摘要

水体富营养化是全球水环境面临的重大挑战之一，其主要诱因是氮、磷等营养盐的过量输入。磷作为关键限制性因子，其去除效率直接影响富营养化治理效果。除磷剂作为一种高效、快速的化学处理手段，在污水处理、湖泊修复及工业废水治理中广泛应用。本文系统分析了除磷剂的种类、作用机理、应用效果及环境影响，并结合实际案例探讨其优化使用策略，以期为水体富营养化治理提供科学参考。

关键词：除磷剂；富营养化；磷去除；化学沉淀；水体修复

1. 引言

水体富营养化是指由于氮、磷等营养盐过量输入，导致藻类异常增殖、溶解氧下降、水生生态系统失衡的现象。磷是藻类生长的关键限制因子，其浓度很过0.02 mg/L即可引发富营养化（Schindler, 1977）。因此，控制磷输入是治理富营养化的核心策略之一。

除磷方法主要包括生物法、物理法和化学法。其中，化学除磷（通过投加除磷剂）因其高效性、操作简便和快速见效等优势，被广泛应用于污水处理厂、湖泊和河流修复工程。本文重点探讨除磷剂的类型、作用机理、实际应用效果及潜在环境影响，以期为富营养化治理提供技术支撑。

2. 除磷剂的种类及作用机理

除磷剂主要通过化学沉淀、吸附或离子交换作用去除水体中的磷酸盐。根据化学成分，主要分为以下几类：

2.1 铝系除磷剂

• 代表性药剂：硫酸铝（Al₂(SO₄)₃）、聚合氯化铝（PAC）

• 作用机理：
  Al³⁺与PO₄³⁻反应生成不溶性AlPO₄沉淀：

  $$A{l}^{3+}+P{O}_4^{3-}\to AlP{O}_4\downarrow$$

• 特点：

  • 适用pH范围：6.0–7.5

  • 过量投加可能导致铝残留，对水生生物有毒（如鱼类鳃损伤）。

2.2 铁系除磷剂

• 代表性药剂：三氯化铁（FeCl₃）、硫酸亚铁（FeSO₄）、聚合硫酸铁（PFS）

• 作用机理：
  Fe³⁺与PO₄³⁻生成FePO₄沉淀：

  $$F{e}^{3+}+P{O}_4^{3-}\to FeP{O}_4\downarrow$$

  此外，Fe²⁺在氧化条件下可形成Fe(OH)₃胶体，吸附磷酸盐。

• 特点：

  • 适用pH范围：5.0–8.0

  • 铁盐成本较低，但可能使水体显色（Fe³⁺呈黄色）。

2.3 钙系除磷剂

• 代表性药剂：石灰（Ca(OH)₂）、氯化钙（CaCl₂）

• 作用机理：
  在高pH条件下，Ca²⁺与PO₄³⁻生成羟基磷灰石：

  $$10C{a}^{2+}+6P{O}_4^{3-}+2O{H}^{-}\to C{a}_{10}(P{O}_4{)}_6(OH{)}_2\downarrow$$

• 特点：

  • 适用pH>9.0，适合高碱度水体

  • 可能引起pH波动，影响水生生物。

2.4 新型复合除磷剂

• 代表性药剂：镧改性膨润土、锆基材料、纳米羟基氧化铁

• 特点：

  • 吸附容量高，选择性好

  • 适用于低浓度磷的深度处理（如景观水体）。

3. 除磷剂的实际应用效果

3.1 污水处理厂中的应用

污水处理厂常采用化学辅助除磷（如A²/O工艺结合铁盐投加），可使出水TP（总磷）降至0.3 mg/L以下。例如：

• 案例1：某市政污水厂投加FeCl₃（20 mg/L），TP去除率>90%。

• 案例2：PAC与PAM联用，可减少污泥产量，提高沉降性。

3.2 湖泊与水库修复

• 案例3：太湖部分水域投加镧改性粘土（Phoslock®），使沉积物磷释放率降低70%。

• 案例4：美国华盛顿湖通过铝盐处理，水体透明度提升3倍。

3.3 工业废水处理

• 案例5：某电镀厂废水采用Ca(OH)₂+FeSO₄组合工艺，TP从15 mg/L降至0.5 mg/L。

4. 除磷剂的环境影响与优化策略

4.1 潜在风险

• 金属残留：铝、铁过量可能毒害水生生物。

• pH扰动：钙系药剂可能使水体碱化。

• 沉积物积累：长期使用可能改变底泥性质。

4.2 优化措施

1. 精准投加：基于磷负荷动态调整剂量，避免过量。

2. 复合使用：如铁盐+铝盐协同，减少单剂副作用。

3. 生态联用：结合人工湿地、生态浮床等生物修复技术。

5. 结论与展望

除磷剂是控制水体富营养化的有效手段，但其应用需结合水质特性、生态风险和经济性进行优化。未来研究方向包括：

• 开发高效低毒的新型材料（如生物炭负载纳米铁）。

• 结合智能监测实现精准投药。

• 探索化学-生物协同治理长效机制。