聚合硫酸铁铝在污水处理厂二级出水处理中的应用

摘要：以某污水处理厂的二级出水为考察对象，研究了自制聚合硫酸铝铁（PAFS） 投加量、水体初始pH对污水处理厂二级出水的TP、NH3-N去除效果的影响。研究表明：当PAFS投加质量浓度为13mg/L时，剩余TP质量浓度为0.094mg/L，达到污水排放A标准，同时NH3-N去除率为24.8%。与市售混凝剂PAFC、PAC、PFS相比，PAFS具有较好的混凝效果和较低的投加量，同时PAFS还具有更强的电荷中和和吸附架桥能力。

社会经济发展的同时，也给三峡库区水环境带来潜在的污染威胁，当前我国污水三级处理率和中水回用率很低，甚至有的“合格”污水氮、磷去除率低，还会再次造成环境污染。因此，提高二级出水水质、促进中水回用成为我国生活污水处理的发展目标。国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中A标准是城镇污水处理厂出水作为回用水的基本要求，这就意味着生活污水氮、磷排放量将从原来的B标提高到A标。

目前，混凝、微滤、超滤或者混凝与超滤联用等方法被城镇污水处理厂的三级深度处理所采用。但微滤或超滤处理中还存在去除效率不稳定、膜的二次污染以及维护使用成本高等问题。混凝法强化三级处理无需额外设施，操作简便，因而成为当前研究热点。

聚合硫酸铁铝用于污水处理厂的三级强化处理，目前国内外鲜有研究。波涛聚合氯化铝厂家以某污水处理厂的二级出水为考察对象，研究了自制聚合硫酸铝铁（PAFS）投加量，水体初始pH对污水处理厂二级出水的TP、NH₃-N去除效果影响，然后以TP为主要考察指标，将自制PAFS与市售产品聚合硫酸铁铝（PFS）、聚合氯化铝（PAC）、聚合氯化铝铁（PAFC）进行混凝效果比较，然后，通过不同混凝剂对生成絮体的比较，讨论了絮体强度及混凝机理。

1、实验部分

1.1试剂

PAFC（YYS02）、PFS（YYS04）、PAC（YYS05），均产自巩义市波涛净水材料有限公司；七水硫酸亚铁，工业级；硫酸铝，Al₂O₃质量分数16%，工业级；浓H₂SO₄、浓HNO₃、H₃PO₄、HCl、NaOH，均为分析纯；蒸馏水。

按照文献自制聚合硫酸铁铝（PAFS）：将55.6g七水硫酸亚铁置于烧杯中，边加入少量蒸馏水边搅拌成均匀的稀糊状硫酸亚铁混合液；然后加入4.0mL浓H2SO4，进行酸化；在酸化后的混合液中加入7.24g硫酸铝，搅拌均匀加少量水稀释；将容器放人水浴锅中边搅拌边加入4.2mL浓HNO3，在84℃下加热48min，同时快速搅拌；在合成过程中加人1.4mLH3PO4，促进聚合；此后将所得产品静置熟化24h得到棕色的液体。

1.2 混凝实验

生活污水：取自某污水处理厂的出水口采样点，其pH为6-9，悬浮物为16-20mg/L，COD为34-60mg/L，氨氮为5-8mg/L，总氮为16.1-20mg/L，总磷为0.6-1.5mg/L，动植物油为0.37-3.0mg/L。

试验方法：用ZR4-6混凝试验搅拌机在6个500mL烧杯中同时进行试验，加入一定量的混凝剂（以Fe³⁺计），以350r/min速度搅拌1min， 60r/min速度搅拌10min，静止沉降30min后取上清液检测总磷及氨氮。实验皆在室温下进行。

1.3 测定方法

总磷：钼酸铵分光光度法；氨氮：纳氏试剂比色法；粒径：Winner2000激光粒度分析仪。

2、结果与讨论

2.1混凝剂用量对深度处理的影响

考察了PAFS的投加质量浓度（以Fe³⁺计）分别为4、7、10、13、17、20mg/L时，PAFS对二级出水混凝效果的影响，如图1所示。

由图1可知，随着PAFS投加量的增加，TP的剩余浓度先减小后增加，但都低于0.40mg/L，在PAFS的投加质量浓度为13mg/L时，剩余TP质量浓度只有0.094mg/L，去除率达到86.2%。此时，经PAFS处理二级出水，TP的排放量满足了污水排放A标准，同时，随着PAFS投加量的增加，NH₃-N的剩余浓度先减小后增加。在PAFS的投加质量浓度为13mg/L时，出水NH₃-N较低时达到3.80mg/L，去除率为24.8%，在实际试验过程中，发现PAFS投加质量浓度超过20mg/L时候，水样中的NH₃-N会超过5.06mg/L，不仅没有去除NH₃-N反而引入了NH₃-N，这是因为在PAFS制备过程中选用了硝酸作为氧化剂，导致产品本身中含有N，从图1还可以看出，控制PAFS的投加量，不仅能够除磷，同时还能去除少部分氨氮，因此，本实验确定PAFS投加质量浓度以13mg/L为宜。

2.2pH对深度处理的影响

固定PAFS投加质量浓度为10mg/L，考察水体pH分别为5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5时、PAFS对二级出水的混凝效果，如图2所示。

由图2可知、当pH=8.5时，TP的剩余质量浓度为0.11mg/L，TP去除率达到84.6%。同时，pH=7.5时，NH₃-N的剩余质量浓度为4.0mg/L，NH₃-N去除率达到20.8%，这主要是因为自制PAFS为无机高分子复合铁铝混凝剂，其水解产物中主要起混凝作用的是多核多羟基聚合离子的吸附电中和作用和吸附架桥作用，其次是氢氧化物沉淀的网捕卷扫作用，当水溶液的pH在6.5-8.5时，水中的铁铝主要是以氢氧化物沉淀形式存在，因此可以获得很好的网捕卷扫作用，有较好的混凝效果，本实验所处理的水样pH=7.5，而污水处理厂出水的pH在6.0-9.0，同时在图2中可以看出，pH在6.5-8.5，TP的剩余质量浓度都在0.40mg/L以下，而且能去除少部分NH₃-N。因此，自制PAFS在二级出水混凝应用时，不必再对原水pH进行调整。

2.3不同混凝剂混凝效果比较

选用市售混凝剂PAFC、PFS、PAC与自制PAFS，按照混凝实验方法，比较了不同混凝剂对污水处理厂二级出水的混凝效果，结果见图3、图4，同时比较了投加质量浓度均为20mg/L时，不同混凝剂的混凝效果，见表1。

表1 不同混凝剂的混凝效果对照

由图3可知，随着各混凝剂投加量的增加，除PAC外，TP的剩余浓度均呈现先减小后增加的现象，当PAFS、PAFC、PAC、PFS的投加质量浓度分别为13、17、20、13mg/L时，TP剩余质量浓度分别为0.094、0.17、0.16、0.17mg/L，去除率分别达到86.2%、74.6%、76.8%、74.8%。可以看出，PAFS的除磷效果和用量明显优于其他3种混凝剂，同时，由表1可以看出，在混凝过程中PAFS与PFAC、PAS、PFS相比生成絮体更快，且矾花大沉降速度相对较快，因此，与PAC、PFS、PAFC相比PAFS在处理二级出水时，具有较好的混凝效果和较低的投加量。

由图4可知，与PAC、PFS、PAFC相比，PAFS处理后水体的pH变化幅度较小，当投加质量浓度在20mg/L时，pH只从7.5降到7.0左右，因此，与其他混凝剂相比，自制PAFS处理后的水体pH稳定，对混凝工艺设备影响较小。

2.4不同混凝剂用量对生成絮体影响

将2.3中不同混凝剂处理污水处理厂出水后形成的絮体在Winner2000激光粒度分析仪中测定，考察了不同混凝剂用量对生成絮体粒径的影响，如图5所示。

由图5可知，PAFS在投加质量浓度13mg/L时，絮体中位粒径d50很大，为50.3μm。与其他混凝剂相比，PAFS形成的絮体更密实，更不易破碎。随着混凝剂用量的增加，絮体粒径呈现先增加后减小的趋势，这是因为污水处理厂出水中负电荷颗粒先在无机高分子混凝剂水解产物的电中和作用下通过碰撞形成较小的絮体，而后随着无机高分子混凝剂的用量增加，一方面，污水厂出水中颗粒表面负电荷得到进一步中和，粒间距离缩短；另一方面，无机混凝剂上的活性基团与水中相邻负电荷颗粒的表面产生专性吸附，在颗粒之间成功“桥连”，使絮状体粒径不断变大，后在无机混凝剂浓度与絮体粒径之间形成一个平衡。当混凝剂浓度过高，打破这个平衡时，颗粒表面已无可以吸附空位，吸附架桥作用无法实现，此时吸附层的接近反而引起空间压缩作用，颗粒因位阻效应较大而分散，絮体粒径变小，因此，可以看出与混凝剂PAFC、PAC、PFS相比，PAFS具有较好的电荷中和和吸附架桥能力。

3、结论

（1）随着PAFS投加量的增加，二级出水的TP剩余浓度先减小后增加，而且都低于0.40mg/L，达到国家A标准，当PAFS较佳投加质量浓度为13mg/L时，TP剩余质量浓度低至0.094mg/L，去除率达到86.2%，同时NH₃-N去除率为24.8%，PAFS实际应用时无需对原水pH进行调整。

（2）与市售PAFC、PAC、PFS相比，PAFS的除磷效果和用量明显优于市售混凝剂，PAFS生成絮体快、矾花大、沉降速度较快，处理后的出水pH变化幅度较小，对混凝工艺设备影响较小。

（3）不同混凝剂生成絮体的研究表明，PAFS在投加质量浓度13mg/L时，絮体中位粒径d50较大到50.3μm，PAFS具有较好的电荷中和和吸附架桥作用。