铁盐复混除磷剂的优化

喻晋芳，赵佳敏，彭赵旭

(郑州大学 水利与环境学院，郑州 450001)

我国大多数城市污水处理厂进水TP均值在5 mg/L左右[1]，传统工艺采用经济的生物法进行除磷[2].随着(GB18918-2002)一级A排放标准的普遍执行(TP≤0.5 mg/L)，越来越多的水厂辅以化学法进行深度除磷.此举不但能够实现磷的达标排放，而且通过优化投药点、处理工艺等措施，也有助于磷资源的回收[3].一般来讲，化学除磷剂主要包括铝盐和铁盐两大类.由于铝盐适用范围较窄且残留物对环境有负作用[4]，因此铁盐除磷剂近年来更受欢迎，尤其是其产物之一包含蓝铁矿的主要成分Fe3(PO4)2·8H2O，但是目前市场上并无广泛应用的铁盐除磷剂.本文通过探索常见铁盐除磷剂的最优投量，尝试制备复合高效的铁盐除磷剂，为水厂的实际运行提供理论指导和技术支持.

1 材料与方法

1.1 试验用水来源和水质

为便于分析机理，试验采用人工配水.每升去离子水中加入0.115g KH2PO4, 配制PO43--P质量浓度为12.4 mg/L的母液.

1.2 试验装置和方法

分别以FeCl3·6H2O、Fe2(SO4)3、FeSO4·7H2O和含铁聚合氯化铝(PAC)为溶质，制备液态除磷剂.以200 mL盛满母液的烧杯为反应器，投加除磷剂后采用YP11-2型恒温磁力搅拌器，以150 r/min的转速反应10min.试验共分两个阶段，第一阶段考察不同除磷剂的最优投量(如表1所示)；第二阶段以各铁盐的最优投量为基础，通过复混开发高效复配除磷剂.

表1试验步骤

药 剂溶液质量浓度/(g·L-1)投量/mLFeCl3·6H2O8.710.512410Fe2(SO4)36.450.51248FeSO4·7H2O13.460.51258PAC2.5124816

1.3 检测分析项目

PO43--P测定采用钼锑抗分光光度法[5]，所有水样均在GT10-1型离心机中以4 000 r/min离心1 min后取上清液进行检测.

2 结果与讨论

2.1 FeCl3·6H2O的最优投量

在初始Fe3+/PO4物质的量比小于1时，出水PO43--P质量浓度随FeCl3·6H2O投量的增加而减小，等于1时实现最佳除磷率，之后增加投量反而不利于除磷，如图1所示.这说明Fe3+与PO43-在水中基本按照方程式(1)进行[6].出水有明显的磷残留，主要原因是Fe3+在水中的其他水解产物阻碍了其与PO43-的结合.本研究单独用FeCl3·6H2O除磷，最优投量为108.2 mg/L(处理每升水投加FeCl3·6H2O的质量).

Fe3++ PO43-= FePO4

(1)

图1 不同投量下FeCl3·6H2O的除磷效果

2.2 Fe2(SO4)3的最优投量

不同投量下Fe2(SO4)3的除磷效果如图2所示.与FeCl3·6H2O相似的是，最高除磷率也是发生在初始Fe3+/PO4物质的量比为1左右时，且出水都有磷残留.这是因为SO42-与Cl-都是强酸根，两者在水中的水解特性相似.本研究单独用Fe2(SO4)3除磷时，最优投量为80.0 mg/L.需要注意的是，在实际水厂中投加Fe3+做化学除磷剂，虽然能够起到强化除磷作用，有助于污泥沉降性的改善.但是长时应用会对生物除磷产生抑制，且停止投药后易产生出水磷质量浓度的反弹[7-8].因此实际应用过程中，要尽可能地降低投药量，以确保生物除磷的顺利进行.

图2 不同投量下Fe2(SO4)3的除磷效果

2.3 FeSO4·7H2O的最优投量

采用Fe2+作为除磷剂，结果如图3所示.在初始Fe2+/PO4物质的量比为1.5左右时，出水PO43--P质量浓度最低，之后增加投量反而不利于除磷.这说明Fe2+与PO43-在水中基本按照方程式(2)进行，最优投量为166.8mg/L.试验发现，与Fe3+相比投加Fe2+具有更好的除磷效果[9]，其对PO43--P的去除率提高了近80%.本试验仅考察了Fe2+/PO4物质的量比，未研究pH值、温度等其他因素对除磷的影响，这是因为在Fe2+除磷反应中，Fe2+/PO4物质的量比是最重要的影响因素[10].

3Fe2++2PO43-=Fe3(PO4)2

(2)

图3 不同投量下FeSO4·7H2O的除磷效果

2.4 含铁PAC的最优投量

采用水厂中广泛使用的液态含铁PAC作为除磷剂，外观呈深褐色，结果如图4所示.投量为25 mg/L时，实现了最优除磷效果.其除磷机理是一系列铁铝盐高聚物在形成的过程中，会裹胁部分磷酸根生成羟基络合离子[4].该类物质絮凝特性强，常伴随着矾花的产生，沉降性良好.本试验采用去离子水，浊度很低，限制了絮凝络合作用，最高除磷率为32%.

图4 不同投量下PAC的除磷效果

2.5 铁盐复配除磷剂的探索

在明晰常见铁盐单一除磷最优投量的基础上，通过配制复合铁盐药剂，意在强化除磷效率.以液态FeCl3·6H2O、Fe2(SO4)3、FeSO4·7H2O和PAC为基本组分，按照体积比2∶5∶1∶2混合，探索了该复合药剂投量与除磷效率之间的关系，如图5所示.从中可见，由于复合药剂中铁盐的存在形态多样，因此可以发挥多种除磷途径(沉淀、络合、混凝等)，且除磷效率随着投量的增加而增大.考虑到投量过高会增加药剂成本，在实际运行中，建议在保证出水的前提下，尽量降低投药量.例如按照1mL/L的投加量，可以实现30%的除磷率.

图5 不同投量下复合药剂的除磷效果

实际污水中含有很多悬浮物、胶体等杂质离子，常投加某些吸附剂以协助去除.本研究在复合药剂投量为1 mL/L的前提下，加入不同质量的硅藻土为吸附剂，考察协助除磷的效果，如图6所示.加入硅藻土后，除磷率提升的幅度有限，最优硅藻土投量为5 mg/L，这可能是试验用水浊度较低所致.

图6 不同硅藻土投量下的除磷效果

3 结 论

1)以FeCl3·6H2O、Fe2(SO4)3、FeSO4·7H2O和含铁PAC为药剂，分别处理PO43--P为12.4mg/L的原水，最优投量分别为108.2、80.0、166.8和25 mg/L.

2)离子型铁盐和絮凝型铁盐分别通过结晶沉淀和絮凝络合的途径除磷.

3)相比于Fe3+、Fe2+在与PO43-结晶反应生成沉淀的过程中，具有更高的除磷效率.

4)铁盐复混药剂在除磷过程中，会发挥沉淀、络合、混凝等多重作用，从而提高除磷率.

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