供水系统纯磷污染高效处理方案研究

宿茫茫，臧 浩

（1.青岛市益水工程股份有限公司，山东 青岛 266000；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116；3.山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 250102）

引言

随着城市化规模的不断提升、城市人口迅速增加，对供水系统的供水稳定性和安全性提出了更高的要求，城市供水系统的水源主要来自于城市污水、水库水源等，极易引起水体磷超标等水源污染问题，水体中的磷含量越高越容易导致水质中的微生物过度繁殖，难以保证城市供水的安全性。目前供水厂主要采用铁屑法进行水体除磷，但存在着除磷成本高、效率低、剩余污泥多等不足，而在除磷的过程中还会引入其他的金属离子，进一步导致水体的重离子污染，在脱磷过程中的磷去除率仅71.4%，完全无法满足日益扩大的城市化供水安全需求，因此必须研究更高效、安全的脱磷工艺。

针对现有供水系统脱磷方案的不足，有学者提出了微电解法进行供水系统除磷的方案，但应用成本较高，影响脱磷的经济性，因此本文在对脱磷机理进行分析的基础上，提出了一种新的铁碳法脱磷净化工艺，对铁碳法电解还原理论、铁碳法除磷影响因素等进行了分析。研究表明，新的除磷工艺能够将水中磷的去除率提升到97.4%，极大地提升了脱磷系统的应用经济性和可靠性。

1 铁碳法除磷原理

在铁离子和碳离子之间存在着极大的氧化还原电位差[1]，当两者同时存在于溶液中时，彼此之间会产生电极反应，因此在废水中加入铸铁屑以后，会在废水内形成一个大范围的微电池回路，此时再在溶液内加入活性炭，两者之间会产生一个宏观的电池效应，进一步加快铸铁屑的分解。分解形成的铁离子会逐步的水解，最终形成氢氧化铁胶体[2]，该胶体能够快速吸附废水中的磷并形成沉淀物，而且在溶液中加入的活性炭也能够对水体中的磷离子进行吸附，提升脱磷的效果。

为了对铁屑除磷方法的实际应用情况进行研究，本文设计了一种新的试验验证方案，对铁屑除磷法中各类因素对除磷效果的影响进行分析。试验时以铸铁屑、活性炭为原料，以含磷污水为试剂进行验证，用恒温振荡器、分光光度计、氧化还原点位计、扫描电镜等仪器[3]对试验结果进行验证。为了满足试验需求，将铸铁屑首先用氢氧化钠溶液浸泡3 min，然后用水清洗干净后再用1%的盐酸浸泡3 min，最后利用水清洗干净后烘干备用[4]。

含磷污水内磷的质量浓度保持在1 mg/L，含磷溶液量为100 mL，然后分别对不同铁碳比、不同铁碳总量、不同反应时间情况下的除磷效率进行分析，从而获取最佳的铁屑除磷工艺参数。

2 铁碳比例对除磷效果影响

在还原剂中铁和碳的比例不同，对溶液中磷的去除效果不一样，因此为了对不同铁碳比情况下的实际净化效果进行对比，分别选择m（Fe）∶m（C）=5∶1，4∶1，3∶2，1∶1，2∶3，1∶4，1∶5 情况下的净化效果进行对比分析，结果如图1 所示。

图1 不同铁碳比情况下的净化效果示意图

由图1 可知，当铁碳比从5∶1 到3∶2 变化时，对试样内磷的去除率逐渐升高，最大为99%，溶液内的磷含量逐渐降低到0。当铁碳比从3∶2 到2∶3 变化的时候，对试样内磷的祛除率逐渐降低，最小为95%，溶液内的磷含量先升高后降低。当铁碳比从2∶3 到1∶5 变化时，对试样内磷的去除率逐渐降低，最低为28%，溶液内的磷含量逐渐升高。由此可知，当铁碳比为3∶2 时具有最佳的除磷效果，当溶液内铁离子含量过多时，铁碳离子间的有效接触面积降低，导致宏观电池量不足[5]，影响除磷效果，而当铁含量不足时同样导致溶液内宏观电池量降低，从而弱化了除磷效果。

3 铁碳总量及反应时间对除磷效果影响

将铁碳比例设定为最佳配合比（2∶3），分别对铁碳总量为0.5、1、1.5、2、3、4 g 情况下的反应效果进行分析，结果如图2-1 所示。

由图2-1 可知，当铁碳的总含量在1.5 g 以下时，对水中磷的去除率迅速增加，最高可达98%，当总含量超过1.5 g 后对溶液内的磷的去除率基本保持不变。这主要是因为，当铁碳的质量超过溶液的容纳量后，能够完全吸附水中的磷离子，因此无法进一步提升除磷效果，因此在进行除磷时需要根据溶液的量合理地选择铁碳的总质量，提高除磷效率和经济性。

设置铁碳质量比为3∶2，其总质量为1.5 g，在最佳配比情况下，不同的反应时间对除磷效果的影响对比如图2-2 所示。

图2 不同情况下的反应效果示意图

由验证结果可知，随着反应时间的增加，溶液内的磷去除率逐渐升高，当在第60 min 时去除率达到了97.4%，超过60 min 后溶液内的磷去除率随着时间的增加会增加缓慢。在反应的过程中若反应时间过短，由于铁屑、活性炭、磷的相互融合时间不足，导致电极反应、吸附反应等未充分发生，使系统内的磷去除效果不足，当反应超过60 min 后水中的磷已基本被吸附沉淀完成，因此脱磷率会随着反应时间的增加缓慢变化。

4 不同处理方案效果对比

为了对不同除磷方案的效果进行对比，在相同的工况下，用铁屑法、铁碳法、活性炭法进行除磷对比，结果可知，3 种方案中，随着反应时间的增加水中磷的含量逐渐降低，在第60 min 时铁碳除磷方案下水中磷的质量分数约为4.2%，铁屑法除磷方案下水中磷质量分数约为39.4%，活性炭吸附方案中磷质量分数最大，约为91.4%。由此可知，采用铁碳法的情况下，能够通过化学沉淀及物理吸附[6]的双重除磷方式来达到快速净化水体中磷污染的目的。

5 结论

为了解决供水系统发生纯磷污染后利用铁屑法处理效率低、成本高的不足，提出了一种新的供水系统纯磷污染高效处理方案，以铁炭法为核心，对不同配比、不同质量、不同反应时间下的除磷效果进行了研究，结果表明：

1）当铁碳质量比为3∶2 时铁碳离子间的有效接触面积最大，除磷率可达99%，当铁碳的总含量在1.5 g/100 mL 时，磷的去除率可达98%；

2）在铁碳含量、铁碳总量均处在最佳状态时，在反应60 min 后溶液内的去除率可达97.4%；

3）在相同情况下铁碳法由于同时具备化学沉淀除磷及物理吸附除磷相结合的模式，同时具体铁屑法和活性炭吸附法的双重优势，因此除磷效果最佳。