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关于化学除磷投加量的计算详解

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磷的去除有化学除磷生物除磷两种工艺,生物除磷是一种相对经济的除磷方法,但由于该除磷工艺目前还不能保证稳定达到0.5mg/l出水标准的要求,所以要达到稳定的出水标准,常需要采取化学除磷措施来满足要求。

1、化学除磷的原理

化学除磷是通过化学沉析过程完成的,化学沉析是指通过向污水中投加无机金属盐药剂,其与污水中溶解性的盐类,如磷酸盐混合后,形成颗粒状、非溶解性的物质,这一过程涉及的是所谓的相转移过程,反应方程举例如式1。实际上投加化学药剂后,污水中进行的不仅仅是沉析反应,同时还进行着化学絮凝反应,所以必须区分化学沉析和化学絮凝的差异(如图1所示)。

FeCl3+K3PO4→FePO4↓+3KCl(式1)

污水沉析反应可以简单的理解为:水中溶解状的物质,大部分是离子状物质转换为非溶解、颗粒状形式的过程,絮凝则是细小的非溶解状的固体物互相粘结成较大形状的过程,所以絮凝不是相转移过程。

根据化学沉析反应的基础,为了生成磷酸盐化合物,用于化学除磷的化学药剂主要是金属盐药剂和氢氧化钙(熟石灰)。许多高价金属离子药剂投加到污水中后,都会与污水中的溶解性磷离子结合生成难溶解性的化合物。出于经济原因,用于磷沉析的金属盐药剂主要是Fe3+、Al3+和Fe2+盐和石灰。这些药剂是以溶液和悬浮液状态使用的。二价铁盐仅当污水中含有氧,能被氧化成三价铁盐时才能使用。Fe2+在实际中为了能被氧化常投加到曝气沉砂池或采用同步沉析工艺投加到曝气池中,其效果同使用Fe3+一样,反应式如式2、3。

Al3++PO43-→AlPO4↓pH=6~7(式2)

Fe3++PO43-→FePO4↓pH=5~5.5(式3)

与沉析反应相竞争的反应是金属离子与OH的反应,所以对于各种不同的金属盐产品应注意的是金属的离子量,反应式如式4、5。

Al3++3OH-→Al(OH)3↓(式4)

Fe3++3OH-→Fe(OH)3(式5)

金属氢氧化物会形成大块的絮凝体,这对于沉析产物的絮凝是有利的,同时还会吸附胶体状的物质、细微悬浮颗粒。需要注意的是有机物在以化学除磷为目的化学沉析反应中的沉析去除是次要的,但在分离时有机性胶体以及悬浮物的凝结在絮凝体中则是决定性的过程。

沉析效果是受PH值影响的,金属磷酸盐的溶解性同样也受PH的影响。对于铁盐最佳PH值范围为5.0~5.5,对于铝盐为6.0~7.0,因为在以上PH值范围内FePO4或AIPO4的溶解性最小。另外使用金属盐药剂会给污水和污泥处理还会带来益处,比如会降低污泥的污泥指数,有利于沼气脱硫等。

由于金属盐药剂的投加会使污水处理厂出水中的Cl-或SO2-4离子含量增加。如果沉析药剂溶液中另外含有酸的话,则需特别加以注意。

投加金属盐药剂后相应会降低污水的碱度,这也许会对净化产生不利影响。当在同步沉析工艺中使用硫酸铁时,必须考虑对硝化反应的影响。

另外,如果污水处理厂污泥用于农业,使用金属盐药剂除磷时必须考虑铝或者铁负荷对农业的影响。

除了金属盐药剂外,氢氧化钙也用作沉析药剂。在沉折过程中,对于不溶解性的磷酸钙的形成起主要作用的不是Ca2+,而是OH-离子,因为随着pH值的提高,磷酸钙的溶解性降低,采用Ca(OH)2除磷要求的pH值为8.5以上。磷酸钙的形成是按反应式6进行的:

5Ca2++3PO43-+OH-→Ca5(PO4)3OH↓(式6)

但在pH值为8.5到10.5的范围内除了会产生磷酸钙沉析外,还会产生碳酸钙,这也许会导致在池壁或渠、管壁上结垢,反应式如式7。

Ca2++CO32-→CaCO3(式7)

与钙进行磷酸盐沉析的反应除了受到PH值的影响,另外还受到碳酸氢根浓度(碱度)的影响。在一定的PH值惰况下,钙的投加量是与碱度成正比的。

对于软或中硬的污水,采用钙沉析时,为了达到所要求的PH值所需要的钙量是很少的,具有强缓冲能力的污水相反则要求较大的钙投加量。

2、化学除磷投加量的计算

由式2和式3去除一分子的磷酸盐,需要一分子的铁盐或者铝盐。为了计算方便,实际计算采用克分子(mol)或者克原子量。

在化学沉析除磷时,去除1mol(31g)P至少需要lmol(56g)Fe,或者至少需要1.8(56/31)倍的Fe,或者O.9(27/31)倍的Al。也就是说去除lgP至少需要1.8g的Fe,或者0.9g的Al。

由于在实际中,反应中并不是100%有效进行的,加之OH-会与金属离子竞争反应,生成相应的氢氧化,如式4和式5,所以实际化学沉析药剂投加一般需要超量投加,以保证达到所需要的出水P浓度。德国在计算时,提出了投加系数β的概念,即:

β=(molFe,molAl)/molP(式8)

投加系数β是受多种因素影响的,如投加地点、混合条件等,实际投加时建议通过投加试验确定,下图是投加系数和磷减少量的关系。在最佳条件下(适宜的投加、良好的混合和絮凝体的形成条件)β=1;在非最佳条件下,β=2到3或更高。过量投加药剂不仅会使药剂费增加,而且因氢氧化物的大量形成也会使污泥量大大增加,这种污泥体积大、难脱水。



德国在实际计算中,为了有效地去除磷(出水保持<1mgP/1),β值为1.5,也就是说去除1kg磷,需要投加:

1.5×(56/31)=2.7 kg Fe

或者

1.5×(27/31)=1.3 kg Al

若用石灰作为化学沉析药剂,则不能采用这种计算方法,因为其要求投加的pH值大于8.5,而且投加量受污水碱度(缓冲能力)的影响,所以其投加量必须针对各自的污水通过试验确定。

从严格意义上讲,投加系数β值的概念只适用于后沉析,对于前沉析和同步沉析在计算时还应考虑:1、回流污泥中含有未反应的药剂;2、在初次沉淀池中和生物过程去除的磷。

3、计算实例

1:污水处理厂设计水量为10000m3/d,进水中的P浓度为14mg/L,出水P浓度要求达到1mg/L。设计采用沉析药剂三氯化铝AlCl3,其有效成分为6%(60g/kgAlCl3),密度为1.3kg/L。为同步沉析,试计算所需要的药剂量。

解:

经过初次沉淀地沉淀处理后去除的磷为2mg/L,则生物处理设施进水的P浓度为11mg/L,经过生物同化作用去除的P为1mg/L。则需经沉析去除的 :

P负荷=10000m3/d·(0.011-0.001)kg/m3=100kg/d

设计采用投加系数β值为1.5

设计AL的投加量为: 1.5×(27/31)×100=130kgAl/d

折算需要药剂量为: 130×1000(g/d)/60(g/kg)=2167kg/dAlCl3

折算需要体积量为: 2167(kg/d)/1.3(kg/L)=1667L/dAlCl3

2:设计采用药剂硫酸亚铁FeSO4,有效成分为180gFe/kgFeSO4,在10℃时的饱和溶解度为400gFeSO4/L,其它设计参数同例1。

解:

设计采用投加系数β值为1.5

设计Fe的投加量为: 1.5×5631×100=270kg Fe/d

折算需要药剂量为: 270×1000(g/d)/180(g/kg)=1500kg/dFeSO4

饱和溶液中的有效成分为: 180(g/kg)·0.4(kg/L)=72gFe/LFeSO4

折算需要体积量为: 1500·1000(g/d)/72(g/L)=20833L/dFeSO4

 (来源:北极星环保网    环保工程师)


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