基于富营养化水体缓释除磷试验浅谈铁盐除磷药剂

喻晋芳+赵佳敏+孙潇晗+彭赵旭

摘 要：综述了化学除磷药剂的的运用情况以及铁盐、铝盐、钙盐和复合絮凝剂的主要种类，比较得出铁盐更具发展潜力的结论，选用了三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁以及聚氯化铝铁作为富营养化水体缓释除磷研究的基本试验药剂，通过试验得出了这四种试剂的最优投量并配制了一种高效铁盐复合除磷药剂，浅谈铁盐除磷药剂的研究现状和发展方向。

关键词：除磷药剂；铁盐；除磷效率；研究现状；试验研究

随着国家科技进步，人类生活水平提高，产生了大量工业废水、生活污水。若将未处理的污水直接排入河流湖泊，会造成水体富营养化，引起藻类大量繁殖。由于造成藻类大量繁殖的因素中，磷含量超标最为关键，因此提高水处理效率，降低水中磷含量，已成为防治富营养化水体中最为关键的一步。笔者将在此文中着重对化学除磷剂中的铁盐除磷药剂进行研究。

1 化学除磷药剂种类及其运用情况

污水中磷的去除包括化学除磷和生物除磷，其中生物除磷相对比较经济，但为了满足国家污水处理标准，化学除磷法已成为常用方法，国内外广泛应用的化学除磷剂有铝盐、钙盐、复合絮凝剂以及铁盐。

铝盐中常用的除磷剂主要包括三种：硫酸铝、氧化铝以及聚合氯化铝，其中运用最为广泛的是硫酸铝，多运用于碱性废水。如今在工艺相对落后的情况下，部分造纸厂等仍然采用硫酸铝进行除磷。钙盐中最常见的是石灰石，一般只用于二级出水中，其污泥产量比采用其他絮凝剂时要多得多，而且还需配备汽提塔，污泥焚烧回收必需的相应设备和生产、运行经验，不宜采用在现有污水厂改造上，但可以在新建污水厂中进行一些有益的尝试[1]。复合絮凝剂主要分为三种，无机-无机、无机-有机以及有机-有机复合絮凝剂。目前广泛应用于工业用水、工业废水以及生活污水的处理中，其中无机复合絮凝剂主要是铝盐、铁盐、以及硅酸盐的复合，或者大分子聚合物，在污水处理中主要作为助凝剂和絮凝剂以及污水处理剂。铁盐除磷剂主要包括硫酸亚铁、硫酸铁、氯化铁等，溶于水后发生水解反应，溶液呈酸性，多应用于处理碱性废水。如今生产生活排放的污水多呈碱性，使得铁盐相比于其他除磷剂具有更为广泛的应用和更大的发展潜力。

2 常见的除磷药剂

（一）铝盐

铝盐在除磷过程中，其投放量与污水的含磷量必须严格控制在一定范围内，但经过铝盐除磷药剂处理过的污水含铝量依然存在超标的可能性。由于如今我国很多的水处理工程中所用的铝盐都是由废铝灰制成，在投放铝盐以后如果未经检测就排放，对水体的危害极大，且其中相当一部分的铝会被人或其他生物体吸收，危害人体健康，破坏生态环境，因此除了控制投入量以外，必须在污水处理后对水体的各项指标进行监测，使其控制在标准范围以内[2]。

（二）钙盐

采用石灰石除磷时，一方面，所生成的磷酸氢钙，改善了沉淀效果，加快了沉析速率，另一方面，生成的磷酸钙，作为增重剂其溶解度与pH值有关，当pH值超过一定范围就会产生碳酸钙，有助于沉淀。高碱度废水要求投加大量石灰石將pH 调节至10-11，在此氢离子浓度下，磷的沉淀是有效的[3]。只有在碱度非常低的废水中，石灰石才主要消耗在磷沉淀反应中，但同时易造成沉淀池壁上结垢，阻塞管道等现象，在城市污水处理过程中很难控制。

（三）复合混凝剂

复合混凝剂与单一的絮凝剂相比有明显的优势，采用复合混凝剂是一种简单经济的方法，比如目前国内报道较多的阴离子复合氯根和硫酸根复合的铁盐，以及阳离子复合铁铝复合，这种絮凝剂不仅有良好的絮凝性，可以降低液体之间的摩擦阻力，而且有良好的除磷和除COD等性能。

（四）铁盐

铁盐相比铝盐和钙盐，对受纳水体的影响较小，溶于水后，三价铁一方面会形成难溶盐，另一方面会通过溶解和吸水发生强烈水解，在水解的同时发生各种聚合反应，生产各种具有较长线性结构的多核羟基络合物，含铁的羟基络合物能有效降低或消除水体中胶体的 电位，通过电中和，吸附架桥，及絮体的卷扫作用使胶体凝聚，再通过沉淀分离将磷去除[4]。铁盐化学除磷剂处理污水过量的磷极其有效，在磷含量为2.5mg/L 的二级水中，投入50-100mg/L 的氯化铁就可以达到90%以上的去磷率，而且在一定条件下取得其他良好的效果，如降低污泥指数、进一步降解COD、减少异味等[5]，另外，铁盐及其复合混凝剂除磷相比铝盐除磷对于生物的危害更小，更环保，满足可持续发展的要求。因此，在污水处理过程中，铁盐除磷试剂与其它除磷试剂相比，有更高的发展价值和潜力。

3 铁盐除磷药剂的研究现状

由于铁盐除磷药剂呈酸性，在碱性废水中具有除磷效率高、工艺简单等优点，如今我国在除磷药剂市场上的铁盐逐渐替代了铝盐，尤其在自来水与生活污水的处理上更是从法律上严格规定了不能使用铝盐只能使用铁盐。相比于形式单一的铝系除磷剂，铁系除磷剂比较多样化，目前市场上使用的有低分子的三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁、氯化亚铁等，另外，我国在研发、生产高分子复合铁盐方面也取得了较大进展，如聚氯化铝铁、复合亚铁、聚硫酸铝铁等。

在2016年郑州大学大学生创新创业训练计划项目《富营养化水体缓释除磷研究》中，主要针对三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁、聚合氯化铝铁这四种铁盐除磷药剂的除磷率进行了试验研究。由于河南省境内没有磷含量超标的富营养化水体，再者考虑到经费有限，此试验配制浓度为12.4mg/L的磷酸二氢钾溶液模拟磷含量超标的富营养化水体进行除磷研究。

（一）三氯化铁（FeCl3·6H2O）

三氯化铁极易溶于水，水解后溶液呈强酸性，腐蚀性大，低温下混凝效果好，使用pH范围为4～11[6]。固体三氯化铁含有六个结晶水，在水溶液中以水合离子[Fe（H2O）6]3+形式存在，随着pH的升高不断发生水解反应[7]。从FeCl3·6H2O除磷试验结果来看，当浓度为8.710g/L的FeCl3溶液的质量为16.549mg时，除磷效果最佳，除磷率可达25.806%，可推知，FeCl3·6H2O最优投量为82.8305mg/L。

（二）硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）

通常，硫酸亚铁与三氯化铁一起用于水处理，适用于pH为8～11，且其最佳pH>9.5，其溶解性较好，但混凝性不如Fe3+。固体硫酸亚铁含有七个结晶水，在水溶液中多形成络合物。

从FeSO4·7H2O除磷试验结果来看，当向200mL KH2PO4溶液中投入0.673mgFeSO4·7H2O时，除磷效果最佳，除磷率可达41.935%，即FeSO4·7H2O最优投量为3.3640mg/L。相比三氯化铁来说硫酸亚铁更为经济，但考虑到Fe2+的还原性會消耗水中大量溶解氧，因此不宜大范围使用。

（三）硫酸铁（Fe2（SO4）

固体硫酸铁不含结晶水，溶解性极差，因此溶解时间较长，导致部分Fe3+被氧化生成Fe（OH）3，降低了除磷效率。从Fe2（SO4）3除磷试验结果来看，当参与反应的Fe2（SO4）3溶液质量为6.450mg时，除磷效果最佳，除磷率为23.790%，可推知，Fe2（SO4）3的最优投量为32.25mg/L。由于硫酸铁溶解慢，除磷效率低，因此目前除磷药剂市场上应用更多的是聚硫酸铁（PFS），是一种盐基性高价铁的大分子化合物，具有混凝性好、适用水体pH范围广等优点。

（四）聚氯化铝铁（PAFC）

聚氯化铝铁是工厂污水处理中经常使用的除磷药剂，是一种以铝为主、铁为辅、性能优良的新型复合无定型、无机高分子混凝剂，有铁盐和铝盐的双重特性，吸附性能好、絮体形成快等。查阅资料得知聚氯化铝铁的最优投量在50mg/L左右，再考虑实验的方便和合理性，确定配制浓度为2.5g/L的聚氯化铝铁溶液，分析实验结果数据可知，5mg该聚氯化铝铁溶液除磷效果最佳，除磷率为31.855%，则聚氯化铝铁的最优投量为25mg/L。

（五）其他复合铁盐

在此项目中，将以上四种除磷剂按其最优投量的比值混合，并加入一定量硅藻土，以制备一种高效复合铁盐除磷药剂。通过试验可知，该除磷剂的最优投量为15.8885mg/L，除磷率可达33%，具有除浊效率高、工作安全可靠、混凝效果好、pH适用范围广等优点。

4 铁盐除磷药剂的发展方向

随着生活水平的提高，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大，而日益严重的水污染却蚕食大量可利用水资源。为了实现污水处理资源化和可持续发展，我国近年来新型铁盐除磷药剂的发展也与时俱进，逐渐从单一型过渡到复合型、从低分子发展为高分子、具备更多优良性能。其中复合型絮凝剂的发展包括有以下几个方面：阴离子复合、阳离子复合、多种离子复合、无机-矿物复合和无机-有机复[8]。

具体来说，在铁盐除磷药剂的研究、开放、制备、应用等方面，环境工作者们也不断在提高技术水平，以制备能广泛应用于生产实际，除磷效率较高，能够进行多级除磷，且对生物无危害的复合铁盐除磷药剂，以求耗材更少、费用更低、去除效率和回收率更高、更环保，并提倡采用生物化学法结合、联合投药的除磷方法。

参考文献

[1]陈绍伟.吴志超. 浅谈城市污水除磷技术[J].上海环境科学.1992，11（12）：18 - 20

[2]李京熊.孙水裕.苑星海.城市生活污水化学除磷试剂的应用比较.广东微量元素科学，2006.12（1）

[3]金先平.探究化学除磷在污水处理中的应用.资源与环境.1003-6490（2016）02-0154-02

[4]徐丰果，罗建中，凌定勋，废水化学除磷的现状与进展，工业水处理，2003，23（5）：18-20

[5]铁盐在废水除磷中的运用.中国市政工程西北设计院

[6]陈国华.环境污染治理方法原理与工艺.北京，化学工业出版社，2003

[7]邢伟.黄文敏.李敦海.刘永定.铁盐除磷技术机理及铁盐混凝剂的研究进展.武汉.给水000排水，2006，32（2）：88-91

[8]阮复昌.公国庆.莫炳禄等.聚合硫酸铁的生产和应用.江西化工，1996，1：25-28

作者简介

喻晋芳（1996-），女，汉族，湖南长沙市人。

赵佳敏（1995-），女，汉族，湖南长沙市人。

孙潇晗（1997-），男，汉族，湖南长沙市人。

彭赵旭（1983-），男，汉族，湖南长沙市人。