化学除磷的设计计算

O~- 会与 金 属 离 子 竞 争 反 应，生 成 相 应 的 氢 氧 化
物，如式（4 ）和式（5 ），所以实际化学沉析药剂投加一
般需要超量投加，以保证达到所需要的出水P 浓度。
德国在计算时，提出了投加系数! 的概念，即：
! ! mol
Fe 或 mol mol P
Al
（8 ）
投加系统 ! 是受多种因素影响的，如 投 加 地
化学除磷措施来满足要求。本文主要介绍化学除磷
的基本原理、主要工艺形式和药剂投加量的计算方
法。
1 污水中的磷负荷 欧洲一些国家曾对生活污水中的总磷做过多次
调查，主要结果见表1 。
表1 国பைடு நூலகம்生活污水中总磷的含量
来源
1975 年调查 1985 年调查 1989 年调查
人类食物（通过人体排泄） 1. 9
1. 9
由式（2 ）和 式（3 ）知 在 化 学 沉 析 除 磷 时，去 除 1 mol（31 g ）P 至少需要1 mol（56 g ）Fe ，即至少需 要
表3 各种化学除磷工艺的优缺点
工艺 类型
优
点
缺
点
·能降低生物 处 理 设施 的 负 ·总污泥产量增加；
前 荷，平衡其负荷的波动变化， ·对反硝化反应造成困难（底
析产物的絮凝是有利的，同时还会吸附胶体状的物
质、细微悬浮颗粒。需要注意的是有机物在以化学
除磷为目的化学沉析反应中的沉析去除是次要的，
而在分离时，有机性胶体以及悬浮物的凝结则是决
定性的过程。
沉析效果是受p H 值影响的，金属磷酸盐的溶 解性同样也受p H 的影响。对于铁盐最佳p H 值范 围为5. 0 !5. 5 ，对于铝盐为6. 0 !7. 0 ，因为在以上 p H 值范围内FePO4 或 Al PO4 的溶解性最小。另外 使用金属盐药剂还会给污水和污泥处理带来益处，
磷要求的p H 值为8. 5 以上。磷酸钙的形成是按反
应式（6 ）进行的：
5 Ca2+ + 3PO34- + OH- ! Ca5（PO4 ）3 OH"
p H #8. 5
（6 ）
但在 p H 值为8. 5 到10. 5 的范围内除了会产
生磷酸钙沉析外，还会产生碳酸钙，这也许会导致在
池壁或渠、管壁上结垢，反应式如式（7 ）。
图2 是采用同步沉析的活性污泥法工艺。当采 用生物转盘工艺时，情况和活性污泥法类似，但对于 生物滤池工艺能否将药剂投加在二次沉淀池进水中 尚值得探讨。
图2 同步沉析工艺流程
4. 3 后沉析 后沉析是将沉析、絮凝以及被絮凝物质的分离
在一个与生物设施相分离的设施中进行，因而也就 有二段法工艺的说法。一般将沉析药剂投加到二次 沉淀池后的一个混合池（M 池）中，并在其后设置絮 凝池（F 池）和沉淀池（或气浮池）。
物（大块状的絮凝体）则在一次沉淀池中通过沉淀而
被分离。如果生物段采用的是生物滤池，则不允许
使用铁盐药剂，以防止对填料产生危害（产生黄锈）。
前沉析工艺（如图1 所示）特别适合于现有污水 处理厂的改建（增加化学除磷措施），因为通过这一
工艺步骤不仅可以去除磷，而且可以减少生物处理
设施的负荷。常用的沉析药剂主要是石灰和金属盐
点、混合条 件 等，实 际 投 加 时 建 议 通 过 投 加 试 验 确
定，图4 是投加系数和磷减少量的关系。在最佳条 件下（适 宜 的 投 加、良 好 的 混 合 和 絮 凝 体 的 形 成 条
给水排水 Vol. 26 No. 9 2000 19
件）!= 1 ；在非最佳条件下，!= 2 到3 或更高。过量 投加药剂不仅会使药剂费增加，而且因氢氧化物的
比如会降低污泥的污泥指数，有利于沼气脱硫等。
另外，如果污水处理厂的污泥用于农业，使用金
属盐药剂除磷时必须考虑铝或者铁负荷对农业的影
响。
除了金属盐药剂外，氢氧化钙也用作沉析药剂。
在沉析过程中，对于不溶解性的磷酸钙的形成起主
要作用的不是 Ca2 + ，而是 OH- 离子，因为随着 p H
值的提高，磷酸钙的溶解性降低，采用 Ca（OH ）2 除
Fecl 3 + K3PO4 " FePO4 # + 3 Kcl （1 ） 污水沉析反应可以简单地理解为：水中溶解状 的物质，大部分是离子状物质转换为非溶解、颗粒状 形式的过程，絮凝则是细小的非溶解状的固体物互 相粘结成较大形状的过程，所以絮凝不是相转移过 程。 在污水净化工艺中，絮凝和沉析都是极为重要 的。如果利用沉析工艺实现相的转换，当向污水中 投加了溶解性的金属盐药剂后，一方面溶解性的磷 转换成为非溶解性的磷酸金属盐，同时也会产生非 溶解性的氢氧化物（取决于p ~ 值）；另一方面，随着 沉析物的增加及较小的非溶解性固体物聚积成较大 的非溶解性固体物，使稳定的胶体脱稳，通过速度梯 度或扩散过程使脱稳的胶体互相接触生成絮凝体。 最后通过固- 液分离步骤，得到净化的污水和固- 液 浓缩物（化学污泥），达到化学除磷的目的。 3 化学除磷药剂的类型 根据化学沉析反应的基础，为了生成磷酸盐化 合物，用于化学除磷的化学药剂主要是金属盐药剂 和氢氧化钙。许多高价金属离子药剂投加到污水中 后，都会与污水中的溶解性磷离子结合生成难溶解 性的化合物。出于经济原因，用于磷沉析的金属盐 药剂主要是Fe3 + 盐、Al 3 + 盐和Fe2 + 盐。这些药剂是
磷酸盐和稠环磷酸盐组成。总磷中的一小部分是有
机化合磷，以溶解和非溶解状态存在。稠环磷酸盐
（如P3 O510- ）和有机化合磷（核酸）一般在污水管网中 和污水处理中就已经转化为正磷酸盐（PO34 - ）。
2 化学除磷基础 化学除磷是通过化学沉析过程完成的，化学沉
析是指通过向污水中投加无机金属盐药剂与污水中 溶解性的盐类，如磷酸盐混合后，形成颗粒状、非溶 解性的物质，这一过程涉及的是所谓的相转移过程， 反应方程举例如式（1 ）。实际上投加化学药剂后，污 水中进行的不仅仅是沉析反应，同时还进行着化学 絮凝作用。
类，实际中常采用的有：前沉析、同步沉析和后沉析
或在生物处理之后加絮凝过滤。
4. 1 前沉析 前沉析 工 艺 的 特 点 是 沉 析 药 剂 投 加 在 沉 砂 池
中，或者初次沉淀池的进水渠（管）中，或者文丘里渠
（利用涡流）中。其一般需要设置产生涡流的装置或
者供给能量以满足混合的需要。相应产生的沉析产
液体
聚合氯化铝 二价
硫酸亚铁 铁盐 三价 氯化硫酸铁 铁盐 氯化铁 熟石灰 氢氧化钙
［Al（OH）!Cl 3 -!］# FeSO4·7 H2 O FeSO4 FeCl SO4 FeCl 3 Ca（OH）2
液体 固体 液体 液体（约40 % ） 液体（约40 % ） 约40 % 的乳液
4 化学沉析工艺 化学沉 析 工 艺 可 按 沉 析 药 剂 的 投 加 地 点 来 分
1. 9
洗涤剂
!1. 6
3. 0
1. 1
合计
!3. 5
4. 9
3. 0
注：表中数据单位为g／（L·d ）。
由人类食物产生的磷是不变的，且国内外目前
普遍开始采用无磷洗涤剂，所以由洗涤剂产生的磷
近几年降低了许多。城市污水中的磷浓度在我国主
要取决于工业废水中的磷含量。我国生活污水磷的
浓度一般为5 !10 mg／L 。其中大部分是无机化合 磷，并是溶解状的，这一部分主要由来自洗涤剂的正
图1 前沉析工艺流程
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药剂。 经 前 沉 析 后 剩 余 磷 酸 盐 的 含 量 为 1. 5 ! 2. 5 mg／L ，完全能满足后续生物处理对磷的需要。 4. 2 同步沉析
同步沉析是使用最广泛的化学除磷工艺，在国 外约占所有化学除磷工艺的50 % 。其工艺是将沉 析药剂投加在曝气池出水或二次沉淀池进水中，个 别情况也有将药剂投加在曝气池进水或回流污泥渠 （管）中。
Fe3+ + PO34- ! FePO4 " p H 5 !5. 5 （3 ）
与沉析反应相竞争的反应是金属离子与 OH-
的反应，反应式如式（4 ）和式（5 ）。
Al 3+ + 3 OH- ! Al（OH）3 "
（4 ）
Fe3+ + 3 OH- ! Fe（OH）3 "
（5 ）
金属氢氧化物会形成大块的絮凝体，这对于沉
Ca2 + + CO23 - ! Ca CO3 "
（7 ）
与钙进行磷酸盐沉析的反应除了受到p H 值的
影响，另外还受到碳酸氢根浓度（碱度）的影响。在
一定的p H 值情况下，钙的投加量是与碱度成正比 的。
对于软或中硬的污水，采用钙沉析时，为了达到 要求的p H 值所需要的钙量是很少的，具有强缓冲 能力的污水则要求较大的钙投加量。
化学除磷的设计计算
唐建国 林洁梅
提要 主要介绍了化学除磷的基本原理、采用的化学药剂类型、工艺形式、投药量的计算等。 关键词 化学 除磷 沉析 设计 计算
0 前言 在静止的或流动缓慢的水体中，如果磷的浓度
过高，会造 成 水 体 的 富 营 养 化，其 危 害 是 众 所 周 知
的，因而在污水处理中进行除磷是必要的。我国《污
污水除磷常用的药剂类型详见表2 。
表2 污水净化的常用药剂
类型 名称
分子式
状态
Al 2（SO4 ）3·18 H2 O
固体
硫酸铝
Al 2（SO4 ）3·14 H2 O
液体
!Al 2（SO4 ）3·"H2 O+ #Fe2（SO4 ）3·$H2 O
固体
铝盐
氯化铝
Al Cl 3
液体
Al Cl 3 + FeCl 3
工 的变化进行控制；
淀池的尺寸。
艺 ·产生的磷酸 盐 污 泥可 以 单
独排放，并可以加以利用，如
用做肥料。
1. 8（56／31 ）倍的 Fe ，或者0. 9（27／31 ）倍的 Al 。也
就是说去除1g P 至少需要1. 8g 的Fe ，或者0. 9g 的
Al 。
由于实际反应并不是100 % 有效进行的，加之
沉 因而可以降低能耗；
物分解过多）；
析 工 ·与同步沉析相比，活性污泥 ·对改善污泥指数不利。
艺 中有机成分不会增加；
·现有污水厂易于实施改造。
·通过污泥回 流 可 以充 分 利 ·采用同步沉 析 工 艺会 增 加
用沉析药剂；
污泥产量；
·如果是将药 剂 投 加到 曝 气 ·采用酸性金 属 盐 药剂 会 使
小。
溶解；
·由于回流 泵 会 使絮 凝 体 破
坏，但 可 通 过 投 加 高 分 子 絮
凝助凝剂减轻这种危害。
·磷酸盐的沉 析 是 和生 物 净 ·后沉析工 艺所 需 要的 投 资
化过程相分离的，互相不 产 大、运行费用高，但当新建污
后 生影响；
水 处 理 厂 时，采 用 后 沉 析 工
沉 ·药剂的投加 可 以 按磷 负 荷 艺可以减小生物处理二次沉 析
池中，可采用价格较便宜的 p ~ 下降到最佳范围以下，这
二价铁盐药剂；
对硝化反应不利；
同 步 ·金属盐药 剂 会使 活 性 污泥 ·磷酸盐污 泥和 生 物 剩余 污
沉 析
重量增加，从而可以避免 活 泥是混合在一起的，因而 回
工 性污泥膨胀；
收磷酸盐是不可能的，此 外
艺 ·同步沉析设 施 的 工程 量 较 在厌氧状态下污泥中磷会再
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以溶液和悬浮液状态使用的。Fe2 + 盐在实际应用中 为了能被氧化常投加到曝气沉砂池或采用同步沉析
工艺投加到曝气池中，其效果同使用 Fe3 + 盐一样，
反应式如式（2 ）、式（3 ）。
Al 3+ + PO34- ! Al PO4 " p H 6 !7 （2 ）
后沉析工艺简图如图3 所示。对于要求不严的 受纳水体，在后沉析工艺中可采用石灰乳液药剂，但 必须对 出 水 p ~ 值 加 以 控 制，如 可 采 用 沼 气 中 的 CO2 进行中和。
图3 后沉析工艺流程
采用气浮池可以比沉淀池更好地去除悬浮物和 总磷，但因为需恒定供应空气而运转费用较高。
三种工艺的优缺点汇总于表3 中。 5 化学沉析药剂量的计算
水综合排放标准》（GB8978 - 1996 ）规定，城市污水 处理厂磷酸盐（以P 计）一级排放标准为0. 5 mg／L 。
磷的去除有化学除磷和生物除磷两种工艺，生
物除磷是一种相对经济的除磷方法，但由于生物除
磷工艺目前还不能保证稳定达到0. 5 mg／L 出水标 准的要求，所以要达到稳定的出水标准，常需要采取
大量形成也会使污泥量大大增加，这种污泥体积大、
难脱水。
图4 在无干扰因素时药剂投加系数和磷去除量的关系
德国在实际计算中，为了有效地去除磷（出水保
持P !1 mg／L ），! 值为1. 5 ，也就是说去除1kg 磷，
需要 投 加：1.
5
>
56 31
=
2.
7kg
FG
或 者，1. 5