Kemijsko uklanjanje fosfora naširoko se koristi u postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda. Metalne soli ili vapno, među ostalim kemikalijama, mogu se dodati primarnim, sekundarnim ili tercijarnim procesima obrade (za ključne točke odabira pogledajte članak "Vrste i ključne točke odabira kemijskih sredstava za uklanjanje fosfora" na ovom javnom računu; kliknite vezu na kraju članka). Međutim, kemijsko uklanjanje fosfora također ima svoja ograničenja. Razuman odabir reagensa i točan izračun doze preduvjeti su za osiguranje učinkovitosti liječenja i smanjenja troškova. Ovaj članak sustavno opisuje opseg primjene, svojstva reagensa, čimbenike utjecaja, mehanizam reakcije i dozu kemijskog uklanjanja fosfora, pružajući reference i praktične smjernice za stručnjake za obradu vode.
I. Opseg primjene za kemijsko uklanjanje fosfora
Kemijsko uklanjanje fosfora može ukloniti samo fosfatni dio (ortofosfat) ukupnog fosfora u otpadnoj vodi. Fosfat u influentu obično čini 50%–80% ukupnog fosfora, koji općenito postoji u dva oblika: H₂PO₄⁻ i HPO₄²⁻, pri čemu prvi prevladava pri pH ispod 8,3. Polifosfati ne reagiraju s metalnim solima ili vapnom; no oni se tijekom biološke obrade pretvaraju u fosfate. Organski vezani fosfor obično čini mali udio ukupnog fosfora u tekućini. Koloidni fosfor i fosfor u obliku čestica obično se mogu ukloniti tijekom odvajanja čvrste-tekućine; otopljeni organski fosfor može hidrolizirati u ortofosfate tijekom obrade (ako je biorazgradiv), a ako nije biorazgradiv, ne može ga ukloniti uređaj za pročišćavanje otpadnih voda.
II. Svojstva reagensa i čimbenici utjecaja
1. Svojstva reagensa
Reagensi koji se koriste za kemijsko uklanjanje fosfora obično su metalne soli ili vapno. Dvije najčešće korištene metalne soli su aluminijev sulfat (poznatiji kao stipsa) i željezni klorid. Natrijev aluminat se također može koristiti umjesto aluminijevog sulfata, ali njegov dodatak često značajno povećava pH sustava. Osim toga, različiti oblici polialuminij klorida (PAC) također se mogu koristiti za uklanjanje fosfora kemijskim taloženjem. Željezni sulfat i željezni klorid također se koriste za uklanjanje fosfora; ti se agensi obično dobivaju kao nusproizvodi procesa proizvodnje čelika (otpadne vode od dekapiranje). Vapno se općenito isporučuje u krutom obliku, uglavnom uključujući živo vapno (CaO) i hidratizirano vapno [Ca(OH)₂].
2. Čimbenici koji utječu na reagense
Osim doziranja, značajke kvalitete otpadne vode, metoda doziranja reagensa, lokacija točke doziranja reagensa, pH reakcije, metoda flokulacije i vrijeme reakcije nakon doziranja reagensa važni su čimbenici dizajna i rada. Svi ti čimbenici utječu na odnos između doze i učinkovitosti uklanjanja fosfora.
(1) Miješanje reagensa
Potrebno je dostatno miješanje na mjestu doziranja reagensa kako bi se osiguralo da metalni ioni reagiraju s molekulama fosfata. Intenzitet miješanja obično se karakterizira gradijentom brzine G, s jedinicama s⁻¹. Brzo miješanje osigurava da su mjesta reakcijske površine na vrijeme izložena i sudjeluju u reakciji; međutim, pod niskim intenzitetom miješanja, mnogi metalni oksidi mogu se generirati prvi u nedostatku sudjelovanja fosfata, čime se sprječava da se njihovi unutarnji atomi kisika spoje s fosfatom, što rezultira smanjenom učinkovitošću uklanjanja fosfora.
U stvarnim postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda, uvjeti miješanja na mjestu doziranja obično su loši, s G vrijednostima općenito u rasponu od 200 do 300 s⁻¹. Pod ovim visoko{3}}energetskim uvjetima miješanja, vrijeme miješanja je obično 10 do 30 s. Nakon početne faze kinetike brze reakcije, fosfat i željezo mogu nastaviti reagirati kroz proces spore kinetike reakcije, koji može trajati satima ili čak danima. Ovaj proces uklanjanja fosfora kontroliran sporom-reakcijom posebno je važan za dodavanje stipse ili željeznog klorida u spremnike s aktivnim muljem, jer se vrijeme zadržavanja krutih tvari (SRT) takvih sustava obično mjeri u danima.
(2) Flokulacija
Nakon brzog miješanja na mjestu doziranja, potrebno je lagano miješanje kako bi se pospješilo stvaranje pahuljica koje se mogu taložiti ili ukloniti odvajanjem čvrste-tekućine. Ovaj proces je ključan za ispunjavanje uvjeta niske koncentracije fosfora u otpadnoj vodi. Normalno, protok otpadne vode unutar same strukture za obradu osigurava dovoljne uvjete miješanja za stvaranje flokulacije, ali ako je vrijeme flokulacije nedovoljno ili ako postoje uvjeti koji ometaju stvaranje flokulacije (kao što je pumpanje, prozračivanje itd.), proces flokulacije će biti ograničen.
(3) pH i alkalnost
Najveća učinkovitost uklanjanja fosfora u kemijskoj obradi obično se događa unutar pH raspona od 5,5-7,0. Kada je pH između 7 i 10, učinkovitost uklanjanja fosfora opada zbog jačeg negativnog naboja na površini metalnih hidroksida i stvaranja topivih željeznih hidroksida. Pri nižim pH uvjetima smanjuje se topljivost taloga; dok je pri ekstremno niskim pH uvjetima ograničeno stvaranje taloga metalnog hidroksida. Učinkovitost uklanjanja fosfora aluminijevim sulfatom i željeznim kloridom pokazuje slične trendove pod različitim pH uvjetima.
(4) CODcr i SS
Na učinkovitost uklanjanja fosfora dodavanjem metalnih soli u fazi primarne obrade značajno utječu karakteristike otpadne vode. Postoji jasna veza između sadržaja organske tvari i učinkovitosti uklanjanja fosfora metalnih soli. Kada je CODcr u rasponu od 300–700 mg/L, učinkovitost uklanjanja fosfata opada s povećanjem CODcr. Slični rezultati dobiveni su studijama ukupnih suspendiranih čvrstih tvari (TSS), tj. što je veća koncentracija TSS-a, to je niža učinkovitost uklanjanja fosfora.
Osim što smanjuje učinkovitost uklanjanja fosfora u fazi primarne obrade, visok sadržaj organske tvari također slabi učinak uklanjanja fosfora metalnih soli u reaktorima s aktivnim muljem. Ioni željeza i aluminija mogu reagirati s organskim tvarima kao što su huminska kiselina i fulvinska kiselina kako bi stvorili netopljive komplekse povezane s metalnim ionima i njihovim mineralnim oksidima, zauzimajući tako ili blokirajući reakcijska mjesta potrebna za taloženje fosfata, što dovodi do smanjenja učinkovitosti kemijskog uklanjanja fosfora. Ovo je jedan od razloga zašto se post-kemijsko uklanjanje fosfora često bira u stvarnim projektima.
III. Mehanizam reakcije reagensa i odabir reagensa
Dolje je prikazana reakcija aluminijevog sulfata s fosforom.
U prisutnosti alkaliteta u vodi, reakcija željeznog klorida s otopljenim fosforom i alkalitetom bikarbonata u vodi prikazana je u nastavku.
Ako je alkalnost u vodi nedovoljna, dodavanjem željeznog klorida formirat će se hidratizirani talog željeznog oksida, čime se stvaraju površinski aktivna mjesta za reakciju fosfora. Osnovno načelo mehanizma uklanjanja fosfora soli željeza jest da fosfat i željezo mogu dijeliti atom kisika, a njihova interakcija može se prikazati sljedećom formulom (naboj nije naznačen).
Kada se vapno doda otpadnoj vodi, vapno prvo reagira s alkalitetom bikarbonata u vodi i stvara kalcijev karbonat (CaCO₃). Kako pH sustava naraste iznad 10, višak kalcijevih iona će reagirati s fosfatima i formirati talog [Ca₅(OH)(PO₄)3] hidroksiapatita, kao što je prikazano u nastavku.
Iz gornjeg mehanizma reakcije može se vidjeti da: (1) na soli željeza i vapno uvelike utječe alkalnost vode; (2) uklanjanjem vapnenog fosfora nastaje velika količina mulja (i magnezijev hidroksid i kalcijev karbonat su mulj). Ovo je jedan od razloga zašto se aluminijeve soli često biraju za uklanjanje fosfora u stvarnim projektima.
IV. Doziranje kemikalija
Doziranje metalnih soli obično se izražava kao broj molova metala (Me) dodanih po molu topljivog fosfora (Pin) u protoku. "Stehiometrijsko doziranje" odnosi se na dodavanje 1,0 mola metala za svaki mol uklonjenog fosfora (tj. Me/Pin=1.0), što se strogo temelji na molarnom omjeru potrebnom da metalna sol (aluminijeva sol ili sol željeza) reagira s fosforom i formira fosfatni talog. Kako se doza metalnih soli povećava, brzina uklanjanja fosfora se poboljšava, a koncentracija fosfora u efluentu se smanjuje. Međutim, kada se doza poveća do određene razine, učinak inkrementalnog uklanjanja daljnjim povećanjem doze postupno slabi.
Kada doza željeznog klorida dosegne Me/Pin=1.5~2,0, može ukloniti 80%~98% topljivog fosfora. Za postizanje vrlo niske koncentracije ukupnog fosfora u otpadnoj vodi (npr. ispod 0,10 mg/L), potreban je veći omjer doziranja, s Me/Pin=6~7.
Omjer doziranja aluminijevog sulfata sličan je onom željeznog klorida, ali je stopa uklanjanja niža, između 75% i 95%. Korištenje PAC-a ili natrijevog aluminata za postizanje slične učinkovitosti uklanjanja fosfora zahtijeva još veće doze.
Iz gornjih informacija o dozama može se vidjeti da soli željeza imaju najveću učinkovitost uklanjanja fosfora, ali kao što je ranije spomenuto, na soli željeza uvelike utječe lužnatost. PAC ima najnižu učinkovitost uklanjanja fosfora, čak nižu od aluminijevog sulfata. Ovo je u suprotnosti s mišljenjem nekih da bi PAC, budući da je "polialuminij", trebao imati veći učinak uklanjanja fosfora od ne-polimernog aluminijevog sulfata.
Zaključak
Kemijsko uklanjanje fosfora, kao važna metoda u pročišćavanju otpadnih voda, ne ovisi samo o vrsti i dozi reagensa, već io kvaliteti otpadne vode, pH, alkalnosti, uvjetima miješanja i flokulacije. Odabir odgovarajućih metalnih soli ili vapna, znanstveni izračun doze i kombinacija ovoga s optimizacijom procesa može osigurati učinkovito uklanjanje fosfora uz kontrolu proizvodnje mulja i operativnih troškova. Razumijevanjem mehanizama reakcije i čimbenika utjecaja reagensa, inženjeri za pročišćavanje otpadnih voda mogu postići stabilnu kontrolu fosfora u otpadnim vodama i fleksibilno primijeniti tehnologiju kemijskog uklanjanja fosfora u različitim fazama obrade, pružajući čvrstu potporu za zaštitu okoliša urbane vode.