1、什么是化學除磷？

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

污水沉析反應可以簡單的理解為：水中溶解狀的物質，大部分是離子狀物質轉換為非溶解、顆粒狀形式的過程，絮凝則是細小的非溶解狀的固體物互相粘結成較大形狀的過程，所以絮凝不是相轉移過程。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。

 

2、除磷劑的選擇

為了生成非溶解性的磷酸鹽化合物，用于化學除磷的化學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合生成難溶解性的化合物，但出于經濟原因考慮，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使用的。除金屬鹽藥劑外，氫氧化鈣也用作沉析藥劑，反應生成不溶于水的磷酸鈣。

類別	名稱	分子式	狀態
鋁鹽	硫酸鋁	Al2(SO4)3·18H2O	固體
		Al2(SO4)3·14H2O	液體
		nAl2(SO4)3·xH2O+mFe2(SO4)3·yH2O	固體
	氯化鋁	Al3	液體
		Al3+FeCl3	液體
	聚合氯化鋁	[Al2(OH)nCl6-n]m	液體
二價鐵鹽	硫酸亞鐵	FeSO4·7H2O	固體
		FeSO4	液體
三價鐵鹽	氯化硫酸鐵	FeClSO4	液體(約40%)
	氯化鐵	FeCl3	液體(約40%)
熟石灰	氫氧化鈣	Ca(OH)2	約40%的乳液

鋁鹽除磷方程式：

Al₂(SO₄)₃+6H₂O----2Al(OH)₃+3SO₄^2-+6CO₂

Al₂(SO₄)₃+2PO₄^----2AlPO₄+3SO₄^2-

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

鐵鹽除磷方程式：

Fe₂(SO₄)₃+3HCO₃^----Fe(OH)₃+2SO₄^2-+3CO₂

Fe³⁺+PO₄^3----FePO₄↓  pH=5～5.5

每1 mol磷需要加鐵（Fe³⁺)1.5~3 mol，最佳pH為5.0。

對磷含量為5 mg/L左右的二級處理水，通過投加100~200 mg/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，這對于沉析產物的絮凝是有利的，同時還會吸附膠體狀的物質、細微懸浮顆粒。需要注意的是有機物在以化學除磷為目的化學沉析反應中的沉析去除是次要的，但在分離時有機性膠體以及懸浮物的凝結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。對于鐵鹽最佳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FePO₄或AlPO₄的溶解性最小。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，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SO₄^2-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會降低污水的堿度，這也許會對凈化產生不利影響。當在同步沉析工藝中使用硫酸鐵時，必須考慮對硝化反應的影響。

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

石灰除磷方程式：

5Ca²⁺+4OH^-+3HPO₄^2----Ca₅OH(PO₄)₃+3H₂O

為使磷的去除率達到90％以上，需要把pH值調到10.5~11.0以上。Ca/P的重量比為2.2：1以上。

沉析過程中，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的范圍內除了會產生磷酸鈣沉析外，還會產生碳酸鈣，這也許會導致在池壁或渠、管壁上結垢。與鈣進行磷酸鹽沉析的反應除了受到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，為了達到所要求的PH值所需要的鈣量是很少的，具有強緩沖能力的污水相反則要求較大的鈣投加量。

 

3、除磷劑投加點的選擇

按除磷劑的投加地點不同，化學除磷可以分為：前置除磷、同步除磷和后置除磷。

前置除磷工藝的特點是除磷劑投加在沉砂池中、初沉池的進水渠（管）中、或者文丘里渠（利用渦流）中。其一般需要設置產生渦流的裝置或者供給能量以滿足混合的需要。相應產生的沉析產物（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，以防止對填料產生危害（產生黃銹）。

前置除磷工藝由于僅在現有工藝前端增加化學除磷措施，比較適合于現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施的負荷。常用的化學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1.5~2.5 mg/L，完全能滿足后續生物處理對磷的需要。

同步除磷是目前使用最廣泛的化學除磷工藝，在國外約占所有化學除磷工藝的50%。其工藝是將化學藥劑投加在曝氣池出水或二沉池進水中，個別情況也有將藥劑投加在曝氣池進水或回流污泥渠（管）中。

目前已確定對于活性污泥法工藝和生物轉盤工藝可采用同步化學除磷方法，但對于生物濾池工藝能否將藥劑投加在二次沉淀池進水中尚值得探討。

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

 

對于要求不嚴的受納水體，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進行中和。

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空氣因而運行費用較高。

各種化學除磷工藝比較
工藝類型	優點	缺點
前置除磷工藝	能降低生物處理構筑物負荷，平衡負荷的波動變化，從而降低能耗；	總污泥產量增加；
	與同步除磷相比，活性污泥中有機成分不會增加；	影響反硝化反應（底物分解過多）；
	現有污水廠易于實施改造。	對改善污泥指數不利；
同步除磷工藝	通過污泥回流可以充分利用除磷藥劑；	采用同步除磷工藝會增加污泥產量；
	如果將藥劑投加到曝氣池中，可采用價格較便宜的二價鐵鹽藥劑；	采用酸性金屬鹽藥劑會使pH值下降到最佳范圍以下，對消化反應不利；
	金屬鹽藥劑會使活性污泥重量增加，從而可以避免污泥膨脹；	硝酸鹽污泥和剩余污泥混合在一起，回收磷酸鹽較為困難，此外在厭氧狀態下污泥中磷會再釋放；
	同步除磷設施的工程量較小。	回流泵會破壞絮體，但可通過投加高分子絮凝助凝劑減輕這種危害。
后置除磷工藝	硝酸鹽的沉淀與生物處理過程分離，互不影響；	后置除磷工藝所需投資大、運行費用高，但當新建污水處理廠時，采用后置除磷工藝可以減少生物處理二沉池的尺寸。
	藥劑投加可以按磷負荷的變化進行控制；
	產生的磷酸鹽污泥可以單獨排放，并可以加以利用。

 

4、除磷劑投加量的計算

在化學沉析除磷時，去除1 mol(31 g) P至少需要1 mol(56 g) Fe，或者至少需要1.8(56/31)倍的Fe，或者0.9(27/31)倍的Al。也就是說去除1 g P至少需要1.8 g的Fe，或者0.9 g的Al。

由于在實際中，反應中并不是100%有效進行的，加之OH^-會與金屬離子競爭反應，生成相應的氫氧化，所以實際化學沉析藥劑投加一般需要超量投加，以保證達到所需要的出水P濃度。德國在計算時，提出了投加系數β的概念，即：

β=(mol Fe,mol Al)／mol P

投加系數β是受多種因素影響的，如投加地點、混合條件等，實際投加時建議通過投加試驗確定。在最佳條件下(適宜的投加、良好的混合和絮凝體的形成條件)β=1；在非最佳條件下，β=2到3或更高。過量投加藥劑不僅會使藥劑費增加，而且因氫氧化物的大量形成也會使污泥量大大增加，這種污泥體積大、難脫水。

德國在實際計算中，為了有效地去除磷(出水保持＜1mg P/1)，β值為1.5，也就是說去除1kg磷，需要投加：

1.5×（56／31）=2.7 kg Fe

或者，

1.5×（27／31）=1.3 kg Al

若用石灰作為化學沉析藥劑，則不能采用這種計算方法，因為其要求投加的pH值大于8.5，而且投加量受污水堿度(緩沖能力)的影響，所以其投加量必須針對各自的污水通過試驗確定。

從嚴格意義上講，投加系數β值的概念只適用于后沉析，對于前沉析和同步沉析在計算時還應考慮：1）回流污泥中含有未反應的藥劑；2）在初次沉淀池中和生物過程去除的磷。

 

計算舉例

例1：污水處理廠設計水量為10000 m³/d，進水中的P濃度為14 mg/L，出水P濃度要求達到1 mg/L。設計采用沉析藥劑三氯化鋁AlCl₃，其有效成分為6%(60 g/kg AlCl₃)，密度為1.3 kg/L。為同步沉析，試計算所需要的藥劑量。

解：

經過初次沉淀地沉淀處理后去除的磷為2 mg/L，則生物處理設施進水的P濃度為11 mg/L，經過生物同化作用去除的P為1 mg/L。則需經沉析去除的 ：

P負荷=10000 m³/d·(0.011-0.001)kg/m³=100 kg/d

設計采用投加系數β值為1.5，

設計Al的投加量為：1.5×（27／31）×100=130 kg Al/d

折算需要藥劑量為：130×1000(g/d)/60(g/kg)=2167 kg/d AlCl₃

折算需要體積量為：2167(kg/d)/1.3(kg/L)=1667 L/d AlCl₃

 

例2：設計采用藥劑硫酸亞鐵FeSO₄，有效成分為180 gFe/kg FeSO₄，在10℃時的飽和溶解度為400 g FeSO₄/L，其它設計參數同例1。

解：

設計采用投加系數β值為1.5，

設計Fe的投加量為：1.5×5631×100=270 kg Fe/d

折算需要藥劑量為：270×1000(g/d)/180(g/kg)=1500 kg/d FeSO₄

飽和溶液中的有效成分為：180(g/kg)·0.4(kg/L)=72 gFe/L FeSO₄

折算需要體積量為：1500·1000(g/d)/72(g/L)=20833 L/d FeSO₄

1、什么是化學除磷？

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

污水沉析反應可以簡單的理解為：水中溶解狀的物質，大部分是離子狀物質轉換為非溶解、顆粒狀形式的過程，絮凝則是細小的非溶解狀的固體物互相粘結成較大形狀的過程，所以絮凝不是相轉移過程。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。

 

2、除磷劑的選擇

為了生成非溶解性的磷酸鹽化合物，用于化學除磷的化學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合生成難溶解性的化合物，但出于經濟原因考慮，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使用的。除金屬鹽藥劑外，氫氧化鈣也用作沉析藥劑，反應生成不溶于水的磷酸鈣。

類別	名稱	分子式	狀態
鋁鹽	硫酸鋁	Al2(SO4)3·18H2O	固體
		Al2(SO4)3·14H2O	液體
		nAl2(SO4)3·xH2O+mFe2(SO4)3·yH2O	固體
	氯化鋁	Al3	液體
		Al3+FeCl3	液體
	聚合氯化鋁	[Al2(OH)nCl6-n]m	液體
二價鐵鹽	硫酸亞鐵	FeSO4·7H2O	固體
		FeSO4	液體
三價鐵鹽	氯化硫酸鐵	FeClSO4	液體(約40%)
	氯化鐵	FeCl3	液體(約40%)
熟石灰	氫氧化鈣	Ca(OH)2	約40%的乳液

鋁鹽除磷方程式：

Al₂(SO₄)₃+6H₂O----2Al(OH)₃+3SO₄^2-+6CO₂

Al₂(SO₄)₃+2PO₄^----2AlPO₄+3SO₄^2-

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

鐵鹽除磷方程式：

Fe₂(SO₄)₃+3HCO₃^----Fe(OH)₃+2SO₄^2-+3CO₂

Fe³⁺+PO₄^3----FePO₄↓  pH=5～5.5

每1 mol磷需要加鐵（Fe³⁺)1.5~3 mol，最佳pH為5.0。

對磷含量為5 mg/L左右的二級處理水，通過投加100~200 mg/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，這對于沉析產物的絮凝是有利的，同時還會吸附膠體狀的物質、細微懸浮顆粒。需要注意的是有機物在以化學除磷為目的化學沉析反應中的沉析去除是次要的，但在分離時有機性膠體以及懸浮物的凝結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。對于鐵鹽最佳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FePO₄或AlPO₄的溶解性最小。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，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SO₄^2-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會降低污水的堿度，這也許會對凈化產生不利影響。當在同步沉析工藝中使用硫酸鐵時，必須考慮對硝化反應的影響。

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

石灰除磷方程式：

5Ca²⁺+4OH^-+3HPO₄^2----Ca₅OH(PO₄)₃+3H₂O

為使磷的去除率達到90％以上，需要把pH值調到10.5~11.0以上。Ca/P的重量比為2.2：1以上。

沉析過程中，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的范圍內除了會產生磷酸鈣沉析外，還會產生碳酸鈣，這也許會導致在池壁或渠、管壁上結垢。與鈣進行磷酸鹽沉析的反應除了受到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，為了達到所要求的PH值所需要的鈣量是很少的，具有強緩沖能力的污水相反則要求較大的鈣投加量。

 

3、除磷劑投加點的選擇

按除磷劑的投加地點不同，化學除磷可以分為：前置除磷、同步除磷和后置除磷。

前置除磷工藝的特點是除磷劑投加在沉砂池中、初沉池的進水渠（管）中、或者文丘里渠（利用渦流）中。其一般需要設置產生渦流的裝置或者供給能量以滿足混合的需要。相應產生的沉析產物（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，以防止對填料產生危害（產生黃銹）。

前置除磷工藝由于僅在現有工藝前端增加化學除磷措施，比較適合于現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施的負荷。常用的化學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1.5~2.5 mg/L，完全能滿足后續生物處理對磷的需要。

同步除磷是目前使用最廣泛的化學除磷工藝，在國外約占所有化學除磷工藝的50%。其工藝是將化學藥劑投加在曝氣池出水或二沉池進水中，個別情況也有將藥劑投加在曝氣池進水或回流污泥渠（管）中。

目前已確定對于活性污泥法工藝和生物轉盤工藝可采用同步化學除磷方法，但對于生物濾池工藝能否將藥劑投加在二次沉淀池進水中尚值得探討。

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

 

對于要求不嚴的受納水體，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進行中和。

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空氣因而運行費用較高。

各種化學除磷工藝比較
工藝類型	優點	缺點
前置除磷工藝	能降低生物處理構筑物負荷，平衡負荷的波動變化，從而降低能耗；	總污泥產量增加；
	與同步除磷相比，活性污泥中有機成分不會增加；	影響反硝化反應（底物分解過多）；
	現有污水廠易于實施改造。	對改善污泥指數不利；
同步除磷工藝	通過污泥回流可以充分利用除磷藥劑；	采用同步除磷工藝會增加污泥產量；
	如果將藥劑投加到曝氣池中，可采用價格較便宜的二價鐵鹽藥劑；	采用酸性金屬鹽藥劑會使pH值下降到最佳范圍以下，對消化反應不利；
	金屬鹽藥劑會使活性污泥重量增加，從而可以避免污泥膨脹；	硝酸鹽污泥和剩余污泥混合在一起，回收磷酸鹽較為困難，此外在厭氧狀態下污泥中磷會再釋放；
	同步除磷設施的工程量較小。	回流泵會破壞絮體，但可通過投加高分子絮凝助凝劑減輕這種危害。
后置除磷工藝	硝酸鹽的沉淀與生物處理過程分離，互不影響；	后置除磷工藝所需投資大、運行費用高，但當新建污水處理廠時，采用后置除磷工藝可以減少生物處理二沉池的尺寸。
	藥劑投加可以按磷負荷的變化進行控制；
	產生的磷酸鹽污泥可以單獨排放，并可以加以利用。

 

4、除磷劑投加量的計算

在化學沉析除磷時，去除1 mol(31 g) P至少需要1 mol(56 g) Fe，或者至少需要1.8(56/31)倍的Fe，或者0.9(27/31)倍的Al。也就是說去除1 g P至少需要1.8 g的Fe，或者0.9 g的Al。

由于在實際中，反應中并不是100%有效進行的，加之OH^-會與金屬離子競爭反應，生成相應的氫氧化，所以實際化學沉析藥劑投加一般需要超量投加，以保證達到所需要的出水P濃度。德國在計算時，提出了投加系數β的概念，即：

β=(mol Fe,mol Al)／mol P

投加系數β是受多種因素影響的，如投加地點、混合條件等，實際投加時建議通過投加試驗確定。在最佳條件下(適宜的投加、良好的混合和絮凝體的形成條件)β=1；在非最佳條件下，β=2到3或更高。過量投加藥劑不僅會使藥劑費增加，而且因氫氧化物的大量形成也會使污泥量大大增加，這種污泥體積大、難脫水。

德國在實際計算中，為了有效地去除磷(出水保持＜1mg P/1)，β值為1.5，也就是說去除1kg磷，需要投加：

1.5×（56／31）=2.7 kg Fe

或者，

1.5×（27／31）=1.3 kg Al

若用石灰作為化學沉析藥劑，則不能采用這種計算方法，因為其要求投加的pH值大于8.5，而且投加量受污水堿度(緩沖能力)的影響，所以其投加量必須針對各自的污水通過試驗確定。

從嚴格意義上講，投加系數β值的概念只適用于后沉析，對于前沉析和同步沉析在計算時還應考慮：1）回流污泥中含有未反應的藥劑；2）在初次沉淀池中和生物過程去除的磷。

 

計算舉例

例1：污水處理廠設計水量為10000 m³/d，進水中的P濃度為14 mg/L，出水P濃度要求達到1 mg/L。設計采用沉析藥劑三氯化鋁AlCl₃，其有效成分為6%(60 g/kg AlCl₃)，密度為1.3 kg/L。為同步沉析，試計算所需要的藥劑量。

解：

經過初次沉淀地沉淀處理后去除的磷為2 mg/L，則生物處理設施進水的P濃度為11 mg/L，經過生物同化作用去除的P為1 mg/L。則需經沉析去除的 ：

P負荷=10000 m³/d·(0.011-0.001)kg/m³=100 kg/d

設計采用投加系數β值為1.5，

設計Al的投加量為：1.5×（27／31）×100=130 kg Al/d

折算需要藥劑量為：130×1000(g/d)/60(g/kg)=2167 kg/d AlCl₃

折算需要體積量為：2167(kg/d)/1.3(kg/L)=1667 L/d AlCl₃

 

例2：設計采用藥劑硫酸亞鐵FeSO₄，有效成分為180 gFe/kg FeSO₄，在10℃時的飽和溶解度為400 g FeSO₄/L，其它設計參數同例1。

解：

設計采用投加系數β值為1.5，

設計Fe的投加量為：1.5×5631×100=270 kg Fe/d

折算需要藥劑量為：270×1000(g/d)/180(g/kg)=1500 kg/d FeSO₄

飽和溶液中的有效成分為：180(g/kg)·0.4(kg/L)=72 gFe/L FeSO₄

折算需要體積量為：1500·1000(g/d)/72(g/L)=20833 L/d FeSO₄

  水質檢測