化学除磷适用范围、影响因素、反应机理、药剂选择与加药量

化学除磷适用范围、影响因素、反应机理、药剂选择与加药量

化学除磷广泛应用于污水处理厂的除磷工艺。金属盐或石灰等化学物质可添加到一级、二级或三级处理工艺中（加要点选择可参考本公众号文章“化学除磷药剂种类和加要点选择”，点击文末关联文章链接），但化学除磷也有其适用范围，合理选择药剂种类、精确计算加药量是保证处理效果和降本增效的前提条件。本文将系统梳理化学除磷的适用范围、药剂性质、影响因素、反应机理、加药量，为水处理专业人士提供参考和实践指导。

一、化学除磷的适用范围

化学除磷只能去除废水中总磷的磷酸盐部分（正磷酸盐）。进水中的磷酸盐通常占总磷的50%～80%，一般以两种形态存在：H?PO??和HPO???，其中在 pH 低于 8.3 时以前者为主。

多聚磷酸盐不会与金属盐或石灰发生反应；但在生物处理过程中，它们会被转化为磷酸盐。有机结合态磷通常在进水总磷中所占比例很小。其中，胶体态和颗粒态磷通常可在固液分离过程中被去除；而溶解性有机磷则可能在处理过程中（若可生物降解）水解为正磷酸盐，如果不可生物降解，则不能被污水处理厂去除。

二、药剂性质与影响因素

1.药剂性质

用于化学除磷的药剂通常为金属盐或石灰。最常用的两种金属盐是硫酸铝（通常称为明矾）和氯化铁。偏铝酸钠也可代替硫酸铝，但其投加往往会显著提高体系pH值。此外，聚合氯化铝（PAC）的多种形式同样可用于化学沉淀除磷。硫酸亚铁和氯化亚铁也被用于除磷，这类药剂通常作为炼钢过程的副产物（酸洗废液）获得。石灰一般以固体形式供应，主要包括生石灰（CaO）和熟石灰[Ca(OH)?]。各种药剂的性质如下表所示。

 

2.药剂的影响因素

除投加量外，废水水质特性、药剂投加方式、药剂投加点位置、反应pH、絮凝方式以及药剂投加后的反应时间等，均是重要的设计与运行因素，这些因素都会影响投加量与磷去除效率之间的关系。

（1）药剂的混合

在药剂投加点处进行充分混合是确保金属离子与磷酸盐分子发生反应的必要条件。混合强度通常可用速度梯度G 来表征，其单位为 s??。快速混合可确保反应表面位点及时暴露并参与反应；而在混合强度较低的情况下，许多金属氧化物可能在缺乏磷酸盐参与的条件下先行生成，从而使其内部的氧原子无法用于与磷酸盐结合，导致除磷效率降低。

在实际污水处理厂中，投加点处的混合条件通常较差，G 值一般取200～300 s??。在这种高能混合条件下，混合时间通常为10～30 s。在初始的快速反应动力学阶段之后，磷酸盐与铁之间仍可通过缓慢反应动力学过程持续发生反应，该过程可持续数小时甚至数天。这种慢速反应控制的除磷过程，对于在活性污泥池中投加明矾或氯化铁尤为重要，因为该类系统的固体停留时间（SRT）通常以天计。

（2）絮凝

在投加点完成快速混合后，需要进行温和混合以促进形成可沉降或可通过固液分离过程去除的絮体。这一过程对于满足低出水磷浓度要求至关重要。通常情况下，污水在处理构筑物中的流动本身已足以提供形成絮体所需的混合条件，但若絮凝时间不足，或存在破坏絮体形成的工况（如泵送、曝气等），絮凝过程将受到限制。

（3）pH 与碱度

化学除磷的最高去除效率通常出现在pH=5.5～7.0的范围内。当pH介于7～10时，由于金属氢氧化物表面带有更强的负电荷，且可溶性铁氢氧化物开始生成，磷去除效率会下降。在较低pH条件下，沉淀剂的溶解度降低；而在极低pH条件下，金属氢氧化物沉淀的形成会受到限制。硫酸铝和氯化铁在不同pH条件下的磷去除效率表现出相似的变化规律。

（4）CODcr和SS

在初级处理阶段投加金属盐的除磷效率会受到废水水质特性的显著影响。有机物含量与金属盐除磷效率之间存在明显关系。当CODcr在300～700 mg/L范围内时，随着CODcr的升高，磷酸盐去除效率呈下降趋势。对总悬浮固体（TSS）的研究也得到了类似结果，即TSS浓度越高，磷去除效率越低。

除在初级处理阶段导致除磷效率降低外，有机物含量还会削弱金属盐在活性污泥反应器中去除磷的效果。铁离子和铝离子可与腐殖酸和富里酸等有机物反应，生成与金属离子及其矿物氧化物相关的不溶性络合物，从而占据或阻塞磷酸盐沉淀所需的反应位点，导致化学除磷效率下降。这也是实际项目中选择后置化学除磷较多的原因之一。

三、药剂反应机理与药剂选择

硫酸铝与磷的反应如下所示。

在水中存在碱度时，氯化铁与水中溶解性磷、碳酸氢盐碱度的反应如下所示。如果水中碱度不足，投加氯化铁会形成水合氧化铁沉淀，为磷反应提供表面活性位点。铁盐磷去除机理的基本原理是磷酸盐和铁可以共享一个氧原子，其相互作用可用下式表示（未标注电荷）。当向废水中投加石灰时，石灰首先与水中的碳酸氢盐碱度发生反应，生成碳酸钙（CaCO?）。随着体系pH升高至10以上，多余的钙离子将与磷酸盐发生反应，生成羟基磷灰石[Ca?(OH)(PO?)?]沉淀，如下所示。从以上反应机理可见：（1）铁盐与石灰受水中碱度影响较大；（2）石灰除磷产生的污泥量较大（氢氧化镁与碳酸钙都是污泥）。这也是在实际项目中选择铝盐除磷较多的原因之一。

四、药剂投加量

金属盐投加量通常以进水中每摩尔可溶性磷（Pin）对应投加的金属摩尔数（Me）来表示。“化学计量投加量”是指每去除一摩尔磷投加1.0摩尔金属（即Me/Pin=1.0），这是严格按照金属盐（铝盐或铁盐）与磷发生化学反应生成磷酸盐沉淀所需的摩尔比。

随着金属盐投加量的增加，磷的去除率提高、出水磷浓度降低；但当投加量增大到一定程度时，继续提高单位投加量所带来的增量去除效果逐渐减弱。

当氯化铁投加量达到Me/Pin=1.5~2.0时，能够去除80%~98%的可溶性磷，若要实现非常低的出水总磷浓度（例如低于 0.10 mg/L），则需要更高的投加比例，Me/Pin=6~7。

使用硫酸铝的投加比例与氯化铁类似，但去除率较氯化铁低，在75%~95%之间；使用PAC或钠铝酸达到相似磷去除效率，需要更高的投加量。

从以上投加量可见：铁盐的除磷效率最高，但根据前文可知，铁盐受碱度影响大；PAC的除磷效率最低，甚至低于硫酸铝，这与一些人士认为的PAC是“聚铝”，除磷效果应高于非聚合物硫酸铝不同。

结语

化学除磷作为污水处理的重要手段，其效果不仅取决于药剂的种类与投加量，更与废水水质、pH值、碱度、混合及絮凝条件密切相关。选择合适的金属盐或石灰，科学计算投加量，并结合工艺优化，可在保证高效去磷的同时，控制污泥量与运行成本。通过理解药剂反应机理及影响因素，污水处理工程师能够实现稳定的出水磷控制，并在不同处理阶段灵活应用化学除磷技术，为城市水环境保护提供坚实支撑。