化學強化除磷在生活污水處理中研究的進展

張煥莉 南國英,2 代學民,2 楊孟林 郭嘉宇 張高偉 任淑萍

1河北建筑工程學院（075000）2河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室（075000）

0 前言

研究表明，氮、磷等是植物生長的主要營養物質，一般在淡水水體中的營養物質是磷，減少水體中磷的含量會限制植物的生長[1]。早期，人們將污水直接排放到水體，但污廢水負荷太高，水體凈化負擔過重，造成水體富營養化，磷含量較高，需要化學強化除磷。傳統的生物脫氮除磷技術中脫氮菌與除磷菌之間存在競爭關系，TP出水指標不能達標。在此基礎上，只能先保障生物脫氮的穩定，后續添加化學絮凝劑輔助除磷。化學藥劑除磷雖在應用以來取得了良好的效果，但是還存在一些問題，化學藥劑投加量大、處理后的污泥處置問題一直是久懸不決的問題。高效、低成本、低耗、無二次污染的除磷材料目前成為研究的重點。化學沉淀法、吸附法等是目前國內外除磷的主要方法。

1 化學沉淀法除磷

一般金屬的正磷酸鹽沉淀的溶解度很低，所以通過投加可溶性金屬鹽與水中溶解性正磷酸鹽配位體反應生成難溶性固體，最終聚集成沉淀去除。一般認為，磷的去除包括正磷酸鹽沉淀、沉淀發揮吸附架橋和卷掃作用吸附磷酸根離子兩個方面。鋁鹽、鐵鹽材料易得，是化學法除磷的常用藥劑。

1.1 鋁鹽除磷劑

鋁鹽常用除磷劑有硫酸鋁、鋁酸鈉和聚合鋁，其中常用的是硫酸鋁。污水中存在OH-和PO43-配位體，投加鋁鹽后發生兩個反應過程[2]:主反應，鋁離子與正磷酸根離子直接反應生成磷酸鋁沉淀；副反應，鋁離子與水反應形成羥基配合物和固體氫氧化鋁。羥基配合物通過吸附架橋、電性中和、網補和卷掃作用使其脫穩發生沉淀[3]。不同pH下所形成的沉淀類型和沉淀優勢區域也不同。在pH＝5.5時固體磷酸鋁的溶解度最小，pH>5.5時氫氧化鋁固體占優勢區域，pH<5.5時磷酸鋁固體占優勢區域。因此，pH值是鋁鹽除磷過程中重要因素之一。在鋁鹽除磷過程中需要注意鋁鹽的用量，鋁鹽過多可能會導致排放水體中鋁的超標。由于動植物間食物鏈的關系，鋁元素可能會逐漸富集對動植物造成一定傷害[4]。

1.2 鐵鹽除磷劑

鐵鹽常用除磷劑有三氯化鐵、氯化亞鐵、硫酸鐵和硫酸亞鐵，最常用的是三氯化鐵。污水中投加鐵鹽后反應過程是與鋁鹽類似的。一方面，鐵離子與磷酸根離子反應生成磷酸鐵；另一方面，鐵離子水解并聚和縮聚反應生成多核羥基配合物。反應消耗溶液中的堿度，使pH值下降。pH值影響磷酸鹽沉淀的溶解度，所以要注意鐵鹽除磷劑的最佳pH值范圍[5]。鐵鹽絮凝劑除磷的最佳pH值為6～7，而Fe2+在pH偏堿性時才能取得最大除磷效果，比污水處理廠中處理污水的pH高。在水中FePO4沉淀性能的穩定性比Fe3(PO4)2好，所以二價鐵鹽一般不作后置投加。在污水處理廠中，為使二價鐵鹽絮凝劑達到最佳除磷效果，一般前置投加在曝氣沉砂池中，使二價鐵充分氧化成三價鐵。鐵鹽在污水處理廠中的應用還是比較廣泛的，需要注意的是鐵鹽出水濁度和色度較高的問題。葛冬冬等[6]試驗研究了對臭氧化污泥減量工藝出水投加亞鐵鹽和三價鐵鹽后的除磷效果，得出了三價鐵鹽比亞鐵鹽處理效果好，而且兩者混合投加時效果會更好。張萌等[7]試驗從反應原理、機理、成本等多個方面比較了常用二價、三價價態鐵鹽的除磷效果。結果表明，高鐵鹽除磷效果優于亞鐵鹽。

1.3 影響因素

化學除磷的影響因素主要有pH值、投藥量等。不溶性沉淀的溶解度受pH值影響較大，因此化學藥劑除磷產生的磷酸鹽沉淀與pH值有關。一般，pH值對除磷效果的影響是先增大后減小，pH值較低或較高都不利于磷酸鹽的去除。試驗中觀察在不同pH值金屬鹽或絮凝劑與磷酸鹽反應產生沉淀的情況，得到最小溶解度對應pH值的范圍，使其除磷效果較好。

投藥量對化學除磷也有影響，水中磷含量的大小決定了投藥量的多少。投藥量較少出水指標不達標，投藥量較大除磷效果可能也不理想。研究表明，藥劑投加量超過一定值時，磷去除率會減少，原因可能是脫穩的膠粒由于膠體保護作用再次穩定。

藥劑的投加點也會對磷的去除造成影響。藥劑可投加在生物反應池之前、之中、之后，稱之為前沉析、同步沉析、后置沉析。前沉析時反應會處理一部分污水中含碳、含氮有機物，對后續的生物脫氮部分產生制約，需要進一步優化用于以生活污水為主的城鎮污水廠。

2 吸附法除磷

吸附法操作簡單、經濟、吸附能力強、吸附容量大，有良好的吸附劑靶向性和穩定性、無二次污染等特點，成為近年來研究熱點。吸附劑達到最大吸附容量時，可通過再生技術循環利用。

目前，用于吸附除磷研究最多的吸附劑是金屬氧化物類吸附劑、硅酸鹽類吸附劑、固體廢棄物類吸附劑。金屬氧化物類吸附劑是將金屬氧化物或氫氧化物與其他物質配制成合成吸附劑，主要是通過吸附劑與磷酸鹽之間的靜電吸附力、離子交換、配位交換去除水中的磷。

硅酸鹽類吸附劑雖具有吸附劑的比表面積大、吸附容量大的特性，但對磷酸鹽的吸附沒有靶向性，而且對磷的吸附量少。改性后的天然硅酸鹽類吸附劑會提高除磷率。

固體廢棄物類吸附劑中研究最多的是鋼渣。鋼渣是煉鋼產業的工業廢料，其成分有鈣、鐵、鎂、鋁等會使正磷酸鹽沉淀的金屬氧化物[8]。鋼渣因具有孔徑結構、比表面積大、高效低耗、成本低、易獲得，成為除磷研究熱點。鋼渣溶于水在酸性環境會釋放出金屬離子，與水中磷酸鹽反應生成不溶性沉淀物。

與傳統的金屬鹽混凝劑相比，混凝劑與鋼渣微粉混合后的除磷效果更佳。唐慶杰等[9]在試驗中進行了只加PFS+PAM和PFS+PAM+鋼渣微粉兩組試驗，通過觀察并記錄，對沉降體積和生成的絮體進行SEM成像分析。結果發現，投加鋼渣微粉一組的PFS投加量下降，并且溶液中TP含量的降低率高。

3 結語

金屬鹽除磷在機理、影響因素等方面的研究目前比較成熟，在形成難溶性磷酸鹽沉淀的過程中與氫氧根沉淀存在競爭關系，pH值成為影響除磷效率的最大因素。此外，金屬鹽除磷存在的最大問題是藥劑投加量大、費用高，尋找一種高效、低成本的除磷材料是未來的發展方向。

普通鋼渣和改性鋼渣均對磷的去除有較好的效果，考慮將鋼渣與絮凝劑復合處理含磷生活污水，既能減少絮凝劑的使用降低成本，又能將固體廢棄物鋼渣廢物利用、變廢為寶，實現資源的充分利用。