化学除磷的原理和关键操作参数

化学除磷的原理和关键操作参数

最近做了几次化学除磷小试，有了一点新体会。化学除磷的核心逻辑链其实很清晰：电荷中和--化学沉淀--絮凝强化。

虽然从本质上讲，化学除磷的核心化学沉淀反应，让水中的可溶性正磷酸盐转化为不可溶性固体，进而实现相分离。而这一过程的核心驱动，是离子间的电荷作用与溶度积限制。

但在实际的水质环境中，当水中存在胶体类物质时，PO₄^3-常与有机物、金属氧化物等结合，形成携带磷酸盐的负电胶体（其ζ电位为负）。胶体间的静电排斥力使其稳定分散在水中。稳定的分散系，这个也是胶体的特性之一。

因此，除磷剂需同时作用于游离PO₄^3-和含磷负电胶体。化学除磷过程中，PFS、PAC提供的带正电的金属离子（Fe?+、Al³⁺），除了作为反应中心，还需要提供足量的电荷对胶体之间的排斥力进行中和，后续的沉淀反应才能顺利发生，所以说电中和是化学除磷的一个关键前提。

具体到化学除磷试验中，在快速搅拌同时,向水样中加入除磷剂后,水中的胶体颗粒与除磷剂接触,发生电中和作用。随着除磷剂加入量的增加，当胶体的ζ电位接近等电点（ζ≈0mV）时，表面负电被完全抵消，彻底失稳后，金属离子（Fe?+、Al³⁺）对PO₄^3-的“抓捕”能力才会提高，后续沉淀反应才能高效进行。

 

比如下面这个图片，同样加入的都是铁系盐，左边的浓度高一点，右边稍微的低一些，结果完全不同。从颜色能明显看出，右边烧杯里的Fe?+是处于分散状态的，这个就是加入的量太少，不足以使胶体分散系失稳，所以Fe?+与PO₄^3-的化学沉淀反应受到了严重干扰。随后的数据检测也印证了这一点，右边的实验组总磷去除率只有不到20%的样子。这也表明，不仅Fe?+投加过量时，会影响出水色度，当Fe?+投加量不足时，也会对色度有负面影响。

 

 

 

除了铁磷比，还有一个操作参数就是pH。所谓等电点，就是胶体颗粒ζ电位=0mv时的临界pH，也是不同除磷剂发挥最佳处理效果的“临界点”。对于铁盐混凝剂而言,最佳pH范围一般是5.5-6.5[1]，也就是等电点的范围，本质上是电荷中和效率的最佳峰值区间。

 

 

 

 

也是因为等电点的限制，铁盐虽然有时候混凝能力很强，但也受到最优pH区间的约束。比如当水质pH接近8，且投加量较小的情况下，有时铁盐的实际混凝效果反而弱于铝盐。正是因为铁盐的电中和能力在这个范围内，会随着pH升高而降低。而在偏酸性条件下,铁盐混凝剂电中和作用较强，同时pH区间处于等电点范围之内，二者的协同作用会使得水中磷酸盐去除率较高[2]

总结一下化学除磷的完整过程，首先是电荷中和作用，打破胶体体系的稳定性；接着是PO₄^3-与金属阳离子Al³⁺、Fe?+等快速形成难溶盐（如AlPO₄、FePO₄），完成化学沉淀；然后再是混凝剂的水解产物通过吸附或网捕作用，捕捉水中的悬浮物，将其聚集成大絮体，加速沉降分离，最终完成PO43-从水相到固相的转移。

 

 

参考资料：

[1] 《ConventionalandoptimizedcoagulationforNOMremoval》；

[2] 《pH对铁盐混凝剂处理处理黄河水效果及生成絮体的影响》；