除磷剂与化学沉淀法在污水处理中的效能比较与优化选择研究
发布时间：2025年6月6日
关键词：化学除磷；除磷剂；化学沉淀；磷回收；污泥特性
1.研究背景与技术现状
1.1 水体富营养化治理需求
• 我国地表水磷很标率现状（2022年数据）
• 污水排放标准演变（GB 18918-2002至现行标准）
1.2 主流除磷技术分类
• 生物除磷工艺的局限性（达标率65-75%）
• 化学除磷的必要性补充
2.技术原理与反应机理比较
2.1 化学沉淀法除磷机制
2.1.1 钙盐沉淀（石灰法）
反应式：5Ca²⁺ + 3PO₄³⁻ + OH⁻ → Ca₅(PO₄)₃OH↓
较佳pH范围：10.5-11.0
沉淀物特性：羟基磷灰石（溶解度积10⁻⁵⁸）
2.1.2 铁盐/铝盐沉淀
典型反应：
Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓（Ksp=10⁻²¹）
Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓（Ksp=10⁻²⁰）
2.2 新型除磷剂作用机理
2.2.1 聚合氯化铝（PAC）
• 电中和-吸附-网捕协同作用
• 较佳pH窗口：6.0-7.5
• 聚合铝形态分布与除磷效率关系
2.2.2 聚合硫酸铁（PFS）
• Fe-O-Fe键桥接作用
• 氧化还原辅助除磷
• pH适应范围：5.5-8.5
3.实验材料与方法
3.1 实验设计
3.1.1 对比方案设置
| 处理方式 | 代表药剂 | 投加量梯度 | pH调控 |
| 化学沉淀 | 石灰 | 50-200mg/L | 10.5-11 |
| 三氯化铁 | 30-120mg/L | 6.5-7.5 | |
| 除磷剂 | PAC | 20-80mg/L | 自然pH |
| PFS | 25-100mg/L |
3.2 分析检测方法
• 磷测定：钼酸铵分光光度法（GB 11893-89）
• 絮体特性：激光粒度分析仪
• 污泥特性：比阻测定、脱水实验
4.处理效能对比分析
4.1 除磷效率比较
4.1.1 达标剂量对比（TP≤0.3mg/L）
| 药剂类型 | 投加量(mg/L) | 成本(元/吨水) | 污泥增量(%) |
| 石灰 | 180 | 0.25 | +120 |
| 三氯化铁 | 95 | 0.18 | +80 |
| PAC | 65 | 0.12 | +45 |
| PFS | 70 | 0.10 | +50 |
4.2 工艺适应性对比
4.2.1 pH影响规律
• 石灰法：严格依赖高pH（>10）
• 除磷剂：宽pH窗口（PAC:5-8.5，PFS:4.5-9）
4.2.2 温度适应性
• 低温（10℃）下效率保持率：
-
化学沉淀法：60-70%
-
除磷剂：85-90%
5.污泥特性差异研究
5.1 污泥产量对比
| 处理方式 | 污泥产率(kgDS/kgP) | 沉降速度(m/h) | 比阻(m/kg) |
| 石灰法 | 8.5 | 0.6 | 3.2×10¹² |
| 氯化铁 | 6.2 | 1.2 | 1.8×10¹² |
| PAC | 4.8 | 1.8 | 0.9×10¹² |
| PFS | 5.1 | 1.5 | 1.2×10¹² |
5.2 污泥处置影响
• 石灰污泥：pH高（11-12），难脱水
• 金属盐污泥：潜在重金属溶出风险
• 除磷剂污泥：更易脱水，利于后续处理
6.工程应用案例分析
6.1 案例一：城镇污水处理厂（10万吨/日）
• 原工艺：生物除磷+三氯化铁辅助
• 改造后：PAC精确投加系统
• 效果：药剂成本降低35%，污泥处置费减少28%
6.2 案例二：食品工业废水处理
• 水质特点：高有机磷（占总磷40%）
• 处理方案：PFS氧化-沉淀组合工艺
• 除磷效率：TP从15mg/L降至0.5mg/L
7.技术经济综合评估
7.1 全生命周期成本分析
| 成本项 | 化学沉淀法 | 除磷剂工艺 | 差异率 |
| 基建投资 | 1.0 | 0.9 | -10% |
| 药剂费用 | 1.2 | 0.8 | -33% |
| 污泥处置 | 1.5 | 1.0 | -33% |
| 设备维护 | 1.1 | 0.7 | -36% |
7.2 技术适用性决策矩阵
| 选择因素 | 权重 | 石灰法 | 氯化铁 | PAC | PFS |
|---|---|---|---|---|---|
| 除磷效率 | 25% | 3 | 4 | 5 | 4 |
| 运行成本 | 20% | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 污泥特性 | 15% | 1 | 3 | 4 | 4 |
| 操作简便性 | 10% | 2 | 4 | 5 | 4 |
| 综合得分 | - | 2.15 | 3.45 | 4.4 | 4.3 |
8.结论与展望
（1）新型除磷剂在除磷效率、运行成本和污泥特性方面均优于传统化学沉淀法，其中PAC综合表现较优
（2）建议高浓度含磷废水采用PFS氧化-沉淀组合工艺，城镇污水优先选用PAC精确投加系统
（3）未来研究方向：①纳米复合除磷剂开发 ②磷回收与除磷协同技术 ③智能加药控制系统优化
本研究的创新点：
• 首次建立了基于多目标决策的除磷剂优选模型
• 系统量化了不同除磷技术的污泥特性差异
• 提出了针对不同磷形态（正磷、有机磷）的差异化处理策略