化学除磷工艺原理

化学除磷是污水处理中实现磷高效去除的核心工艺之一，与生物除磷工艺相辅相成，广泛应用于城镇污水处理厂、工业废水处理站等场景，其核心原理是通过向污水中投加化学药剂，使污水中的溶解性磷转化为不溶性磷酸盐沉淀物，再通过絮凝、沉淀、过滤等物理分离手段将沉淀物从污水中去除，最终实现污水脱磷的目标。从磷在污水中的存在形态来看，污水中的磷主要分为正磷酸盐（如PO₄^3?、HPO₄^2?、H₂PO₄^?）、聚磷酸盐和有机磷三大类，其中聚磷酸盐和有机磷需先通过水解或生物降解作用转化为正磷酸盐，才能被化学药剂有效捕捉，这也是化学除磷工艺通常与生化处理单元配合使用的原因之一。

一、 化学除磷的核心反应机制

化学除磷的关键在于投加的化学药剂与污水中的正磷酸盐发生沉淀反应，形成稳定的磷酸盐固体颗粒。常用的化学药剂主要分为三大类，其反应原理各有侧重：

1.  铝盐除磷原理

 

2.  铁盐除磷原理

 

3.  钙盐除磷原理

常用的钙盐药剂为石灰Ca(OH)2，其除磷原理与铝盐、铁盐不同，主要是通过调节污水 pH 值，使钙离子与磷酸盐结合生成羟基磷灰石沉淀物，该反应在碱性条件下才能充分进行。钙盐除磷的优势在于药剂成本低、来源广泛，且能同时去除污水中的部分有机物和重金属离子；缺点是需要投加大量石灰调节 pH，后续需对出水进行中和处理，增加了工艺的复杂性和运行成本，因此通常适用于高磷工业废水或对出水磷要求极高的场景。

二、 化学除磷的辅助作用：絮凝与共沉淀

化学除磷过程中，除了药剂与磷酸盐的直接沉淀反应外，絮凝作用和共沉淀作用也对磷的去除起到关键的辅助效果，这也是化学除磷效率高于单纯沉淀反应的重要原因。

1.  絮凝作用

铝盐、铁盐水解生成的羟基铝、羟基铁配合物，是一种具有强吸附性的胶体物质，其表面带有大量正电荷。而污水中的磷酸盐离子、有机磷颗粒等多带有负电荷，通过电荷中和作用，胶体颗粒会吸附这些含磷微粒，形成更大的絮体。同时，胶体颗粒之间还会通过架桥作用相互连接，进一步增大絮体粒径，使其更容易在沉淀池中沉降分离。

2.  共沉淀作用

在化学除磷过程中，生成的磷酸铝、磷酸铁、羟基磷灰石等沉淀物，会与污水中的悬浮颗粒物、胶体物质等发生共沉淀。即这些含磷沉淀物会作为核心颗粒，吸附包裹周围的悬浮杂质和部分未反应的含磷物质，共同形成沉淀污泥，从而实现磷的高效去除。此外，污水中的其他阴离子（如CO32?、SO42?）与药剂离子生成的沉淀物（如碳酸钙、硫酸钙），也会参与共沉淀过程，进一步提升除磷效果。

三、 化学除磷的工艺分类

根据药剂投加点的不同，化学除磷工艺可分为前置除磷、同步除磷和后置除磷三类，不同工艺的原理和适用场景有所区别：

1.前置除磷

药剂投加在污水处理厂的格栅、沉砂池之后，生化反应池之前。其原理是利用原水中的碱度中和药剂水解产生的酸度，同时通过絮凝作用去除部分悬浮物和磷，减轻后续生化处理单元的负荷。前置除磷的磷去除率约为 30%-60%，适用于进水磷浓度较高的场景。

2.同步除磷

药剂投加在生化反应池内，与生物处理过程同步进行。其原理是结合生物除磷和化学除磷的优势，药剂水解生成的胶体不仅能去除磷酸盐，还能吸附生化反应产生的微生物絮体，提升污泥沉降性能。同步除磷的磷去除率可达 70%-90%，是目前城镇污水处理厂应用最广泛的化学除磷工艺。

3.后置除磷

药剂投加在生化反应池之后，二沉池之前或之后。其原理是对生化处理后的出水进行深度脱磷，通过药剂与出水中残留的磷酸盐反应，进一步降低出水磷浓度，满足严格的排放标准。后置除磷的磷去除率可达 90% 以上，适用于出水磷要求低于 0.5 mg/L 的场景。

四、 化学除磷的影响因素

化学除磷的效果受多种因素影响，除了药剂种类和投加点外，还包括以下关键因素：

1.药剂投加量

药剂投加量需根据污水中磷的浓度确定，投加量不足会导致磷去除不彻底；投加量过多则会增加污泥产量，提高运行成本，还可能导致出水浊度升高。通常，铝盐、铁盐的投加量与磷的摩尔比为 1.5-3:1，石灰的投加量需根据污水碱度和 pH 值计算。

2.污水 pH 值

如前文所述，不同药剂的最佳反应 pH 值不同，pH 值偏离最佳范围会显著降低除磷效率，因此在实际运行中需实时监测并调节污水 pH 值。

3.反应时间和搅拌强度

药剂投加后需要一定的反应时间，使药剂与磷酸盐充分接触反应，同时搅拌强度需适中 —— 搅拌过强会破坏絮体，搅拌过弱则无法实现药剂与污水的均匀混合。通常，反应时间控制在 10-30 分钟，搅拌强度以能使药剂均匀分散为宜。

4.污水中干扰离子

污水中的CO₃^2?、HCO₃^?、SO₄^2?等阴离子，会与药剂离子结合生成沉淀物，消耗药剂的有效成分，降低除磷效率。例如，石灰除磷时，CO₃^2?会与Ca²⁺生成碳酸钙沉淀，因此需要投加更多的石灰以保证除磷效果。

五、 化学除磷的优缺点

1.  优点

除磷效率高，出水磷浓度可降至 0.1 mg/L 以下，满足严格的排放标准；

工艺稳定可靠，受污水水质、水量波动的影响较小，抗冲击负荷能力强；

操作简单，易于控制，可根据出水磷浓度灵活调整药剂投加量。

2.  缺点

需投加大量化学药剂，增加了运行成本；

生成的化学污泥产量较大，污泥处置成本较高；

部分药剂（如铝盐、铁盐）可能导致出水 pH 值降低，需后续中和处理。

综上所述，化学除磷工艺的核心是化学沉淀反应 + 絮凝共沉淀作用，通过选择合适的药剂、控制反应条件和工艺参数，可实现污水中磷的高效去除。在实际工程中，通常将化学除磷与生物除磷结合使用，既能降低药剂投加量，又能保证稳定的除磷效果，是污水处理厂实现达标排放的关键技术手段。