污水處理廠高磷低分子混凝除磷試驗研究

污水處理廠高磷低分子混凝除磷試驗研究

2007年無錫發(fā)生供水危機后，國家對太湖流區(qū)城市污水處理廠的廢水排放提出了更嚴格的要求。新的城市污水處理廠必須按照gb18918-2002的要求進行建設。為了緩解經(jīng)濟發(fā)展對太湖的影響,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水COD/TP、BOD負荷、DO含量等因素的影響,除磷穩(wěn)定性差,出水TP含量難以達到GB18918-2002一級B排放要求(ρ(TP)≤1mg·L-1),更難達到一級A排放要求(ρ(TP)≤0.5mg·L-1)。實際上城鎮(zhèn)污水處理廠氮磷含量超標排放的情況相當普遍。為了滿足太湖流域排放提標升級的要求,有必要對城市污水處理廠尾水進行深度化學除磷。單純依靠生物處理難以達標排放的情況下,化學除磷方法是最后的選擇,因此,仍然有必要加強化學除磷的研究。與過去不同,隨著高效新型絮凝劑的出現(xiàn),過去存在的問題可以得到不同程度的改善。所以,選用高效混凝劑進行混凝沉淀除磷,可以有效降低污水處理廠出水的TP含量,尤其對于不具備除磷脫氮功能的污水處理廠是一種簡單而有效的方法。1化學生物絮凝強化處理技術化學沉淀法是一種最早、使用最廣的除磷方法,1870年在英國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,運行費用高,污泥產(chǎn)生量多,這些問題在當時不能得到很好的解決而被其它方法所替代。到了20世紀80年代,為了進一步提高污水中磷的去除程度,又重新開始重視化學沉淀法。例如上海市竹園第1污水處理廠就是采用化學生物絮凝強化一級處理工藝,TP去除率達到75%;挪威最大的污水處理廠(OsloWest)采用化學預沉淀技術,其BOD5的去除率可達到與常規(guī)生物處理相同或更好的處理效果,磷的去除率高達90%以上,它還解決了常規(guī)生物處理的超負荷問題?；瘜W沉淀除磷的基本原理是通過投加化學藥劑,使污水中的磷轉化為不溶性的磷酸鹽沉淀物,然后通過固液分離轉移到污泥中。磷的化學沉淀分為4個步驟,沉淀反應、凝聚作用、絮凝作用和固液分離。可用于化學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。其反應式和相應磷酸鹽沉淀物的溶度積平衡常數(shù)對數(shù)pKa列于表1。一般認為磷酸鹽沉淀是配位基參與競爭的電性中和沉淀,即通過PO43-與鋁離子、鐵離子或鈣離子的化學沉淀作用加以去除。在污水處理廠中,根據(jù)化學藥劑在處理流程中投加點的不同,化學沉淀除磷工藝主要有4種,前置化學沉淀、同步化學沉淀、后置化學沉淀和后繼接觸過濾。2測試方法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,主要水質如表2所示。需要注意的是,因為水樣中含有污泥,污泥中的嗜磷菌會釋放出磷而影響試驗結果,故水樣放置時間不能過長,一般要求當天采樣當天使用。2.2硫酸亞鐵、三氯化鐵混凝劑:聚合氯化鋁(PAC),Al2O3的質量分數(shù)≥29%;聚合硫酸鐵(PFS),Fe3+的質量分數(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,固體的質量分數(shù)90%±0.5%;非離子型(PAM),非離子膠體,固體的質量分數(shù)10%±0.5%。2.3標準曲線方程TP含量測定采用鉬酸銨分光光度法測定,所用標準曲線方程是ρ(TP)=33.21A-0.1377(A為吸光度,線性相關系數(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行對比試驗。試驗前各混凝劑分別配成質量濃度為5g·L-1的溶液待用。采用燒杯試驗,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(轉速1r·min-1),再以慢檔(轉速10r·min-1)下先后攪拌3min,靜置沉淀20min后于液面下2cm處取樣,測定上清液中的TP含量。3結果與討論3.1混凝劑的篩選選擇對混凝效果有顯著影響的4個條件,混凝劑投加量分別為5、10、15mg·L-1,快轉轉速分別為200、300、400r·min-1、慢轉轉速分別為40、60、80r·min-1、pH分別為6、7、8,每個因數(shù)3個水平,采用L9(34)正交表安排試驗,見表3。設計正交試驗的目的是比較相同操作條件下不同混凝劑的除磷效果,結果見表4。從表4可以看出,隨著3水平試驗投加量的依次增加,各混凝劑的除磷效率也依次遞增。無機高分子混凝劑PAC和PFS較其他幾種無機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。對于TP的質量濃度為1.63mg·L-1的水樣,出水TP的質量濃度≤0.5mg·L-1的GB18918-2002一級A排放要求。在比較無機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。從試驗過程看,無機高分子混凝劑比無機低分子混凝劑絮凝體形成速度快且顆粒大,沉淀時間短,在混凝過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。因此無機高分子混凝劑表現(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混凝除磷情況對于TP的質量濃度為1.46mg·L-1的水樣,PFS、PAC和三氯化鐵的混凝除磷情況見圖1。由圖1可見,投加量分別在15、20、25、30mg·L-1時,混凝除磷出水中TP的質量濃度<0.5mg·L-1;在投加量超過25mg·L-1后,各混凝劑除磷效率基本達到穩(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于TP的質量濃度為2.73mg·L-1的水樣,PFS、PAC和三氯化鐵的混凝除磷情況見圖2。由圖2可見,為使混凝除磷出水達到TP的質量濃度≤0.5mg·L-1的排放要求,各混凝劑的投加量也相應成倍增加,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。通過對高低2種不同磷含量的水樣對比試驗可知,最佳投加量要視水樣磷含量而定。試驗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混凝劑對磷廢水的凈化處理效果PFS投加量在15mg·L-1時,TP去除率隨pH的變動情況見圖3。由圖3可見,PFS在pH為5~9時都具有較高的除磷率,其中最佳除磷pH為8。混凝劑除磷率隨pH波動的原因有以下2種:(1)根據(jù)混凝劑的形態(tài)分析:在低pH時,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除去水中雜質的作用,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合物為主,除磷的機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)物會首先與OH-結合,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。(2)根據(jù)磷酸鹽的形態(tài)分析:當pH<4.6時,磷酸溶液主要以H3PO4形態(tài)存在,不易與帶正電荷絮凝劑結合成絮體而被去除;當pH為4.6~9.8時,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合成絮體而被去除。3.4混凝劑投加量的影響以TP的質量濃度為2.73mg·L-1的二沉池出水為原水,考察各混凝劑與有機高分子助凝劑PAM聯(lián)用時的除磷效果。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時同時投加2種類型PAM,不同投加量對各混凝劑的除磷效果見圖4。由圖4可見,PAM對混凝劑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時除磷率僅為11.1%;陰離子PAM對混凝劑PAC的助凝效果也不好,投加量為1mg·L-1時除磷率僅為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時除磷率為20.8%。3.5pam投加量的確定以TP的質量濃度為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,投加時間設為2個,即在與混凝劑同時投加和混凝攪拌過程中慢速攪拌3min后投加,結果見表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象,通過化學混凝除磷試驗研究,得到如下結論:混凝劑和助凝劑聯(lián)用時,陰離子PAM對PFS、PAC和三氯化鐵混凝除磷均起不到助凝效果;非離子PAM對PAC和三氯化鐵的助凝效果較明顯;非離子PAM在慢速攪拌開始3min后投加比與混凝劑同時投加的助凝效果要好。無機高分子混凝劑PAC和PFS較其他無機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n(Fe3+)/n(P)為1.25時除磷效果最好,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時都具有較高的除磷率,其中最佳除磷pH值為8。對于TP的質量濃度為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,可使混凝除磷出水TP的質量濃度<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的范圍內都具有較高的除磷率,三氯化鐵除磷效果受p