磷是造成水體富營養(yǎng)化的一個重要原因，為了改善水質(zhì)富營養(yǎng)化問題，國家出臺了《污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978—1996）規(guī)定，嚴(yán)格控制排放水中磷的含量，磷酸鹽（P濃度）≤0.5mg/L為一級標(biāo)準(zhǔn)，磷酸鹽（P濃度）≤1.0mg/L為二級標(biāo)準(zhǔn)。常用的除磷劑有聚氯化鋁鐵和聚合硫酸鐵，本文將通過實驗對兩種除磷劑進(jìn)行對比，并找出最佳混凝條件。
我們以聊城市污水處理廠尾水為研究對象。此污水處理廠各處理環(huán)節(jié)均不一樣，生物處理環(huán)節(jié)使用A2/0的處理工藝，處理水源為日常生活用水，經(jīng)過一級處理方式（物理處理）和二級處理方式（生物處理），排出水中PH值約為6.89，磷的含量約為3.94mg/L，水溫約為13℃，冬季也會出現(xiàn)3℃的低水溫。如表1所示。
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | Ⅰ類 | Ⅱ類 | Ⅲ類 | Ⅳ類 | Ⅴ類 |
| 總磷（P） | 0.02（湖、 庫 0.01） | 0.1（湖、 庫 0.025） | 0.2（湖、 庫 0.05） | 0.3（湖、 庫 0.1） | 0.4（湖、 庫 0.2） |
看磷含量，如果廢水沒有經(jīng)過三級處理直接排放，就會對水體造成很大污染。我們用聚合硫酸鐵和聚氯化鋁鐵作為混凝劑，聚氯化鋁鐵屬于無機(jī)高分子類的復(fù)合混凝劑，其優(yōu)點為：絮凝性好、產(chǎn)生的礬花密實、易沉降、藥品投入量少、高效、使用廣泛等。本實驗選取的聚氯化鋁鐵，其AL203的含量大于等于30%，固態(tài)時呈紅褐色、粉末狀。聚合硫酸鐵，應(yīng)為縮寫為聚合硫酸鐵，分子表達(dá)式為[Fe2（OH）n（SO4）3-n/2]m。屬于高分類的混凝劑，一般呈紅褐色固態(tài)狀。聚合硫酸鐵優(yōu)點為：混凝性好、礬花厚實、易沉降，也不含有害物質(zhì)（氯、鋁、重金屬等離子物質(zhì)），同時也沒有鐵離子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，水質(zhì)無毒害，安全可靠。聚氯化鋁鐵在PH值為4-11的水體中都有作用，但當(dāng)PH值在6～9時，其效果最佳，并且，原水處理過后，水體的酸堿度變化很小，對污水處理設(shè)備的腐蝕很小。處理污染小、低濁、低溫、含藻類生物的原水效果更好，處理濁度高的原水效果最佳。
本文采用正交實驗對混凝劑的除磷作用進(jìn)行分析，設(shè)定溶液PH值、藥品投入量、快、慢轉(zhuǎn)速主要因子，制定四因素、三水平正交表。由經(jīng)驗確定其它影響因子，比如，快轉(zhuǎn)用時過長，將會打破開始生成的絮體，所以將快轉(zhuǎn)用時設(shè)為40s；如慢轉(zhuǎn)攪拌用時超過15min，攪拌時間和混凝效果關(guān)系不大。但攪拌時間在10min以內(nèi)時，會對混凝效果產(chǎn)生影響，故慢轉(zhuǎn)時間設(shè)定為10min，沉降時間設(shè)定為30min。由實驗可確定加入最少量的混凝劑，再以最少量的混凝劑為基礎(chǔ)，分別作六組實驗，每組投入量跨度為0.2mL，以便對入投加量范圍的確定。正交表以用最優(yōu)的投入量和相關(guān)數(shù)據(jù)，來確定加藥量的因子參數(shù)。混合階段攪拌強度比較高，快轉(zhuǎn)速的最低值取500r/min，在混凝階段，攪拌速度應(yīng)放慢，最大值取100r/min。混凝劑加入原水后，用JJ-4型六聯(lián)攪拌器攪拌，等其混凝完成時，沉淀30min，用定性濾紙對其過濾。用GB過硫酸鉀氧化-鉬銻分光光度法對過濾后的水樣和原水進(jìn)行總磷測定。
由簡單的混凝實驗分析，投入聚合硫酸鐵的量最小大概為15mg/L，濁度去除率最優(yōu)是的投入量約為25mg/L，正交實驗的水平因素可以由上述實驗確定。表2為聚合硫酸鐵的正交實驗，選用L9（34）正交表。
| 因素 | 混凝劑投加量（mg/L） | 快轉(zhuǎn)速 r/min | 慢轉(zhuǎn)速 r/min | PH |
| 1 | 15 | 500 | 60 | 5.5 |
| 2 | 15 | 650 | 80 | 7 |
| 3 | 15 | 800 | 100 | 8.5 |
| 4 | 25 | 500 | 100 | 8.5 |
| 5 | 25 | 650 | 60 | 5.5 |
| 6 | 25 | 800 | 80 | 7 |
| 7 | 35 | 500 | 80 | 7 |
| 8 | 35 | 650 | 100 | 8.5 |
| 9 | 35 | 800 | 60 | 5.5 |
由簡單的混凝實驗來確定幾個水平因素，設(shè)計正交實驗如表3所示。
| 因素 | 混凝劑投加量（mg/L） | 快轉(zhuǎn)速 r/min | 慢轉(zhuǎn)速 r/min | PH |
| 1 | 75 | 500 | 60 | 5.5 |
| 2 | 75 | 650 | 80 | 7 |
| 3 | 75 | 800 | 100 | 8.5 |
| 4 | 85 | 500 | 100 | 8.5 |
| 5 | 85 | 650 | 60 | 5.5 |
| 6 | 85 | 800 | 80 | 7 |
| 7 | 95 | 500 | 80 | 7 |
| 8 | 95 | 650 | 100 | 8.5 |
| 9 | 95 | 800 | 60 | 5.5 |
混凝影響因素分析
由正交設(shè)計極差分析可得到最優(yōu)混凝參數(shù)與主要影響因子。每個水平效應(yīng)均值表示為K1、K2、K3，用R表示極差，分析結(jié)果如表4。
| 因素 | 混凝劑投加量（mg/L） | 快轉(zhuǎn)速 r/min | 慢轉(zhuǎn)速 r/min | PH | 實驗結(jié)果 |
| 實驗 1 | 15 | 500 | 60 | 5.5 | 75.53% |
| 實驗2 | 15 | 650 | 80 | 7 | 80.24% |
| 實驗 3 | 15 | 800 | 100 | 8.5 | 63.92% |
| 實驗 4 | 25 | 500 | 100 | 8.5 | 74.43% |
| 實驗 5 | 25 | 650 | 60 | 5.5 | 73.75% |
| 實驗 6 | 25 | 800 | 80 | 7 | 76.45% |
| 實驗 7 | 35 | 500 | 80 | 7 | 75.78% |
| 實驗 8 | 35 | 650 | 100 | 8.5 | 72.4% |
| 實驗 9 | 35 | 800 | 60 | 5.5 | 69.69% |
| K1 | 73.230 | 75.247 | 74.793 | 72.990 | |
| K2 | 74.877 | 75.463 | 74.787 | 77.490 | |
| K3 | 72.623 | 70.020 | 71.150 | 70.250 | |
| R | 2.254 | 5.443 | 3.643 | 7.240 |
由表3可知，極差由小到大排列為慢轉(zhuǎn)速、快轉(zhuǎn)速、PH值、混凝劑投入量；因此影響聚合硫酸鐵的混凝程度為：投入量＜慢轉(zhuǎn)速＜快轉(zhuǎn)速＜PH值。
最佳混凝條件確定
由表3可知，藥品投入量、溶液PH值，快、慢轉(zhuǎn)速的效應(yīng)平均值Ka最大值，分別用K1、K1、K3、K2表示，其水平為第二、第二、第一、第二，可以看出，要取得較佳的混凝效果，需要溶液PH值為7，投入混凝劑量為25mg/L，快、慢轉(zhuǎn)速分別為650r/min和60r/min。根據(jù)上述數(shù)據(jù)去論證所得結(jié)論。實驗條件為：投入混凝劑濃度為25mg/L，溶液PH值為7，快、慢轉(zhuǎn)速分別為650r/min和60r/ml。進(jìn)行三次相同的測試，得到去除率的平均值為78.98%。
混凝影響因素分析
聚氯化鋁鐵的正交實驗極差分析見表5。
| 因素 | 混凝劑投加量（mg/L） | 快轉(zhuǎn)速 r/min | 慢轉(zhuǎn)速 r/min | PH | 實驗結(jié)果 |
| 實驗 1 | 75 | 500 | 60 | 5.5 | 77.89% |
| 實驗2 | 75 | 650 | 80 | 7 | 79.3% |
| 實驗 3 | 75 | 800 | 100 | 8.5 | 78.53% |
| 實驗 4 | 85 | 500 | 100 | 8.5 | 79.2% |
| 實驗 5 | 85 | 650 | 60 | 5.5 | 78.66% |
| 實驗 6 | 85 | 800 | 80 | 7 | 80.24% |
| 實驗 7 | 95 | 500 | 80 | 7 | 72.52% |
| 實驗 8 | 95 | 650 | 100 | 8.5 | 71.7% |
| 實驗 9 | 95 | 800 | 60 | 5.5 | 70.98% |
| K1 | 78.573 | 76.573 | 76.610 | 75.843 | |
| K2 | 79.367 | 76.553 | 76.493 | 77.353 | |
| K3 | 71.733 | 76.583 | 76.570 | 76.477 | |
| R | 7.634 | 0.046 | 0.117 | 1.510 |
最佳混凝條件確定
由表5可知，藥品投入量、溶液PH值，快、慢轉(zhuǎn)速的效應(yīng)平均值Ka最大值，分別用K1、K1、K3、K2表示，其水平為第一、第二、第二、第二，可以看出，要取得較佳的混凝效果，需要溶液PH值為7，投入混凝劑量為85mg/L，快、慢轉(zhuǎn)速分別為650r/min和80r/min。根據(jù)上述數(shù)據(jù)去論證所得結(jié)論。實驗條件為：投入混凝劑濃度為85mg/L，溶液PH值為7，快、慢轉(zhuǎn)速分別為650r/min和80r/ml。進(jìn)行三次相同的測試，得到去除率的平均值為81.33%。
實驗結(jié)果可知，聚合硫酸鐵與聚氯化鋁鐵均有很好的去磷作用。聚合硫酸鐵在處理低濁度、低溫水時效果很好，去濁效果顯著，礬花顆粒大容易沉淀，在在最優(yōu)混凝條件時，去除率高達(dá)78.98%；和聚合硫酸鐵相比，聚氯化鋁鐵因為有復(fù)合材料的特點，還有鐵鹽和鋁鹽的優(yōu)點，且對溶液的酸堿性、溫度都有較強的適應(yīng)性，所以聚氯化鋁鐵有更有的除磷效果。但因聚氯化鋁鐵產(chǎn)生的礬花很小，沉降效果不佳，去濁度明顯不如聚合硫酸鐵，并且去除率達(dá)到最高時，所需加入的量高出聚合硫酸鐵2倍。用聚合硫酸鐵和聚氯化鋁鐵這兩種混凝劑處理出水時，含磷量分別為0.83mg/L和0.74mg/L。
實驗時，混凝劑投入水中后，快速攪拌，開始微呈黃色，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低是，礬花慢慢成形，呈細(xì)小、淺黃色狀態(tài)，最后礬花逐漸孕育長大，經(jīng)20min沉降后，分散的礬花結(jié)成整塊，水質(zhì)濁度降低并且變得清澈，但和原水相比，混凝后的水還是稍顯黃色。
把聚合硫酸鐵投入水體后，充分?jǐn)嚢枋蛊浜驮旌喜⒊霈F(xiàn)混凝現(xiàn)象。聚合硫酸鐵混凝劑為無機(jī)高分子藥品，所以其和原水混合后，高分子吸附架橋就在膠體顆粒之間生成，較小的顆粒在橋連接作用下，聚集孕育成更大的顆粒，最后沉降水底。當(dāng)投入的混凝劑濃度較低（15mg/L）時，吸附架橋無法建立，顆粒就很難聚集，混凝效果不佳；當(dāng)投入濃度較高（35ml/L）時，膠體顆粒完全本高分子物質(zhì)包裹，阻礙了顆粒的聚焦，混凝效果也不佳。當(dāng)投入量為25mg/L時，濃度適中，此時混凝效果最佳，去除率最高。
在混凝階段，聚氯化鋁鐵和聚合硫酸鐵產(chǎn)生礬花更細(xì)小，經(jīng)過5min的慢速攪拌，凝聚仍然微弱。經(jīng)過20min的沉淀，多數(shù)礬花沉淀，但水中仍存在很多的懸浮顆粒，這時，礬花呈細(xì)小、松散狀，且為淺黃色。但處理過的水渾濁度比聚合硫酸鐵效果好，色度低。
實驗表明，去除率并沒有隨聚氯化鋁鐵加入的量增多而明顯降低，其作用原理為：在PH值較大的范圍內(nèi)，多核羥基絡(luò)合物和被膠狀顆粒粘著溶解的正電荷單體被膠體顆粒吸附，致使電中和脫穩(wěn)，在較高的PH值范圍內(nèi)及大劑量條件下，反應(yīng)生成氫氧化物，并致使“卷掃”絮凝。聚合鐵和聚合鋁互補增加效果，聚合鐵形態(tài)容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)化，是致使聚氯化鋁鐵作用PH值范圍增大主要因素。當(dāng)PH值處于低的范圍時，即使聚合鋁的作用降低，此時，聚合鐵的形態(tài)，大部分處于一定聚合度、較高正電荷分布的環(huán)境中，這時，聚合鐵的作用一脫穩(wěn)和電中為主。當(dāng)PH值較大時，聚合鐵很快反應(yīng)生成為Fe（OH）2和a-FeOOH的沉淀物質(zhì)，“卷掃”絮凝物質(zhì)繼續(xù)變大。如果加入量大的聚合鋁和聚合鐵，兩者共同作用時，會促進(jìn)絮體的沉淀，并且是在得到最佳凝聚效果時，投入的劑量也相對較少。聚合鋁還處在再穩(wěn)區(qū)時，此時，聚合鐵處于絮凝狀態(tài)，所以，聚氯化鋁鐵再穩(wěn)區(qū)范圍變小。就是因聚合鐵和水混合后，其形態(tài)就會改變，之后就會孕育形成顆粒狀。
根據(jù)上述分析，針對污水廠的這種水質(zhì)，兩種混凝劑的除磷效果均較好。當(dāng)兩種溶液混合后，聚合硫酸鐵水解的三價鐵和溶液中的正磷酸鹽反應(yīng)，生成FePO4，因FePO4溶解度較小，很快變成絮狀體，慢慢變大，最終沉降下來，達(dá)到較好的除磷效果。還有，聚氯化鋁鐵作為最新的復(fù)合材料，它具有鐵鹽和鋁鹽的優(yōu)點，對水質(zhì)適應(yīng)能力較好，使其可以在各種水質(zhì)環(huán)境中使用，但也有資料表示，經(jīng)聚氯化鋁鐵處理過的水，其鋁離子的含量會有所增高，因鋁是慢性的、累積型的有毒物質(zhì)，長期使用這種水，會給人帶來巨大危害，因此，水廠不能使用這種凝聚劑。當(dāng)前，這兩種混凝劑的市場價格都為5元/800g，聚氯化鋁鐵要投入聚合硫酸鐵3倍的使用量，才能達(dá)到較好的除磷效果，可以看出，如過要求處理的水量多且質(zhì)量較高時，聚合硫酸鐵就沒有價格優(yōu)勢，聊城市污水處理廠對出水要求比較嚴(yán)格，聚氯化鋁鐵處理污水能是出水水質(zhì)達(dá)到要求，并且助凝劑的使用量也大大減少，經(jīng)濟(jì)效益明顯高于聚合硫酸鐵。但選擇哪種混凝劑，任何的混凝條件下，出水質(zhì)量都無法達(dá)到國家最優(yōu)的A級標(biāo)準(zhǔn)，在這種情況下還應(yīng)使用助凝劑。研究發(fā)現(xiàn)，加入一定的PAM（高分子助凝劑），能少量的提高磷的析出量，在加入一定的黏土顆粒，可以增大凝結(jié)核，能加快凝結(jié)核的沉淀，過濾后，就能是出水的磷含量降低到0.5mg/L以內(nèi)。
研究表明，當(dāng)PH值為中性時，得出聚合硫酸鐵和聚合氯化鋁鐵，兩者最優(yōu)的混凝條件大致相同，通過檢測聊城市污水處理廠的二級出水的酸堿度，其PH值一般都在6.5～7.0的范圍，所以溶液不需要調(diào)節(jié)酸堿度，就能進(jìn)行混凝，攪拌速度對兩種混凝劑的影響大小基本一致。因此，在入水和攪拌條件均一致的狀況下，要達(dá)到理想的去除效果，聚氯化鋁鐵為最佳選擇對象。