随着人类活动的不断增加,工业废水、生活污水排放总量呈逐年增加趋势,而污水处理率却没有得到相应地提高,导致目前水资源水质恶化,水生态系统遭到破坏。富营养化问题是当今世界面临的最主要的水污染问题之一。磷作为产生水体富营养化的最主要因素,对其排放到水体中的浓度控制是解决水体富营养化最根本的方法之一。本论文针对污水厂二级处理出水中磷浓度普遍超标这一热点问题,研发了一种新型的化学除磷工艺,即KMnO4与FeSO4联用工艺(简称KMnO4-FeSO4工艺)。该工艺克服了FeSO4混凝效果差的缺点,同时较传统混凝剂提高了磷的去除效果,对污水二级处理出水水质提供了有效的技术保障并具有重要的实际意义。本文综合利用多种表征测试手段,对KMnO4-FeSO4工艺去除水中磷的效能、影响因素和反应机理进行了深入系统的研究,同时考察了该工艺对污水二级处理出水中的磷和多组分污染物的去除效能,为该技术的推广应用提供了必要的理论基础和技术储备。研究表明,氧化剂-FeSO4联用工艺包括H2O2-FeSO4、NaClO-FeSO4、KMnO4-FeSO4、O3-FeSO4和O2-FeSO4对磷均有一定的的去除作用,但去除效果各不相同。氧化剂-FeSO4工艺对磷的去除效果均随溶液pH值的升高而降低,随铁盐投量的增加而增加。H2O2-FeSO4、NaClO-FeSO4和KMnO4-FeSO4工艺随着氧化剂与FeSO4摩尔比的增加,对磷的去除率逐渐增加。另外,陈化后的铁对磷的去除率明显低于新生态铁对磷的去除率,氧化剂-FeSO4联用工艺对水中磷的去除为络合沉淀和吸附作用的共同结果。在此基础上,系统地研究了KMnO4-FeSO4工艺去除水中磷的效能。结果显示,与Fe2(SO4)3和FeSO4相比较,KMnO4-FeSO4工艺能显著提高水中磷的去除效能。混凝搅拌速度对KMnO4-FeSO4工艺除磷效能的影响不大。KMnO4-FeSO4工艺对磷的去除随着铁盐混凝剂投量的增加而增加,随着初始磷浓度的增加而降低。水中浊度的存在在溶液pH值较低时对KMnO4-FeSO4工艺除磷的效能影响较小,在溶液pH值较高时可促进磷的去除效果。水中常见的无机离子如NO3-和Cl-的存在对KMnO4-FeSO4工艺除磷的效能基本无影响。SO42-和HCO3-的存在对KMnO4-FeSO4工艺除磷的效能有一定的抑制作用,但抑制的效果有限。在溶液pH值较低时,SiO32-的存在可促进KMnO4-FeSO4工艺混凝除磷的效能;而在溶液pH值较高时,可显著地抑制该工艺除磷的效能。另外,SiO32-的存在显著地降低了KMnO4-FeSO4工艺形成的絮体颗粒物表面的ζ电位并增加溶液中残余铁的量。与之相反,Ca2+和Mg2+的存在可显著促进KMnO4-FeSO4工艺除磷效能。类似地,Ca2+和Mg2+的存在可提高KMnO4-FeSO4工艺形成的絮体颗粒物的表面ζ电位和降低溶液中残余铁量。此外,SiO32-、Ca2+和Mg2+的存在对KMnO4-FeSO4工艺形成的絮体颗粒物的表面特征均有一定的影响。常见的络合剂EDTA、草酸钠和柠檬酸钠等对KMnO4-FeSO4工艺除磷的效果均有一定的抑制作用,且都增加了溶液中残余铁的量。水中常见的有机物腐殖酸在溶液pH值较高时,对KMnO4-FeSO4工艺除磷的效能有明显的抑制作用,其存在使得工艺形成的絮体颗粒物表面ζ电位有明显的降低,并显著增加了溶液中残余铁的量。进一步的实验结果表明,单独KMnO4和原位形成的新生态锰氧化物对水中磷的去除几乎没有作用,单独FeSO4对磷的去除率也较低,KMnO4-FeSO4工艺去除磷的主导因素是该工艺原位形成的新生态铁/铁锰氧化物。KMnO4-FeSO4工艺对磷的去除作用机制是络合沉淀和吸附作用的共同结果。原位形成的新生态铁/铁锰氧化物对水中的磷酸盐有一定的吸附能力,但去除效果有限。KMnO4-FeSO4工艺形成的絮体颗粒物的结构是无定形的,且具有较大的比表面积。磷的存在对絮体颗粒物的表面形貌有一定的影响,使得絮体颗粒物的表面较为粗糙。X射线荧光光谱分析的结果表明絮体颗粒物的组成元素主要为O、Fe、P和Mn。FTIR图谱表明磷与新生态铁/铁锰氧化物形成的是内层复合物,不是简单的表面吸附作用。X射线光电子能谱的分析表明KMnO4-FeSO4工艺形成的絮体颗粒沉淀物中Fe元素主要以FeOOH的形式存在,Mn元素主要以MnO2的形式存在。进一步选取了某污水二级处理出水磷浓度较高的污水处理厂,就KMnO4-FeSO4工艺实际除污染效能进行了研究。相比较传统铁盐混凝剂FeCl3和Fe2(SO4)3,KMnO4-FeSO4工艺可显著提高污水二级处理出水中磷的去除率,并对污水二级出水中的TOC、COD、UV254均有一定的去除作用,且去除率均优于传统铁盐混凝剂FeCl3和Fe2(SO4)3,表现出良好的除污染性能。KMnO4-FeSO4工艺与传统铁盐混凝剂FeCl3和Fe2(SO4)3在污水二级处理出水中除磷的经济比较分析可知,KMnO4-FeSO4工艺较单独三价铁盐混凝具有经济优势。综上所述,KMnO4-FeSO4工艺除磷技术具有氧化、吸附和络合沉淀等多种机制,表现出良好的去除水中污染物的效能,并具有高效、经济、方便等优势,是一项适合我国当前受污染水体深度强化除污染的实用型新工艺。