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聚合氯化铝除磷的最佳条件

07-19

  (PAC)直接混凝沉淀对污泥水除磷效果和沉降性能影响的基础上,利用Box-Behnken响应曲面法研究了PAC除磷工艺主要操作条件Al/P摩尔比(以下简称Al/P比)、 pH和搅拌转速(MS)的交互作用影响,寻求最佳除磷工艺条件,并初步探讨了污泥水PAC除磷动力学,以期为污泥水除磷工艺的应用提供理论依据和技术支撑.

  白龙港厂浓缩脱水污泥水水质如表 1所示.该污泥水水质波动较大,SS、 COD、 NH+4-N、 TN和TP浓度高.污泥在机械浓缩和高速离心脱水下,间隙水被挤出,部分胞外聚合物溶出,同时在浓缩脱水厌氧环境下污泥中磷又重新释放到污泥水中,所以污泥水含磷量很高.由表 1数据结合污泥水水量5 000 m3 ·d-1计算,如果回流到200万m3 ·d-1的进水(TP为3.5 mg ·L-1)中,则TP负荷将增加14.6%.

  Al13(OH)5+34是铝盐混凝的主要作用成分[19,20],但在pH7的污泥水中加入PAC,Al3+水解主要产物为AlO-[20]2,无法提供正离子进入胶体扩散层甚至吸附层,难以降低体系ζ电位,同时AlO-2与污水中带负电的胶体相互排斥,无法凝聚,由此形成的絮体碎小,沉降速率慢.PAC投加量越多,AlO-2浓度越多,与带负电的胶体的斥力越大,沉降速率越慢,SV30越大.因此,加入PAC不仅不能改善污泥水沉降性能,而且使污泥水沉降恶化[21].当Al/P比为0.52和1.05时,污泥水SV30分别是原液的1.57和2.17倍.

  图 1为不同SS浓度下Al/P比对正磷去除率影响的对比.从中可知,同一污泥水中Al/P比越大,正磷去除率越高; SS越低,PAC除磷效果越好.当Al/P比为1.40时,污泥水SS为9.22、 3.75和0 g ·L-1对应的正磷去除率分别为48.2%、 69.2%和74.1%.由于污泥水中颗粒物对Al3+的消耗,造成用于除磷的Al3+比例降低,除磷效率下降.

  Al3+和正磷以一定的计量关系进行沉淀反应,Al/P比的变化会影响到反应(1)的化学移动,进而影响正磷去除率.不同Al/P比下污泥水上清液正磷去除率如图 2所示.随Al/P比增大,正磷去除率增大.Al/P比由0.31上升至1.92时,正磷去除率增幅达61.3%; 继续升至2.97,则仅提高11.0%.若污泥水直接排放,则宜选取较高的Al/P比; 若污泥水回流并兼顾经济性,则Al/P比为1.92为宜.

  为了确定合适的pH范围,分析了pH为5.0~11.0时污泥水上清液PAC除磷效果,如图 3所示.当pH9.0时,进一步提高pH,正磷去除率降低,但降低幅度很小.在pH10.0时,pH对PAC混凝效果和磷酸铝的溶解度影响不大.因此,pH为9.0时PAC对上清液的除磷效率最高,这可能与PAC在弱碱性条件下混凝效果最佳有关[24].

  合适的MS可使PAC迅速扩散到上清液中,温度场和浓度场更均匀,促使Al3+与PO3-4接触形成沉淀除磷,但是MS过大会打碎絮体,阻碍沉淀形成,降低正磷去除率.为确定合适的MS,分析了50~500 r ·min-1范围内污泥水上清液的PAC除磷效果,如图 4所示.随着MS增加,正磷去除率略有升高,但影响变化不大,去除率极差仅为11.5%.

  根据多元二次回归方程,AC交互作用项系数的符号为负号,这说明Al/P比和MS之间为拮抗作用; 各个系数绝对值大小可判断3个因素对正磷去除率的影响顺序为:Al/P比pHMS.由表 3模型中的回归系数进行显著性检验可知,A对正磷去除率的线性效应极显著,B和C对正磷去除率的线性效应不显著; A、 B、 C两两交互影响均不显著; 因素A2的曲面效应极显著,B2和C2不显著.

  由图 5可见,在MS 250r ·min-1且pH一定时,随Al/P比的增加,正磷去除率增加; Al/P比不变时,随pH的增加,正磷去除率呈先升后降的趋势.这与单因素实验结果相吻合.正磷去除率的变化速率显示Al/P比主效应大于pH,与统计结果相符.在图 5中等高线右上侧区域,即Al/P比2.0~3.0、 pH 8.0~10.0时,图形颜色较深,表明污泥水正磷去除效果较好.

  由图 6可见,在pH为7.5,Al/P比一定时,随MS增加,正磷去除率先减小后增大; 转速一定时,正磷去除率随Al/P比增加先升后降.正磷去除率的变化速率显示Al/P比主效应大于MS,与统计结果相符.在图 6中等高线右上、 下侧区域,即Al/P比2.0~3.0,MS在100~150 r ·min-1和350~400r ·min-1时,图形颜色较深,表明污泥水正磷去除效果较好.

  由图 7可见,在Al/P比为1.5,pH一定时,随MS增加,正磷去除率先减小后增大.MS一定时,随pH增加,正磷去除率先升后降.正磷去除率的变化速率显示pH主效应大于MS,但正磷去除率的变化速率都很小,说明pH-MS复合作用对正磷去除率影响较小.在图 7的等高线中上、 下侧区域,即pH 7.0~9.0,MS在100~150 r ·min-1和350~400r ·min-1时,图形颜色较深,表明污泥水正磷去除效果较好.

  通过单因素实验和Box-Behnken模型的响应曲面法分析,可以了解各操作条件对除磷效率的贡献及其交互作用.因此,污泥水PAC除磷工艺可采用“优先/联合”优化模式加以控制.单个操作条件对除磷效率贡献大小不同,实际操作中应区别对待,优先控制贡献大的操作条件,即优先控制.由响应曲面分析可知,即使某一操作条件处于最优水平,污泥水PAC除磷效率也并不一定高,单个操作条件并不具备主导PAC除磷过程的能力.要优化除磷效果,需要考虑各操作条件的交互效应,即联合控制[6]. 根据“优先/联合”优化模式,结合Box-Behnken模型分析结果,优化的操作参数为Al/P比2.49、 pH 8.3、 MS 398r ·min-1,该条件下正磷去除率为97.7%.在Al/P比2.43~2.69、 pH 8.3~9.5、 MS 100~388 r ·min-1的条件下,正磷去除率均在97.0%以上,吨水除磷药剂成本约为1.12元(以PAC 900元 ·t-1计).

  根据式(3)做表 4中工况2和3的动力学曲线所示.从中可知,在反应初始阶段,正磷去除很快,这是因为PAC加入污泥水中后,化学沉淀和混凝絮体的快速吸附造成正磷迅速降低[14, 25, 26].但絮体吸附很快饱和,工况2和3分别在2~4 min和4~6 min吸附饱和,此后主要通过式(1)的沉淀反应去除正磷; 对后一阶段用式(4)拟合,拟合结果如表 5所示.从中可知,拟合得到的可决系数R2均在0.90以上,这说明Al3+与正磷的沉淀反应符合二级动力学.工况2和3的二级动力学常数kobs分别为3.89 d-1和3.46 d-1,工况2的pH在PAC混凝最佳pH范围(6.5~7.6)内,而工况3的pH为5.0,生成的磷酸铝又部分溶解.因此,工况2除磷效率更高,且kobs略高于工况3.具体参见污水宝商城资料或更多相关技术文档。

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