污水处理厂铝盐化学除磷机理判别及最优效能区间分析

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由于2007年太湖蓝藻爆发，江苏省对太湖流域污水处理厂明确了一级A 排放标准的要求，化学除磷被普遍应用以保证出水TP 稳定达到0.5mg/L 以下。太湖流域污水厂目前仍然主要依靠运行经验进行投药量控制。本研究主要通过试验确定影响除磷效能的反应机理及环境因素，以达到提高药剂利用效率，保证出水稳定达标，减少投药成本的目的。

化学除磷理论认为铝盐除磷主要遵循以下反应过程：主反应：

Al 3++H 2PO 4-→AlPO 4+2H+(1)副反应：

Al 3++3OH -

→Al(OH)3 (2)

一般认为，磷酸铝沉淀是去除正磷酸盐的主要反应过程，但部分学者也提出了不同的观点：Elisabeth 等[1]通过一项铝盐投加后化学反应过程的研究发现，正磷酸根的去除主要依赖于副反应生成的氢氧化铝与正磷酸根形成混合沉淀，且氢氧化铝对聚磷酸盐和有机磷酸盐也有着重要的吸附能力。Emil 等[2]也证实了类似观点，即对磷的处理效果有赖于铝絮体的吸附能力和絮体的分布。此外，Boisseret 等[3]更进一步指出，磷的吸附和去除主要是一种特殊作用力下的络合反应而不是沉淀主反应的结果。

除磷机理的确定可更清晰地展现pH 、搅拌条件、投加比等影响因素的作用原理，对提高污水厂提高药剂利用效率有重要作用，因此有必要通过试验验证沉淀反应及絮体吸附在除磷过程中各自的效果，本文主要通过二沉池出水及缓冲溶液配制水试验确定吸附作用的贡献率，通过对沉淀物的元素组成分析验证上述判断。

1、试验内容

1.1 材料及方法

智能六联搅拌器，0.02m o l /L 硼酸硼砂缓冲溶液，含磷100mg/L 磷酸二氢钾自配水，常州某污水厂二沉池出水，含

污水处理厂铝盐化学除磷机理判别及最优效能区间分析

□ 常州市排水管理处 吕贞 施亚栋 陈俊 仲志鸿 徐旻 董阳 郑璐

摘要

关键词化学除磷已在太湖流域污水处理厂广泛应用，以常州某污水厂二沉水为例，通过自配水缓冲溶液试验验证了铝盐除磷主要以形成Al(OH)3絮体吸附共沉淀为主的反应机理，能谱分析结果显示，除磷沉淀物中含有大量吸附态的铝盐及氢氧化铝，磷酸铝占比较小，客观验证了上述机理。通过多次试验得出的不同投加系数去除曲线，确定了PAC 除磷不同能效三阶段范围，即在初始P浓度为1.0～1.5 mg/L条件下，PAC除磷效率三阶段分别为投加量1～4 mg/L，5～9 mg/L及10 mg/L以上，硫酸铝为1～3 mg/L，4～7 mg/L和7 mg/L以上。

化学除磷机理；PAC投加比；余磷曲线；能谱分析

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2013ZX07314-001）

基金项目：城区水污染过程控制与水环境综合改善技术集成与示范2012ZX07301-001

Al 2O 310%PAC 溶液1:10稀释。

利用硼酸硼砂缓冲溶液模拟pH=7.2的对酸性PAC 溶液具缓冲容量的不含胶体及小颗粒的含磷水样。

通过对比分析在铝盐为同一投加比条件下，含磷缓冲溶液及二沉池出水的磷去除率，判断水解吸附对磷去除的作用效果。

1.2 分析项目及方法

PO 43-:钼锑抗分光光度法EDS 能谱分析

2、试验结果及分析

2.1 化学除磷机理判断

（1）缓冲溶液条件，主反应对化学除磷贡献率判断

缓冲溶液pH 固定，影响铝盐水解程度的主要因素为pH ，在这种体系中，铝盐水解程度一定，通过1:1投加磷酸盐去除率可判断主反应贡献。

表1 不同初始磷浓度化学除磷效果编号初始磷浓度mg/L 投加系数余磷浓度mg/L

去除率%1-11β=1

0.97 3.21-2 1.5 1.44 4.01-32

1.88 6.21-43

2.758.31-55 4.2415.31-610

8.58

14.2

由表1结果可知，排除二沉水中杂质以及PAC 带入的酸性导致的PH 变化干扰条件，1-10mg/L 初始磷酸盐试验序列结果显示，磷的去除率很低，说明除磷过程并未按照主反应进行，贡献率在不同初始浓度下仅为3.2%-14.2%。

（2）水中胶体及颗粒对化学除磷效能的影响

缓冲溶液为纯溶液，排除了胶体及颗粒物对吸附沉淀的影响，本文以缓冲溶液及二沉池出水为研究对象，进行近似初始浓度条件下不同投加比的除磷效率平行试验。

DOI：10.16116/ki.jskj.2016.17.054

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平行试验结果如表2及3所示：

表2 不同投加比缓冲溶液除磷效率编号初始磷浓度mg/L

投加系数余磷浓度mg/L

去除率%1-1 1.28β=1

1.23 4.11-2 1.28 1.24 3.52-1 1.28β=30.9823.22-2 1.28 1.0121.43-1 1.28β=50.7144.53-2

1.28

0.74

42.2

由表2结果可知，随着投加系数β值的增加，余磷浓度逐渐降低、缓冲溶液磷去除率也逐渐升高。但当β=1时，去除率仅为4.1%和3.5%，磷的去除效果甚微。当β=5时，余磷浓度为0.71mg/L 和0.74mg/L ，总磷的去除率为44.5%和42.2%，均未达到50%。

表3 不同投加比二沉池出水除磷效率编号初始磷浓度mg/L

投加系数余磷浓度mg/L 去除率%

1-1 1.15β=1

0.8625.5

1-2 1.150.9517.52-1 1.15β=3

0.5651.1

2-2 1.150.5155.73-1 1.15β=5

0.2975.1

3-2

1.15

0.2776.2

由表3结果可知，随着投加系数β值的增加，余磷浓度逐渐降低、二沉池出水磷去除率也逐渐升高，这与表2变化趋势一致。当β=1时，去除率为25.5%和17.5%，当β=5时，余磷浓度降低至0.29mg/L 和0.27mg/L ，总磷的去除率为75.1%和76.2%。

试验结果显示，平行试验的两种水质都无法达到主反应1:1的除磷效果，且投加比β=1时，去除率很低，各投加系数下的磷酸盐去除率较缓冲体系自配水平均高，基于以上试验判断，沉淀反应在化学除磷中不起主导作用，由于二沉池出水中胶体及颗粒物利于铝盐水解絮体形成，故具有对磷酸盐更好的吸附效果。

2.2 沉淀产物EDS能谱分析

利用分析纯硫酸铝代替PAC 作为铝盐，以免在沉淀物中引入杂质元素影响对实验结果判断，以常州某污水厂二沉池出水作为基质，通过投加磷酸盐至初始浓度为100mg/L 。铝盐投加比分别为β=2，β=5，β=8。沉淀物进行烘干预处理后进行EDS 分析。结果如图1和表4所示。

图1　除磷沉淀物能谱图（a.β=2b.β=5 c.β=8）

表4　除磷沉淀物元素、化合物组成

元素/化合物组成m o l 百分比（β=2）m o l 百分比（β=5）m o l 百分比

（β=8）

除磷沉淀物元素

O 81.2482.2681.42Na 0.430.38 1.57Al 11.0612.0811.75P 5.24 2.07 1.16S 2.03 3.16 4.10

化合物组成

Al (OH)3

4.477.917.86AlPO 4

5.24 2.07 1.16Al2(SO 4)3

0.68 1.05 1.37总O 42.4944.6344.60Al/P 2.1 5.810.1

备注

O元素分子量过小，测定准度低。以Al元素作为分析基准，进行平衡计算，得出各化合物的分布。

沉淀物组成都可写成含有Al (OH)3及Al 2(SO 4)3的构成，验证了主副反应同时进行的反应机理，同时，Al 2(SO 4)3作为可溶性盐出现在絮体沉淀中，且随着铝盐投加比的增加呈上升趋势，验证了铝盐对可溶磷酸盐的吸附效果，沉淀物结构反应了吸附共沉淀是主要除磷机理。

沉淀物种Al/P 的变化反映的是铝盐除磷的综合效率，沉淀反应按照1:1进行其效率值为100%，随着投加比的增加，Al (OH)3及AlPO 4比例升高，吸附作用逐渐起主导作用，沉淀物中Al/P 比与实际投加比偏差增大，综合效率值下降，铝盐投加经济性也随之下降。

2.3 PAC及硫酸铝实验室最优效能区间分析

累计初始浓度为1.07~1.49mg/L 的某污水厂二沉池出水PAC 及硫酸铝不同投加量余磷曲线，并进行函数拟合[4]，结果如图2和图3所示。

图2　PAC 余磷曲线（拟合函数y = -0.33ln(x) + 1.018）

图3　硫酸铝余磷曲线（拟合函数y = -0.35ln(x) + 0.835）

两种铝盐化学除磷反应曲线拟合优化后为指数型。根据斜率变化率分析，在初始P 浓度为1.0~1.5mg/L 条件下， PAC

除磷效