化学沉淀在污水处理中的反应机理与工程应用

化学沉淀在污水处理中的反应机理与工程应用

在现代污水处理技术体系中，化学沉淀（Chemical Precipitation）是一种经典且高效的处理手段，被广泛用于去除悬浮物、胶体、有机物及部分溶解性无机盐。本文将结合工程实践与经典理论，系统梳理化学沉淀中几种典型药剂——明矾、石灰、硫酸亚铁（绿矾）与石灰、氯化铁、氯化铁与石灰、硫酸铁与石灰在污水中的化学反应机理及其在强化初沉中的作用，为从业者和研究者提供技术参考。

一、化学沉淀的基本原理

化学沉淀的核心在于通过投加化学药剂，使废水中的溶解性或胶体态杂质转化为不溶性沉淀颗粒，并借助这些颗粒的絮凝作用“扫除”悬浮物和细微杂质，最终形成可沉降的絮体，从而实现固液分离。

沉淀的效果取决于药剂种类与投加量、反应与混合条件（包括pH、温度、搅拌强度、反应时间等）、操作控制的精细程度三个关键因素。

在良好控制条件下，化学沉淀可获得澄清透明、基本无悬浮物与胶体的出水，为后续生化或深度处理提供稳定的水质基础。

二、常用沉淀药剂及其反应机理

下表列出了几种污水处理中常用的化学沉淀剂，包括铝盐、铁盐、石灰等。这些药剂与废水中的碱度、碳酸盐及其他阴离子发生一系列反应，生成氢氧化物或碳酸盐沉淀。

 

1.明矾（Alum）

当明矾[Al?(SO?)?·18H?O]投加到含有碱度（碳酸氢钙或碳酸氢镁）的污水中时，会发生如下反应。

 

生成的氢氧化铝（Al(OH)?）是一种具有高度吸附性和絮凝能力的胶状沉淀。这种絮体在缓慢下沉过程中，会吸附、扫除水中细微悬浮物及部分溶解性有机物，从而实现良好的澄清效果。

同样的反应机理也适用于氯化铝（AlCl?），只是反应中的阴离子不同。若污水碱度不足，明矾无法充分反应，此时可通过补加石灰提高pH与碱度，以保证反应完全。

2.石灰（Lime）

石灰[Ca(OH)?]是一种用途极广的碱性沉淀剂。当石灰单独使用时，主要与废水中的游离二氧化碳、碳酸氢盐及弱酸反应，生成碳酸钙沉淀，如下式所示。

 

要实现理想的澄清效果，必须投加足够的石灰，使其能完全中和废水中的游离碳酸与半结合碳酸（碳酸氢根），使体系的主要产物转化为稳定的CaCO?沉淀。

若污水中含有无机酸或酸性盐（如工业废水常见的H?SO?或FeSO?溶液），则应进一步增大加药量，先实现酸碱中和。

3.硫酸亚铁（FeSO?）与石灰联合使用

硫酸亚铁单独使用时沉淀效果有限，因为它需要碱性条件才能生成氢氧化物沉淀，因此通常与石灰联合使用。当两者同时投加时，体系发生如下反应。

生成的氢氧化亚铁[Fe(OH)?]，在溶解氧作用下逐步氧化为氢氧化铁[Fe(OH)?]，形成絮体沉淀，如下式所示。然而，这一氧化过程依赖于废水中溶解氧的浓度，在多数污水预处理体系中，溶解氧并不充足，因此硫酸亚铁在现代污水处理中应用较少，更多被氯化铁或硫酸铁取代。

4.氯化铁（FeCl?）

氯化铁因反应迅速、生成絮体致密而成为最常用的铁盐沉淀剂之一。当FeCl?加入废水中时，主要反应如下式所示。

生成的Fe(OH)?为棕褐色胶体，具有优异的絮凝性能，可高效去除悬浮物和部分溶解性磷。若废水碱度不足，可通过补加石灰以提高pH，使沉淀反应完全，如下式所示。该组合尤其适用于低碱度、酸性或高负荷工业废水的预处理过程。

5.硫酸铁与石灰

硫酸铁[Fe?(SO?)?]与石灰联用时，反应过程与氯化铁体系类似，如下式所示。

生成的Fe(OH)?同样具备良好的絮凝性能，且反应中形成的CaSO?可进一步促进悬浮物凝聚，从而强化沉降效果。

三、化学强化初沉的作用与效果

在未投加化学药剂的常规初沉池中，悬浮固体（TSS）的去除率约为50%~70%、BOD去除率为25%~40%、细菌去除率为25%~75%。而在化学沉淀条件下，这些指标可显著提高：TSS的去除率约为80%~90%、BOD去除率为50%~80%，细菌去除率为80%~90%。

由于污水水质具有较大的可变性，所需的化学药剂投加量应通过烧杯试验或中试试验来确定。用于沉淀构筑物设计时，各种化学混凝悬浮体系的推荐表面负荷率如下表所示。

 

四、操作控制与工程设计要点

化学沉淀系统的运行效果极大依赖于工艺控制的精细化。以下几点是实践中常被忽视但极为关键的环节：

1.药剂投加量需通过小试或中试确定

不同污水体系中碱度、金属离子、悬浮物性质差异很大，药剂的最佳投加量往往无法通过经验估算，需要通过烧杯实验或中试反应测试确定。

2.搅拌强度与时间控制

过强的搅拌会破坏絮体结构，过弱则混合不均。通常要求快速混合30~60 s，随后缓慢搅拌10~15 min。

3.pH监测与碱度补偿

pH直接影响沉淀生成的速率与结构。铝盐反应最适pH为6.0~7.0，铁盐则偏向中性或微碱性（7.0~8.0）。

4.污泥排放与再利用

化学污泥含有大量金属氢氧化物，含水率高，需结合重力浓缩与机械脱水系统。部分污泥经稳定化后可作为建筑材料掺合料或脱磷吸附剂再利用。

总结

化学沉淀法作为污水处理技术发展史上的“老将”，并未因生化法的崛起而退出舞台。相反，在复杂工业废水、高浓度市政污水以及强化除磷、除浊等应用场景中，它依然扮演着不可或缺的角色。未来，随着绿色药剂、智能控制和资源化利用理念的深入融合，化学沉淀将从“单纯的去除过程”转变为“面向水质与资源双目标的综合调控单元”。这不仅是技术的升级，更是污水处理理念的一次进化。