4 種不同除磷藥劑對(duì)高濃度含磷廢水除磷效果的對(duì)比研究

王沙

(西南兵工重慶環(huán)境保護(hù)研究所有限公司，重慶 400042)

0 引言

酸洗磷化是機(jī)加工類(lèi)項(xiàng)目中金屬構(gòu)件涂裝前的一道表面處理工序。磷化處理之后的金屬外層會(huì)產(chǎn)生浸入性磷酸鹽膜層，這個(gè)膜層和金屬材料的融合能力非常強(qiáng)，有助于提升金屬材料的耐磨性，對(duì)涂層材料也有不錯(cuò)的黏結(jié)能力。所以，機(jī)械產(chǎn)業(yè)經(jīng)常使用酸洗磷化方法來(lái)制作機(jī)械設(shè)備的防護(hù)層。

磷化處理的操作流程比較復(fù)雜，具體包括“除油脂—水洗—酸洗—水洗—中和—表調(diào)—磷化”等一系列流程。在具體操作過(guò)程中，會(huì)形成很多酸、堿、重金屬、廢水等[1-2]，所以，磷化操作之后的廢水處理工作尤為重要。本文研究的磷化廢水中磷物質(zhì)的濃度超過(guò)了100 mg/L，采用4 種不同的化學(xué)試劑來(lái)處理磷化廢水，通過(guò)一系列的試驗(yàn)分析，全面了解4 種化學(xué)試劑的廢水凈化效果，進(jìn)而得到全面合理、真實(shí)有效的數(shù)據(jù)資料。

1 材料與方法

1.1 水樣

1.2 除磷藥劑

常用的化學(xué)除磷藥劑有鈣鹽、鋁鹽、鐵鹽等，考慮到藥劑的易得性和價(jià)格, 用于比較試驗(yàn)的除磷藥劑為：XX601 脫磷劑、無(wú)水氯化鈣、RLH-309 復(fù)合絮凝劑、QLP-8010 凈水絮凝劑。

XX601 脫磷劑：鈣鹽、添加劑等組成的混合物。

無(wú)水氯化鈣：工業(yè)級(jí)，含量94%。

RLH-309 復(fù)合絮凝劑(鋁鹽)：由硫酸鋁、工業(yè)鹽等組成。

QLP-8010 凈水絮凝劑(鐵鹽)：由聚合硫酸鐵等組成。

1.3 水質(zhì)分析項(xiàng)目、方法及儀器

總磷含量(TP) 采用鉬酸銨分光光度法，儀器為便攜式水質(zhì)快速測(cè)定儀MI-200(眾科創(chuàng)譜)。

pH 采用玻璃電極法，儀器為酸度計(jì)PHS-3C(上海佑科)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

原水調(diào)為不同的pH 值(3.5、8.5、9、10、11)，攪拌沉淀后測(cè)上清液的TP 含量；取每種pH 的水樣(提前攪拌混勻)24 份，每份50 mL；每種除磷藥劑設(shè)定加入梯度10、20、30、40、50、60 mg，即：pH 值為3.5 時(shí)，24 份水樣中分別加入XX601 脫磷劑10、20、30、40、50、60 mg，加入無(wú)水氯化鈣10、20、30、40、50、60 mg，加入RLH-309 復(fù)合絮凝劑10、20、30、40、50、60 mg，加入QLP-8010 凈水絮凝劑10、20、30、40、50、60 mg，其他pH 梯度時(shí)重復(fù)同樣操作。

加入藥劑后慢速攪拌、沉淀，移取上清液至具塞刻度管，稀釋、加藥、消解、冷卻后測(cè)定TP 含量。

2 結(jié)果與討論

如圖1 所示，調(diào)pH 為堿性后，水中磷被大量去除，原因是原水中濃度較高的Fe3+、Fe2+在堿性條件下可能生成的沉淀有：磷酸鐵Fex(OH)y(PO4)3(s)、磷酸亞鐵Fe3(PO4)2(s)以及鐵的氫氧化物。除了單一的沉淀原理除磷外，還應(yīng)考慮到鐵的氫氧化物的吸附作用。生成的鐵的氫氧化物及鐵的水合羥基鐵氧化物(空氣中氧氣的作用)表面會(huì)有大量吸附空位，磷酸鹽、磷酸一氫鹽會(huì)被快速吸附到固體表面，由此，水中的磷被去除[3]。

圖1 不同pH 的除磷效果

由圖1 還可看出，pH 值不同，磷的去除效果是有差異的。這是因?yàn)槿芤旱乃釅A度、共存陰離子對(duì)除磷效果有著決定性的影響，酸堿度一方面會(huì)吸引材料的表層電離子，另一方面會(huì)改變磷元素的狀態(tài)，最終對(duì)除磷效果產(chǎn)生極大的影響[4]。

由圖2 可看出，在堿性條件下，隨著XX601 脫磷劑投加量的增加，磷的去除效果越好。當(dāng)pH 值為8.5 和pH 值為11 時(shí)，水中磷的去除效果較好；pH 值為11、XX601 脫磷劑投加量為50 mg 即1.0 g/L 時(shí)，除磷效果最好，此時(shí)剩余磷含量為34.59 mg/L，磷的去除效率為76.3%。

圖2 不同pH 值條件下XX601 脫磷劑投加量對(duì)除磷效果的影響

如圖3 顯示，pH 值為3.5(即維持原水pH)時(shí)，隨著無(wú)水氯化鈣投量的增加，磷的含量升高，當(dāng)無(wú)水氯化鈣投量為30 mg 時(shí)，磷的含量達(dá)到最高，說(shuō)明在此過(guò)程中有磷重新釋放到溶液中。此后隨著無(wú)水氯化鈣投量的增加，磷的含量逐漸降低，并且低于原始磷含量。這說(shuō)明在酸性條件下，對(duì)于除磷效果而言，無(wú)水氯化鈣的投量存在一個(gè)臨界值，高于這個(gè)臨界值才具有除磷效果。在該實(shí)驗(yàn)中，無(wú)水氯化鈣投量的臨界值為30 mg，即0.6 g/L。當(dāng)無(wú)水氯化鈣投量為60 mg，即1.2 g/L 時(shí)，磷的去除效率僅為16.2%，這對(duì)實(shí)際工程意義不大。

圖3 不同pH 條件下無(wú)水氯化鈣投加量對(duì)除磷效果的影響

由圖3 可看出，隨著pH 值的增大，磷含量越低，除磷效果越好；無(wú)水氯化鈣的投量越多，除磷效果越好；當(dāng)pH 值為11、無(wú)水氯化鈣投量為50 mg 即1.0 g/L時(shí)，除磷效果最佳，此時(shí)剩余磷含量為16.14 mg/L，磷的去除效率可達(dá)到88.9%。相較于XX601 脫磷劑，無(wú)水氯化鈣的除磷效果更好，可能是因?yàn)橄嗤读肯拢瑹o(wú)水氯化鈣含有的有效成分鈣離子更多。

有試驗(yàn)分析證明：當(dāng)溶液的pH 值為7 時(shí)，磷物質(zhì)通常以H2PO4-的形式存在，和鈣離子結(jié)合形成多羥基磷灰石，吸收了很多OH-，導(dǎo)致溶液的酸堿度降低，影響了除磷效率。如果溶液酸堿度提升到9，磷物質(zhì)通常以PO43-、HPO42-的形式存在，與鈣離子結(jié)合形成CaHPO4、Ca3(PO4)2，能夠?qū)Τ桩a(chǎn)生積極影響。所以當(dāng)溶液酸堿度提升到9 時(shí)，除磷效率也會(huì)大幅提升[5]。工程上常選擇10 ～11 為氯化鈣除磷pH值的控制范圍。

如圖4 所示，pH 值為3.5(即維持原水pH值)時(shí)，隨著RLH-309 復(fù)合絮凝劑(有效成分硫酸鋁)投量的增加，剩余磷含量逐步升高、平緩，繼而下降。RLH-309 復(fù)合絮凝劑投加量為0 ～20 mg 時(shí)，剩余磷含量不降反增，說(shuō)明廢水中有磷的釋放；當(dāng)RLH-309 復(fù)合絮凝劑投加量超過(guò)40 mg 時(shí)，剩余磷含量下降，但與加藥前相差不大?？梢?jiàn)酸性環(huán)境pH 值為3.5 時(shí)，RLH-309 復(fù)合絮凝劑除磷效果不明顯。

圖4 不同pH 值條件下RLH-309 復(fù)合絮凝劑投加量對(duì)除磷效果的影響

硫酸鋁作為化學(xué)除磷中除磷藥劑使用，該物質(zhì)除磷的基本原理是：硫酸鋁在水解情況下會(huì)生成三價(jià)鋁離子，能夠和磷酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成磷酸鹽沉淀，另外鋁鹽在廢水中水解后生成的多核絡(luò)合物具有很強(qiáng)的吸附架橋能力，使得水中的污染物磷酸鹽聚合形成氫氧化物沉淀，再由污泥處理工藝將廢水與污泥分離開(kāi)來(lái)以達(dá)到除磷的目的。

由圖4 可看出，pH 值為10、RLH-309 復(fù)合絮凝劑投加量為50 mg 即1.0 g/L 時(shí)，除磷效果最好，此時(shí)剩余磷含量為36.36 mg/L，磷的去除效率為75.0%。

當(dāng)pH 值≥8.5 時(shí)，除磷效果隨著RLH-309 復(fù)合絮凝劑投量的增加沒(méi)有得到明顯改善。這說(shuō)明原水中的鐵鹽在堿性條件下生成的磷酸鐵Fex(OH)y(PO4)3(s)、磷酸亞鐵Fe3(PO4)2(s)沉淀以及生成的鐵的氫氧化物的吸附作用已將原水中絕大部分磷去除。硫酸鋁水解生成的磷酸鹽沉淀以及水解后生成的多核絡(luò)合物的吸附架橋作用未表現(xiàn)出實(shí)際作用。

如圖5 所示，pH 值為3.5(即維持原水pH值)時(shí)，隨著QLP-8010 凈水絮凝劑(有效成分聚合硫酸鐵)投量的增加，剩余磷含量逐步下降，說(shuō)明在酸性條件下QLP-8010 凈水絮凝劑仍能發(fā)揮較好的除磷作用。

圖5 不同pH 值條件下QLP-8010 凈水絮凝劑投加量對(duì)除磷效果的影響

聚合硫酸鐵加入到廢水中，三價(jià)鐵離子能夠和磷酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成非溶解性鹽沉淀，進(jìn)而導(dǎo)致膠體脫穩(wěn)。在此期間，聚合硫酸鐵在水解作用下，會(huì)產(chǎn)生很多長(zhǎng)鏈多核烴基絡(luò)合物，借助吸附架橋、電性中和等方法，使得膠團(tuán)電位下降，拉低膠團(tuán)的穩(wěn)定性，加快膠粒聚集速度，還能吸收SS 中的磷物質(zhì)，使得懸浮顆粒沉淀析出[6]。

由圖5 可看出，當(dāng)pH 值為9 ～11 時(shí)，除磷效果明顯，且在pH 值為11、QLP-8010 凈水絮凝劑投加量為60 mg 即1.2 g/L 時(shí)，除磷效果最佳，此時(shí)剩余磷含量為21.72 mg/L，磷的去除效率達(dá)到85.1%。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)原水pH 值調(diào)至堿性，有明顯的除磷效果。

(2)當(dāng)進(jìn)水磷含量在145.67 mg/L 時(shí)：

①XX601 脫磷劑最佳投加量1.0 g/L(pH 值為11)，噸水加藥成本7.62 元/m3，此時(shí)磷的去除率為76.3%；

②無(wú)水氯化鈣最佳投加量1.0 g/L(pH 值為11)，噸水加藥成本2.20 元/m3，此時(shí)磷的去除率為88.9%；

③RLH-309 復(fù)合絮凝劑最佳投加量1.0 g/L(pH值為10)，噸水加藥成本7.24 元/m3，此時(shí)磷的去除率為75.0%；

④QLP-8010 凈水絮凝劑最佳投加量1.2 kg/m3(pH值為11)，噸水加藥成本8.71 元/m3，此時(shí)磷的去除為85.1%。

以上成本測(cè)算，綜合考慮了堿及相應(yīng)除磷藥劑的投量。

(3)pH 值調(diào)為11，投加無(wú)水氯化鈣時(shí)成本最低，除磷效果最好。