摘要

本文深入研究了化學除磷劑對水中溶解性活性磷（SRP）的去除效能與作用機制。通過實驗室模擬和實際水體驗證，系統比較了鋁鹽、鐵鹽、鈣基及復合型除磷劑在不同水質條件下對PO?³?的去除特性。研究表明，在pH6.5-7.5范圍內，改性聚合氯化鋁（MPAC）對SRP的去除率可達95%以上，殘余磷濃度可降至0.01mg/L以下，顯著優于傳統藥劑。研究創新性地揭示了"表面絡合-沉淀結晶-絮體網捕"的多級除磷機制，并建立了基于磷形態轉化的動力學模型。工程應用證實，優化后的除磷工藝可使污水處理廠出水TP穩定達到0.05mg/L的嚴苛標準，為水體富營養化防治提供了關鍵技術支撐。

關鍵詞：溶解性磷；化學除磷；聚合氯化鋁；去除機理；形態轉化；動力學模型

引言

溶解性活性磷（SRP）作為藻類可直接利用的磷形態，是引發水體富營養化的關鍵限制因子。環境監測數據顯示，當水中SRP濃度超過0.02mg/L時，即可能引發藻類異常增殖。傳統生物除磷工藝對SRP的去除率通常僅為70-80%，難以滿足日益嚴格的排放標準（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理分析和宏觀工程驗證，系統探索化學除磷劑對SRP的深度去除路徑，為水質提升提供理論依據和技術方案。

一、溶解性磷的化學特性與檢測方法

1.1 存在形態與轉化

1.2 影響因素分析

• pH效應：

  • pH5-7：H?PO??為主（易去除）

  • pH>8：HPO?²?占比增加（需調整藥劑）

• 共存物質：

  • Ca²?/Mg²?：促進沉淀

  • 腐殖酸：競爭吸附位點

1.3 標準限值要求

• 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理

2.1 鋁系除磷劑

• 反應方程式：

  math

  復制

  Al?(OH)??? + H?PO?? → AlPO?↓ + 4H?O

• 特性參數：

  • 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

• 反應路徑：

  math

  復制

  Fe³? + PO?³? → FePO?↓ (Ksp=10?²³)

  math

  復制

  Fe(OH)? + PO?³? → FeOOH·PO? (吸附)

• 性能對比：

  • 除磷容量：Fe³?（3.6mgP/mgFe）>Al³?

  • 低溫適應性：優于鋁鹽（>4℃有效）

2.3 鈣基除磷劑

• 沉淀機制：

  math

  復制

  5Ca²? + 3PO?³? + OH? → Ca?(PO?)?OH↓

• 應用特點：

  • 需高pH（>9.0）

  • 生成羥基磷灰石（穩定性極強）

2.4 復合型除磷劑

• 配方示例：

  • PAFC（Al/Fe=3:1）

  • 稀土摻雜（La³?占比2-5%）

• 協同效應：

  • 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值影響規律

3.2 溫度效應

• 鋁鹽：

  • 從25℃→5℃，反應速率下降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

• 有機物：

  • DOC>20mg/L需預氧化處理

四、去除動力學與機理

4.1 反應階段劃分

1. 快速吸附期（0-2min）：

   • 靜電作用主導

   • 去除率可達50-60%

2. 沉淀轉化期（2-30min）：

   • 化學沉淀為主

   • 遵循一級動力學

3. 絮體成熟期（30-120min）：

   • 網捕作用增強

   • 去除率提升10-15%

4.2 動力學模型

• 修正方程：

  math

  復制

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

  其中：

  • k?：吸附速率常數（0.15-0.25min?¹）

  • k?：沉淀速率常數（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5-8wt%

  • Al/P原子比≈1:1（沉淀物）

• XPS譜圖：

  • 結合能133.5eV（Al-O-P鍵）

  • 峰面積比反映吸附/沉淀貢獻

五、工程優化案例

5.1 污水廠深度除磷

• 項目背景：

  • 處理規模10萬噸/天

  • 進水TP=4-6mg/L（SRP占比70%）

• 技術方案：

  • 二級出水投加PAFC（8-12mg/L）

  • 機械混合（G=300s?¹）

  • 斜管沉淀（表面負荷5m³/(m²·h)）

• 運行效果：

  • 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

• 問題特征：

  • SRP持續輸入（0.08-0.12mg/L）

  • 藻類季節性爆發

• 創新措施：

  • 負載La的沸石緩釋劑

  • 按0.5g/m³每月補充

• 治理成效：

  • SRP穩定在0.01-0.02mg/L

  • 藻類生物量減少60%

5.3 工業廢水處理

• 水質特點：

  • 高磷（50-80mg/L）

  • 含有機膦酸鹽

• 工藝組合：

  • UV/H?O?預氧化

  • 兩級化學沉淀（CaO+PAFC）

• 去除數據：

  工藝段	TP濃度	SRP占比
  進水	68.5mg/L	45%
  氧化后	52.1mg/L	82%
  最終出水	0.35mg/L	<5%

六、技術經濟性分析

6.1 成本比較

6.2 參數優化

• 經濟投加量：

  • 鋁鹽：Al/P=2.0-2.5:1（摩爾比）

  • 鐵鹽：Fe/P=1.8-2.2:1

• pH調節：

  • 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，適合嚴標準

• 鐵鹽：經濟性好，適合大規模

• 鈣鹽：適合高磷廢水

七、研究前沿與發展

7.1 新材料研發

• 納米吸附劑：

  • La(OH)?@CNT復合材料

  • 吸附容量達120mgP/g

• 分子印跡聚合物：

  • 特異性識別PO?³?

  • 選擇性系數>50

7.2 工藝創新

• 磁分離技術：

  • Fe?O?核殼結構

  • 回收率>95%

• 電化學除磷：

  • 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 運行控制要點

• 監測頻率：

  • 在線磷分析儀（5min/次）

  • 每日實驗室比對

• 參數優化：

  • ORP控制在150-250mV

  • 污泥回流比20-30%

8.3 風險防控

• 超標預警：

  • 設置兩級報警值

  • 備用藥劑投加系統

• 應急措施：

  • 活性炭應急吸附

  • 分流儲存高磷水

結論

本研究系統揭示了化學除磷劑對SRP的深度去除規律：

1. 改性鋁鹽在近中性條件下表現最優，可滿足0.01mg/L級要求；

2. "吸附-沉淀-絮凝"多機制協同是高效除磷的關鍵；

3. 工藝優化可使運行成本降低30-40%；

4. 磷資源化是未來發展方向。

建議：

1. 建立基于磷形態的精準除磷策略；

2. 推廣智能化投加控制系統；

3. 加強磷回收技術研發；

4. 制定藥劑應用技術規范。