混凝除磷及高錳酸鉀復合藥劑強化混凝除磷技術的研究

楊艷玲¹ 李星¹ 彭永臻¹ 王淑瑩¹ 馮群英¹ 聶學峰¹ 李圭白²
（1.北京工業大學 北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室 北京 100022；2.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院 哈爾濱 150090）

　　摘要：本文通過混凝實驗，比較了聚鋁、聚鐵、聚鋁鐵三種混凝劑對磷的去除效果，考察了pH值對聚鐵、聚鋁、聚鋁鐵除磷的影響，同時研究了高錳酸鉀復合藥劑（PPC）的助凝除磷效果。結果表明：聚鐵混凝除磷效果明顯好于聚鋁和聚鋁鐵；三種混凝劑除磷最佳PH值分別為：聚鐵7.5，聚鋁6.5，聚鋁鐵6.0；PH值對聚鋁、聚鋁鐵除磷的影響顯著，對聚鐵的影響較小；PPC具有較好的助凝除磷效果,僅投加0.5mg/l的PPC，就可使磷的去除率得到明顯的提高。
　　關鍵詞：聚鋁，聚鐵，聚鋁鐵，高錳酸鉀復合藥劑，混凝，除磷，飲用水

Study of Phosphorus removal Technique by coagulation and Enhanced by Potassium Permanganate Composite

Yang Yanling¹ Li Xing¹ Peng Yongzhen¹ Wang Shuying¹ Feng Qunying¹ Nie Xuefeng¹, Li Guibai²
（1. Key Laboratory of Beijing for water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100022;2. School of Municipal and Environment Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090）

Abstract: Phosphorus removal efficiency and pH influence of poly aluminum chloride（PAC）, poly ferric chloride（PFC）and poly aluminum-ferric chloride（PAFC） were investigated with coagulation experiments. The coagulation aid effect of potassium permanganate composite（PPC） on improving phosphorus removal are also studied. The results show that phosphorus removal efficiency by PFC is evidently higher than those by PAC and PAFC. The optimum pH values for PAC, PFC and PAFC are 6.5，6.0 and 7.5 respectively. The pH effects on PAC and PAFC are remarkably influenced comparing with that of PFC. Phosphorus removal efficiency can be improved distinctly by 0.5mg/L dosage of potassium permanganate composite.

Keywords: poly aluminum chloride, poly ferric chloride, poly aluminum-ferric chloride, potassium permanganate composite, coagulation, phosphorus removal, drinking water

　　近年來，飲用水中磷含量對水質生物穩定性的影響越來越受到關注^[1]。Sathasivan等指出^[2]，當磷的濃度為1-3µg/l時，磷可能成為飲用水中微生物生長的限制因子。相對于嚴重的有機污染，在我國相當部分的水源中，總磷的含量較低,尤其是2002年新實施的《地表水環境質量標準》對總P提出了更高的要求，因此將磷作為管網生物穩定性的限制因子，同時控制AOC的含量更為合理。相關試驗已經表明^[3-4]，常規處理對水中磷的去除非常有效，濾后出水總磷基本能達到3-5µg/l。但要使水中磷含量進一步降到保證水質生物穩定的水平，必須對常規工藝進一步強化。
　　飲用水中的磷主要通過混凝沉淀和過濾兩個工藝階段去除，研究認為^[5]飲用水中的磷主要通過與混凝劑形成沉淀以及非溶解性的磷形成礬花而被去除. 如果混凝效果好,形成礬花大,則大部分磷在沉淀池中沉淀下來，小部分磷進入濾池而被去除;如果混凝效果差,形成礬花較小,則小部分磷在沉淀池中沉淀下來,大部分磷進入濾池。由此可見，混凝除磷的效果對控制出水中的磷含量至關重要，所以尋求高效的除磷混凝劑及助凝劑提高混凝效果，對控制飲用水中的磷含量將具有很重要的現實意義。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗水樣
　　實驗采用實驗室配制水樣，配制方法為自來水加入少量生活污水和硅藻土，放置8h后取用。
1.2 實驗方法
　　在實驗室采用六聯攪拌機進行混凝試驗。取1000mL原水，加入混凝劑，以400r／min快速攪拌40S，120r／min中速攪拌6min,70r／min慢速攪拌10min（經試驗該混凝攪拌條件為最佳）,靜沉25min。于液面下3cm處取樣，測定上層清液中的總磷濃度。總磷包括溶解性的磷和非溶解性的磷，微生物不僅可以利用溶解性磷也可以利用非溶解性磷，且常規工藝對MAP和對總磷的去除相當^[5]，所以本研究以總磷去除率來評價混凝效果。
1.3 總磷檢測方法
　　采用改進的孔雀綠——磷鉬雜多酸分光光度法^[6]，顯色劑配比鉬酸銨：硫酸：孔雀綠為10：8：9，孔雀綠加熱至90℃溶解，測定波長為650nm，20mm光程的比色皿，分光光度計為德國耶那SPECORD S100 紫外—可見光分光光度計。
1.4 混凝劑
　　聚鋁、聚鋁鐵、聚鐵分別為的固體復合高效聚合氯化鋁、復合氯化鐵及復合聚合氯化鋁鐵。高錳酸鉀復合藥劑是由高錳酸鉀為核心的多種組分復合而成。

2. 試驗結果與討論

2.1 聚鐵、聚鋁、聚鋁鐵混凝除磷效果對比
　　配制水樣的主要水質參數為如下表1。

配制水樣的主要水質參數　　　　　　 表1

　　圖1為混凝除磷率隨聚鋁、聚鋁鐵、聚鐵三種混凝劑的投量增加的變化曲線。由圖1可以看出聚鋁、聚鋁鐵、聚鐵均具有較高的除磷率，且在相同投量時，聚鐵混凝除磷效果明顯好于聚鋁、聚鋁鐵。且極限除磷率要高于聚鋁、聚鋁鐵。聚鋁的除磷效果略好于聚鋁鐵。聚鐵投量為10 mg/l時，除磷率已達到94.6%,對于總磷含量84.55 ug/l實驗水樣，混凝后的磷含量已降為4.56ug/l，如果在其后增加過濾工藝，就有可能將出水的磷含量降到更低的數值；而聚鋁、聚鋁鐵在投量為10 mg/l時，除磷率僅分別達到85.03%、84.37%。

圖1 不同混凝劑的混凝除磷效果

　　聚鋁、聚鐵、聚鋁鐵的共同除磷機理可能包含如下兩個方面：
　　 （1）締合吸附：混凝劑水解可形成具有較高正電荷的羥基多核絡合物^[7]，這些帶正電的絡合物對帶負電的磷酸根、磷酸氫根、磷酸二氫根產生締合吸附作用，形成水溶性低的離子締合物。（2）絮凝吸附卷掃：混凝過程中形成的大量氫氧化物絮體沉淀，有很強的吸附能力，礬花沉淀時可以網撲卷掃一部分非溶解性的磷。
　　 而聚鐵的效果明顯好于聚鋁、聚鋁鐵的原因，一方面可能是因為聚鐵形成的礬花密度大，沉降性能好，附帶吸附卷掃除磷效果好；另一方面，磷酸根可以取代Fe³⁺結合的部分羥基形成堿式磷酸鐵復合絡合物。Fe³⁺與OH^-及PO₄^3-之間的強親和力，使溶液中可能會有Fe_2.5PO₄（OH）_4.5及Fe_1.6PO₄（OH）_3.8等難溶性絡合物生成^[8]，且生成的絡合物表面有很強的吸附作用，通過吸附作用可除去更多的磷。因此，就除磷來說，聚鐵是一種更為高效的混凝劑。
2.2 PH值對混凝效果的影響
　　圖2是聚鐵、聚鋁、聚鋁鐵除磷率隨PH值改變的波動情況。實驗中，聚鐵的投量為8mg/l，聚鋁的投量為10 mg/l，聚鋁鐵的投量為10 mg/l。從圖2看出，聚鐵的最佳PH值為7.5，聚鋁的最佳PH值為6.5，聚鋁鐵的最佳PH值為6。且聚鋁、聚鋁鐵的混凝效果受PH的影響較大，聚鐵在很寬的PH值范圍內均有較高的除磷率。聚鋁、聚鋁鐵在弱酸性條件時去除率較高，聚鐵在中性附近和弱堿性除磷率較高。即使在最佳PH時，聚鋁、聚鋁鐵的除磷效果明顯不如聚鐵。PH對混凝劑除磷效果的影響可能有以下兩種原因：
　　 （1）根據混凝劑的形態分析：在低PH時，混凝劑投加到水中后主要以Fe³⁺、Al³⁺高電荷低聚合度的配合離子存在，因而起不了粘附架橋吸附來除去水中雜質的作用，混凝除磷效果極差；在中性和弱堿性附近，聚鐵、聚鋁的水解產物以帶有高電荷的高聚絡合物為主，對磷的去除主要是吸附締合作用。隨PH的升高，受高濃度的OH^-影響，帶有較高電荷的聚鐵水解產物會首先與OH^-結合，逐漸生成Fe（OH）₃沉淀，聚鋁則生成偏鋁酸根陰離子，締合吸附作用減弱，所以除磷率出現了下降趨勢。

圖2 PH值對聚鐵、聚鋁、聚鋁鐵除磷率的影響

　　（2）根據磷酸的形態分析，當pH小于4.6時，磷酸溶液主要以H₃PO₄型體存在，不易與帶正電荷絮凝劑結合成絮體而被去除：當pH為4.6～9.8時，磷酸溶液主要以H₂PO₄^-和HPO₄^2- 兩種形態存在^[9]，較易與帶正電荷的絮凝劑結合成絮體而被去除。
2.3 高錳酸鉀復合藥劑助凝除磷效果
　　 研究表明PPC具有較好的助凝作用，能節省混凝劑投量，降低制水成本，提高混凝效果^[10]。我們以在PH中性附近除磷率較高的聚鐵和聚鋁為例，考察了PPC助凝除磷效果。配制的實驗水樣主要水質參數如表2，圖3為聚鐵投量依次為2，4，6，8，10mg/l時，0.5mg/lPPC的助凝效果，圖4為聚鋁投量依次為2，4，6，8，10，12 mg/l時，0.5 mg/l PPC的助凝效果。
　　 由圖3、圖4可以看出在混凝劑投量相同的情況下，投PPC助凝，可以使混凝的除磷率得到提高。尤其在混凝劑投量較低的情況下效果更加明顯。PPC產生助凝作用的主要原因是由于高錳酸鉀復合藥劑與水中還原性物質作用生成新生態的水合MnO₂, 這些新生態的水合MnO₂可作為礬花核心，由于其密度較大，可以提高絮體沉降性能，同時對磷的網撲卷掃作用也增強，提高了除磷率，由圖4看出對于絮體密度較小的聚鋁絡合物的影響更明顯；另外磷與三價鐵和四價錳可形成不溶性的磷酸鹽^[11]，這也表現出對磷的去除作用。

配制水樣的主要水質參數　　　　 表2

圖3 PPC與聚鐵聯用強化混凝除磷效果	圖4 PPC與聚鋁聯用強化混凝除磷效果

3 結論

　　（1）聚鐵的混凝除磷效果明顯好于聚鋁和聚合鋁鐵，對于總磷為84.55ug/l的配水，聚鐵投量為10mg/l時除磷率達到94.6%。
　　（2）聚鐵除磷最佳PH值為7.5，并在較寬的PH值范圍內保持較高的除磷率；聚鋁、聚鋁鐵的最佳PH值分別為6.5、6，而混凝效果受PH的影響較大，最佳除磷PH值較窄。
　　（3）PPC作為助凝劑與聚鐵、聚鋁聯用，可以明顯提高混凝除磷效果。

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第一作者：楊艷玲 （1964-），女，副研究員，博士；
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