深入了解化学除磷原理及药剂，提升污水处理效果

深入了解化学除磷原理及药剂，提升污水处理效果

第1章化学除磷1.1化学除磷原理

化学除磷主要是通过化学沉淀来实现的，是指在污水中添加无机金属盐，与污水中的可溶性盐(如磷酸盐)发生反应，生成颗粒状、不溶解的固体颗粒。其实加入化学药剂之后，污水中不但发生沉淀反应，而且还会发生化学絮凝，即微小的不溶解固体相互粘结，形成较大的絮凝体。

污水沉淀反应可以简单理解为水中溶解物质，多为离子型物质，转化为不溶性、颗粒状的过程，而絮凝则是细小的不溶性固体相互黏合，形成较大的颗粒状，改变污水形态的过程，因此絮凝不是相转移过程。絮凝用于提高沉淀池的沉淀效果，而沉淀用于去除污水中的可溶性磷。

1.2 化学除磷剂

为了生成不溶性磷酸盐化合物，化学除磷所用的药剂主要有金属盐剂和氢氧化钙，许多高价金属离子药剂会与污水中的可溶性磷离子结合生成不溶性化合物，但出于经济考虑，用于磷沉淀的金属盐剂主要有Fe3+盐、Fe2+盐和Al3+盐，以溶液和悬浮状态使用。也有用氢氧化钙作沉淀剂，反应生成不溶于水的磷酸钙。

表1 污水净化常用药剂

类型

姓名

分子式

状态

铝盐

硫酸铝

Al2(SO4)3·18H2O

坚硬的

Al2(SO4)3·14H2O

液体

nAl2(SO4)3·xH2O+mFe2(SO4)3·yH2O

坚硬的

氯化铝

三氯化铝

液体

三氯化铝+三氯化铁

液体

聚合氯化铝

[Al2(OH)nCl6-n]m

液体

亚铁盐

硫酸亚铁

硫酸亚铁

坚硬的

硫酸亚铁

液体

铁盐

氯化硫酸铁

液体（约 40%）

氯化铁

氯化铁

液体（约 40%）

熟石灰

氢氧化钙

氢氧化钙

约40%乳液

铝盐的凝结和沉淀

Al2(SO4)3+6H2O----2Al(OH)3+3SO42-+6CO2

Al2(SO4)3+2PO4----+3SO42-

在pH值为6.0-6.5时，每添加1mol磷应添加1.5-3.0mol铝。如果水呈碱性，应先降低pH值再添加铝，以减少Al(OH)3沉淀。

铁盐的凝结和沉淀

Fe2(SO4)3 + 3HCO3----Fe(OH)3+2SO42-+3CO2

Fe3+ + PO43----FePO4↓ pH=5～5.5

每1mol磷需加入1.5-3mol铁（Fe3+），最佳pH值为5.0。

对于含磷量5mg/l左右的二级处理水，投加100～200mg/l的氯化铁（FeCl3.6H2O），磷的去除率可达到90%以上。

金属氢氧化物会形成较大的絮凝体，有利于沉淀产物的絮凝，还会吸附胶体物质和细小悬浮颗粒。沉淀反应中沉淀的去除是次要的，而絮凝体中有机胶体和悬浮物的凝聚才是分离过程中的决定性过程。

沉淀效果受pH值影响，金属磷酸盐的溶解度也受pH值影响，对于铁盐最佳pH值范围为5.0-5.5，对于铝盐最佳pH值范围为6.0-7.0，因为在上述pH范围内FePO4或AlPO4的溶解度最低。另外，使用金属盐药剂会给污水、污泥处理带来益处，如降低污泥的污泥指数，有利于沼气脱硫等。

由于加入金属盐药剂会增加污水处理厂出水中Cl-或SO2-4离子的含量，所以如果沉淀药剂溶液中还含有酸的话要特别注意。

金属盐的加入会降低废水的碱度，对净化产生不利影响。在同步沉淀工艺中使用硫酸铁时，必须考虑对硝化反应的影响。

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

石灰凝结沉淀

5Ca2+ + 4OH- + ----Ca5OH(PO4)3 + 3H2O

为了达到90%以上的磷去除率，需将pH值调节到10.5-11.0以上，Ca/P重量比在2.2:1以上。

在沉淀过程中，形成不溶性磷酸钙的主要因素不是Ca2+，而是OH-离子，随着pH值的升高，磷酸钙的溶解度降低，采用Ca(OH)2进行除磷，要求pH值在8.5以上。

但在pH值8.5～10.5范围内，除了有磷酸钙沉淀外，还会产生碳酸钙，可能造成池壁或渠道、管壁结垢。

Ca2++ CO32-→CaCO3

磷酸盐与钙的沉淀反应，不仅受pH值的影响，还受碳酸氢盐浓度（碱度）的影响，在一定的pH条件下，钙的加入量与碱度成正比。

对于软性或中硬性污水，采用钙沉淀时，达到要求的pH值所需的钙用量很少，相反，缓冲能力强的污水，则需要较大的钙用量。

1.3 化学除磷工艺

化学除磷工艺可根据化学药剂投加位置进行分类，实际应用中常用的方法有：预除磷、同步除磷和后除磷。

预除磷工艺的特点是将化学药剂投加于沉砂池、初沉池进水通道（管道）或文丘里通道（利用涡流），一般需加装产生涡流的装置或供给能量以满足搅拌的需要。相应的沉淀产物（大的絮凝物）在初沉池内通过沉淀分离出来，生物阶段若采用生物滤池，则不允许使用铁盐药剂，以防止对填料造成危害（产生黄锈）。

预除磷工艺由于仅在现有工艺前端增加化学除磷措施，更适合现有污水处理厂的改造，该工艺步骤既能除磷，又能减轻生物处理设施的负荷。化学药剂主要为石灰和金属盐药剂。预除磷后，残余磷酸盐含量控制在1.5-2.5mg/L，完全可以满足后续生物处理的除磷需求。

同步除磷是应用最为广泛的化学除磷工艺，国外约占全部化学除磷工艺的50%。该工艺是在曝气池出水或二沉池进水中投加化学药剂，也有在曝气池进水口或回流污泥通道(管)投加药剂的方法，目前已确定对于活性污泥法、生物转盘法均可采用同步化学除磷法，但对于生物滤池法是否可在二沉池进水中投加药剂则值得探讨。

后处理除磷是将沉淀、絮凝及絮凝物分离的过程在与生物处理阶段不同的设备中进行，所以又称两段工艺。絮凝池和沉淀池（或气浮池）设在其后。

对于要求不太严格的受纳水体，可以在后续除磷工艺中使用石灰乳液，但必须控制出水的pH值，如使用CO2或加酸进行中和。

气浮池可以比沉淀池更好地去除悬浮固体和总磷，但它们需要持续供应空气，因此运行成本更高。

表2 各种化学除磷工艺比较

技术

类型

优势

缺点

预

除磷

技术

1）可减轻生物处理构筑物的负荷，平衡负荷的波动，从而降低能耗；

与同步除磷相比，活性污泥中有机含量不会增加；

现有的污水处理厂易于改造。

1）增加污泥总产量；

2）影响反硝化反应（底物分解过多）；

3）不利于提高污泥指标。

同步

除磷

技术

除磷剂可通过污泥回流得到充分利用；

若在曝气池中投加药剂，可选用较便宜的二价铁盐药剂；

金属盐药剂会增加活性污泥的重量，从而避免污泥膨胀；

同步除磷设施工程工作量相对较小。

采用同步除磷技术，将增加污泥产量；

使用酸性金属盐试剂，会造成pH值降至最佳范围以下，不利于硝化反应的进行；

硝酸盐污泥与剩余污泥混合在一起，磷酸盐的回收比较困难，另外污泥中的磷在厌氧条件下会再次释放出来。

回流泵会破坏絮凝物，但这种危害可以通过添加高分子量絮凝剂来减轻。

邮政

除磷

技术

1）硝酸盐的沉淀与生物处理过程分开，互相不影响；

2）可根据磷负荷的变化来控制药剂的投加量；

3）产生的磷矿污泥可单独排放，并可进行综合利用。

后置除磷工艺投资较大，运行费用高，但新建污水处理厂时，采用后置除磷工艺可以减少生物处理二沉池的规模。

第2章：生物除磷

生物除磷的原理是有些细菌交替处于厌氧和好氧状态。在厌氧条件下，细菌吸收低分子量的有机物，以聚β-2羟基丁酸（PHB）的形式贮存在体内，同时，细胞原生质中的聚磷酸盐以正磷酸盐的形式释放出来，此时污水中磷含量升高，BOD含量降低。接着在好氧条件下，细菌将吸收的有机物（PHB）氧化分解，并提供能量，并从污水中吸收大量的磷，以聚磷酸盐的形式贮存起来，吸收的量大于释放的量，此时污水中的磷含量大大降低。通过将剩余污泥排出系统，同时将细菌吸收的磷排出，达到除磷的目的。

常见的生物除磷工艺有：A/O工艺、A2/O工艺、SBR工艺等。

A/O工艺是最简单的生物除磷方法，将原污水或初沉池出水与回流污泥在厌氧池内混合，此过程不需硝化反应，当厌氧区和好氧区的水力停留时间分别为0.5～1小时和1～3小时时，即可获得较好的除磷和去除有机物的效果。由于生物除磷系统主要通过去除剩余污泥来实现除磷，因此剩余污泥的量将决定系统的脱氮效果。一般泥龄较短的系统产生的剩余污泥较多，可达到较高的除磷效果，有报道指出，当泥龄为30天时，磷的去除率为40%；当泥龄为17天时，磷的去除率为50%；当泥龄为5天时，磷的去除率可提高到87%。

总结

化学沉淀法虽然除磷效率较高，但是要消耗化学药剂，并产生大量的化学污泥，处理费用比较昂贵；而传统的生物处理工艺操作简单，但是除磷效率较低，难以满足出水要求。