有效降低除磷药剂成本是找到正确加投方式

“国内污水厂的化学除磷工艺普遍采用定量或者过量投药的方式，长期运行不仅造成了药剂浪费、还导致了化学污泥产量增加和运行成本增高等问题。”

化学除磷工艺过程中磷的去除效率与化学药剂的种类、药剂投加量、药剂投加位置、pH值、污泥浓度和温度等多种因素相关。

其中，药剂的种类、药剂投加量和投加位置及pH值对化学除磷效率的影响作用最为显著。

目前，污水厂运行过程中对药剂种类的选择和药剂投加量的确定，主要是从经济性和是否对处理系统或构筑物造成危害等因素进行考虑，而除磷药剂投加位置的选择则多是根据污水处理厂的构筑物及相关设施的实际情况进行确定。

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化学除磷的原理

化学除磷药剂有三类，分别是石灰，铝盐和铁盐等。

由于石灰对生物处理的pH影响较大，加之容易引起管道堵塞问题，所以以生物除磷为主的污水厂很少使用。

国内较常用的是铁盐或铝盐，它们与磷的化学反应如式(1)､(2)｡

Al3++PO3-4→AlPO4↓(1)

Fe3++PO3-4→FePO4↓(2)

与沉淀反应相竞争的反应是金属离子与OH-的反应，反应式如式(3)､(4)｡

Al3++3OH-→Al(OH)3↓(3)

Fe3++3OH-→Fe(OH)3↓(4)

金属氢氧化物会形成大块的絮凝体，这对于沉淀产物的絮凝是有利的，同时还会吸附胶体状的物质､细微悬浮颗粒｡

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除磷药剂的效果比较

一般来说，污水处理厂实际生产应用除磷药剂的选择，主要考虑以下几个方面的因素：

1）铝盐投加

可用于污水化学除磷的铝盐包括硫酸铝和铝酸钠等。

硫酸铝具有价格上的优势，因而较为常用，但投加硫酸铝会消耗污水中的碱度，有可能对后续的生物处理系统产生不利的影响。

市场上可见到的硫酸铝产品一般包括粉状和液态两种，具体采用哪种取决于运输费用和管理状况的好坏。

铝酸钠不像硫酸铝那么常用，但非常适用于低碱度污水的处理，可提高污水的碱度和pH值。

2）铁盐投加

常用于污水化学除磷的铁盐包括三氯化铁、氯化亚铁和硫酸亚铁三种。它们都是可以在市场上大批量购买的化工产品。

值得一提的是，钢铁工业的酸洗废液也是重要的氯化亚铁和硫酸亚铁来源，只要来源稳定、纯度满足要求，就可以通过以废治废，大幅度降低除磷费用。

硫酸亚铁粉剂相对稳定，但在高湿度环境或受潮的情况下，硫酸亚铁具有腐蚀性。为了取得最大除磷效果，酸洗废液中的亚铁必须氧化成高铁，因此在投加到初沉池之前，常常需要加氯液氧化。

当然，如果没有可靠的酸洗废液来源，也可以采用氯化铁。

3）石灰投加

石灰法除磷系统主要用于要求出水磷浓度在0.1mg/L左右的情形。

石灰法除磷一般在初沉池或二级处理之后的三级处理中应用，其实际上是水的软化过程，所需要的石灰投加量仅与污水的碱度有关、与污水的含磷量无关。

石灰法的产泥量很大，且该工艺与其它常规除磷工艺相比缺乏经济性，投药设施投资和运行维护费用高。

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除磷药剂投加系数的确定

在了解除磷药剂投加系数之前，我们首先需要明白为什么要引入了投加系数的概念？

实践表明，污水处理厂每次采购的化学除磷药剂并不完全相同，即使相同品牌的药剂，其生产过程也很难控制不变。

不同批次的化学除磷药剂除磷效率不同，主要是由于药剂生产过程中产生的水合三氧化物的形成时间长短有所不同。

有研究指出，使用新投加到污水中的铁盐或铝盐进行化学除磷比用提前制备好的铁盐和铝盐溶液除磷效率可高达5倍以上。

此外，化学除磷过程产生的沉淀物中金属元素和磷元素的化学计量比也并不是理论上简单的1:1的关系，而是与多种因素相关，比如污水中磷元素的含量、化学药剂的投加量、氢氧化物沉淀的形成时间、搅拌强度和时间等等。

因此，在投加每批次化学除磷药剂之前，均需采取小试试验确定投加系数β值。

β=【mol[Fe],[Al]】/mol[P]

将其作为对药剂投加量的计量标准，以此对不同除磷药剂作用效果及同一药剂不同投加量的作用效果进行比较分析。

投加系数的表达方式通常有多种，目前常用的三种表达方式分别是：

1）金属元素的投加量与进水中磷元素的摩尔比，被叫做进水投加系数比（β1=Medose/Pinf）；

2）再沉淀物中金属元素与吸附的磷元素的摩尔比，被叫做沉淀物投加系数比（β2=Medose/Pprec）；

3）实际投加的金属元素与去除掉的磷元素的摩尔比，被叫做实际投加系数比（β3=Medose/Prem）。

需要特别说明的是，在良好的混合状态及足够长的吸附时间的情况下，实际投加系数β3与沉淀投加系数β2相等。

因为在良好的处理条件下，投加到污水中的金属元素几乎全部转换为沉淀物中的金属元素，并对磷酸盐进行去除。

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除磷药剂投药点的比较

化学除磷工艺按照化学药剂投加位置的不同可以分为前置沉淀、同步沉淀和后置沉淀三种工艺类型。

1）前置沉淀

前置沉淀工艺的除磷药剂一般投加在沉砂池或初沉池进水口。

前置沉淀大多都需要设置产生涡流的装置或者提供能量满足混合的需要。产生的沉淀产物则会在初沉池当中通过沉淀而被分离出去。如果生物处理单元采用的是生物滤池，则不能采用铁盐作为除磷药剂，防止对铁盐填料产生危害。

前置沉淀工艺特别适合于现有污水处理厂的升级改造，因为通过这一工艺不仅可以去除磷，还可以明显提高BOD5和SS的去除率，从而能够降低后续生物处理的负荷。

优点：可以降低生物处理设施的负荷，有助于降低能耗；利于已建污水处理厂的改造。

缺点：污泥产量大；可能会对后续的反硝化反应造成不利影响；对污泥指数的改善不利。

2）同步沉淀

同步沉淀工艺是目前使用最为广泛的一种化学除磷工艺，国外约50%的化学除磷工艺采用同步沉淀。

同步沉淀工艺一般将除磷药剂投加到曝气池出水或者二次沉淀池的进水口，也有将药剂投加到曝气池的进水或回流污泥当中的。

同步沉淀工艺中经常用的除磷药剂是铁盐和铝盐，在曝气池中可以采用价格便宜的硫酸亚铁做除磷药剂；目前钙盐一般不被采用，这是因为采用钙盐除磷需要的pH值太高（通常在10以上），会显著抑制或者破坏微生物的活性。

优点：可充分利用药剂；有助于改善污泥的沉降性能，避免污泥膨胀；工程量小。

缺点：污泥产量大；磷酸盐污泥与生物剩余污泥混合在一起，不利于磷酸盐的回收；回流泵有可能会将絮凝体搅坏。

3）后置沉淀

后置沉淀工艺是将化学沉淀、絮凝作用及被絮凝物质的分离与生物处理相分离的一种工艺。

一般都将除磷药剂投加在二沉池后的混合池中，并在后续设置沉淀池和絮凝池（或气浮池）。

优点：磷酸盐的沉淀是和生物净化过程分离开，互不影响；药剂投加可以按照磷负荷变化进行控制；磷酸盐污泥可单独排放，利于回收。

缺点：需要额外的构筑物，投资大、运行费用高。

综上所述，在污水处理厂的实际运行中，化学除磷药剂的投加位置，需要从药剂对污水厂整个流程的影响来综合考虑。

在初沉池进水口或者厌氧区末端投加除磷药剂时，因磷酸盐沉淀絮体会吸附和絮凝污水中的含碳含氮有机物，加强对有机物和胶体物质的吸附过程。

以生活污水为主的城市污水处理厂，生物脱氮时常常存在碳源不足的问题，因此前端投药后，有可能影响反硝化和厌氧释磷的效果。

此外，由于各种反应的发生，使得过量投加的铝盐或铁盐，在初沉池中被截留排除，不能重复利用。

最后，在初沉池进水和厌氧区末端投加除磷药剂是化学除磷在先而生物除磷在后，这就要求投加除磷药剂的量应随进水水质、水量的变化及时精确的进行控制，否则投量过多则会因水中残留的磷量不足而影响生化反应中的细胞合成，投量不足则直接导致出水残留磷浓度超标。

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除磷药剂对pH的影响

pH值的变化对于除磷过程是一个重要的考察因素之一，化学除磷工艺的反应过程和除磷效率的高低在很大程度上受到pH值的影响。

由于污水pH值对其沉淀作用效果影响很大，在化学除磷工艺中所形成的磷酸盐的离子形态与废水的pH值密切相关。

在适宜的pH条件下，几乎所有投加的金属元素可以形成沉淀，参与到化学除磷过程中，在碱性pH条件下（pH=7~10），金属氢氧化物的表面存在更多的负电荷，形成负离子。

随着pH的升高，化学除磷效率逐渐降低。当pH>10时，PO43--P与Ca2+、Mg2+等产生沉淀，不投加化学除磷药剂时，磷酸盐浓度也有可能降低。

有研究表明，pH处于5.5~7.0之间时，化学除磷的效率最高，pH值在此范围内变化时，不会对化学除磷效率产生太大的影响。

但也有学者指出，pH值在5.0~8.0之间发生变化时，pH值的变化在很大程度上会影响到化学除磷过程中吸附和再沉淀过程的发生，不管是铁盐还是铝盐结果均如此。

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如何更有效地降低除磷药剂成本？

目前，大多数污水厂通过出水在线监测TP的数据来控制加药量，但由于加药点和出水中间还存在着一段工艺，这种结果控制模式往往会存在一定的滞后性。

因此在实践工作中，为了避免因为滞后加药导致出水超标，运营管理人员往往会保留一个缓冲值。如标准是0.5mg/L，中间会预留0.2mg/L的空间，当出水TP在达到0.3mg/L的时候，就开始调控药量，通过预先控制，消除工艺段带来的滞后性。

但这样做，又会出现‘过量加药’的问题，从药剂成本管控上看，这样的控制并不是很好地节省药剂成本方法。因此，为了更有效地控制除磷药剂成本，我们不妨试着从以下几个方面入手：

1、引入多元控制因子

为了节省除磷药剂成本，我们需要的不仅仅是出水TP的在线数据，还需要对更多参数的合理控制。从实践运行结果来看，这种方式往往会使加药量更精准，既能保证出水水质的稳定，又能节省更多的药剂成本。、

1）水量

一个共识看法是，除磷药剂投加量是和水量有直接的关系的（生活污水水量受到城镇居民生活习惯和季节的影响）。

因此，为了匹配加药量，可以将加药泵的控制系统进水流量进行关联。比如，对可变频调速的加药泵增加PLC控制系统，与进水水量进行关联，设置变化参数，根据水量来精确调整加药量。

值得一提的是，这种方式对于日夜水量变化大或四季水量变化大的污水处理厂来说，可以有效减少除磷药剂的过度消耗，从而减少药剂成本。

2）MLSS

在条件允许的情况下，可通过脱泥合理控制污泥浓度，从而降低PAC成本。在旱季，当生化池8500mg/L当MLSS≥9500mg/L时，继续药剂加大聚合氯化铝用量，TP去除率不再增加。

在雨季，当MLSS升至9500 mg/L左右，吨水耗PAC用量低于80g/m3时，TP去除率明显下降；若吨水耗PAC用量不变，降低MLSS，TP去除率会有所上升。

2、选择更高效经济的药剂

不同的化学药剂去除效果不同，成本费用也参差不一。从去除效果来看，用三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铝、三氯化铝和聚合氯化铝5种化学药剂，按照化学药剂中金属物质的量与TP的比值（Me/TP）为0、1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6进行同步除磷，发现当 Me/TP比为1时，TP去除效率均超过80%，去除效率硫酸亚铁>三氯化铁>聚合氯化铝>硫酸铝>三氯化铝；当Me/TP比>1时，硫酸亚铁对TP的去除效率超过90%；当Me/TP比>1.6时，去除效率硫酸亚铁>三氯化铁>聚合氯化铝>三氯化铝>硫酸铝；当Me/TP比>1.8时，5种化学药剂对TP的去除效率均超过90%。

从成本费用来看，采用聚合硫酸铁、聚合氯化铝铁、铝铁复合药剂、聚合氯化铝+聚丙烯酰胺4种化学药剂进行除磷试验，发现在相同的TP去除率下，成本最低的是铝铁复合药剂，最高的是聚合硫酸铁。

3、选择不同的投加点位

众所周知，不同投加点位的药剂成本费用不同。

用氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铝、聚氯化铝和聚合氯化铁5种化学药剂在不同污水厂厂的沉砂池和曝气池进行生产试验研究，发现当出水TP达1mg/L时,沉砂池的药剂投加费用要高于曝气池，而药剂成本费用从低到高依次为：硫酸亚铁<硫酸铝<三氯化铁聚合氯化铁<聚氯化铝。在实践运行过程中，我们会根据药剂的投加地点将除磷工艺划分为三种，即前置除磷、同步除磷和后置除磷。

1）前置加药除磷

第一种是前置除磷，该工艺方法中药剂的投加地点一般是在沉砂池或初沉池进水口等。

需要特别说明的是，如果生物处理单元采用的是生物滤池，则不能采用铁盐作为除磷药剂，防止对铁盐填料产生危害。

优点：

a、降低生物段的磷负荷；

b、降低了生物处理阶段的负荷；

c、进入生物反应池内的无机物被去除了一部分。

缺点：

a、未被水解成磷酸盐的总磷无法去除，加药去除部分有机负荷的降低会影响到脱氮的反硝化功能；

b、产生的无机物泥量较大。

2）同步加药除磷

第二种是同步除磷，这种化学除磷工艺的应用比较常见，一般将除磷药剂投加到曝气池出水或者二沉池的进水口，也有将药剂投加到曝气池的进水或回流污泥当中的。

值得一提的是，该工艺中经常用的除磷药剂是铁盐和铝盐，在曝气池中可以采用价格便宜的硫酸亚铁作为除磷药剂；目前钙盐一般不被采用，这是因为采用钙盐除磷需要的pH值太高（通常在10以上），会显著抑制或者破坏微生物的活性。

优点：

a、回流使化学药剂得以更有效、更充分地被利用；

b、可以在生物处理的曝气阶段使用二价铁作为除磷剂，对改善污泥容积指数也有促进作用。

缺点：

a、增加无机污泥的含量（影响污泥龄）；

b、酸性的化学药剂会影响碱度，碱度的变化可能会影响硝化过程。

3）后置加药除磷

第三种为后置除磷，该工艺也被称为二段法工艺，在与生物处理分离的设施中完成沉析、絮凝和絮凝物质的分离，一般其投加地点为深度处理入口。

优点：

a、需要去除的磷含量可以准确的检测出来，药剂投加容易计算；

b、总磷中的多磷酸盐已水解为磷酸盐，不会影响生物处理过程。

缺点：

a、单纯的化学除磷，相比其它方式费用更高；

b、很可能造成铁或铝的过量；

c、为了避免过滤负荷过大，只有少量的磷可以被去除。