磷是造成水體(ti) 富營養(yang) 化的一個(ge) 重要原因，為(wei) 了改善水質富營養(yang) 化問題，國家出台了《汙染綜合排放標準》（GB8978—1996）規定，嚴(yan) 格控製排放水中磷的含量，磷酸鹽（P濃度）≤0.5mg/L為(wei) 一級標準，磷酸鹽（P濃度）≤1.0mg/L為(wei) 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(liang) 種除磷劑進行對比，並找出最佳混凝條件。
我們(men) 以聊城市汙水處理廠尾水為(wei) 研究對象。此汙水處理廠各處理環節均不一樣，生物處理環節使用A2/0的處理工藝，處理水源為(wei) 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(wei) 6.89，磷的含量約為(wei) 3.94mg/L，水溫約為(wei) 13℃，冬季也會(hui) 出現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(hui) 對水體(ti) 造成很大汙染。我們(men) 用和聚氯化鋁鐵作為(wei) 混凝劑，聚氯化鋁鐵屬於(yu) 無機高分子類的複合混凝劑，其優(you) 點為(wei) ：絮凝性好、產(chan) 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的含量大於(yu) 等於(yu) 30%，固態時呈紅褐色、粉末狀。聚合硫酸鐵，應為(wei) 縮寫(xie) 為(wei) 聚合硫酸鐵，分子表達式為(wei) [Fe2（OH）n（SO4）3-n/2]m。屬於(yu) 高分類的混凝劑，一般呈紅褐色固態狀。聚合硫酸鐵優(you) 點為(wei) ：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象，水質無毒害，安全可靠。聚氯化鋁鐵在PH值為(wei) 4-11的水體(ti) 中都有作用，但當PH值在6～9時，其效果最佳，並且，原水處理過後，水體(ti) 的酸堿度變化很小，對汙水處理設備的腐蝕很小。處理汙染小、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，製定四因素、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(hui) 打破開始生成的絮體(ti) ，所以將快轉用時設為(wei) 40s；如慢轉攪拌用時超過15min，攪拌時間和混凝效果關(guan) 係不大。但攪拌時間在10min以內(nei) 時，會(hui) 對混凝效果產(chan) 生影響，故慢轉時間設定為(wei) 10min，沉降時間設定為(wei) 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(wei) 基礎，分別作六組實驗，每組投入量跨度為(wei) 0.2mL，以便對入投加量範圍的確定。正交表以用最優(you) 的投入量和相關(guan) 數據，來確定加藥量的因子參數。混合階段攪拌強度比較高，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。混凝劑加入原水後，用JJ-4型六聯攪拌器攪拌，等其混凝完成時，沉澱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後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(wei) 15mg/L，濁度去除率最優(you) 是的投入量約為(wei) 25mg/L，正交實驗的水平因素可以由上述實驗確定。表2為(wei) 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(ge) 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(you) 混凝參數與(yu) 主要影響因子。每個(ge) 水平效應均值表示為(wei) 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(wei) 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(wei) ：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(wei) 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(wei) 7，投入混凝劑量為(wei) 25mg/L，快、慢轉速分別為(wei) 650r/min和60r/min。根據上述數據去論證所得結論。實驗條件為(wei) ：投入混凝劑濃度為(wei) 25mg/L，溶液PH值為(wei) 7，快、慢轉速分別為(wei) 650r/min和60r/ml。進行三次相同的測試，得到去除率的平均值為(wei) 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(wei) 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(wei) 7，投入混凝劑量為(wei) 85mg/L，快、慢轉速分別為(wei) 650r/min和80r/min。根據上述數據去論證所得結論。實驗條件為(wei) ：投入混凝劑濃度為(wei) 85mg/L，溶液PH值為(wei) 7，快、慢轉速分別為(wei) 650r/min和80r/ml。進行三次相同的測試，得到去除率的平均值為(wei) 81.33%。
實驗結果可知，聚合硫酸鐵與(yu) 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，礬花顆粒大容易沉澱，在在最優(you) 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(wei) 有複合材料的特點，還有鐵鹽和鋁鹽的優(you) 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(chan) 生的礬花很小，沉降效果不佳，去濁度明顯不如聚合硫酸鐵，並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(liang) 種混凝劑處理出水時，含磷量分別為(wei) 0.83mg/L和0.74mg/L。
實驗時，混凝劑投入水中後，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，最後礬花逐漸孕育長大，經20min沉降後，分散的礬花結成整塊，水質濁度降低並且變得清澈，但和原水相比，混凝後的水還是稍顯黃色。
把聚合硫酸鐵投入水體(ti) 後，充分攪拌使其和原水混合並出現混凝現象。聚合硫酸鐵混凝劑為(wei) 無機高分子藥品，所以其和原水混合後，高分子吸附架橋就在膠體(ti) 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，最後沉降水底。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(ti) 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(wei) 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(chan) 生礬花更細小，經過5min的慢速攪拌，凝聚仍然微弱。經過20min的沉澱，多數礬花沉澱，但水中仍存在很多的懸浮顆粒，這時，礬花呈細小、鬆散狀，且為(wei) 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，去除率並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(wei) ：在PH值較大的範圍內(nei) ，多核羥基絡合物和被膠狀顆粒粘著溶解的正電荷單體(ti) 被膠體(ti) 顆粒吸附，致使電中和脫穩，在較高的PH值範圍內(nei) 及大劑量條件下，反應生成氫氧化物，並致使“卷掃”絮凝。聚合鐵和聚合鋁互補增加效果，聚合鐵形態容易出現轉化，是致使聚氯化鋁鐵作用PH值範圍增大主要因素。當PH值處於(yu) 低的範圍時，即使聚合鋁的作用降低，此時，聚合鐵的形態，大部分處於(yu) 一定聚合度、較高正電荷分布的環境中，這時，聚合鐵的作用一脫穩和電中為(wei) 主。當PH值較大時，聚合鐵很快反應生成為(wei) Fe（OH）2和a-FeOOH的沉澱物質，“卷掃”絮凝物質繼續變大。如果加入量大的聚合鋁和聚合鐵，兩(liang) 者共同作用時，會(hui) 促進絮體(ti) 的沉澱，並且是在得到最佳凝聚效果時，投入的劑量也相對較少。聚合鋁還處在再穩區時，此時，聚合鐵處於(yu) 絮凝狀態，所以，聚氯化鋁鐵再穩區範圍變小。就是因聚合鐵和水混合後，其形態就會(hui) 改變，之後就會(hui) 孕育形成顆粒狀。
根據上述分析，針對汙水廠的這種水質，兩(liang) 種混凝劑的除磷效果均較好。當兩(liang) 種溶液混合後，聚合硫酸鐵水解的三價(jia) 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(ti) ，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(wei) 最新的複合材料，它具有鐵鹽和鋁鹽的優(you) 點，對水質適應能力較好，使其可以在各種水質環境中使用，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(hui) 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(hui) 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(liang) 種混凝劑的市場價(jia) 格都為(wei) 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(jia) 格優(you) 勢，聊城市汙水處理廠對出水要求比較嚴(yan) 格，聚氯化鋁鐵處理汙水能是出水水質達到要求，並且助凝劑的使用量也大大減少，經濟效益明顯高於(yu) 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(you) 的A級標準，在這種情況下還應使用助凝劑。研究發現，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，能加快凝結核的沉澱，過濾後，就能是出水的磷含量降低到0.5mg/L以內(nei) 。
研究表明，當PH值為(wei) 中性時，得出聚合硫酸鐵和聚合氯化鋁鐵，兩(liang) 者最優(you) 的混凝條件大致相同，通過檢測聊城市汙水處理廠的二級出水的酸堿度，其PH值一般都在6.5～7.0的範圍，所以溶液不需要調節酸堿度，就能進行混凝，攪拌速度對兩(liang) 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(wei) 最佳選擇對象。