由0增加到80mg/L的过程中,TP去除率迅速增加,继续增加药剂量,TP的去除率变化不大;FeCl3◦6H2O投加量为120mg/L时,去除率略微下降,原因可能是氯化铁投加过量使絮凝体复稳,在FeCl3◦6H2O投加量为80mg/L时,TP去除率为91.28%,上清液TP浓度为0.36mg/L(图5)。CODCr和SS的去除率也随着加药量的增加而增加,投加量为80mg/L时,上清液中CODCr和SS的浓度分别为120.37mg/L和10.03mg/L,去除率分别为45.68%和92.17%(图6)。

以上结果表明,当投加80mg/L的 FeCl3◦6H2O时,TP和SS的去除率均在90%以上,而CODCr的去除率仅为45.68%,原因是氯化铁加入水样后,能快速水解生成长线型多核羟基络合物,这些络合物能吸附水中大量的磷酸根和胶体物质,而污水中胶体状有机物含量较低,所以氯化铁对TP和SS的去除率高而对CODCr的去除率较低。

2.4 Al2(SO4)3◦18H2O除磷效果分析

试验中观察到投加Al2(SO4)3◦18H2O后产生的絮体较为密实,但沉淀后上清液的清澈度不如投加FeCl3◦6H2O 的好 。当Al2(SO4)3◦18H2O 投加量由0增加到80mg/L时,TP去除率增加较快,此时,TP去除率为88.67%,上清液TP浓度为0.46 mg/L;投加量由80mg/L增加到120mg/L时,TP去除率增加缓慢,在Al2(SO4)3◦18H2O投加量为120mg/L时,也出现轻微的下降(图 7)。CODCr和SS的去除率增加幅度较小,Al2(SO4)3◦18H2O投加量为80mg/L时,上清液中CODCr和SS的浓度分别为156.51mg/L和 44.57mg/L,去除率分别为28.63%和69.32%(图8)。

由此可见,Al2(SO4)3◦18H2O在投加量为80mg/L时,TP去除效果较好,去除率可达到88.67%,而CODCr和SS的去除效果较差。有研究表明在废水处理过程中,采用混凝法与生化法结合的流程时,水中残余的铝盐对微生物的生长有一定的抑制作用。近代医学也表明过量摄入铝会引起引起老年性痴呆症、记忆力减退等症状,对体细胞及生殖细胞有致突变的作用[9]。因此,在污水采用化学除磷后排入水体时,不建议使用铝盐。

3 结论

1)在投加量为80mg/L时,四种混凝剂对TP的去除率按由高到低顺序是 FeCl3◦6H2O＞Al2(SO4)3◦18H2O ＞FeSO4◦7H2O ＞PAC,投加 FeSO4◦7H2O、FeCl3◦6H2O 和 Al2(SO4)3◦18H2O 的污水 ,TP浓度分别可降至0.72mg/L、0.36mg/L和0.46mg/L;PAC的投加量为 120mg/L时,TP浓度可降至1.0 mg/L以下。

2)TP、SS和CODCr的去除率均随着药剂投加量的增加而提高,FeCl3◦6H2O和PAC对CODCr和SS的去除效果较好,而FeSO4◦7H2O 和Al2(SO4)3◦18H2O对CODCr和SS的去除效果较差。

3)Al2(SO4)3◦18H2O虽具有较好的除磷效果,但铝盐投加过量时,会对水中微生物产生毒害作用,并对人体有危害,因此,在污水采用化学除磷后排入水体时,不建议使用铝盐。

[1] QUINTANAM,COLMENAREJO M F,BARRERA J,et al.Removal of phosphorus through struvite precipitation using a byproduct of magnesium oxide production(BMP):effect of the mode of BMP preparation[J] .Chemical Engineering Journal,2008(136):204-209.

[2] 邱维,张智.城市污水化学除磷的探讨[J] .重庆环境科学,2002,24(2):81-84.

[3] 邱慎初.化学强化一级处理(CEPT)技术[J] .中国给水排水,2000,16(1):26-29.

[4] 白峰青,李冲,朱文敏,等.秋冬季节复合人工湿地系统对污水净化效果研究[J] .河北工程大学学报(自然科学版)2009,26(2):45-47.

[5] 吴燕,安树林.废水除磷方法的现状与展望[J] .天津工业大学学报,2001,20(1):20-21.

[6] 于晓洁,陈银广,顾国维.城市污水除磷技术研究-化学强化一级除磷与生物除磷[J] .环境科学与技术,2008,31(11):82-85.

[7] 宋志伟,张芙蓉.污泥浓度对膜生物反应器处理焦化废水的影响[J] .黑龙江科技学院学报,2009,19(6):423-426.

[8] 国家环保总局,《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水分析监测方法(第4版)[M] .北京:中国环境科学出版社,2002.

[9] 赵立新,王其侠.混凝剂对水中残余铝的影响研究[J] .佳木斯大学学报(自然科学版),2001,19(2):187-189.