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聚氯化铝铁和聚合硫酸铁除磷效果对比分析

2022年8月16日

磷是造成水体富营养化的一个重要原因,为了改善水质富营养化问题,国家出台了《污染综合排放标准》(GB8978—1996)规定,严格控制排放水中磷的含量,磷酸盐(P浓度)≤0.5mg/L为一级标准,磷酸盐(P浓度)≤1.0mg/L为二级标准。常用的除磷剂有聚氯化铝铁和聚合硫酸铁,本文将通过实验对两种除磷剂进行对比,并找出最佳混凝条件。

我们以聊城市污水处理厂尾水为研究对象。此污水处理厂各处理环节均不一样,生物处理环节使用A2/0的处理工艺,处理水源为日常生活用水,经过一级处理方式(物理处理)和二级处理方式(生物处理),排出水中PH值约为6.89,磷的含量约为3.94mg/L,水温约为13℃,冬季也会出现3℃的低水温。如表1所示。
 

表 1  地表水五类水质总磷含量标准
标准值 Ⅰ类 Ⅱ类 Ⅲ类 Ⅳ类 Ⅴ类
总磷(P) 0.02(湖、 库 0.01)  0.1(湖、 库 0.025) 0.2(湖、 库 0.05) 0.3(湖、 库 0.1) 0.4(湖、 库 0.2)

看磷含量,如果废水没有经过三级处理直接排放,就会对水体造成很大污染。我们用聚合硫酸铁和聚氯化铝铁作为混凝剂,聚氯化铝铁属于无机高分子类的复合混凝剂,其优点为:絮凝性好、产生的矾花密实、易沉降、药品投入量少、高效、使用广泛等。本实验选取的聚氯化铝铁,其AL203的含量大于等于30%,固态时呈红褐色、粉末状。聚合硫酸铁,应为缩写为聚合硫酸铁,分子表达式为[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m。属于高分类的混凝剂,一般呈红褐色固态状。聚合硫酸铁优点为:混凝性好、矾花厚实、易沉降,也不含有害物质(氯、铝、重金属等离子物质),同时也没有铁离子转移现象,水质无毒害,安全可靠。聚氯化铝铁在PH值为4-11的水体中都有作用,但当PH值在6~9时,其效果最佳,并且,原水处理过后,水体的酸碱度变化很小,对污水处理设备的腐蚀很小。处理污染小、低浊、低温、含藻类生物的原水效果更好,处理浊度高的原水效果最佳。

本文采用正交实验对混凝剂的除磷作用进行分析,设定溶液PH值、药品投入量、快、慢转速主要因子,制定四因素、三水平正交表。由经验确定其它影响因子,比如,快转用时过长,将会打破开始生成的絮体,所以将快转用时设为40s;如慢转搅拌用时超过15min,搅拌时间和混凝效果关系不大。但搅拌时间在10min以内时,会对混凝效果产生影响,故慢转时间设定为10min,沉降时间设定为30min。由实验可确定加入最少量的混凝剂,再以最少量的混凝剂为基础,分别作六组实验,每组投入量跨度为0.2mL,以便对入投加量范围的确定。正交表以用最优的投入量和相关数据,来确定加药量的因子参数。混合阶段搅拌强度比较高,快转速的最低值取500r/min,在混凝阶段,搅拌速度应放慢,最大值取100r/min。混凝剂加入原水后,用JJ-4型六联搅拌器搅拌,等其混凝完成时,沉淀30min,用定性滤纸对其过滤。用GB过硫酸钾氧化-钼锑分光光度法对过滤后的水样和原水进行总磷测定。

由简单的混凝实验分析,投入聚合硫酸铁的量最小大概为15mg/L,浊度去除率最优是的投入量约为25mg/L,正交实验的水平因素可以由上述实验确定。表2为聚合硫酸铁的正交实验,选用L9(34)正交表。
 

表 2  聚合硫酸铁 L9(34)正交表
因素 混凝剂投加量(mg/L) 快转速 r/min 慢转速 r/min PH
1 15 500  60 5.5
2 15 650  80 7
3 15 800 100 8.5
4 25  500 100 8.5
5 25  650  60 5.5
6  25 800 80 7
7 35 500 80  7
8  35  650 100 8.5
9  35 800  60  5.5

                               

由简单的混凝实验来确定几个水平因素,设计正交实验如表3所示。
 

表 3  聚氯化铝 L9(34)正交表
因素 混凝剂投加量(mg/L)  快转速 r/min 慢转速 r/min PH 
1 75 500 60 5.5
2 75 650 80 7
3 75 800 100 8.5
4 85 500 100 8.5
5 85 650 60 5.5
6 85 800 80 7
7 95 500 80 7
8 95 650 100 8.5
9 95 800 60 5.5




聚合硫酸铁的混凝效果分析

混凝影响因素分析

由正交设计极差分析可得到最优混凝参数与主要影响因子。每个水平效应均值表示为K1、K2、K3,用R表示极差,分析结果如表4。

 

4  聚合硫酸铁极差分析表
因素 混凝剂投加量(mg/L)  快转速 r/min  慢转速 r/min  PH  实验结果
实验 1 15 500  60  5.5  75.53%
实验2 15 650 80 7 80.24%
实验 3 15 800 100 8.5 63.92% 
实验 4 25 500 100 8.5 74.43%
实验 5 25 650 60 5.5  73.75%
实验 6 25 800  80 7  76.45%
实验 7 35 500 80 7 75.78%
实验 8 35 650 100 8.5 72.4%
实验 9 35 800 60 5.5 69.69%
K1 73.230 75.247 74.793 72.990  
K2 74.877 75.463 74.787 77.490  
K3 72.623 70.020 71.150  70.250  
 R  2.254 5.443 3.643 7.240  

由表3可知,极差由小到大排列为慢转速、快转速、PH值、混凝剂投入量;因此影响聚合硫酸铁的混凝程度为:投入量<慢转速<快转速<PH值。

最佳混凝条件确定

由表3可知,药品投入量、溶液PH值,快、慢转速的效应平均值Ka最大值,分别用K1、K1、K3、K2表示,其水平为第二、第二、第一、第二,可以看出,要取得较佳的混凝效果,需要溶液PH值为7,投入混凝剂量为25mg/L,快、慢转速分别为650r/min和60r/min。根据上述数据去论证所得结论。实验条件为:投入混凝剂浓度为25mg/L,溶液PH值为7,快、慢转速分别为650r/min和60r/ml。进行三次相同的测试,得到去除率的平均值为78.98%。

聚氯化铝铁的混凝效果分析

混凝影响因素分析

聚氯化铝铁的正交实验极差分析见表5。
 

表5  聚氯化铝铁极差分析表
因素 混凝剂投加量(mg/L)  快转速 r/min  慢转速 r/min  PH  实验结果
实验 1 75 500  60  5.5  77.89%
实验2 75 650 80 7 79.3% 
实验 3 75 800 100 8.5  78.53% 
实验 4 85 500 100 8.5 79.2% 
实验 5 85 650 60 5.5 78.66%
实验 6 85 800  80 7  80.24%
实验 7 95 500 80 7 72.52%
实验 8 95 650 100 8.5 71.7%
实验 9 95 800 60 5.5 70.98%
K1 78.573 76.573 76.610 75.843  
K2 79.367 76.553  76.493 77.353  
K3 71.733 76.583 76.570 76.477  
 R 7.634 0.046 0.117 1.510  

最佳混凝条件确定

由表5可知,药品投入量、溶液PH值,快、慢转速的效应平均值Ka最大值,分别用K1、K1、K3、K2表示,其水平为第一、第二、第二、第二,可以看出,要取得较佳的混凝效果,需要溶液PH值为7,投入混凝剂量为85mg/L,快、慢转速分别为650r/min和80r/min。根据上述数据去论证所得结论。实验条件为:投入混凝剂浓度为85mg/L,溶液PH值为7,快、慢转速分别为650r/min和80r/ml。进行三次相同的测试,得到去除率的平均值为81.33%。
 

两种混凝剂混凝效果对比

实验结果可知,聚合硫酸铁与聚氯化铝铁均有很好的去磷作用。聚合硫酸铁在处理低浊度、低温水时效果很好,去浊效果显著,矾花颗粒大容易沉淀,在在最优混凝条件时,去除率高达78.98%;和聚合硫酸铁相比,聚氯化铝铁因为有复合材料的特点,还有铁盐和铝盐的优点,且对溶液的酸碱性、温度都有较强的适应性,所以聚氯化铝铁有更有的除磷效果。但因聚氯化铝铁产生的矾花很小,沉降效果不佳,去浊度明显不如聚合硫酸铁,并且去除率达到最高时,所需加入的量高出聚合硫酸铁2倍。用聚合硫酸铁和聚氯化铝铁这两种混凝剂处理出水时,含磷量分别为0.83mg/L和0.74mg/L。

聚合硫酸铁混凝现象及机理分析

实验时,混凝剂投入水中后,快速搅拌,开始微呈黄色,当转速降低是,矾花慢慢成形,呈细小、浅黄色状态,最后矾花逐渐孕育长大,经20min沉降后,分散的矾花结成整块,水质浊度降低并且变得清澈,但和原水相比,混凝后的水还是稍显黄色。

把聚合硫酸铁投入水体后,充分搅拌使其和原水混合并出现混凝现象。聚合硫酸铁混凝剂为无机高分子药品,所以其和原水混合后,高分子吸附架桥就在胶体颗粒之间生成,较小的颗粒在桥连接作用下,聚集孕育成更大的颗粒,最后沉降水底。当投入的混凝剂浓度较低(15mg/L)时,吸附架桥无法建立,颗粒就很难聚集,混凝效果不佳;当投入浓度较高(35ml/L)时,胶体颗粒完全本高分子物质包裹,阻碍了颗粒的聚焦,混凝效果也不佳。当投入量为25mg/L时,浓度适中,此时混凝效果最佳,去除率最高。

聚氯化铝铁混凝现象及机理分析

在混凝阶段,聚氯化铝铁和聚合硫酸铁产生矾花更细小,经过5min的慢速搅拌,凝聚仍然微弱。经过20min的沉淀,多数矾花沉淀,但水中仍存在很多的悬浮颗粒,这时,矾花呈细小、松散状,且为浅黄色。但处理过的水浑浊度比聚合硫酸铁效果好,色度低。

实验表明,去除率并没有随聚氯化铝铁加入的量增多而明显降低,其作用原理为:在PH值较大的范围内,多核羟基络合物和被胶状颗粒粘着溶解的正电荷单体被胶体颗粒吸附,致使电中和脱稳,在较高的PH值范围内及大剂量条件下,反应生成氢氧化物,并致使“卷扫”絮凝。聚合铁和聚合铝互补增加效果,聚合铁形态容易出现转化,是致使聚氯化铝铁作用PH值范围增大主要因素。当PH值处于低的范围时,即使聚合铝的作用降低,此时,聚合铁的形态,大部分处于一定聚合度、较高正电荷分布的环境中,这时,聚合铁的作用一脱稳和电中为主。当PH值较大时,聚合铁很快反应生成为Fe(OH)2和a-FeOOH的沉淀物质,“卷扫”絮凝物质继续变大。如果加入量大的聚合铝和聚合铁,两者共同作用时,会促进絮体的沉淀,并且是在得到最佳凝聚效果时,投入的剂量也相对较少。聚合铝还处在再稳区时,此时,聚合铁处于絮凝状态,所以,聚氯化铝铁再稳区范围变小。就是因聚合铁和水混合后,其形态就会改变,之后就会孕育形成颗粒状。

水厂混凝剂选择讨论

根据上述分析,针对污水厂的这种水质,两种混凝剂的除磷效果均较好。当两种溶液混合后,聚合硫酸铁水解的三价铁和溶液中的正磷酸盐反应,生成FePO4,因FePO4溶解度较小,很快变成絮状体,慢慢变大,最终沉降下来,达到较好的除磷效果。还有,聚氯化铝铁作为最新的复合材料,它具有铁盐和铝盐的优点,对水质适应能力较好,使其可以在各种水质环境中使用,但也有资料表示,经聚氯化铝铁处理过的水,其铝离子的含量会有所增高,因铝是慢性的、累积型的有毒物质,长期使用这种水,会给人带来巨大危害,因此,水厂不能使用这种凝聚剂。当前,这两种混凝剂的市场价格都为5元/800g,聚氯化铝铁要投入聚合硫酸铁3倍的使用量,才能达到较好的除磷效果,可以看出,如过要求处理的水量多且质量较高时,聚合硫酸铁就没有价格优势,聊城市污水处理厂对出水要求比较严格,聚氯化铝铁处理污水能是出水水质达到要求,并且助凝剂的使用量也大大减少,经济效益明显高于聚合硫酸铁。但选择哪种混凝剂,任何的混凝条件下,出水质量都无法达到国家最优的A级标准,在这种情况下还应使用助凝剂。研究发现,加入一定的PAM(高分子助凝剂),能少量的提高磷的析出量,在加入一定的黏土颗粒,可以增大凝结核,能加快凝结核的沉淀,过滤后,就能是出水的磷含量降低到0.5mg/L以内。

研究表明,当PH值为中性时,得出聚合硫酸铁和聚合氯化铝铁,两者最优的混凝条件大致相同,通过检测聊城市污水处理厂的二级出水的酸碱度,其PH值一般都在6.5~7.0的范围,所以溶液不需要调节酸碱度,就能进行混凝,搅拌速度对两种混凝剂的影响大小基本一致。因此,在入水和搅拌条件均一致的状况下,要达到理想的去除效果,聚氯化铝铁为最佳选择对象。