隨著水體富營養(yǎng)化問題日益嚴峻，磷作為關鍵限制性營養(yǎng)鹽的有效去除成為水環(huán)境治理的重要課題。除磷劑作為化學除磷的核心材料，通過化學沉淀、吸附和氧化等多重作用機制實現對磷的高效去除。本文系統(tǒng)探討了各類除磷劑對磷的去除機理，重點分析化學吸附與氧化作用的協(xié)同效應，比較不同除磷劑的性能特點，并展望未來發(fā)展方向，為水體磷污染控制提供理論依據和技術參考。

1. 水體磷污染現狀及危害

磷是引起水體富營養(yǎng)化的關鍵因素，其環(huán)境行為具有以下特征：

（1）來源廣泛：生活污水（60%）、農業(yè)徑流（30%）和工業(yè)廢水（10%）是主要人為來源。

（2）形態(tài)復雜：包括正磷酸鹽（PO?³?）、聚磷酸鹽和有機磷等多種形態(tài)，其中可溶性活性磷（SRP）最易被藻類利用。

（3）生態(tài)危害：0.02mg/L的磷濃度即可引發(fā)藻類異常增殖，導致水體溶解氧下降、生物多樣性喪失。

傳統(tǒng)生物除磷工藝對低濃度磷（<0.5mg/L）去除效率有限，難以滿足《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）中湖庫Ⅲ類水總磷≤0.05mg/L的要求，這使得化學除磷技術顯得尤為重要。

2. 除磷劑分類及作用機理

2.1 金屬鹽類除磷劑

主要包括鋁鹽、鐵鹽和鈣鹽三大類：

（1）鋁系除磷劑：如聚合氯化鋁（PAC）、硫酸鋁等，通過Al³?與PO?³?形成AlPO?沉淀（Ksp=10?²¹）。

（2）鐵系除磷劑：如聚合硫酸鐵（PFS）、氯化鐵等，Fe³?與磷酸根生成FePO?（Ksp=10?²?），并在水解過程中形成具有強吸附能力的無定形羥基氧化鐵。

（3）鈣系除磷劑：如石灰，在pH>10時形成羥基磷灰石[Ca??(PO?)?(OH)?]（Ksp=10???）。

2.2 稀土類除磷劑

鑭系元素（如La³?）與磷酸根形成LaPO?（Ksp=10?²?），近年來開發(fā)的鑭改性膨潤土對低濃度磷（0.1mg/L）的去除率仍可達95%以上。

2.3 復合型除磷劑

通過載體負載或元素摻雜提升性能：

（1）鐵鋁復合材料：結合鐵鹽的強吸附性和鋁鹽的快速沉淀特性。

（2）生物炭基材料：利用生物炭的多孔結構負載活性組分，兼具吸附和催化功能。

## **3. 化學吸附作用機理** ### **3.1 表面配位吸附**

金屬（氫）氧化物表面的羥基（M-OH）與磷酸根發(fā)生配體交換：

（1）單齒配位：PO?³?取代一個羥基形成M-OPO?²?。

（2）雙齒配位：一個PO?³?取代兩個羥基形成M-(PO?)-M。

（3）三齒配位：在晶體缺陷位點形成更穩(wěn)定的M?-PO?結構。

研究表明，無定形羥基氧化鐵（HFO）的表面吸附密度可達2.5μmol/m²，是結晶態(tài)鐵礦物的3-5倍。

3.2 靜電吸附

受pH值顯著影響：

（1）低pH條件：吸附劑表面質子化帶正電（M-OH??），有利于PO?³?靜電吸引。

（2）高pH條件：表面去質子化帶負電（M-O?），與磷酸根產生排斥。

鐵系吸附劑的最佳pH范圍為5-7，鋁系為5-6，鈣系需>10。

3.3 孔道捕獲效應

多孔材料（如介孔氧化鋁、活性氧化鐵）通過：

（1）分子篩效應：孔徑0.5-2nm的孔道選擇性吸附磷酸根。

（2）限域增強：納米孔道內的高局部濃度促進吸附反應。

改性沸石的磷吸附容量可達35mg/g，是普通活性氧化鋁的2倍。

4. 化學氧化協(xié)同除磷機制

4.1 氧化劑活化除磷

高級氧化工藝（AOPs）可顯著提升除磷效率：

（1）過硫酸鹽活化：Fe²?激活過硫酸鹽（PS）產生SO??·，同時氧化有機磷并促進Fe³?-PO?沉淀。

（2）光催化氧化：TiO?/Fe?O?復合材料在紫外光下產生·OH，將有機磷礦化為PO?³?。

實驗表明，PDS/Fe²?體系對有機磷的去除率比單純絮凝提高40%。

4.2 原位氧化再生

通過周期性氧化實現吸附劑再生：

（1）Fe²?/Fe³?循環(huán)：H?O?氧化Fe²?生成新生態(tài)Fe³?，持續(xù)提供新鮮吸附位點。

（2）表面氧空位再生：臭氧處理可修復金屬氧化物表面的活性氧空位。

這種策略使吸附劑使用壽命延長3-5倍，運行成本降低50%以上。

5. 影響因素與參數優(yōu)化

5.1 關鍵操作參數

（1）pH值：鋁/鐵系最佳pH5-7，鈣系需>10，需精確控制±0.5。

（2）投加量：理論摩爾比Me/P=1.5-2.5，實際需根據磷形態(tài)調整。

（3）反應時間：沉淀反應5-15min，吸附平衡需30-120min。

（4）溫度：每升高10℃，反應速率提高1.5-2倍。

5.2 水質條件影響

（1）共存陰離子：SO?²?、HCO??競爭吸附位點，需增加10-30%投藥量。

（2）有機物：腐殖酸包裹活性位點，可通過預氧化破解。

（3）懸浮物：提供額外吸附載體，但過量會增加污泥量。

6. 技術比較與工程應用

6.1 各類除磷劑性能對比

類型	優(yōu)點	缺點	適用場景
鋁鹽	絮體大、沉降快	殘留鋁風險	市政污水
鐵鹽	吸附性強、成本低	出水色度	工業(yè)廢水
鈣鹽	污泥穩(wěn)定性好	pH要求高	高磷廢水
稀土	超低濃度有效	材料成本高	深度處理

6.2 典型工程案例

某景觀水體治理項目：

（1）原水水質：TP 1.2mg/L，其中有機磷占40%。

（2）處理工藝：預氧化（O?/H?O?）→復合鐵鋁除磷劑（200mg/L）→生態(tài)過濾。

（3）運行效果：出水TP<0.03mg/L，運行成本0.15元/噸水。

7. 未來發(fā)展趨勢

（1）智能響應材料：開發(fā)pH/ORP自適應型除磷劑。

（2）資源化利用：含磷污泥制備緩釋肥料或磷礦替代品。

（3）微界面強化：利用微氣泡、超聲波等增強傳質效率。

（4）低碳工藝：耦合光伏驅動的高級氧化系統(tǒng)。

除磷劑通過化學沉淀、表面吸附和氧化降解的協(xié)同作用，可實現對水體中磷的高效去除。未來應重點開發(fā)多功能復合材料、優(yōu)化工藝參數耦合、探索磷資源回收途徑，構建"高效去除-資源回收-低碳運行"的可持續(xù)除磷技術體系，為水體富營養(yǎng)化治理提供更加經濟高效的解決方案。