供水系統(tǒng)純磷污染高效處理方案研究

宿茫茫，臧 浩

（1.青島市益水工程股份有限公司，山東 青島 266000；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；3.山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，山東 青島 250102）

引言

隨著城市化規(guī)模的不斷提升、城市人口迅速增加，對供水系統(tǒng)的供水穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求，城市供水系統(tǒng)的水源主要來自于城市污水、水庫水源等，極易引起水體磷超標(biāo)等水源污染問題，水體中的磷含量越高越容易導(dǎo)致水質(zhì)中的微生物過度繁殖，難以保證城市供水的安全性。目前供水廠主要采用鐵屑法進行水體除磷，但存在著除磷成本高、效率低、剩余污泥多等不足，而在除磷的過程中還會引入其他的金屬離子，進一步導(dǎo)致水體的重離子污染，在脫磷過程中的磷去除率僅71.4%，完全無法滿足日益擴大的城市化供水安全需求，因此必須研究更高效、安全的脫磷工藝。

針對現(xiàn)有供水系統(tǒng)脫磷方案的不足，有學(xué)者提出了微電解法進行供水系統(tǒng)除磷的方案，但應(yīng)用成本較高，影響脫磷的經(jīng)濟性，因此本文在對脫磷機理進行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的鐵碳法脫磷凈化工藝，對鐵碳法電解還原理論、鐵碳法除磷影響因素等進行了分析。研究表明，新的除磷工藝能夠?qū)⑺辛椎娜コ侍嵘?7.4%，極大地提升了脫磷系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)濟性和可靠性。

1 鐵碳法除磷原理

在鐵離子和碳離子之間存在著極大的氧化還原電位差[1]，當(dāng)兩者同時存在于溶液中時，彼此之間會產(chǎn)生電極反應(yīng)，因此在廢水中加入鑄鐵屑以后，會在廢水內(nèi)形成一個大范圍的微電池回路，此時再在溶液內(nèi)加入活性炭，兩者之間會產(chǎn)生一個宏觀的電池效應(yīng)，進一步加快鑄鐵屑的分解。分解形成的鐵離子會逐步的水解，最終形成氫氧化鐵膠體[2]，該膠體能夠快速吸附廢水中的磷并形成沉淀物，而且在溶液中加入的活性炭也能夠?qū)λw中的磷離子進行吸附，提升脫磷的效果。

為了對鐵屑除磷方法的實際應(yīng)用情況進行研究，本文設(shè)計了一種新的試驗驗證方案，對鐵屑除磷法中各類因素對除磷效果的影響進行分析。試驗時以鑄鐵屑、活性炭為原料，以含磷污水為試劑進行驗證，用恒溫振蕩器、分光光度計、氧化還原點位計、掃描電鏡等儀器[3]對試驗結(jié)果進行驗證。為了滿足試驗需求，將鑄鐵屑首先用氫氧化鈉溶液浸泡3 min，然后用水清洗干凈后再用1%的鹽酸浸泡3 min，最后利用水清洗干凈后烘干備用[4]。

含磷污水內(nèi)磷的質(zhì)量濃度保持在1 mg/L，含磷溶液量為100 mL，然后分別對不同鐵碳比、不同鐵碳總量、不同反應(yīng)時間情況下的除磷效率進行分析，從而獲取最佳的鐵屑除磷工藝參數(shù)。

2 鐵碳比例對除磷效果影響

在還原劑中鐵和碳的比例不同，對溶液中磷的去除效果不一樣，因此為了對不同鐵碳比情況下的實際凈化效果進行對比，分別選擇m（Fe）∶m（C）=5∶1，4∶1，3∶2，1∶1，2∶3，1∶4，1∶5 情況下的凈化效果進行對比分析，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同鐵碳比情況下的凈化效果示意圖

由圖1 可知，當(dāng)鐵碳比從5∶1 到3∶2 變化時，對試樣內(nèi)磷的去除率逐漸升高，最大為99%，溶液內(nèi)的磷含量逐漸降低到0。當(dāng)鐵碳比從3∶2 到2∶3 變化的時候，對試樣內(nèi)磷的祛除率逐漸降低，最小為95%，溶液內(nèi)的磷含量先升高后降低。當(dāng)鐵碳比從2∶3 到1∶5 變化時，對試樣內(nèi)磷的去除率逐漸降低，最低為28%，溶液內(nèi)的磷含量逐漸升高。由此可知，當(dāng)鐵碳比為3∶2 時具有最佳的除磷效果，當(dāng)溶液內(nèi)鐵離子含量過多時，鐵碳離子間的有效接觸面積降低，導(dǎo)致宏觀電池量不足[5]，影響除磷效果，而當(dāng)鐵含量不足時同樣導(dǎo)致溶液內(nèi)宏觀電池量降低，從而弱化了除磷效果。

3 鐵碳總量及反應(yīng)時間對除磷效果影響

將鐵碳比例設(shè)定為最佳配合比（2∶3），分別對鐵碳總量為0.5、1、1.5、2、3、4 g 情況下的反應(yīng)效果進行分析，結(jié)果如圖2-1 所示。

由圖2-1 可知，當(dāng)鐵碳的總含量在1.5 g 以下時，對水中磷的去除率迅速增加，最高可達98%，當(dāng)總含量超過1.5 g 后對溶液內(nèi)的磷的去除率基本保持不變。這主要是因為，當(dāng)鐵碳的質(zhì)量超過溶液的容納量后，能夠完全吸附水中的磷離子，因此無法進一步提升除磷效果，因此在進行除磷時需要根據(jù)溶液的量合理地選擇鐵碳的總質(zhì)量，提高除磷效率和經(jīng)濟性。

設(shè)置鐵碳質(zhì)量比為3∶2，其總質(zhì)量為1.5 g，在最佳配比情況下，不同的反應(yīng)時間對除磷效果的影響對比如圖2-2 所示。

圖2 不同情況下的反應(yīng)效果示意圖

由驗證結(jié)果可知，隨著反應(yīng)時間的增加，溶液內(nèi)的磷去除率逐漸升高，當(dāng)在第60 min 時去除率達到了97.4%，超過60 min 后溶液內(nèi)的磷去除率隨著時間的增加會增加緩慢。在反應(yīng)的過程中若反應(yīng)時間過短，由于鐵屑、活性炭、磷的相互融合時間不足，導(dǎo)致電極反應(yīng)、吸附反應(yīng)等未充分發(fā)生，使系統(tǒng)內(nèi)的磷去除效果不足，當(dāng)反應(yīng)超過60 min 后水中的磷已基本被吸附沉淀完成，因此脫磷率會隨著反應(yīng)時間的增加緩慢變化。

4 不同處理方案效果對比

為了對不同除磷方案的效果進行對比，在相同的工況下，用鐵屑法、鐵碳法、活性炭法進行除磷對比，結(jié)果可知，3 種方案中，隨著反應(yīng)時間的增加水中磷的含量逐漸降低，在第60 min 時鐵碳除磷方案下水中磷的質(zhì)量分數(shù)約為4.2%，鐵屑法除磷方案下水中磷質(zhì)量分數(shù)約為39.4%，活性炭吸附方案中磷質(zhì)量分數(shù)最大，約為91.4%。由此可知，采用鐵碳法的情況下，能夠通過化學(xué)沉淀及物理吸附[6]的雙重除磷方式來達到快速凈化水體中磷污染的目的。

5 結(jié)論

為了解決供水系統(tǒng)發(fā)生純磷污染后利用鐵屑法處理效率低、成本高的不足，提出了一種新的供水系統(tǒng)純磷污染高效處理方案，以鐵炭法為核心，對不同配比、不同質(zhì)量、不同反應(yīng)時間下的除磷效果進行了研究，結(jié)果表明：

1）當(dāng)鐵碳質(zhì)量比為3∶2 時鐵碳離子間的有效接觸面積最大，除磷率可達99%，當(dāng)鐵碳的總含量在1.5 g/100 mL 時，磷的去除率可達98%；

2）在鐵碳含量、鐵碳總量均處在最佳狀態(tài)時，在反應(yīng)60 min 后溶液內(nèi)的去除率可達97.4%；

3）在相同情況下鐵碳法由于同時具備化學(xué)沉淀除磷及物理吸附除磷相結(jié)合的模式，同時具體鐵屑法和活性炭吸附法的雙重優(yōu)勢，因此除磷效果最佳。