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1、化學(xué)除磷的原理
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)程涉及的是所謂的相轉(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)行的不僅僅是沉析反應(yīng)，同時(shí)還進(jìn)行著化學(xué)絮凝反應(yīng)，所以必須區(qū)分化學(xué)沉析和化學(xué)絮凝的差異(如圖1所示)。
FeCl3＋K3PO4→FePO4↓＋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。
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＋在實(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2、3。
Al3＋＋PO43-→AlPO4↓pH=6～7(式2)
Fe3＋＋PO43-→FePO4↓pH=5～5.5(式3)
與沉析反應(yīng)相競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)是金屬離子與OH的反應(yīng)，所以對(duì)于各種不同的金屬鹽產(chǎn)品應(yīng)注意的是金屬的離子量，反應(yīng)式如式4、5。
Al3＋＋3OH-→Al(OH)3↓(式4)
Fe3＋＋3OH-→Fe(OH)3(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。需要注意的是有機(jī)物在以化學(xué)除磷為目的化學(xué)沉析反應(yīng)中的沉析去除是次要的，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的影響。對(duì)于鐵鹽PH值范圍為5.0～5.5，對(duì)于鋁鹽為6.0～7.0，因?yàn)樵谝陨螾H值范圍內(nèi)FePO4或AIPO4的溶解性小。另外使用金屬鹽藥劑會(huì)給污水和污泥處理還會(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)使污水處理廠出水中的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)凈化產(chǎn)生不利影響。當(dāng)在同步沉析工藝中使用硫酸鐵時(shí)，必須考慮對(duì)硝化反應(yīng)的影響。
另外，如果污水處理廠污泥用于農(nóng)業(yè)，使用金屬鹽藥劑除磷時(shí)必須考慮鋁或者鐵負(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。在沉折過(guò)程中，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Ca(OH)2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-→Ca5(PO4)3OH↓(式6)
但在pH值為8.5到10.5的范圍內(nèi)除了會(huì)產(chǎn)生磷酸鈣沉析外，還會(huì)產(chǎn)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)的影響。在一定的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。
2、化學(xué)除磷投加量的計(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。
在化學(xué)沉析除磷時(shí)，去除1mol(31g)P至少需要lmol(56g)Fe，或者至少需要1.8(56/31)倍的Fe，或者O.9(27/31)倍的Al。也就是說(shuō)去除lgP至少需要1.8g的Fe，或者0.9g的Al。
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,molAl)/molP(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，下圖是投加系數(shù)和磷減少量的關(guān)系。在條件下(適宜的投加、良好的混合和絮凝體的形成條件)β=1；在非條件下，β=2到3或更高。過(guò)量投加藥劑不僅會(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/1)，β值為1.5，也就是說(shuō)去除1kg磷，需要投加：
1.5×(56/31)=2.7 kg Fe
或者，
1.5×(27/31)=1.3 kg Al
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)槠湟笸都拥膒H值大于8.5，而且投加量受污水堿度(緩沖能力)的影響，所以其投加量必須針對(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，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、在初次沉淀池中和生物過(guò)程去除的磷。
3、計(jì)算實(shí)例
例1：污水處理廠設(shè)計(jì)水量為10000m3/d，進(jìn)水中的P濃度為14mg/L，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/kgAlCl3)，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)初次沉淀地沉淀處理后去除的磷為2mg/L，則生物處理設(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/d·(0.011-0.001)kg/m3=100kg/d
設(shè)計(jì)采用投加系數(shù)β值為1.5，
設(shè)計(jì)AL的投加量為：
1.5×(27/31)×100=130kgAl/d
折算需要藥劑量為：
130×1000(g/d)/60(g/kg)=2167kg/dAlCl3
折算需要體積量為：
2167(kg/d)/1.3(kg/L)=1667L/dAlCl3
例2：設(shè)計(jì)采用藥劑硫酸亞鐵FeSO4，有效成分為180gFe/kgFeSO4，在10℃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的投加量為：
1.5×5631×100=270kg Fe/d
折算需要藥劑量為：
270×1000(g/d)/180(g/kg)=1500kg/dFeSO4
飽和溶液中的有效成分為：
180(g/kg)·0.4(kg/L)=72gFe/LFeSO4
折算需要體積量為：
1500·1000(g/d)/72(g/L)=20833L/dFeSO4
原標(biāo)題:關(guān)于化學(xué)除磷投加量的計(jì)算詳解！
