Kemično odstranjevanje fosforja se pogosto uporablja v čistilnih napravah. Kovinske soli ali apno, med drugimi kemikalijami, je mogoče dodati primarnim, sekundarnim ali terciarnim procesom obdelave (za ključne izbirne točke si oglejte članek »Vrste in ključne izbirne točke kemičnih sredstev za odstranjevanje fosforja« na tem javnem računu; kliknite povezavo na koncu članka). Vendar pa ima kemično odstranjevanje fosforja tudi svoje omejitve. Smiselna izbira reagentov in natančen izračun odmerka sta predpogoja za zagotavljanje učinkovitosti zdravljenja in znižanje stroškov. Ta članek sistematično opisuje obseg uporabe, lastnosti reagenta, vplivne dejavnike, reakcijski mehanizem in odmerjanje kemičnega odstranjevanja fosforja ter zagotavlja referenčne in praktične smernice za strokovnjake za čiščenje vode.
I. Obseg uporabe za kemično odstranjevanje fosforja
Kemično odstranjevanje fosforja lahko odstrani le fosfatni del (ortofosfat) celotnega fosforja v odpadni vodi. Fosfat v dotoku običajno predstavlja 50–80 % skupnega fosforja, ki na splošno obstaja v dveh oblikah: H₂PO₄⁻ in HPO₄²⁻, pri čemer prva prevladuje pri pH pod 8,3. Polifosfati ne reagirajo s kovinskimi solmi ali apnom; vendar se med biološko obdelavo pretvorijo v fosfate. Organsko vezan fosfor običajno predstavlja majhen delež celotnega fosforja v dotoku. Koloidni fosfor in fosfor v obliki delcev je običajno mogoče odstraniti med ločevanjem trdne-tekočine; raztopljeni organski fosfor lahko med čiščenjem hidrolizira v ortofosfate (če je biorazgradljiv), in če ni biorazgradljiv, ga čistilna naprava ne more odstraniti.
II. Lastnosti reagenta in vplivni dejavniki
1. Lastnosti reagenta
Reagenti, ki se uporabljajo za kemično odstranjevanje fosforja, so običajno kovinske soli ali apno. Dve najpogosteje uporabljeni kovinski soli sta aluminijev sulfat (splošno znan kot galun) in železov klorid. Namesto aluminijevega sulfata lahko uporabimo tudi natrijev aluminat, vendar njegov dodatek pogosto bistveno poveča pH sistema. Poleg tega se lahko različne oblike polialuminijevega klorida (PAC) uporabljajo tudi za odstranjevanje fosforja s kemičnim obarjanjem. Železov sulfat in železov klorid se uporabljata tudi za odstranjevanje fosforja; ti agensi so običajno pridobljeni kot stranski produkti procesov izdelave jekla (odpadna voda luženja). Apno je na splošno dobavljeno v trdni obliki, vključno z živim apnom (CaO) in gašenim apnom [Ca(OH)₂].
2. Dejavniki, ki vplivajo na reagente
Poleg odmerjanja so pomembni dejavniki zasnove in delovanja značilnosti kakovosti odpadne vode, metoda doziranja reagenta, lokacija dozirne točke reagenta, pH reakcije, metoda flokulacije in reakcijski čas po doziranju reagenta. Vsi ti dejavniki vplivajo na razmerje med odmerkom in učinkovitostjo odstranjevanja fosforja.
(1) Mešanje reagenta
Za zagotovitev, da kovinski ioni reagirajo z molekulami fosfata, je potrebno zadostno mešanje na mestu doziranja reagenta. Intenzivnost mešanja je običajno označena z gradientom hitrosti G z enotami s⁻¹. Hitro mešanje zagotavlja, da so mesta reakcijske površine pravočasno izpostavljena in sodelujejo pri reakciji; vendar pa lahko pri nizki intenzivnosti mešanja veliko kovinskih oksidov nastane najprej v odsotnosti fosfatne udeležbe, s čimer se prepreči, da bi se njihovi notranji atomi kisika združili s fosfatom, kar povzroči zmanjšano učinkovitost odstranjevanja fosforja.
V dejanskih čistilnih napravah so pogoji mešanja na dozirni točki običajno slabi, z vrednostmi G na splošno v razponu od 200 do 300 s⁻¹. Pri teh visoko{3}}energijskih pogojih mešanja je čas mešanja običajno 10 do 30 s. Po začetni fazi kinetike hitre reakcije lahko fosfat in železo še naprej reagirata skozi proces počasne kinetike reakcije, ki lahko traja več ur ali celo dni. Ta postopek odstranjevanja fosforja s počasno-reakcijo je še posebej pomemben za dodajanje galuna ali železovega klorida v rezervoarje z aktivnim blatom, saj se zadrževalni čas trdnih snovi (SRT) takih sistemov običajno meri v dnevih.
(2) Flokulacija
Po hitrem mešanju na dozirni točki je potrebno nežno mešanje, da se spodbudi tvorba kosmičev, ki se lahko usedejo ali odstranijo z ločevanjem trdne-tekočine. Ta proces je ključnega pomena za izpolnjevanje zahteve po nizki koncentraciji fosforja v iztoku. Običajno sam tok odpadne vode znotraj čistilne strukture zagotavlja zadostne pogoje mešanja za nastanek kosmičev, vendar če čas flokulacije ni zadosten ali če obstajajo pogoji, ki motijo nastajanje kosmičev (kot so črpanje, prezračevanje itd.), bo proces flokulacije omejen.
(3) pH in alkalnost
Največja učinkovitost odstranjevanja fosforja pri kemični obdelavi se običajno pojavi v območju pH 5,5–7,0. Ko je pH med 7 in 10, se učinkovitost odstranjevanja fosforja zmanjša zaradi močnejšega negativnega naboja na površini kovinskih hidroksidov in tvorbe topnih železovih hidroksidov. Pri nižjih pH pogojih se topnost oborine zmanjša; medtem ko je pri izjemno nizkih pH pogojih tvorba oborin kovinskega hidroksida omejena. Učinkovitost odstranjevanja fosforja z aluminijevim sulfatom in železovim kloridom kaže podobne trende pri različnih pH pogojih.
(4) CODcr in SS
Na učinkovitost odstranjevanja fosforja z dodajanjem kovinskih soli v primarni stopnji čiščenja pomembno vplivajo značilnosti odpadne vode. Obstaja jasna povezava med vsebnostjo organskih snovi in učinkovitostjo odstranjevanja fosforja iz kovinskih soli. Ko je CODcr v območju 300–700 mg/L, se učinkovitost odstranjevanja fosfata zmanjšuje z naraščanjem CODcr. Podobni rezultati so bili pridobljeni pri študijah skupnih suspendiranih trdnih snovi (TSS), tj. višja kot je koncentracija TSS, manjša je učinkovitost odstranjevanja fosforja.
Poleg zmanjšanja učinkovitosti odstranjevanja fosforja v primarni stopnji čiščenja visoka vsebnost organskih snovi tudi oslabi učinek odstranjevanja fosforja kovinskih soli v reaktorjih z aktivnim blatom. Ioni železa in aluminija lahko reagirajo z organskimi snovmi, kot sta huminska kislina in fulvična kislina, da tvorijo netopne komplekse, povezane s kovinskimi ioni in njihovimi mineralnimi oksidi, s čimer zasedejo ali blokirajo reakcijska mesta, ki so potrebna za obarjanje fosfata, kar povzroči zmanjšanje učinkovitosti kemičnega odstranjevanja fosforja. To je eden od razlogov, zakaj se v dejanskih projektih pogosto izbere post-kemično odstranjevanje fosforja.
III. Reakcijski mehanizem reagenta in izbira reagenta
Spodaj je prikazana reakcija aluminijevega sulfata s fosforjem.
V prisotnosti alkalnosti v vodi je spodaj prikazana reakcija železovega klorida z raztopljenim fosforjem in alkalnostjo bikarbonata v vodi.
Če je alkalnost v vodi nezadostna, bo dodatek železovega klorida tvoril hidrirano oborino železovega oksida, ki zagotavlja površinsko aktivna mesta za reakcijo fosforja. Osnovno načelo mehanizma za odstranjevanje fosforja z železovo soljo je, da si lahko fosfat in železo delita atom kisika, njuno interakcijo pa lahko predstavimo z naslednjo formulo (naboj ni naveden).
Ko odpadni vodi dodamo apno, le-to najprej reagira z alkalnostjo bikarbonata v vodi, da nastane kalcijev karbonat (CaCO₃). Ko se pH sistema dvigne nad 10, bodo odvečni kalcijevi ioni reagirali s fosfati in tvorili oborino hidroksiapatita [Ca₅(OH)(PO₄)₃], kot je prikazano spodaj.
Iz zgornjega reakcijskega mehanizma je razvidno, da: (1) na železove soli in apno močno vpliva alkalnost vode; (2) odstranjevanje apna in fosforja povzroči veliko količino blata (tako magnezijev hidroksid kot kalcijev karbonat sta blato). To je eden od razlogov, zakaj so aluminijeve soli pogosto izbrane za odstranjevanje fosforja v dejanskih projektih.
IV. Odmerjanje kemikalij
Odmerjanje kovinskih soli je običajno izraženo kot število molov kovine (Me), dodanih na mol topnega fosforja (Pin) v dotoku. "Stehiometrična doza" se nanaša na dodajanje 1,0 mola kovine za vsak mol odstranjenega fosforja (tj. Me/Pin=1.0), ki strogo temelji na molskem razmerju, ki je potrebno, da kovinska sol (aluminijeva sol ali železova sol) reagira s fosforjem in tvori fosfatno oborino. Ko se odmerek kovinskih soli poveča, se stopnja odstranjevanja fosforja izboljša in koncentracija fosforja v iztoku se zmanjša. Ko pa se odmerek poveča na določeno raven, učinek postopnega odstranjevanja zaradi nadaljnjega povečanja odmerka postopoma oslabi.
Ko odmerek železovega klorida doseže Me/Pin=1.5~2,0, lahko odstrani 80 %~98 % topnega fosforja. Da bi dosegli zelo nizke koncentracije skupnega fosforja v iztoku (npr. pod 0,10 mg/L), je potrebno višje razmerje odmerjanja z Me/Pin=6~7.
Odmerno razmerje aluminijevega sulfata je podobno kot pri železovem kloridu, vendar je stopnja odstranitve nižja, med 75 % in 95 %. Uporaba PAC ali natrijevega aluminata za doseganje podobne učinkovitosti odstranjevanja fosforja zahteva še višje odmerke.
Iz zgornjih informacij o odmerjanju je razvidno, da imajo železove soli največjo učinkovitost pri odstranjevanju fosforja, vendar kot smo že omenili, na železove soli močno vpliva alkalnost. PAC ima najnižjo učinkovitost odstranjevanja fosforja, celo nižjo kot aluminijev sulfat. To je v nasprotju z mnenjem nekaterih, da bi moral imeti PAC, ker je "polialuminij", večji učinek odstranjevanja fosforja kot ne-polimerni aluminijev sulfat.
Zaključek
Kemično odstranjevanje fosforja, kot pomembna metoda pri čiščenju odpadne vode, ni odvisno samo od vrste in odmerka reagenta, ampak tudi od kakovosti odpadne vode, pH, alkalnosti, mešanja in pogojev flokulacije. Izbira ustreznih kovinskih soli ali apna, znanstveni izračun odmerka in kombinacija tega z optimizacijo postopka lahko zagotovi učinkovito odstranjevanje fosforja ob nadzoru proizvodnje blata in obratovalnih stroškov. Z razumevanjem reakcijskih mehanizmov in vplivnih dejavnikov reagentov lahko inženirji za čiščenje odpadne vode dosežejo stabilen nadzor fosforja v odpadnih vodah in prožno uporabijo tehnologijo kemičnega odstranjevanja fosforja na različnih stopnjah čiščenja, kar zagotavlja trdno podporo za zaščito mestnega vodnega okolja.