污水处理厂高磷低分子混凝除磷试验研究

污水处理厂高磷低分子混凝除磷试验研究

2007年无锡发生供水危机后，国家对太湖流区城市污水处理厂的废水排放提出了更严格的要求。新的城市污水处理厂必须按照gb18918-2002的要求进行建设。为了缓解经济发展对太湖的影响,浙江省采取了一系列消减入太湖流域氮磷的措施。目前我国城市污水处理厂主要采用生物除磷工艺,方法多为氧化沟法和活性污泥法。生物除磷工艺受到进水COD/TP、BOD负荷、DO含量等因素的影响,除磷稳定性差,出水TP含量难以达到GB18918-2002一级B排放要求(ρ(TP)≤1mg·L-1),更难达到一级A排放要求(ρ(TP)≤0.5mg·L-1)。实际上城镇污水处理厂氮磷含量超标排放的情况相当普遍。为了满足太湖流域排放提标升级的要求,有必要对城市污水处理厂尾水进行深度化学除磷。单纯依靠生物处理难以达标排放的情况下,化学除磷方法是最后的选择,因此,仍然有必要加强化学除磷的研究。与过去不同,随着高效新型絮凝剂的出现,过去存在的问题可以得到不同程度的改善。所以,选用高效混凝剂进行混凝沉淀除磷,可以有效降低污水处理厂出水的TP含量,尤其对于不具备除磷脱氮功能的污水处理厂是一种简单而有效的方法。1化学生物絮凝强化处理技术化学沉淀法是一种最早、使用最广的除磷方法,1870年在英国已成为一种广泛使用的污水处理方法。但该方法的药剂消耗量大,运行费用高,污泥产生量多,这些问题在当时不能得到很好的解决而被其它方法所替代。到了20世纪80年代,为了进一步提高污水中磷的去除程度,又重新开始重视化学沉淀法。例如上海市竹园第1污水处理厂就是采用化学生物絮凝强化一级处理工艺,TP去除率达到75%;挪威最大的污水处理厂(OsloWest)采用化学预沉淀技术,其BOD5的去除率可达到与常规生物处理相同或更好的处理效果,磷的去除率高达90%以上,它还解决了常规生物处理的超负荷问题。化学沉淀除磷的基本原理是通过投加化学药剂,使污水中的磷转化为不溶性的磷酸盐沉淀物,然后通过固液分离转移到污泥中。磷的化学沉淀分为4个步骤,沉淀反应、凝聚作用、絮凝作用和固液分离。可用于化学除磷的金属盐主要有3种,即钙盐、铁盐和铝盐。最常用的是石灰、硫酸铝、铝酸钠、三氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁和铝、铁聚合物(AVR)等。其反应式和相应磷酸盐沉淀物的溶度积平衡常数对数pKa列于表1。一般认为磷酸盐沉淀是配位基参与竞争的电性中和沉淀,即通过PO43-与铝离子、铁离子或钙离子的化学沉淀作用加以去除。在污水处理厂中,根据化学药剂在处理流程中投加点的不同,化学沉淀除磷工艺主要有4种,前置化学沉淀、同步化学沉淀、后置化学沉淀和后继接触过滤。2测试方法2.1/o法处理工艺所用水样取自太湖流域的杭州市某城市污水处理厂厌氧-好氧(A/O)法处理工艺的二沉池出水,主要水质如表2所示。需要注意的是,因为水样中含有污泥,污泥中的嗜磷菌会释放出磷而影响试验结果,故水样放置时间不能过长,一般要求当天采样当天使用。2.2硫酸亚铁、三氯化铁混凝剂:聚合氯化铝(PAC),Al2O3的质量分数≥29%;聚合硫酸铁(PFS),Fe3+的质量分数≥22%。硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O),硫酸亚铁(FeSO4·7H2O),三氯化铁(FeCl3·6H2O),均AR。助凝剂:聚丙烯酰胺(PAM),白色粉末,固体的质量分数90%±0.5%;非离子型(PAM),非离子胶体,固体的质量分数10%±0.5%。2.3标准曲线方程TP含量测定采用钼酸铵分光光度法测定,所用标准曲线方程是ρ(TP)=33.21A-0.1377(A为吸光度,线性相关系数R2=0.9994)。2.4配制0.0%l-1溶液选用5种混凝剂,PAC、硫酸铝、PFS、硫酸亚铁和三氯化铁进行对比试验。试验前各混凝剂分别配成质量浓度为5g·L-1的溶液待用。采用烧杯试验,取1L污水处理厂二沉池出水于2L的烧杯中,加入适量混凝剂,分别用六联搅拌器先以快档(转速1r·min-1),再以慢档(转速10r·min-1)下先后搅拌3min,静置沉淀20min后于液面下2cm处取样,测定上清液中的TP含量。3结果与讨论3.1混凝剂的筛选选择对混凝效果有显著影响的4个条件,混凝剂投加量分别为5、10、15mg·L-1,快转转速分别为200、300、400r·min-1、慢转转速分别为40、60、80r·min-1、pH分别为6、7、8,每个因数3个水平,采用L9(34)正交表安排试验,见表3。设计正交试验的目的是比较相同操作条件下不同混凝剂的除磷效果,结果见表4。从表4可以看出,随着3水平试验投加量的依次增加,各混凝剂的除磷效率也依次递增。无机高分子混凝剂PAC和PFS较其他几种无机低分子混凝剂具有更好的除磷效果,且铁系混凝剂比铝系混凝剂总体除磷效果要好,PFS的除磷效果最好,PAC次之。对于TP的质量浓度为1.63mg·L-1的水样,出水TP的质量浓度≤0.5mg·L-1的GB18918-2002一级A排放要求。在比较无机低分子混凝剂的除磷效率可以看出,三氯化铁较硫酸铝和硫酸亚铁表现出较好的除磷效果。从试验过程看,无机高分子混凝剂比无机低分子混凝剂絮凝体形成速度快且颗粒大,沉淀时间短,在混凝过程中可吸附卷扫水中的胶体颗粒物,使形成的磷酸盐沉淀物沉降更完全,速度更快。因此无机高分子混凝剂表现出了较好的除磷效果。3.2不同tp含量的混凝剂的投资3.2.1混凝除磷情况对于TP的质量浓度为1.46mg·L-1的水样,PFS、PAC和三氯化铁的混凝除磷情况见图1。由图1可见,投加量分别在15、20、25、30mg·L-1时,混凝除磷出水中TP的质量浓度<0.5mg·L-1;在投加量超过25mg·L-1后,各混凝剂除磷效率基本达到稳定,再增加投加量除磷效率增加缓慢。3.2.2混凝剂最佳投加量对于TP的质量浓度为2.73mg·L-1的水样,PFS、PAC和三氯化铁的混凝除磷情况见图2。由图2可见,为使混凝除磷出水达到TP的质量浓度≤0.5mg·L-1的排放要求,各混凝剂的投加量也相应成倍增加,其中PFS和PAC的投加量分别需要30和35mg·L-1,三氯化铁在投加量为35mg·L-1。通过对高低2种不同磷含量的水样对比试验可知,最佳投加量要视水样磷含量而定。试验中各混凝剂的最佳投加量换算成摩尔比,PFS为n(Fe3+)/n(P)=1.25,FeCl3·6H2O为n(Fe3+)/n(P)=1.96,PAC为n(Al3+)/n(P)=1.82。因此,PFS是一种高效的混凝剂。3.3混凝剂对磷废水的净化处理效果PFS投加量在15mg·L-1时,TP去除率随pH的变动情况见图3。由图3可见,PFS在pH为5~9时都具有较高的除磷率,其中最佳除磷pH为8。混凝剂除磷率随pH波动的原因有以下2种:(1)根据混凝剂的形态分析:在低pH时,混凝剂投加到水中后主要以Fe3+、A13+高电荷低聚合度的配合离子存在,因而起不了粘附架桥来除去水中杂质的作用,混凝除磷效果极差;在中性和弱碱性附近,PFS和PAC的水解产物以带有高电荷的高聚络合物为主,除磷的机理主要是缔合吸附作用。随pH值的升高,受高含量的OH-影响,带有较高电荷的PFS水解产物会首先与OH-结合,逐渐生成Fe(OH)3沉淀,PAC则生成偏铝酸根阴离子,缔合吸附作用减弱,所以除磷率出现了下降趋势。(2)根据磷酸盐的形态分析:当pH<4.6时,磷酸溶液主要以H3PO4形态存在,不易与带正电荷絮凝剂结合成絮体而被去除;当pH为4.6~9.8时,磷酸溶液主要以H2PO4-和HPO42-这2种形态存在,较易与带正电荷的絮凝剂结合成絮体而被去除。3.4混凝剂投加量的影响以TP的质量浓度为2.73mg·L-1的二沉池出水为原水,考察各混凝剂与有机高分子助凝剂PAM联用时的除磷效果。采用阴离子和非离子2种类型的PAM,在PFS和PAC投加量分别为15和20mg·L-1时同时投加2种类型PAM,不同投加量对各混凝剂的除磷效果见图4。由图4可见,PAM对混凝剂PFS的助凝效果不明显,阴离子型PAM致使TP含量增加,非离子型PAM投加量为1mg·L-1时除磷率仅为11.1%;阴离子PAM对混凝剂PAC的助凝效果也不好,投加量为1mg·L-1时除磷率仅为5.7%。而非离子PAM表现出一定的助凝作用,非离子PAM投加量为0.4mg·L-1时除磷率为20.8%。3.5pam投加量的确定以TP的质量浓度为2.73mg·L-1的二沉池出水为原水,PAC、三氯化铁、非离子型PAM投加量分别为35、40、0.4mg·L-1时,投加时间设为2个,即在与混凝剂同时投加和混凝搅拌过程中慢速搅拌3min后投加,结果见表5。表5表明,非离子PAM在混凝中慢速搅拌3min后投加,比与混凝剂同时投加助凝效果更佳。4最佳除磷ph及ph的确定以位于太湖流域的某城市污水处理厂A/O处理工艺的尾水为对象,通过化学混凝除磷试验研究,得到如下结论:混凝剂和助凝剂联用时,阴离子PAM对PFS、PAC和三氯化铁混凝除磷均起不到助凝效果;非离子PAM对PAC和三氯化铁的助凝效果较明显;非离子PAM在慢速搅拌开始3min后投加比与混凝剂同时投加的助凝效果要好。无机高分子混凝剂PAC和PFS较其他无机低分子混凝剂具有更好的除磷效果,且铁系混凝剂比铝系混凝剂总体除磷效果要好,PFS的除磷效果最好,PAC次之。混凝剂PFS当n(Fe3+)/n(P)为1.25时除磷效果最好,因此,PFS是一种高效的混凝剂,投加量少、成本低。PFS在pH为5~9时都具有较高的除磷率,其中最佳除磷pH值为8。对于TP的质量浓度为1.46mg·L-1的水样,PFS、PAC和三氯化铁的投加量分别在15、20、25mg·L-1时,可使混凝除磷出水TP的质量浓度<0.5mg·L-1。各混凝剂的最佳投加量随水样TP浓度的不同而不同。PFS、PAC和三氯化铁的最佳除磷pH分别为8、7、6,PFS在pH为5~9的范围内都具有较高的除磷率,三氯化铁除磷效果受p