純水設(shè)備全面解析：化學(xué)除磷知識(shí)大全
1污水中的磷負(fù)荷
由人類食物發(fā)生的磷是不變的但國(guó)內(nèi)外目前普遍開(kāi)始采用無(wú)磷洗滌劑，所以由洗滌劑發(fā)生的磷幾年降低了許多。鄉(xiāng)村污水原水中的磷濃度在國(guó)主要取決于工業(yè)廢水中的磷含量國(guó)外生活污水一般為1025mg/l國(guó)一般為510mg/l其大部分是無(wú)機(jī)化合磷，并是溶解狀的這一局部主要由來(lái)自洗滌劑的正磷酸鹽和稠環(huán)磷酸鹽組成�？偭字械囊恍【植渴怯袡C(jī)化合磷，其以溶解和非溶解狀態(tài)存在稠環(huán)磷酸鹽(如P3O105-和有機(jī)化合磷(核酸一般在污水管網(wǎng)中和污水處置中就已經(jīng)轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽(PO43-
2化學(xué)除磷的基礎(chǔ)
化學(xué)除磷是通過(guò)化學(xué)沉析過(guò)程完成的化學(xué)沉析是指通過(guò)向污水中投加無(wú)機(jī)金屬鹽藥劑，其與污水中溶解性的鹽類，如磷酸鹽混合后，形成顆粒狀、非溶解性的物質(zhì)，這一過(guò)程涉及的所謂的相轉(zhuǎn)移過(guò)程，反應(yīng)方程舉例如式1實(shí)際上投加化學(xué)藥劑后，污水中進(jìn)行的不只僅是沉析反應(yīng)，同時(shí)還進(jìn)行著化學(xué)絮凝反應(yīng)，所以必需區(qū)分化學(xué)沉析和化學(xué)絮凝的差別(如圖1所示)
FeCl3+K3PO4FePO4↓+3KCl式1
污水沉析反應(yīng)可以簡(jiǎn)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(guò)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(guò)程，所以絮凝不是相轉(zhuǎn)移過(guò)程。
污水凈化工藝中，絮凝和沉析都是極為重要的但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。如果利用沉析工藝實(shí)現(xiàn)相的轉(zhuǎn)換，純水設(shè)備則當(dāng)向污水中投加了溶解性的金屬鹽藥劑后，一方面溶解性的磷轉(zhuǎn)換成為非溶解性的磷酸金屬鹽，也會(huì)同時(shí)發(fā)生非溶解性的氫氧化物(取決于PH值)另一方面，隨著沉析物的增加及較小的非溶解性固體物聚積成較大的非溶解性固體物，使穩(wěn)定的膠體脫穩(wěn)，通過(guò)速度梯度或擴(kuò)散過(guò)程使脫穩(wěn)的膠體互相接觸生成絮凝體。最后通過(guò)固—液分離步驟，得到凈化的污水和固一液濃縮物(化學(xué)污泥)達(dá)到化學(xué)除磷的目的
3化學(xué)除磷藥劑的類型
根據(jù)化學(xué)沉析反應(yīng)的基礎(chǔ)，為了生成磷酸鹽化合物，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(熟石灰)許多高價(jià)金屬離子藥劑投加到污水中后，都會(huì)與污水中的溶解性磷離子結(jié)合生成難溶解性的化合物。出于經(jīng)濟(jì)原因，用于磷沉析的金屬鹽藥劑主要是Fe3+Al3+和Fe2+鹽和石灰。這些藥劑是以溶液和懸浮液狀態(tài)使用的二價(jià)鐵鹽僅當(dāng)污水中含有氧，能被氧化成三價(jià)鐵鹽時(shí)才能使用。Fe2+實(shí)際中為了能被氧化常投加到曝氣沉砂池或采用同步沉析工藝投加到曝氣池中，其效果同使用Fe3+一樣，反應(yīng)式如式23
A l3++PO43-AlPO4↓pH=67式2
Fe3++PO43-FePO4↓pH=55.5式3
與沉析反應(yīng)相競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)是金屬離子與OH反應(yīng)，所以對(duì)于各種不同的金屬鹽產(chǎn)品應(yīng)注意的金屬的離子量，反應(yīng)式如式45
A l3++3OH-AlOH3↓（式4
Fe3++3OH-FeOH3式5
金屬氫氧化物會(huì)形成大塊的絮凝體，這對(duì)于沉析產(chǎn)物的絮凝是有利的同時(shí)還會(huì)吸附膠體狀的物質(zhì)、細(xì)微懸浮顆粒。需要注意的有機(jī)物在以化學(xué)除磷為目的化學(xué)沉析反應(yīng)中的沉析去除是主要的但在分離時(shí)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(guò)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影響。對(duì)于鐵鹽最佳PH值范圍為5.05.5對(duì)于鋁鹽為6.07.0因?yàn)樵谝陨?span>PH值范圍內(nèi)FePO4或AIPO4溶解性最小。另外使用金屬鹽藥劑會(huì)給污水和污泥處置還會(huì)帶來(lái)益處，比如會(huì)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(huì)使污水處置廠出水中的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(huì)降低污水的堿度，這也許會(huì)對(duì)凈化發(fā)生有利影響。當(dāng)在同步沉析工藝中使用硫酸鐵時(shí)，必需考慮對(duì)硝化反應(yīng)的影響。
另外，如果污水處置廠污泥用于農(nóng)業(yè)，使用金屬鹽藥劑除磷時(shí)必需考慮鋁或者鐵負(fù)荷對(duì)農(nóng)業(yè)的影響。
除了金屬鹽藥劑外，氫氧化鈣也用作沉析藥劑。沉折過(guò)程中，純水設(shè)備對(duì)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?yàn)殡S著pH值的提高，磷酸鈣的溶解性降低，采用CaOH2除磷要求的pH值為8.5以上。磷酸鈣的形成是按反應(yīng)式6進(jìn)行的
5Ca2++3PO43-+OH-Ca5PO43OH↓（式6
但在pH值為8.510.5范圍內(nèi)除了會(huì)發(fā)生磷酸鈣沉析外，還會(huì)發(fā)生碳酸鈣，這也許會(huì)導(dǎo)致在池壁或渠、管壁上結(jié)垢，反應(yīng)式如式7
Ca2++CO32-CaCO3式7
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)影響。一定的PH值惰況下，鈣的投加量是與堿度成正比的
對(duì)于軟或中硬的污水，采用鈣沉析時(shí)，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。
污水除磷常用的藥劑類型詳見(jiàn)下表。
4化學(xué)沉析工藝
化學(xué)沉析工藝是按沉析藥劑的投加地點(diǎn)來(lái)區(qū)分的實(shí)際中常采用的有：前沉析、同步沉析和后沉析或在生物處置之后加絮凝過(guò)濾。
1前沉析
前沉析工藝的特點(diǎn)是沉析藥劑投加在沉砂池中，或者初次沉淀池的進(jìn)水渠(管)中，或者文丘里渠(利用渦流)中。其一般需要設(shè)置發(fā)生渦流的裝置或者供給能量以滿足混合的需要。相應(yīng)發(fā)生的沉析產(chǎn)物(大塊狀的絮凝體)則在一次沉淀池中通過(guò)沉淀而被分離。如果生物段采用的生物濾池，則不允許使Fe2+藥劑，以防止對(duì)填料發(fā)生危害(發(fā)生黃銹)
前沉析工藝(如圖2所示)特別適合于現(xiàn)有污水處置廠的改建(增加化學(xué)除磷措施)因?yàn)橥ㄟ^(guò)這一工藝方法不只可以去除磷，而且可以減少生物處置設(shè)施的負(fù)荷。常用的沉析藥劑主要是生灰和金屬鹽藥劑。經(jīng)前沉析后剩余磷酸鹽的含量為1.5-2.5mg/1完全能滿足后續(xù)生物處置對(duì)磷的需要。
2同步沉析
同步沉析是使用最廣泛的化學(xué)除磷工藝，國(guó)外約占所有化學(xué)除磷工藝的50%其工藝是將沉析藥劑投加在曝氣池出水或二次沉淀池進(jìn)水中，個(gè)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。
圖3采用同步沉析的活性污泥法工藝簡(jiǎn)圖。當(dāng)采用生物轉(zhuǎn)盤(pán)工藝時(shí)，純水設(shè)備情況和活性污泥法類似，但對(duì)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。
3后沉析
后沉析是將沉析、絮凝以及被絮凝物質(zhì)的分離在一個(gè)與生物設(shè)施相分離的設(shè)施中進(jìn)行，因而也就有二段法工藝的說(shuō)法。一般將沉析藥劑投加到二次沉淀池后的一個(gè)混合池(M池)中，并在其后設(shè)置絮凝池(F池)和沉淀池(或氣浮池)
后沉析工藝簡(jiǎn)圖如圖4所示。對(duì)于要求不嚴(yán)的受納水體，后沉析工藝中可采用石灰乳液藥劑，但必需對(duì)出水PH值加以控制，比如采用沼氣中的CO2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?yàn)樾韬愣ü⿷?yīng)空氣而運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較高。
三種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)匯總于表3中。
5化學(xué)沉析藥劑量的計(jì)算
由式2和式3去除一分子的磷酸鹽，需要一分子的鐵鹽或者鋁鹽。為了計(jì)算方便，實(shí)際計(jì)算采用克分子(mol或者克原子量。
化學(xué)沉析除磷時(shí)，去除lmol31gP至少需要lmol56gFe或者至少需要1.856/31倍的Fe或者O.927/31倍的Al也就是說(shuō)去除lgP至少需要1.8gFe或者0.9gAl
由于在實(shí)際中，反應(yīng)中并不是100%有效進(jìn)行的加之OH-會(huì)與金屬離子競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，生成相應(yīng)的氫氧化，如式4和式5所以實(shí)際化學(xué)沉析藥劑投加一般需要超量投加，以保證達(dá)到所需要的出水P濃度。德國(guó)在計(jì)算時(shí)，提出了投加系數(shù)β的概念，即：
β=molFe,molA lmolP式8
投加系數(shù)β是受多種因素影響的如投加地點(diǎn)、混合條件等，實(shí)際投加時(shí)建議通過(guò)投加試驗(yàn)確定，圖5投加系數(shù)和磷減少量的關(guān)系。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非最佳條件下，β=23或更高。過(guò)量投加藥劑不只會(huì)使藥劑費(fèi)增加，而且因氫氧化物的大量形成也會(huì)使污泥量大大增加，這種污泥體積大、難脫水。
德國(guó)在實(shí)際計(jì)算中，為了有效地去除磷(出水保持＜1mgP/1β值為1.5也就是說(shuō)去除1kg磷，需要投加：
1.55631=2.7kgFe
或者，
1.52731=1.3kgAl
若用石灰作為化學(xué)沉析藥劑，則不能采用這種計(jì)算方法，因?yàn)槠湟笸都拥?span>pH值大于8.5而且投加量受污水堿度(緩沖能力)影響，所以其投加量必需針對(duì)各自的污水通過(guò)試驗(yàn)確定。
從嚴(yán)格意義上講，投加系數(shù)β值的概念只適用于后沉析，純水設(shè)備對(duì)于前沉析和同步沉析在計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮：1回流污泥中含有未反應(yīng)的藥劑；2初次沉淀池中和生物過(guò)程去除的磷。
6計(jì)算舉例
例1污水處置廠設(shè)計(jì)水量為10000m3/d進(jìn)水中的P濃度為14mg/1出水P濃度要求達(dá)到1mg/l設(shè)計(jì)采用沉析藥劑三氯化鋁AlCl3其有效成分為6%60g/kgA lCl3密度為1.3kg/l為同步沉析，試計(jì)算所需要的藥劑量。
解：
經(jīng)過(guò)初次沉淀地沉淀處置后去除的磷為2mg/l則生物處置設(shè)施進(jìn)水的P濃度為11mg/l經(jīng)過(guò)生物同化作用去除的P為1mg/l則需經(jīng)沉析去除的
P負(fù)荷=
10000m3/d0.011-0.001kg/m3=100kg/d
設(shè)計(jì)采用投加系數(shù)β值為1.5
設(shè)計(jì)Al投加量為：
1.52731100=130kgA l/d
折算需要藥劑量為：
1301000g/d/60g/kg=2167kg/dA lCl3
折算需要體積量為：
2167kg/d/1.3kg/l=16671/dA lCl3
例2設(shè)計(jì)采用藥劑硫酸亞鐵FeSO4有效成分為180gFe/kgFeSO410℃時(shí)的飽和溶解度為400gFeSO4/l其它設(shè)計(jì)參數(shù)同例1
解：
設(shè)計(jì)采用投加系數(shù)β值為1.5
設(shè)計(jì)Fe投加量為：
1.55631100=270kgFe/d
折算需要藥劑量為：
2701000g/d/180g/kg=1500kg/dFeSO4
飽和溶液中的有效成分為：
180g/kg0.4kg/l=72gFe/lFeSO4
折算需要體積量為：
15001000g/d/72g/l=20833l/dFeSO4
7沉析對(duì)污水處理的影響
1沉析對(duì)污水處置廠出水金屬含量的影響
污水處置廠出水中金屬和藥劑的含量主要取決于對(duì)懸浮物的分離，純水設(shè)備當(dāng)然藥劑的投加、β值、pH值、污水堿度及投加技術(shù)也都對(duì)其有影響。
污水處置廠出水中的鐵和鋁一般是難溶解的磷酸鹽和氫氧化物，并以懸浮狀態(tài)存在
正常藥劑投加量(如β=1.5同步沉析)pH為中性及有足夠好的二次沉淀池或沉淀池的情況下，鋁和鐵的含量一般不會(huì)超過(guò)1.0mg/l而且盡管污水處置廠進(jìn)水中的鐵常常超過(guò)1.0mg/l對(duì)于絮凝濾池出水中鐵或鋁的含量一般小于0.5mg/l
2沉析對(duì)出水中鹽含量的影響
采用金屬藥劑進(jìn)行磷沉析肯定會(huì)導(dǎo)致污水處置廠出水中的鹽(Cl-或SO42-含量)增加。其增加量可通過(guò)計(jì)算確定：
如：例1中投加AlCl3由于1kgA l對(duì)應(yīng)3.9335.5/27=3.94kgCl-Cl-增加量：
1303.94=513kgCl-/d
折算濃度為：
513kg/d1000/10000m3/d=51.3mg/l
例2中投加FeSO4,由于1kgFe對(duì)應(yīng)1.732+416/56=1.71kgSO42-SO24-增加量：
2701.7=461.7kgSO24-/d
折算濃度為：
461.7kg/d1000/10000m3/d=46.2mg/l
含有少量工業(yè)廢水的鄉(xiāng)村污水處置廠正常出水中Cl-＜100mg/lSO24-＜200mg/l也就是說(shuō)采用金屬藥劑后出水中的鹽含量Cl-升高50%SO42-升高25%當(dāng)受納水體有嚴(yán)格求時(shí)，應(yīng)對(duì)鹽含量進(jìn)行驗(yàn)算。
因在磷酸鹽沉析的同時(shí)，重碳酸鹽也被去除，所以出水中的總含鹽量(電導(dǎo)率)幾乎堅(jiān)持不變。
3沉析對(duì)堿度的影響
水的堿度是指使一升水達(dá)到某一PH值的HCI用量，堿度也是指對(duì)酸的緩沖能力。污水處置廠進(jìn)水的堿度對(duì)應(yīng)的其所在流域飲用水的堿度和由銨產(chǎn)生的堿度。磷酸鹽沉析時(shí)，純水設(shè)備只要鐵或鋁離子進(jìn)入水溶液中就形成六水復(fù)和體；一般形式為MeH2O3+6Me金屬)這種復(fù)合體象酸一樣可進(jìn)一步水解：
MeH2O63+3H++MeOH3+3H2O式9
該反應(yīng)與溶液的pH值有關(guān)，同時(shí)會(huì)降低水的堿度。由于氫氧化物以難溶的復(fù)合體形式沉析出來(lái)，不會(huì)提高污水的堿度，所以對(duì)于金屬氫氧化物的沉析必需估算酸當(dāng)量，對(duì)于金屬磷酸鹽的沉析也是一樣。同步沉析中分離磷酸鹽只能略微提高污水的堿度。
4沉析對(duì)剩余污泥產(chǎn)量的影響
正如前面所述的一樣，污水中溶解性磷去除結(jié)果就是發(fā)生污泥，不同的工藝，污泥的排除位置也不相同。對(duì)于同步沉析則是以剩余污泥的形式排出設(shè)施。剩余污泥產(chǎn)量是污泥處置設(shè)計(jì)、運(yùn)行的重要參數(shù)，帶有同步沉析化學(xué)除磷時(shí)，單位污泥產(chǎn)量是由去除BOD5發(fā)生的剩余污泥和同步沉析除磷的沉析物所組成。
對(duì)于由同步沉析，化學(xué)除磷發(fā)生污泥由沉析藥劑的類型、所投加金屬離子與需沉析磷的克分子比來(lái)確定。β=1.5時(shí)，投加1kgFe發(fā)生產(chǎn)2.5kg干物質(zhì)，或投加1kgA l發(fā)生產(chǎn)4kg干物質(zhì)。
5沉析對(duì)硝化反應(yīng)的影響
采用硫酸鐵藥劑進(jìn)行同步沉析時(shí)，對(duì)硝化反應(yīng)是有阻礙影響的這種情況下故而推薦將污泥泥齡提高10%采用氯化鐵鹽藥劑對(duì)硝化反應(yīng)是沒(méi)有影響的表4各種沉析工藝對(duì)硝化反應(yīng)的影響系數(shù)，這種影響系數(shù)是指在特定工藝條件下的污泥泥齡與慣例工藝條件下(無(wú)磷的去除，且在同等硝化反應(yīng)能力情況下)污泥泥齡的比值。
因?yàn)樵谇俺廖龅耐瑫r(shí)非溶解狀的碳化合物也會(huì)被沉析出來(lái)，由此不能為氮氧化過(guò)程的穩(wěn)定所要求的反硝化反應(yīng)提供足夠的碳化合物，所以前沉析對(duì)氮的去除也會(huì)發(fā)生負(fù)作用。經(jīng)常呈現(xiàn)的問(wèn)題是通過(guò)一次沉淀已去除掉許多碳化合物，這常缺乏于前置反硝化反應(yīng)所需，再經(jīng)前沉析更加劇了這種矛盾。
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