磷是造成水體富營養(yǎng)化的一個重要原因，為了改善水質富營養(yǎng)化問題，國家出臺了《污染綜合排放標準》（GB8978—1996）規(guī)定，嚴格控制排放水中磷的含量，磷酸鹽（P濃度）≤0.5mg/L為一級標準，磷酸鹽（P濃度）≤1.0mg/L為二級標準。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。
| 標準值 | 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高分子類的復合混凝劑，其優(yōu)點為：絮凝性好、產生的礬花密實、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，應為縮寫為聚合硫酸鐵，分子表達式為[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（氯、鋁、重金屬等離子物質），同時也沒有鐵離子轉移現(xiàn)象，水質無毒害，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行分析，設定溶液PH值、藥品投入量、快、慢轉速主要因子，制定四因素、三水平正交表。由經驗確定其它影響因子，比如，快轉用時過長，將會打破開始生成的絮體，所以將快轉用時設為40s；如慢轉攪拌用時超過15min，攪拌時間和混凝效果關系不大。但攪拌時間在10min以內時，會對混凝效果產生影響，故慢轉時間設定為10min，沉降時間設定為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，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)的投入量和相關數(shù)據(jù)，來確定加藥量的因子參數(shù)?；旌想A段攪拌強度比較高，快轉速的最低值取500r/min，在混凝階段，攪拌速度應放慢，最大值取100r/min?；炷齽┘尤朐?，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） | 快轉速 r/min | 慢轉速 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，設計正交實驗如表3所示。
| 因素 | 混凝劑投加量（mg/L） | 快轉速 r/min | 慢轉速 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。每個水平效應均值表示為K1、K2、K3，用R表示極差，分析結果如表4。
| 因素 | 混凝劑投加量（mg/L） | 快轉速 r/min | 慢轉速 r/min | PH | 實驗結果 |
| 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速、快轉速、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＜慢轉速＜快轉速＜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、慢轉速的效應平均值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、慢轉速分別為650r/min和60r/min。根據(jù)上述數(shù)據(jù)去論證所得結論。實驗條件為：投入混凝劑濃度為25mg/L，溶液PH值為7，快、慢轉速分別為650r/min和60r/ml。進行三次相同的測試，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） | 快轉速 r/min | 慢轉速 r/min | PH | 實驗結果 |
| 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、慢轉速的效應平均值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、慢轉速分別為650r/min和80r/min。根據(jù)上述數(shù)據(jù)去論證所得結論。實驗條件為：投入混凝劑濃度為85mg/L，溶液PH值為7，快、慢轉速分別為650r/min和80r/ml。進行三次相同的測試，得到去除率的平均值為81.33%。
實驗結果可知，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78.98%；和聚合硫酸鐵相比，聚氯化鋁鐵因為有復合材料的特點，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性，所以聚氯化鋁鐵有更有的除磷效果。但因聚氯化鋁鐵產生的礬花很小，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，當轉速降低是，礬花慢慢成形，呈細小、淺黃色狀態(tài)，最后礬花逐漸孕育長大，經20min沉降后，分散的礬花結成整塊，水質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，充分攪拌使其和原水混合并出現(xiàn)混凝現(xiàn)象。聚合硫酸鐵混凝劑為無機高分子藥品，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；當投入濃度較高（35ml/L）時，膠體顆粒完全本高分子物質包裹，阻礙了顆粒的聚焦，混凝效果也不佳。當投入量為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生礬花更細小，經過5min的慢速攪拌，凝聚仍然微弱。經過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，多核羥基絡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值范圍內及大劑量條件下，反應生成氫氧化物，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)轉化，是致使聚氯化鋁鐵作用PH值范圍增大主要因素。當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PH值較大時，聚合鐵很快反應生成為Fe（OH）2和a-FeOOH的沉淀物質，“卷掃”絮凝物質繼續(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，兩種混凝劑的除磷效果均較好。當兩種溶液混合后，聚合硫酸鐵水解的三價鐵和溶液中的正磷酸鹽反應，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，達到較好的除磷效果。還有，聚氯化鋁鐵作為最新的復合材料，它具有鐵鹽和鋁鹽的優(yōu)點，對水質適應能力較好，使其可以在各種水質環(huán)境中使用，但也有資料表示，經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，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，才能達到較好的除磷效果，可以看出，如過要求處理的水量多且質量較高時，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格，聚氯化鋁鐵處理污水能是出水水質達到要求，并且助凝劑的使用量也大大減少，經濟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，出水質量都無法達到國家最優(yōu)的A級標準，在這種情況下還應使用助凝劑。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，可以增大凝結核，能加快凝結核的沉淀，過濾后，就能是出水的磷含量降低到0.5mg/L以內。
研究表明，當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，所以溶液不需要調節(jié)酸堿度，就能進行混凝，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，要達到理想的去除效果，聚氯化鋁鐵為最佳選擇對象。