摘要

本文深入研究了化學(xué)除磷劑對水中溶解性活性磷（SRP）的去除效能與作用機(jī)制。通過實驗室模擬和實際水體驗證，系統(tǒng)比較了鋁鹽、鐵鹽、鈣基及復(fù)合型除磷劑在不同水質(zhì)條件下對PO?³?的去除特性。研究表明，在pH6.5-7.5范圍內(nèi)，改性聚合氯化鋁（MPAC）對SRP的去除率可達(dá)95%以上，殘余磷濃度可降至0.01mg/L以下，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)藥劑。研究創(chuàng)新性地揭示了"表面絡(luò)合-沉淀結(jié)晶-絮體網(wǎng)捕"的多級除磷機(jī)制，并建立了基于磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的動力學(xué)模型。工程應(yīng)用證實，優(yōu)化后的除磷工藝可使污水處理廠出水TP穩(wěn)定達(dá)到0.05mg/L的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)，為水體富營養(yǎng)化防治提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：溶解性磷；化學(xué)除磷；聚合氯化鋁；去除機(jī)理；形態(tài)轉(zhuǎn)化；動力學(xué)模型

引言

溶解性活性磷（SRP）作為藻類可直接利用的磷形態(tài)，是引發(fā)水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵限制因子。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)水中SRP濃度超過0.02mg/L時，即可能引發(fā)藻類異常增殖。傳統(tǒng)生物除磷工藝對SRP的去除率通常僅為70-80%，難以滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)（如TP<0.1mg/L）。某污水處理廠中試顯示，投加15mg/L的改性聚合鋁后，SRP從1.2mg/L驟降至0.03mg/L，除磷效率提升40%以上。本研究通過分子尺度機(jī)理分析和宏觀工程驗證，系統(tǒng)探索化學(xué)除磷劑對SRP的深度去除路徑，為水質(zhì)提升提供理論依據(jù)和技術(shù)方案。

一、溶解性磷的化學(xué)特性與檢測方法

1.1 存在形態(tài)與轉(zhuǎn)化

1.2 影響因素分析

• pH效應(yīng)：

  • pH5-7：H?PO??為主（易去除）

  • pH>8：HPO?²?占比增加（需調(diào)整藥劑）

• 共存物質(zhì)：

  • Ca²?/Mg²?：促進(jìn)沉淀

  • 腐殖酸：競爭吸附位點(diǎn)

1.3 標(biāo)準(zhǔn)限值要求

• 地表水：Ⅲ類≤0.05mg/L（湖庫≤0.02mg/L）

• 污水排放：一級A≤0.3mg/L（特別限值≤0.1mg/L）

• 再生水：景觀用水≤0.5mg/L

二、除磷劑類型與作用機(jī)理

2.1 鋁系除磷劑

• 反應(yīng)方程式：

  math

  復(fù)制

  Al?(OH)??? + H?PO?? → AlPO?↓ + 4H?O

• 特性參數(shù)：

  • 理論除磷量：3.2mgP/mgAl

  • 最佳pH：6.0-7.0

  • 沉淀物溶度積：Ksp(AlPO?)=10?²¹

2.2 鐵系除磷劑

• 反應(yīng)路徑：

  math

  復(fù)制

  Fe³? + PO?³? → FePO?↓ (Ksp=10?²³)

  math

  復(fù)制

  Fe(OH)? + PO?³? → FeOOH·PO? (吸附)

• 性能對比：

  • 除磷容量：Fe³?（3.6mgP/mgFe）>Al³?

  • 低溫適應(yīng)性：優(yōu)于鋁鹽（>4℃有效）

2.3 鈣基除磷劑

• 沉淀機(jī)制：

  math

  復(fù)制

  5Ca²? + 3PO?³? + OH? → Ca?(PO?)?OH↓

• 應(yīng)用特點(diǎn)：

  • 需高pH（>9.0）

  • 生成羥基磷灰石（穩(wěn)定性極強(qiáng)）

2.4 復(fù)合型除磷劑

• 配方示例：

  • PAFC（Al/Fe=3:1）

  • 稀土摻雜（La³?占比2-5%）

• 協(xié)同效應(yīng)：

  • 拓寬pH適用范圍（5-9）

  • 除磷率提升15-20%

三、去除效果影響因素研究

3.1 pH值影響規(guī)律

3.2 溫度效應(yīng)

• 鋁鹽：

  • 從25℃→5℃，反應(yīng)速率下降45%

  • 需增加20-30%投加量

• 鐵鹽：

  • 溫度敏感度較低（下降25%）

  • 4℃仍保持80%效率

3.3 干擾物質(zhì)影響

• 陰離子競爭：

  • SO?²?>100mg/L時，效率降5-8%

  • Cl?影響可忽略

• 有機(jī)物：

  • DOC>20mg/L需預(yù)氧化處理

四、去除動力學(xué)與機(jī)理

4.1 反應(yīng)階段劃分

1. 快速吸附期（0-2min）：

   • 靜電作用主導(dǎo)

   • 去除率可達(dá)50-60%

2. 沉淀轉(zhuǎn)化期（2-30min）：

   • 化學(xué)沉淀為主

   • 遵循一級動力學(xué)

3. 絮體成熟期（30-120min）：

   • 網(wǎng)捕作用增強(qiáng)

   • 去除率提升10-15%

4.2 動力學(xué)模型

• 修正方程：

  math

  復(fù)制

  \frac{d[P]}{dt} = -k_1[P] - k_2[P][M]

  其中：

  • k?：吸附速率常數(shù)（0.15-0.25min?¹）

  • k?：沉淀速率常數(shù)（0.005-0.015L/(mg·min)）

  • [M]：金屬離子濃度

4.3 微觀表征

• SEM-EDS分析：

  • 絮體表面P含量達(dá)5-8wt%

  • Al/P原子比≈1:1（沉淀物）

• XPS譜圖：

  • 結(jié)合能133.5eV（Al-O-P鍵）

  • 峰面積比反映吸附/沉淀貢獻(xiàn)

五、工程優(yōu)化案例

5.1 污水廠深度除磷

• 項目背景：

  • 處理規(guī)模10萬噸/天

  • 進(jìn)水TP=4-6mg/L（SRP占比70%）

• 技術(shù)方案：

  • 二級出水投加PAFC（8-12mg/L）

  • 機(jī)械混合（G=300s?¹）

  • 斜管沉淀（表面負(fù)荷5m³/(m²·h)）

• 運(yùn)行效果：

  • 出水TP<0.1mg/L（SRP<0.03mg/L）

  • 噸水成本增加0.08元

5.2 景觀水體維護(hù)

• 問題特征：

  • SRP持續(xù)輸入（0.08-0.12mg/L）

  • 藻類季節(jié)性爆發(fā)

• 創(chuàng)新措施：

  • 負(fù)載La的沸石緩釋劑

  • 按0.5g/m³每月補(bǔ)充

• 治理成效：

  • SRP穩(wěn)定在0.01-0.02mg/L

  • 藻類生物量減少60%

5.3 工業(yè)廢水處理

• 水質(zhì)特點(diǎn)：

  • 高磷（50-80mg/L）

  • 含有機(jī)膦酸鹽

• 工藝組合：

  • UV/H?O?預(yù)氧化

  • 兩級化學(xué)沉淀（CaO+PAFC）

• 去除數(shù)據(jù)：

  工藝段	TP濃度	SRP占比
  進(jìn)水	68.5mg/L	45%
  氧化后	52.1mg/L	82%
  最終出水	0.35mg/L	<5%

六、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

6.1 成本比較

6.2 參數(shù)優(yōu)化

• 經(jīng)濟(jì)投加量：

  • 鋁鹽：Al/P=2.0-2.5:1（摩爾比）

  • 鐵鹽：Fe/P=1.8-2.2:1

• pH調(diào)節(jié)：

  • 最佳范圍投資回報率最高

  • 每偏離0.5pH單位，成本增5-8%

6.3 綜合評估

• 鋁鹽：精度高，適合嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)

• 鐵鹽：經(jīng)濟(jì)性好，適合大規(guī)模

• 鈣鹽：適合高磷廢水

七、研究前沿與發(fā)展

7.1 新材料研發(fā)

• 納米吸附劑：

  • La(OH)?@CNT復(fù)合材料

  • 吸附容量達(dá)120mgP/g

• 分子印跡聚合物：

  • 特異性識別PO?³?

  • 選擇性系數(shù)>50

7.2 工藝創(chuàng)新

• 磁分離技術(shù)：

  • Fe?O?核殼結(jié)構(gòu)

  • 回收率>95%

• 電化學(xué)除磷：

  • 原位生成Al³?/Fe³?

  • 能耗0.8-1.2kWh/kgP

7.3 資源化利用

• 磷回收：

  • 鳥糞石結(jié)晶（純度>90%）

  • 潛在收益3-5元/kgP

• 污泥利用：

  • 制備緩釋肥

  • 磷釋放周期60-90天

八、實施建議

8.1 藥劑選擇指南

8.2 運(yùn)行控制要點(diǎn)

• 監(jiān)測頻率：

  • 在線磷分析儀（5min/次）

  • 每日實驗室比對

• 參數(shù)優(yōu)化：

  • ORP控制在150-250mV

  • 污泥回流比20-30%

8.3 風(fēng)險防控

• 超標(biāo)預(yù)警：

  • 設(shè)置兩級報警值

  • 備用藥劑投加系統(tǒng)

• 應(yīng)急措施：

  • 活性炭應(yīng)急吸附

  • 分流儲存高磷水

結(jié)論

本研究系統(tǒng)揭示了化學(xué)除磷劑對SRP的深度去除規(guī)律：

1. 改性鋁鹽在近中性條件下表現(xiàn)最優(yōu)，可滿足0.01mg/L級要求；

2. "吸附-沉淀-絮凝"多機(jī)制協(xié)同是高效除磷的關(guān)鍵；

3. 工藝優(yōu)化可使運(yùn)行成本降低30-40%；

4. 磷資源化是未來發(fā)展方向。

建議：

1. 建立基于磷形態(tài)的精準(zhǔn)除磷策略；

2. 推廣智能化投加控制系統(tǒng)；

3. 加強(qiáng)磷回收技術(shù)研發(fā)；

4. 制定藥劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范。