化学强化除磷在生活污水处理中研究的进展

张焕莉 南国英,2 代学民,2 杨孟林 郭嘉宇 张高伟 任淑萍

1河北建筑工程学院（075000）2河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室（075000）

0 前言

研究表明，氮、磷等是植物生长的主要营养物质，一般在淡水水体中的营养物质是磷，减少水体中磷的含量会限制植物的生长[1]。早期，人们将污水直接排放到水体，但污废水负荷太高，水体净化负担过重，造成水体富营养化，磷含量较高，需要化学强化除磷。传统的生物脱氮除磷技术中脱氮菌与除磷菌之间存在竞争关系，TP出水指标不能达标。在此基础上，只能先保障生物脱氮的稳定，后续添加化学絮凝剂辅助除磷。化学药剂除磷虽在应用以来取得了良好的效果，但是还存在一些问题，化学药剂投加量大、处理后的污泥处置问题一直是久悬不决的问题。高效、低成本、低耗、无二次污染的除磷材料目前成为研究的重点。化学沉淀法、吸附法等是目前国内外除磷的主要方法。

1 化学沉淀法除磷

一般金属的正磷酸盐沉淀的溶解度很低，所以通过投加可溶性金属盐与水中溶解性正磷酸盐配位体反应生成难溶性固体，最终聚集成沉淀去除。一般认为，磷的去除包括正磷酸盐沉淀、沉淀发挥吸附架桥和卷扫作用吸附磷酸根离子两个方面。铝盐、铁盐材料易得，是化学法除磷的常用药剂。

1.1 铝盐除磷剂

铝盐常用除磷剂有硫酸铝、铝酸钠和聚合铝，其中常用的是硫酸铝。污水中存在OH-和PO43-配位体，投加铝盐后发生两个反应过程[2]:主反应，铝离子与正磷酸根离子直接反应生成磷酸铝沉淀；副反应，铝离子与水反应形成羟基配合物和固体氢氧化铝。羟基配合物通过吸附架桥、电性中和、网补和卷扫作用使其脱稳发生沉淀[3]。不同pH下所形成的沉淀类型和沉淀优势区域也不同。在pH＝5.5时固体磷酸铝的溶解度最小，pH>5.5时氢氧化铝固体占优势区域，pH<5.5时磷酸铝固体占优势区域。因此，pH值是铝盐除磷过程中重要因素之一。在铝盐除磷过程中需要注意铝盐的用量，铝盐过多可能会导致排放水体中铝的超标。由于动植物间食物链的关系，铝元素可能会逐渐富集对动植物造成一定伤害[4]。

1.2 铁盐除磷剂

铁盐常用除磷剂有三氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁和硫酸亚铁，最常用的是三氯化铁。污水中投加铁盐后反应过程是与铝盐类似的。一方面，铁离子与磷酸根离子反应生成磷酸铁；另一方面，铁离子水解并聚和缩聚反应生成多核羟基配合物。反应消耗溶液中的碱度，使pH值下降。pH值影响磷酸盐沉淀的溶解度，所以要注意铁盐除磷剂的最佳pH值范围[5]。铁盐絮凝剂除磷的最佳pH值为6～7，而Fe2+在pH偏碱性时才能取得最大除磷效果，比污水处理厂中处理污水的pH高。在水中FePO4沉淀性能的稳定性比Fe3(PO4)2好，所以二价铁盐一般不作后置投加。在污水处理厂中，为使二价铁盐絮凝剂达到最佳除磷效果，一般前置投加在曝气沉砂池中，使二价铁充分氧化成三价铁。铁盐在污水处理厂中的应用还是比较广泛的，需要注意的是铁盐出水浊度和色度较高的问题。葛冬冬等[6]试验研究了对臭氧化污泥减量工艺出水投加亚铁盐和三价铁盐后的除磷效果，得出了三价铁盐比亚铁盐处理效果好，而且两者混合投加时效果会更好。张萌等[7]试验从反应原理、机理、成本等多个方面比较了常用二价、三价价态铁盐的除磷效果。结果表明，高铁盐除磷效果优于亚铁盐。

1.3 影响因素

化学除磷的影响因素主要有pH值、投药量等。不溶性沉淀的溶解度受pH值影响较大，因此化学药剂除磷产生的磷酸盐沉淀与pH值有关。一般，pH值对除磷效果的影响是先增大后减小，pH值较低或较高都不利于磷酸盐的去除。试验中观察在不同pH值金属盐或絮凝剂与磷酸盐反应产生沉淀的情况，得到最小溶解度对应pH值的范围，使其除磷效果较好。

投药量对化学除磷也有影响，水中磷含量的大小决定了投药量的多少。投药量较少出水指标不达标，投药量较大除磷效果可能也不理想。研究表明，药剂投加量超过一定值时，磷去除率会减少，原因可能是脱稳的胶粒由于胶体保护作用再次稳定。

药剂的投加点也会对磷的去除造成影响。药剂可投加在生物反应池之前、之中、之后，称之为前沉析、同步沉析、后置沉析。前沉析时反应会处理一部分污水中含碳、含氮有机物，对后续的生物脱氮部分产生制约，需要进一步优化用于以生活污水为主的城镇污水厂。

2 吸附法除磷

吸附法操作简单、经济、吸附能力强、吸附容量大，有良好的吸附剂靶向性和稳定性、无二次污染等特点，成为近年来研究热点。吸附剂达到最大吸附容量时，可通过再生技术循环利用。

目前，用于吸附除磷研究最多的吸附剂是金属氧化物类吸附剂、硅酸盐类吸附剂、固体废弃物类吸附剂。金属氧化物类吸附剂是将金属氧化物或氢氧化物与其他物质配制成合成吸附剂，主要是通过吸附剂与磷酸盐之间的静电吸附力、离子交换、配位交换去除水中的磷。

硅酸盐类吸附剂虽具有吸附剂的比表面积大、吸附容量大的特性，但对磷酸盐的吸附没有靶向性，而且对磷的吸附量少。改性后的天然硅酸盐类吸附剂会提高除磷率。

固体废弃物类吸附剂中研究最多的是钢渣。钢渣是炼钢产业的工业废料，其成分有钙、铁、镁、铝等会使正磷酸盐沉淀的金属氧化物[8]。钢渣因具有孔径结构、比表面积大、高效低耗、成本低、易获得，成为除磷研究热点。钢渣溶于水在酸性环境会释放出金属离子，与水中磷酸盐反应生成不溶性沉淀物。

与传统的金属盐混凝剂相比，混凝剂与钢渣微粉混合后的除磷效果更佳。唐庆杰等[9]在试验中进行了只加PFS+PAM和PFS+PAM+钢渣微粉两组试验，通过观察并记录，对沉降体积和生成的絮体进行SEM成像分析。结果发现，投加钢渣微粉一组的PFS投加量下降，并且溶液中TP含量的降低率高。

3 结语

金属盐除磷在机理、影响因素等方面的研究目前比较成熟，在形成难溶性磷酸盐沉淀的过程中与氢氧根沉淀存在竞争关系，pH值成为影响除磷效率的最大因素。此外，金属盐除磷存在的最大问题是药剂投加量大、费用高，寻找一种高效、低成本的除磷材料是未来的发展方向。

普通钢渣和改性钢渣均对磷的去除有较好的效果，考虑将钢渣与絮凝剂复合处理含磷生活污水，既能减少絮凝剂的使用降低成本，又能将固体废弃物钢渣废物利用、变废为宝，实现资源的充分利用。