PFS和PAM化学沉淀法处理高磷废水的实验研究

李 芳，刘柏林

(1 华北制药股份有限公司生物技术分公司，河北 石家庄 052165；2 天俱时工程科技集团有限公司，河北 石家庄 050000)

过量含磷试剂的使用，致使水质下降、水体富营养化程度加重，因此减少磷的使用和发展水体除磷技术非常重要[1-3]。常用的除磷技术有化学沉淀法、生物法、吸附法等[4]。相比而言，化学沉淀法具有实用有效，处理效率高，稳定性高、操作简单等优点[5]。

河北某药企以生物制品制造为主。其生产废水经过处理后达到GB 8978-1996《污水综合排放标准》的三级标准，且符合某污水处理厂进水水质要求，如表1所示。随着石家庄某污水处理厂进水水质指标的不断提高，其中总磷进水浓度由8 mg/L提标为2 mg/L，此药企的污水除磷工艺越来越难以满足污水处理厂的进水要求。因其生产过程中存在磷酸氢钠和磷酸二氢钠作为缓冲溶液以及循环水中加入了含磷阻垢剂等不可避免的含磷试剂的加药过程，致使其产生的废水中含有高浓度的磷酸盐，严重增加了其废水处理的生化系统运行负荷，使废水处理工艺不能稳定运行，故必须对其高磷废水进行前置预处理。

近年来，多功能复合型水处理化学品和生物复合絮凝剂的开发成为主要的研究内容[6]。对于本工程实例的环保工艺而言，除磷的沉淀池和调节池容积较小，若要达到连续处理必须分开投加无机金属盐和高分子有机聚合物增加混凝的时间，达到更好的处理效果。

聚合硫酸铁(PFS)是最常用的水处理用无机高分子絮凝剂，因其价格低廉、效果好、应用广泛而得到广泛应用[7]。PFS在除COD和BOD以及去除浊度等方面均优于其它无机絮凝剂。它还有其他许多优点，如对设备腐蚀性小、pH适用范围宽、无毒等[6]。通过市场调查PFS与聚合氯化铝对比，PFS制造工艺简便，生产成本低，市场价格不到聚合氯化铝的一半。因此，在相同的条件下，絮凝剂的成本可节省约50%，而两者对水的净化效果和加药量大致相同[8]。因此本试验采用PFS和无机高分子阳离子型化学除磷的方式去除含磷废水。目前，国内学者主要研究含磷污泥和中浓度生产废水中磷的处理和资源利用，而对于高磷废水的研究报道较少。

本试验采用PFS和聚丙烯酰胺(PAM)结合处理高磷废水使其生成不溶性磷酸盐，研究了适宜的水样pH，PFS和PAM的投加量、反应时间等对此实验废水的除磷率和污泥沉降体积比的影响。

表1 石家庄某污水处理厂进水指标要求

1 实 验

1.1 主要试剂和仪器

阴离子聚丙烯酰胺(简称PAM，分子式为(C3H5NO)n，分子量1600万)，石家庄禹之剑净水剂有限公司；聚合硫酸铁(简称PFS，分子式为[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m，质量分数11%)，济宁源泉化工有限公司；JJ-4A六联电动搅拌器，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；FE 20型pH计，METTLER TOLEDO仪器有限公司；721可见光分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司；XYWD-150微电脑红外线加热器，山东省菏泽市鑫源仪器仪表有限公司等。

1.2 实验方法

①实验废水：取河北某药企的高含磷废水作为研究对象，进水水质特征如表2所示。

表2 进水水质一览表

②实验方法：常温下，向反应器中加入高含磷废水。向废水中按比例投加质量分数为11%的PFS和1∶1000的PAM，置于电动搅拌器下搅拌(转速为150 r/min)后静置，测定上清液总磷，计算其浓度，记录沉降体积和时间，作出不同条件的曲线图，得出最佳反应条件。

1.3 分析方法

与本试验相关的水质指标分析方法均按照《水和废水监测分析方法》中的要求执行。其中pH值由玻璃电极法测定，总磷采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法。

沉降体积比(SV)是指将均匀混合的沉淀液迅速倒进100 mL的量筒中至满刻度，静沉30 min后，沉淀与总混合液的体积比为污泥沉降比[9]。该指标反映产生沉淀量、污泥沉降性能及分离效果，可直观地观察上清液是否含有悬浮性絮凝物及絮体的粒径大小等[10-11]。SV30的测定方法快速、简单的操作特点，使运行管理者能够及时了解泥质和污泥的浓度，进而控制整个工艺的运行参数，通过SV值及时调整运行负荷，控制水处理效果，保证出水水质[12]。

磷的去除率和沉降体积比计算方法如下：

(1)

(2)

2 结果与讨论

2.1 除磷机理

铝盐和铁盐这类产品及其水解聚合产物具有正电荷，通过吸附电中和及卷扫作用引起水中带负电荷的胶体污染物质凝聚[8]。使用PFS和PAM化学沉淀法处理含磷废水是使其生成不溶性的磷酸盐从而利用重力沉降使其固液分离以实现除磷。

2.2 除磷效果的影响因素

2.2.1 PFS和PAM的加药量对除磷效果的影响

分取300 mL碱性废水，依次加入不同体积的PFS和PAM，搅拌10 min后依次倒入100 mL量筒静置；静沉30 min后取上清测含P量并记录沉降体积。实验结果如图1、图2所示。

图1 PFS和PAM的体积对除磷率的影响

图2 PAM的体积对SV30的影响

由图1和图2的实验结果可知，除磷率的大小与沉降体积比的大小有一定的关系。当废水中加入PFS的体积为1.5 mL时，除磷率和沉降体积比均最高；当PFS小于1.5 mL时，PAM逐渐增大，除磷率和沉降体积比逐渐增大；当PFS大于1.5时，PAM逐渐减小，除磷率和沉降体积比逐渐增大。

随着PAM的加药量的增加，除磷率在逐渐减小，当PAM的加药量在1.5 mL时剩余废水中磷的浓度为0.92 mg/L，除磷效果最好，除磷率为99.77%，沉降体积比为96%，上清液的pH为3.09。对于含磷废水中磷的去除，PFS和PAM(1∶1000)的最佳配比为1∶1。聚合硫酸铁显酸性，聚丙烯酰胺显碱性，过量的使用均会影响磷的去除效果。

2.2.2 加入PAM时水样的pH对除磷的影响

碱性废水中依次加入1.5 mL 的PFS，反应30 min后依次加入0～2 mL(间隔0.2 mL)的质量分数为20%的KOH调节pH，20 min后加入1.5 mL的PAM，分别记录不同时间下的沉淀体积；静沉30 min后取上清测含P量和pH。实验结果如图3、图4所示。

图3 剩余废水的pH对除磷率的影响

图4 剩余废水的pH对SV30的影响

通过研究加入PAM时实验废水的酸碱性对除磷效果的影响实验中可以得出：当逐渐增大加入KOH的用量时，除磷率迅速增大至99.88%之后逐渐减小，当除磷率最大时，加入的KOH体积为1.0 mL，此时的沉降体积比为94%，上清液的pH为5.88。

3 结 论

(1)通过对PFS+PAM化学沉淀法处理高磷制药废水的影响因素分析，确定最佳反应条件为：常温下，加入聚合硫酸铁的体积VPFS=1.5 mL，聚丙烯酰胺的体积VPAM=1.5 mL，反应沉淀剂为聚合硫酸铁和聚丙烯酰胺，反应温度为常温，六联搅拌器的转速为150 r/min。

(2)在最佳反应条件下经化学沉淀法除磷后，磷的剩余浓度为0.48 mg/L，磷的去除率为99.88%，沉降体积比SV30为94%，出水pH为5.88。

(3)由药厂实际运行经验可得，经过前置除磷后剩余磷酸盐(以P计)的含量为1.0～2.5 mg/L时(即除磷率满足99.3%～99.75%)，即可满足后续生物繁殖生长对磷的需要。本文研究的最佳条件下剩余废水的含磷量为0.48 mg/L，远远满足工艺需求，则在实际运行中可根据本实验结果适当改变反应条件调整污泥沉降体积比，使除磷过程中固液分离能够达到更好的效果。