混凝沉淀法应用于高浓度铁离子废水的探索

天津市静海县天宇科技园污水处理厂处理规模15 000m3/d，采用奥贝尔氧化沟处理工艺，处理后污水要求达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。其进水中总铁浓度高达70mg/L以上，有机物浓度较低，在运行中发现生物池内污泥浓度无增长，微生物生长代谢缓慢，微生物数量少且多为肉足虫和纤毛虫，钟虫数量少，累枝无法形成，活性污泥结构松散，污泥容积指数偏低，上清液中细小颗粒多，悬浮物经常性超标。

要改善活性污泥沉降性能可以通过投加碳源实现，但成本较高。本文通过试验探索混凝沉淀法改善活性污泥沉降性能的可行性和经济性。

1 混凝沉淀小试

1.1 药剂选定

由于厂内原设计有化学除磷，因此优先考虑原设计药剂固体聚合氯化铝（PAC，纯度30%）；原污水已经含有大量铁离子，因此不能考虑再投加铁盐；如聚合氯化铝效果不佳，可考虑使用高分子絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM，纯度90%，系厂内脱水机所用药剂）。

1.2 小试目的

通过试验手段得出何种药剂、以何种投加量能够改善本厂生物池活性污泥沉降性能、最终使得出水稳定达标的结论。

1.3 小试过程

由于条件所限，试验只能用大烧杯模拟生物池，采用手动搅拌方式。

1.3.1 单独使用PAC小试

1）试验过程设计

本厂原化学除磷工艺设计投加PAC溶液浓度为5%，试验原计划同样采用该浓度配制PAC溶液，但在试验中发现微量滴入PAC溶液则出现矾花，则将试验溶液浓度调整为2%。

（1）确定形成矾花所用PAC的最小量。慢速搅拌烧杯中1 000mL生物池混合液，每次增加0.5mLPAC投加量，直至出现矾花为止。这时的PAC量作为形成矾花的最小投加量[1]。

（2）取1 000mL烧杯6个，分别加入1 000mL生物池混合液。

（3）确定试验时的投加量。根据步骤1得出的形成矾花最小PAC投加量，取其1/4作为1号烧杯的PAC投加量，取其2倍作为6号烧杯的PAC投加量，用依次增加PAC投加量相等的方法求出2～5号烧杯PAC投加量，PAC分别加入1～6号烧杯中[2]。

（4）匀速搅拌10min，静止30min，观察沉降比，取上清液检测SS。

（5）取原混合液同样体积，搅拌同样时间，静止30 min，做对比试验。

2）试验结果

（1）形成矾花的最小混凝剂投加量为1mL，因此6个烧杯的混凝剂投加量分别为 0.25、0.6、0.95、1.3、1.65、2mL。

（2）原生物池混合液沉降比极低，但沉淀后上清液浑浊，部分细小颗粒污泥不能沉淀。

（3）1～6号烧杯加入不同剂量PAC溶液后，1号和2号烧杯混合液没有明显变化，3～6号烧杯混合液出现不同程度矾花，但矾花均呈现悬浮状态，不能沉淀，无法取到上清液，因此并未做化验检测。

（4）由此判断单一投加PAC溶液不能改善本厂生物池活性污泥的沉降性能。

（5）从视觉观察PAC溶液投加量达到1.3mL时，出现矾花较大，上清液出现薄层清液，但不能达到正常运行水平。

1.3.2 PAC和PA M配合使用小试

单独使用PAC不能达到提高活性污泥沉降性能的作用，因此考虑添加PAM作为助凝剂，试验其是否能够达到理想效果。

1）试验过程设计

本厂污泥脱水工艺所用絮凝剂为PAM，其配药浓度为4‰，用于生物池混凝沉淀，考虑到对投药泵的保护和远程输送的问题，溶液浓度不易过高，因此配制溶液浓度定为1‰。试验通过向已加入一定量的PAC溶液（1 000mL混合液中加入1.3mLPAC溶液）的生物池混合液中加入不同量的PAM溶液，测试活性污泥沉降性能和上清液SS，确定最佳PAM投加量。

2）试验结果

（1）矾花下沉的最小PAM投加量为1mL，因此6个烧杯的 PAM投加量分别为 0.25、0.6、0.95、1.3、1.65、2 mL。

（2）试验数据见表1。

表1 投加PAC的同时加入不同量PAM的试验数据

（3）由此判断PAC和PAM配合使用能够改善本厂生物池活性污泥的沉降性能且1 000mL的生物池混合液内加入1.3mLPAC和1.3mLPAM时效果最好，沉降比为33%，SS去除率达到68%。此时PAC和PAM的质量比为 20∶1，PAC投药浓度为 26mg/L（纯药浓度），PAM投药浓度为1.3mg/L（纯药浓度）。

1.3.3 单独使用PA M小试

根据部分研究成果，PAM单独使用投药浓度为2 mg/L，PAC和PAM配合使用，质量比30∶1，PAM投药浓度仅为0.1mg/L[3～5]。本次小试数据远远高于上述研究，因此对单独使用PAM作为混凝剂的情况进行试验。

1）试验过程设计

PAM溶液浓度仍采用1‰。

2）试验结果

（1）形成矾花的最小PAM投加量为1.5mL，因此6个烧杯的混凝剂投加量分别为 0.4、0.9、1.4、1.9、2.4、3mL。

（2）试验数据记录见表2。

表2 单独使用PAM小试数据

（3）由此判断单一投加PAM溶液能够改善本厂生物池活性污泥的沉降性能且1 000mL生物池混合液中加入PAM2.4mL以上时效果较为明显，沉降比在30%左右，SS去除率能达到50%以上。此时PAM的投药浓度为2.4mg/L，与已有研究成果[3～5]基本相符。

1.4 小试结果

1）单独加入PAC不能达到理想的沉降效果。

2）PAC和PAM配合使用，能够有效的改善生物池活性污泥沉降性能。经小试，结果发现1 000mL混合液内投加2%的PAC溶液1.3mL和1‰的PAM溶液1.3mL沉降效果较理想。即PAC和PAM质量比为20∶1，1 t水投加PAC和PAM混合溶液为1.3 L，换算成药剂量约为88.11 g，其中 PAC（30%）86.67 g，PAM（90%）1.44 g。

3）单独使用PAM同样能够有效改善生物池活性污泥沉降性能。经小试，结果发现1 000mL混合液内投加1‰的PAM溶液2.4mL沉降效果较理想。即1 t水投加PAM溶液 2.4mL，换算成 PAM（90%）约为 2.67 g。

4）以市场价优等固体 PAC（30%）2 400元 /t，固体PAM（90%）30 000元/t计算，PAC和PAM配合使用每吨水混凝工艺药剂成本为0.25元，单独使用PAM每吨水混凝工艺药剂成本为0.08元。因此，虽大量使用PAM对设备有一定的损害，但仅从药剂成本角度考虑的话，单独使用PAM较为经济。

2 生产性试验

小试结果显示单独使用PAM作为混凝剂使用较为经济实用，但这一结论与目前已有的研究成果并不一致，因此在生产性试验阶段，仍考虑对PAC和PAM配合使用以及PAM单独使用的运行效果进行比较，进一步考察哪种运行方式更为科学、更为经济有效。此外，小试结论得出的混凝工艺药剂吨水成本最低为0.08元，成本较高。在生产性试验中，由于混凝时间和搅拌强度都高于小试，因此考虑酌情减少投药量，以测试更为经济的最佳药剂投加量。

2.1 试验过程

2.1.1 PAC和PA M配合使用试验

1）PAC和PAM固定比例（质量比20∶1），不断减少混合药剂投加量进行阶段性试验，投加浓度(以纯PAM计)分别取 1.3、1.1、0.9、0.7、0.5、0.3、0.1mg/L，每种混合药剂投加量测试3 d，取SS平均去除率和SVI平均数作为数据参考，进行比较，考察哪种投药浓度更为经济实用。试验数据见表3。

表3 PAC和PAM固定比例试验数据

图1和图2分别反映了PAC和PAM固定比例投加时，随着投加药剂量的变化出水水质和污泥沉降性能的变化情况。

图1 在PAC和PAM固定比例条件下SS去除率随投药浓度变化曲线

图2 在PAC和PAM固定比例条件下SVI随投药浓度变化曲线

由图1和图2可以看到，当投加浓度 (以纯PAM计)降到0.9mg/L后，虽然SS平均去除率仍能够达到50%以上，但SVI明显升高，观察生物池活性污泥明显可以观察到污泥沉降性能变差，因此在保持PAC和PAM固定比例（质量比20∶1）的条件下，投加浓度(以纯PAM计)1.1 mg/L为最佳投加浓度。

2）PAC投加量（采用上一步试验得出的最佳投加量1.1mg/L）保持不变，不断减少PAM投加浓度，分别取1.1、0.9、0.7、0.5mg/L，即改变 PAC和 PAM的投加比例，每种比例测试3 d，取SS平均去除率和SVI平均数作为数据参考，进行比较，考察能否通过改变投加比例进一步降低成本。试验数据见表4。图3和图4分别反映了PAC投加量不变时，随着PAM投加量的变化出水水质和污泥沉降性能的变化情况。

表4 PAC投加量保持不变试验数据

图3 在PAC投加量保持不变条件下SS去除率随PAM投药浓度变化曲线

图4 在PAC投加量保持不变条件下SVI随PAM投药浓度变化曲线

由图3和图4可以看到，当PAC投加量（1.1 mg/L）保持不变时，随着PAM投加量的减少，SS平均去除率呈下降趋势，SVI呈上升趋势，由于考虑出水超标排放问题，因此试验没有进行到设计的PAM投加浓度到0.1mg/L。当PAM投加浓度降到0.9mg/L后，虽然SS平均去除率仍能够达到50%以上，但SVI明显升高，观察生物池活性污泥明显可以观察到污泥沉降性能变差，因此最佳投加浓度仍为 (以纯PAM计)1.1mg/L，PAC和PAM质量比20∶1。

2.1.2 PA M单独使用试验

以小试中PAM最佳投加浓度作为起始点，不断降低投药浓度进行试验，分别取 2.4、2.2、2、1.8、1.6、1.4、1.2mg/L，每种加药浓度测试3 d，取SS平均去除率和SVI平均数作为数据参考，进行比较，考察哪种投药浓度更为经济实用。试验数据见表5。图5和图6分别反映了PAM单独使用时，随着投加量的变化出水水质和污泥沉降性能的变化情况。

表5 PAM单独使用试验数据

图5 PAM单独使用时SS去除率随投药浓度变化曲线

图6 PAM单独使用时SVI随投药浓度变化曲线

由图5和图6可以看到，当PAM投加浓度降到1.8 mg/L后，虽然SS平均去除率仍能够达到50%以上，但出水SS明显升高，SVI明显减低，观察生物池活性污泥虽然沉降速度很快，但上清液开始浑浊，漂浮细小颗粒物增多。因此在单独使用PAM条件下，2mg/L为PAM最佳投加浓度。

2.2 试验结果分析

由于生产性试验无法达到试验室试验的精确度，主要体现在进水水量和进水水质的不可控性。水质和水量无法达到恒定，因此只能通过多次试验观察趋势，而由于调试时间有限，每种浓度的试验只能进行3 d，其中存在个例现象，不能完全代表运行趋势，这是本次生产性试验的缺陷。虽然受条件所限，不能达到理想的试验精度，但本次试验仍得到了一定的试验成果，给今后的运行摸索提供了依据。

本次生产性试验得出结论：PAC和PAM配合使用时，PAC和PAM质量比应为20∶1，最佳投加浓度 (以纯PAM计)为1.1mg/L；单独使用PAM时，PAM最佳投加浓度为2mg/L。核算混凝工艺的药剂成本，PAC和PAM配合吨水药剂成本为0.21元，单独使用PAM时吨水药剂成本为0.07元。从药剂成本较低考虑，单独使用PAM最为经济有效。

3 结论

1）单独使用PAC加入生物池混合液能够出现矾花，但矾花呈悬浮状态，不沉淀，不能改善活性污泥沉降性能。

2）PAC和PAM配合使用能够有效改善活性污泥沉降性能，小试确定PAC和PAM质量比为20∶1，最佳投加浓度(以纯PAM计)为1.3mg/L；生产性试验确定PAC和PAM质量比为20∶1，最佳投加浓度(以纯PAM计)为1.1mg/L。

3）PAM单独使用也能够有效改善活性污泥沉降性能，小试确定PAM最佳投加浓度为2.4mg/L；生产性试验确定PAM最佳投加浓度为2mg/L。

4）从药剂成本角度考虑，单独使用PAM最为经济有效。

[1]张学洪，张 力，梁延鹏.水处理工程实验技术[M].北京：冶金工业出版社，2008.

[2]张可方.水处理实验技术[M].广州：暨南大学出版社，2003.

[3]黄 胜，刘根凡，李华飞，等.聚铝和聚铁在造纸废水处理中的交互作用[J].华中科技大学学报（自然科学版），2004，32（3）：51-53.

[4]杨永强，杨大令，蹇锡高，等.聚合氯化铝的制备及其在废水处理中的应用[J].水处理技术，2005，31(10)：52-55.

[5]李新杰，朱文菲，张跃军，等.聚铝、聚铁和阳离子聚丙烯酰胺用于长江原水除浊研究[J].中国农村水利水电，2007，(12)：64-66.