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在廢水處理的這個階段，化學過程用于廢水處理。為此，使用化合物來達到法定的水標準值。污水處理廠的化學處理包括中和、消毒、磷酸鹽沉淀、除氮、除冰和除錳。中和用于產生規定的 pH 值，這是通過添加酸（例如 HCL）或堿（例如石灰乳）來實現的。
在消毒過程中，通過添加氯或二氧化氯殺死病原體。用紫外線照射廢水是添加化學品的一個很好的替代方法，但使用頻率較低。去除磷酸鹽：我們的廢水經常被來自洗滌劑、肥料、食品添加劑和糞便的磷酸鹽污染。如果它們留在廢水中，它們會導致水體過度施肥和營養豐富，從而導致無用的植物生長（富營養化），對生態系統有害。
通過化學沉淀或絮凝過程去除磷酸鹽。磷酸鹽沉淀部分是由在集砂器或二級廢水處理池中添加鋁鹽或鐵鹽引發的。然后將在二次澄清過程中形成的金屬磷酸鹽團塊與活性污泥一起從廢水中取出。根據操作模式，磷酸鹽也可以在廢水中的微生物的幫助下“捕撈”。在這種情況下，我們說的是生物除磷，然而，它仍然很少使用。
化學水凈化還包括除氮：它用于從廢水中去除對水有害的氮化合物，例如氨和銨。氮化合物會從水中去除重要的氧氣，甚至在排放到水體時會導致魚類死亡。通過硝化和反硝化消除氮：在硝化過程中，銨在厭氧細菌和氧氣的加入下轉化為亞硝酸鹽，然后在第二階段轉化為硝酸鹽。隨后的反硝化作用也由厭氧微生物的添加引發。它們通過酶活性將硝酸鹽分解為氮氣，然后將其返回大氣。
去鐵：為了將廢水中的鐵含量降低到規定值，鐵（II）陽離子通過添加氧氣被氧化。為了觸發氧化過程，還必須將苛性鈉添加到廢水中。
錳去除：錳通常以碳酸氫錳的形式存在于廢水中。添加氧氣會形成難溶的四價錳化合物，可以很容易地從水中去除。
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