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化學除磷原理詳解

發布時間:2020-5-1 7:07:23  中國污水處理工程網

  磷的去除有化學除磷生物除磷兩種工藝,生物除磷是一種相對經濟的除磷方法,但由于該除磷工藝目前還不能保證穩定達到0.5mg/l出水標準的要求,所以要達到穩定的出水標準,常需要采取化學除磷措施來滿足要求。

  1、化學除磷的原理

  化學除磷是通過化學沉析過程完成的,化學沉析是指通過向污水中投加無機金屬鹽藥劑,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,這一過程涉及的是所謂的相轉移過程,反應方程舉例如式1。實際上投加化學藥劑后,污水中進行的不僅僅是沉析反應,同時還進行著化學絮凝反應,所以必須區分化學沉析和化學絮凝的差異(如圖1所示)。

  FeCl3+K3PO4→FePO4↓+3KCl(式1)

  污水沉析反應可以簡單的理解為:水中溶解狀的物質,大部分是離子狀物質轉換為非溶解、顆粒狀形式的過程,絮凝則是細小的非溶解狀的固體物互相粘結成較大形狀的過程,所以絮凝不是相轉移過程。

  根據化學沉析反應的基礎,為了生成磷酸鹽化合物,用于化學除磷的化學藥劑主要是金屬鹽藥劑和氫氧化鈣(熟石灰)。許多高價金屬離子藥劑投加到污水中后,都會與污水中的溶解性磷離子結合生成難溶解性的化合物。出于經濟原因,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使用的。二價鐵鹽僅當污水中含有氧,能被氧化成三價鐵鹽時才能使用。Fe2+在實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)

  與沉析反應相競爭的反應是金屬離子與OH的反應,所以對于各種不同的金屬鹽產品應注意的是金屬的離子量,反應式如式4、5。

  Al3++3OH-→Al(OH)3↓(式4)

  Fe3++3OH-→Fe(OH)3(式5)

  金屬氫氧化物會形成大塊的絮凝體,這對于沉析產物的絮凝是有利的,同時還會吸附膠體狀的物質、細微懸浮顆粒。需要注意的是有機物在以化學除磷為目的化學沉析反應中的沉析去除是次要的,但在分離時有機性膠體以及懸浮物的凝結在絮凝體中則是決定性的過程。

  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。對于鐵鹽最佳PH值范圍為5.0~5.5,對于鋁鹽為6.0~7.0,因為在以上PH值范圍內FePO4或AIPO4的溶解性最小。另外使用金屬鹽藥劑會給污水和污泥處理還會帶來益處,比如會降低污泥的污泥指數,有利于沼氣脫硫等。

  由于金屬鹽藥劑的投加會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會降低污水的堿度,這也許會對凈化產生不利影響。當在同步沉析工藝中使用硫酸鐵時,必須考慮對硝化反應的影響。

  另外,如果污水處理廠污泥用于農業,使用金屬鹽藥劑除磷時必須考慮鋁或者鐵負荷對農業的影響。

  除了金屬鹽藥劑外,氫氧化鈣也用作沉析藥劑。在沉折過程中,對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,因為隨著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式6進行的:

  5Ca2++3PO43-+OH-→Ca5(PO4)3OH↓(式6)

  但在pH值為8.5到10.5的范圍內除了會產生磷酸鈣沉析外,還會產生碳酸鈣,這也許會導致在池壁或渠、管壁上結垢,反應式如式7。

  Ca2++CO32-→CaCO3(式7)

  與鈣進行磷酸鹽沉析的反應除了受到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。具體聯系污水寶或參見http://www.036846.live更多相關技術文檔。

  對于軟或中硬的污水,采用鈣沉析時,為了達到所要求的PH值所需要的鈣量是很少的,具有強緩沖能力的污水相反則要求較大的鈣投加量。

  2、化學除磷投加量的計算

  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。為了計算方便,實際計算采用克分子(mol)或者克原子量。

  在化學沉析除磷時,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。也就是說去除lgP至少需要1.8g的Fe,或者0.9g的Al。

  由于在實際中,反應中并不是100%有效進行的,加之OH-會與金屬離子競爭反應,生成相應的氫氧化,如式4和式5,所以實際化學沉析藥劑投加一般需要超量投加,以保證達到所需要的出水P濃度。德國在計算時,提出了投加系數β的概念,即:

  β=(molFe,molAl)/molP(式8)

  投加系數β是受多種因素影響的,如投加地點、混合條件等,實際投加時建議通過投加試驗確定,下圖是投加系數和磷減少量的關系。在最佳條件下(適宜的投加、良好的混合和絮凝體的形成條件)β=1;在非最佳條件下,β=2到3或更高。過量投加藥劑不僅會使藥劑費增加,而且因氫氧化物的大量形成也會使污泥量大大增加,這種污泥體積大、難脫水。

  德國在實際計算中,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

  若用石灰作為化學沉析藥劑,則不能采用這種計算方法,因為其要求投加的pH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各自的污水通過試驗確定。

  從嚴格意義上講,投加系數β值的概念只適用于后沉析,對于前沉析和同步沉析在計算時還應考慮:1、回流污泥中含有未反應的藥劑;2、在初次沉淀池中和生物過程去除的磷。

  3、計算實例

  例1:污水處理廠設計水量為10000m3/d,進水中的P濃度為14mg/L,出水P濃度要求達到1mg/L。設計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,試計算所需要的藥劑量。

  解:

  經過初次沉淀地沉淀處理后去除的磷為2mg/L,則生物處理設施進水的P濃度為11mg/L,經過生物同化作用去除的P為1mg/L。則需經沉析去除的 :

  P負荷=

  10000m3/d·(0.011-0.001)kg/m3=100kg/d

  設計采用投加系數β值為1.5,

  設計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:設計采用藥劑硫酸亞鐵FeSO4,有效成分為180gFe/kgFeSO4,在10℃時的飽和溶解度為400gFeSO4/L,其它設計參數同例1。

  解:

  設計采用投加系數β值為1.5,

  設計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                      (來源:環保工程師)

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