化學(xué)除磷原理

化學(xué)除磷主要是通過化學(xué)沉析過程完成的，化學(xué)沉析是指通過向污水中投加無機(jī)金屬鹽藥劑與污水中溶解性的鹽類（如磷酸鹽）反應(yīng)生成顆粒狀、非溶解性的物質(zhì)。實際上投加化學(xué)藥劑后，污水中進(jìn)行的不僅是沉析反應(yīng)，同時還發(fā)生著化學(xué)絮凝作用，即形成的細(xì)小的非溶解狀的固體物互相粘結(jié)成較大形狀的絮凝體。

污水沉析反應(yīng)可以簡單的理解為：水中溶解狀的物質(zhì)，大部分是離子狀物質(zhì)轉(zhuǎn)換為非溶解、顆粒狀形式的過程，絮凝則是細(xì)小的非溶解狀的固體物互相粘結(jié)成較大形狀的過程，所以絮凝不是相轉(zhuǎn)移過程。絮凝是用于改善沉淀池的沉淀效果，而沉析則用于污水中溶解性磷的去除。

化學(xué)除磷藥劑

為了生成非溶解性的磷酸鹽化合物，用于化學(xué)除磷的化學(xué)藥劑主要是金屬鹽藥劑和氫氧化鈣。許多高價金屬離子藥劑投加到污水中后都會與污水中的溶解性磷離子結(jié)合生成難溶解性的化合物，但出于原因考慮，用于磷沉析的金屬鹽藥劑主要是Fe3+鹽、Fe2+鹽和Al3+鹽，這些藥劑是以溶液和懸浮液狀態(tài)使用的。除金屬鹽藥劑外，氫氧化鈣也用作沉析藥劑，反應(yīng)生成不溶于水的磷酸鈣。

表1  污水凈化常用藥劑

鋁鹽的混凝沉淀

Al2(SO4) 3 + 6H2O----2Al(OH) 3+3SO42-+6CO2
Al2 (SO4) 3 + 2PO4----2AlPO4+3SO42-

在pH為6.0—6.5的條件下，每1mol的磷需要加鋁1.5-3.0 mol。如果水顯堿性，在加鋁之前應(yīng)先降低pH以減少Al(OH)3 沉淀。 

鐵鹽的混凝沉淀

Fe2(SO4)3 + 3HCO3----Fe(OH)3+2SO42-+3CO2 
Fe3+ + PO43----FePO4↓   pH=5～5.5     
每1mol磷需要加鐵（Fe3+) 1.5—3 mol，pH為5.0。

對磷含量為5mg/l左右的二級處理水，通過投加100－200mg/l的氯化鐵（ FeCl3.6H2O)就可以得到90％以上的磷去除率。

金屬氫氧化物會形成大塊的絮凝體，這對于沉析產(chǎn)物的絮凝是有利的，同時還會吸附膠體狀的物質(zhì)、細(xì)微懸浮顆粒。需要注意的是有機(jī)物在以化學(xué)除磷為目的化學(xué)沉析反應(yīng)中的沉析去除是次要的，但在分離時有機(jī)性膠體以及懸浮物的凝結(jié)在絮凝體中則是決定性的過程。

沉析效果是受PH值影響的，金屬磷酸鹽的溶解性同樣也受PH的影響。對于鐵鹽PH值范圍為5.0～5.5，對于鋁鹽為6.0～7.0，因為在以上PH值范圍內(nèi)FePO4或AlPO4的溶解性zui小。另外使用金屬鹽藥劑會給污水和污泥處理還會帶來益處，比如會降低污泥的污泥指數(shù)，有利于沼氣脫硫等。

由于金屬鹽藥劑的投加會使污水處理廠出水中的Cl-或SO2-4離子含量增加。如果沉析藥劑溶液中另外含有酸的話，則需特別加以注意。

投加金屬鹽藥劑后相應(yīng)會降低污水的堿度，這也許會對凈化產(chǎn)生不利影響。當(dāng)在同步沉析工藝中使用硫酸鐵時，必須考慮對硝化反應(yīng)的影響。

另外，如果污水處理廠污泥用于農(nóng)業(yè)，使用金屬鹽藥劑除磷時必須考慮鋁或者鐵負(fù)荷對農(nóng)業(yè)的影響。

石灰的混凝沉淀

5Ca2+ + 4OH- + 3HPO42----Ca5OH(PO4)3 + 3H2O
為使磷的去除率達(dá)到90％以上，需要把pH值調(diào)到10.5-11.0以上。Ca/P的重量比為2.2:1以上。

沉折過程中，對于不溶解性的磷酸鈣的形成起主要作用的不是Ca2+，而是OH-離子，因為隨著pH值的提高，磷酸鈣的溶解性降低，采用Ca(OH)2除磷要求的pH值為8.5以上。

但在pH值為8.5到10.5的范圍內(nèi)除了會產(chǎn)生磷酸鈣沉析外，還會產(chǎn)生碳酸鈣，這也許會導(dǎo)致在池壁或渠、管壁上結(jié)垢。其反應(yīng)式Ca2++ CO32-→CaCO3

與鈣進(jìn)行磷酸鹽沉析的反應(yīng)除了受到PH值的影響，另外還受到碳酸氫根濃度(堿度)的影響。在一定的PH值惰況下，鈣的投加量是與堿度成正比的。

對于軟或中硬的污水，采用鈣沉析時，為了達(dá)到所要求的PH值所需要的鈣量是很少的，具有強(qiáng)緩沖能力的污水相反則要求較大的鈣投加量。

化學(xué)除磷工藝

化學(xué)除磷工藝可按化學(xué)藥劑的投加地點(diǎn)來分類，實際中常采用的有：前置除磷、同步除磷和后置除磷。

前置除磷工藝的特點(diǎn)是化學(xué)藥劑投加在沉砂池中、初沉池的進(jìn)水渠（管）中、或者文丘里渠（利用渦流）中。其一般需要設(shè)置產(chǎn)生渦流的裝置或者供給能量以滿足混合的需要。相應(yīng)產(chǎn)生的沉析產(chǎn)物（大塊狀的絮凝體）在初沉池中通過沉淀被分離。如果生物段采用的是生物濾池，則不允許使用鐵鹽藥劑，以防止對填料產(chǎn)生危害（產(chǎn)生黃銹）。

前置除磷工藝由于僅在現(xiàn)有工藝前端增加化學(xué)除磷措施，比較適合于現(xiàn)有污水處理廠的改建，通過這一工藝步驟不僅可以除磷，而且可以減少生物處理設(shè)施的負(fù)荷。常用的化學(xué)藥劑主要是石灰和金屬鹽藥劑。前置除磷后控制剩余磷酸鹽的含量為1.5-2.5mg/L，完滿足后續(xù)生物處理對磷的需要。

同步除磷是目前使用zui廣泛的化學(xué)除磷工藝，在約占所有化學(xué)除磷工藝的50%。其工藝是將化學(xué)藥劑投加在曝氣池出水或二沉池進(jìn)水中，個別情況也有將藥劑投加在曝氣池進(jìn)水或回流污泥渠（管）中。目前已確定對于活性污泥法工藝和生物轉(zhuǎn)盤工藝可采用同步化學(xué)除磷方法，但對于生物濾池工藝能否將藥劑投加在二次沉淀池進(jìn)水中尚值得探討。

后置除磷是將沉析、絮凝以及被絮凝物質(zhì)的分離在一個與生物處理相分離的設(shè)施中進(jìn)行，因此也叫二段法工藝。一般將化學(xué)藥劑投加到二沉池后的一個混合池中，并在其后設(shè)置絮凝池和沉淀池（或氣浮池）。

對于要求不嚴(yán)的受納水體，在后置除磷工藝中可采用石灰乳液藥劑，但必須對出水pH值加以控制，如可采用CO2或加酸進(jìn)行中和。

采用氣浮池可以比沉淀池更好地去除懸浮物和總磷，但因為需要恒定供應(yīng)空氣因而運(yùn)行費(fèi)用較高。

表2  各種化學(xué)除磷工藝比較

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生物法除磷

生物法除磷的原理是某些細(xì)菌交替地處于厭氧與好氧條件下，在厭氧時，細(xì)菌吸收低分子的有機(jī)物并以聚β 2羥基丁酸( PHB)等形式在體內(nèi)儲存起來，同時將細(xì)胞原生質(zhì)中聚合磷酸鹽以正磷酸鹽的方式釋放出來，此時污水中磷的含量升高 ,BOD 的含量降低。然后在好氧條件下，細(xì)菌將吸收的有機(jī)物(PHB)氧化分解，并提供能源，同時從污水中吸收大量的磷，以聚磷酸鹽的形式儲存起來，其吸收的量大于其釋放的量，這時污水中的磷含量大大降低，通過把剩余污泥排出系統(tǒng)，同時將細(xì)菌攝入的磷排走從而達(dá)到除磷的目的。

常見的生物除磷主要工藝：A/O工藝、A2/O工藝、SBR工藝等。

A/O工藝，這是目前zui為簡單的一種生物除磷方法 ，原污水或初沉池出水與回流污泥在厭氧池中進(jìn)行混合，這種工藝要求沒有硝化反應(yīng)。一般來說，當(dāng)厭氧區(qū)和好氧區(qū)的水力停留時間分別為0.5～1h和1～3h時，便可獲得較好的去除磷和去除有機(jī)物的效果。由于生物除磷系統(tǒng)主要通過排除剩余污泥去除磷，因此剩余污泥量的多少將決定系統(tǒng)的脫氮效果。一般污泥齡較短的系統(tǒng)產(chǎn)生較多的剩余污泥，可以取得較高的除磷效果。有報道，泥齡為30天時的除磷率為40％；年齡為17天時除磷率為50％；年齡為5天時的除磷率可提高到87％。