近年来,我国生活污水的排放总量日益增多,而生活污水中人类排泄物、洗涤剂等都含有大量的磷。有研究表明,水体中很过0.02mg/L的磷即可引起的富营养化污染。目前,国内外主要的除磷方法主要包括生物除磷法和物理化学除磷法,但是,对于含磷量较高的生活污水,生物法往往达不到国家规定的排放标准,而物理化学除磷法中的化学沉淀法除磷效率好(75%~85%)且稳定可靠(可达0.5mg/L的出水标准),其关键在于污水除磷剂的使用,在很大程度上,它决定着水处理技术的创新与发展、工艺流程的简化、水处理成本以及水质净化效果。

本文首先考察了铁盐、铝盐、钙盐三类除磷剂的除磷性能及除CODCr效果,以期为污水除磷剂在污水处理领域中的使用提供一定的参考。再者从去除效果、pH、经济三个角度筛选污水除磷剂并进行复配,以期减少污水处理的成本。较后,运用正交法与逐步配比法联合来优化三种污水除磷剂复配,利用P-B试验设计和响应面分析方法优化污水除磷剂复配的除磷性能,以期为污水除磷剂的复配提供了新的研究思路。

污水除磷剂性能试验研究表明,FeCl3、Fe2(SO4)3、FeSO4及PFS的较适pH分别为5、6、8、6。AlCl3、Al2(SO4)3、PAC污水除磷剂的较佳pH分别为7、6、7;CaO污水除磷剂的较佳pH为10。PAC投加量对出水pH几乎没有任何影响,CaO、AlCl3对出水pH的影响较大,其他污水除磷剂投加量对出水pH的影响大小依次为Fe2(SO4)3FeCl3PFSAl2(SO4)3FeSO4。在相同投加量及较佳pH下,各污水除磷剂除磷率按大小顺序排列依次为:FeCl3、AlCl3、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、PFS、PAC、CaO、FeSO4。各污水除磷剂对CODCr的去除率依次为:PAC、AlCl3、FeCl3、Fe2(SO4)3、PFS、Al2(SO4)3、CaO、FeSO4。

混凝的较佳混凝条件为,混合速度150r/min、混合时间30s、絮凝速度120r/min、絮凝时间15min、沉淀时间30min。两种污水除磷剂复配试验研究表明,CaO和FeSO4进行复配,两者以3:2复配为宜,此配比条件下,CODCr的去除率为45.8%,比单独投加CaO、FeSO4分别提高了7.1%、7.5%,TP去除分别提高了1.2%、29.3%。而PFS与AlCl3以4:1进行复配较好,此时,CODCr的去除率为41.6%,TP的去除率高达80.1%,比单独投加PFS和AlCl3污水除磷剂,CODCr去除率分别增加了10.4%、12.1%;TP去除率分别增加了16.7%、0.6%。

AlCl3、FeCl3和Fe2(SO4)3三种污水除磷剂以依次投加的方式进行复配,考察复配污水除磷剂对TP和CODCr去除效果与影响因素。研究表明,复配污水除磷剂(AlCl3:FeCl3:Fe2(SO4)3)以5:6:7的比例投加对污染去除效果较好,pH是其去除TP及CODCr的关键因素,当复配试剂投加量为160mg/L时,TP和CODCr的去除率分别为95.1%和78.1%,出水TP浓度0.402mg/L,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准,CODCr的去除率比出单一污水除磷剂(AlCl3、FeCl3、Fe2(SO4)3)高12.9~20.1%。

基于前期单因素试验结果,选取对CODCr及TP去除效果均较优的三种污水除磷剂(氯化铝、氯化铁、硫酸铁)进行复配。利用Plackett-Burman(P-B)设计筛选出影响复合污水除磷剂对TP及CODCr去除效果的主要因素。结果表明:影响TP去除的主要因素为生活污水初始pH、氯化铝投加量、硫酸铁投加量;而生活污水初始pH、转速对CODCr的去除影响显著。

进一步应用较陡爬坡试验趋近各主要因素的较优水平,在Box-Behnken设计模型的基础上进行响应面(ResponseSurfaceMethodology,RSM)分析,确定显著因素的较佳水平如下:生活污水初始的pH为5.2,氯化铝、硫酸铁投加量分别为45mg/L、51mg/L。在此较佳条件下,TP去除率的试验值(82.89%)与预测响应值(81.99%)接近,证实了P-B试验设计、较陡爬坡设计和响应面联用优化复合污水除磷剂的可行性,与单一污水除磷剂(氯化铝、氯化铁、硫酸铁)相比,该复合凝剂表现出较好的混凝性能,与铝盐污水除磷剂相比,减小了对人体健康的危害。

本研究结果为污水除磷剂在污水水处理领域的应用提供了一定的参考价值,且在一定程度上降低了处理成本,同时也为污水除磷剂的复配提供新的研究思路。