除磷剂不同时空尺度下除磷效果研究

＊王磊 潘红忠* 陈鹏

（1.长江大学资源与环境学院 湖北 430000 2.清水华明（武汉）生态科技有限公司 湖北 430000）

引言

水资源在不合理的使用过程中，常常因为氮、磷、钾等元素含量超标而引起水体富营养化，其中尤以总磷超标最为麻烦[1]。目前比较常用的、成熟的除磷方法主要分为物化除磷法和生物除磷法，其中又以物化除磷法中的化学除磷法使用最为广泛[2]。经过实际应用对比可知，相较于生物除磷法的技术条件要求高、适应性差等缺点，化学除磷法的优势在于稳定性强、达标可靠、见效快[3]。

化学除磷剂常用的金属盐当属铁盐的应用最为广泛，铁盐主要有硫酸亚铁、聚合硫酸铁、三氯化铁及聚合氯化铁等，铝盐主要有硫酸铝、氯化铝和聚合氯化铝等[4]。铁盐除磷的作用机理是通过生成难溶性的磷酸铁，将可溶态的磷转化为不可溶的沉淀，以此脱离水体。但如今市场上的铁盐除磷剂种类繁多，良莠不齐，在工程实践中，根据不同的工程规模、工程期限和水体水环境，在种类繁多的除磷剂中选择一种性价比高的除磷剂十分重要。本文选择四种成分不同的铁盐除磷剂，通过在不同时空尺度上的实验，先优选出除磷效果最佳、经济性最好的一种，然后将其在三个不同尺度上进行实验，分析尺度效应，为除磷剂在工程上的应用提供参考。

1.材料与方法

室内试验，原水取自待实施除磷工程的水体，实验前原水TP含量为0.254mg/L。总磷测定采用《GB 11893-89 水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》，使用岛津UV2550紫外分光光度计测定。

(1)材料

本实验选取A、B、C和D四种铁盐除磷剂进行试验，其中A除磷剂主要成分为聚合氯化铁、B的主要成分为聚合硫酸铁、C的主要成分为硫酸亚铁、D的主要成分为三氯化铁。总磷检测标准参照《水质总磷的测定 钼酸铵分光光度法》（GB 11893-1989）。

(2)实验方法

化学除磷的就是在污水中投加金属盐类等除磷药剂，形成不可溶性磷酸盐或多聚磷酸盐沉淀物，从而从水体中分离沉淀出去，达到除磷效果。

通过药品介绍我们知道化学药品除磷主要采用吸附法进行除磷，吸附法除磷技术有选择性高、性能稳定、可脱附再生、无二次污染等优点[5]，以除磷剂使用量和pH为主要控制因素，1L水体中投放不同量的除磷剂，对比效果。

为了验证在不同时空尺度下除磷剂的除磷效果，设置三组实验，体积容量分别为1L、1m3和1000m3。为了对比几大除磷剂的除磷剂效果，在实验室做一个1L水体中投放除磷剂的实验，实验设2因素3水平正交表，如表1。

表1 试验计划表Tab.1 Test schedule

本实验参考王龙辉[6]硕士论文结论：y=-0.02x+7，x为加药量，y为TP浓度。1t水中，降解1ppm浓度的TP，需要投加50g左右的加药量。

(3)结果分析

本实验对比分析四个厂商生产的除磷剂的除磷效率，实验结果和除磷效果情况如图1：

图1 除磷剂使用后的磷含量及下降幅度Fig.1 Phosphorus content and its decreasing range after the use of dephosphorizing agent

根据产品说明以及在实验过程中的发现，除磷剂的除磷效率在第八天达到最佳，因此以第八天的磷含量计算除磷效率。由图1可知，使用D除磷剂的水体总磷含量降幅达到了90.6%，使用C除磷剂的水体总磷含量降幅达到了89.0%，相较于使用B除磷剂的降幅76.7%和A除磷剂的降幅75.2%都要更加高效。所以通过实验，分析不同的铁盐除磷剂的效率值 （磷去除率），初步筛选出的铁盐为C和D；但是通过对C和D的价格比较，最终选择D除磷剂作为最终产品。

然后进行D除磷剂的投放量分别为25mg/L、50mg/L和100mg/L的梯度实验，结果如图2：

图2 不同浓度除磷剂使用后磷含量及降幅Fig.2 Phosphorus content and decreasing range of different concentration phosphorus remover

所以根据实验分析可知，在随着除磷剂使用量增加的过程中水体总磷含量呈现下降的趋势，而在除磷剂使用量为50mg/L时，除磷效果达到了82%；而在使用量为100mg/L时，磷的去除效率为88.3%，和50mg/L使用量时的磷去除率差别不大。通过上述分析最终确定最佳实验投放药物浓度为50mg/L，即处理每吨水体需要除磷剂50g。

在实验室进行的实验中，实验尺度为1L体系，投加D三氯化铁除磷剂的实验组结果如图3：

图3 实验室1L体系除磷实验Fig.3 Experiment on phosphorus removal by 1L system

通过实验，我们可以看出湖水的室内除磷试验效果良好，除磷效率达到了82%以上。

2.户外试验

(1)户外小试

为模拟待实施除磷工程的水体除磷剂投放的实际工程情况，选取容量为1000L的两个小池进行户外小试，测试结果如下图4：

图4 户外1000L体系除磷剂使用小试Fig.4 Outdoor trial 1000L system for phosphorus removal

通过上述分析，对户外小池进行除磷剂投放后，户外小池的总磷含量变化较大，以第八天的磷含量计算磷去除率，总磷去除率约为72%。

(2)户外中试

为进一步模拟待实施除磷工程的水体除磷剂投放的实际工程情况，划定片相对封闭水域做对标实验，计算该相对封闭水体水量，按比例投放除磷剂；本次实验旨在验证： ①大型水体仅治理部分目标水域时的治理效果；②验证除磷剂投放比例和安全性；③积累实际工程中除磷剂的投放经验。

①实验方法

通过计算，相对封闭水体体积为1000m3，按照50mg/L投放比例，实验区域总投放量为50kg，投放采用加水稀释、水泵喷撒的方式进行。除磷剂投放后水体指标变化如图5：

图5 106L体系除磷剂使用中试Fig.5 Pilot test of phosphorus removal agent in 106L system of Mingyuan Lake

通过以上数据，我们可以看出在三氯化铁除磷剂使用之后，目标水体的总磷含量均在三类水标准（0.05mg/L）以下，但由于户外天气影响，所以水体的总磷含量有一定的起伏，不过最终水体的总磷含量趋近于0.031mg/L；实验区域原水总磷含量为0.075mg/L，除磷效率约为58.7%。

②结果分析

通过工程应用结果可知，除磷剂使用前后，原水水质改善幅度较大，主要表现在：

A.室内实验感官效果提升显著，水体由浑浊变清澈，透明度大幅度提高；室外水体透明度有所改善，改善幅度一般；室外小池透明度未见明显改善。B.TP浓度降幅明显，室内实验从湖库劣五类水（0.254mg/L）提升到三类水（0.05mg/L）左右，除磷率高；室外1m3小池，磷去除率平均为53%左右；室外封闭水体水质为Ⅲ类水，水质较好，改善幅度小，磷去除率为37.3%左右。C.工程应用过程中，水生动植物生长一切正常，没有破坏生物生长的环境，但水体的pH变小，这是三氯化铁作用过程中消耗碱度造成的，碱度降低将会影响脱氮过程中的硝化反应，因此应适当增加碱度[7]。

在户外实验的应用过程中，D的除磷效果明显，应用在水质较差的水体中效果更佳。中试结果，验证了除磷剂在天然水体中使用的生物安全性，也验证了湖泊中取部分水域投放除磷剂的可行性和有效性。

3.结论

通过对四种除磷剂的对比性实验和对目标除磷剂在不同时空尺度下的实验，可以得出如下结论：

（1）室内实验中A、B、C和D四个不同成分的铁盐除磷剂的除磷效果：D三氯化铁和C硫酸亚铁的除磷效率高于A聚合氯化铁和B聚合硫酸铁；而结合经济价值分析，D的综合价值优于C，所以最终选择D氯化铁除磷剂作为目标除磷剂。

（2）在不同尺度和水体磷含量下的除磷效果如下图6。 由上图我们可知，随着水体磷含量和治理区域水体体积的变化，除磷效果会受到一定的影响，治理区域变大除磷效果会减弱；在水质较好的水域，除磷效果会被削减，所以在水质越差的水体中除磷剂的除磷效果越好；而在实际的应用中需要根据治理区域的大小对用量进行适当的调节，即1000L体系的户外使用的除磷效率占实验室1L体系的87.8%，户外1000000L体系的除磷效果占室内1L体系的71.6%，在实际应用中根据所需适当调整，达到最佳的除磷效率。

图6 不同尺度及磷含量下除磷效果Fig.6 Effect of phosphorus removal at different scale and phosphorus content

（3）在实际水体治理中，要达到预期除磷效果，根据相关文献论述、厂家推荐使用量都为50mg/L；而在实验室的实验过程中，通过对比除磷剂使用量50mg/L的除磷率为82%，使用量100mg/L的除磷率为88.3%，药剂使用量增加一半，除磷率增幅不大；因此考虑到治理成本，最后选择在工程应用中除磷剂投放量为50mg/L。同时在使用过程中应适当的增加碱度，以维持水体脱氮对的最佳效果。