Hemijsko uklanjanje fosfora se široko koristi u postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda. Metalne soli ili vapno, između ostalih hemikalija, mogu se dodati u procese primarnog, sekundarnog ili tercijarnog tretmana (za ključne tačke odabira, pogledajte članak "Vrste i ključne tačke odabira sredstava za hemijsko uklanjanje fosfora" na ovom javnom nalogu; kliknite na vezu na kraju članka). Međutim, hemijsko uklanjanje fosfora takođe ima svoja ograničenja. Razuman odabir reagensa i tačan proračun doziranja su preduslovi za osiguranje efikasnosti tretmana i smanjenje troškova. Ovaj članak sistematski prikazuje obim primjene, svojstva reagensa, faktore utjecaja, mehanizam reakcije i dozu hemijskog uklanjanja fosfora, pružajući referentne i praktične smjernice za stručnjake za tretman vode.
I. Opseg primjene za hemijsko uklanjanje fosfora
Hemijsko uklanjanje fosfora može ukloniti samo fosfatni dio (ortofosfat) ukupnog fosfora u otpadnoj vodi. Fosfat u influentu tipično čini 50% – 80% ukupnog fosfora, općenito postoji u dva oblika: H₂PO₄⁻ i HPO₄²⁻, pri čemu je prvi dominantan pri pH ispod 8,3. Polifosfati ne reagiraju s metalnim solima ili vapnom; međutim, oni se pretvaraju u fosfate tokom biološkog tretmana. Organski vezan fosfor tipično čini mali udio ukupnog fosfora u influentu. Koloidni i čestični fosfor se obično mogu ukloniti tokom separacije čvrste{6}}tečnosti; otopljeni organski fosfor može hidrolizirati u ortofosfate tokom tretmana (ako je biorazgradiv), a ako nije biorazgradiv, ne može se ukloniti u postrojenju za prečišćavanje otpadnih voda.
II. Svojstva reagensa i faktori koji utiču
1. Svojstva reagensa
Reagensi koji se koriste za hemijsko uklanjanje fosfora su obično soli metala ili kreč. Dvije najčešće korištene metalne soli su aluminij sulfat (obično poznat kao alum) i željezni hlorid. Umjesto aluminijum sulfata može se koristiti i natrijum aluminat, ali njegovo dodavanje često značajno povećava pH u sistemu. Pored toga, različiti oblici polialuminijum hlorida (PAC) se takođe mogu koristiti za hemijsko uklanjanje fosfora iz taloženja. Željezni sulfat i željezni hlorid se također koriste za uklanjanje fosfora; ovi agensi se obično dobijaju kao nusproizvodi procesa proizvodnje čelika (otpadna voda kiseljenja). Kreč se općenito isporučuje u čvrstom obliku, uglavnom uključujući živo vapno (CaO) i hidratizirano vapno [Ca(OH)₂].
2. Faktori koji utiču na reagense
Osim doziranja, karakteristike kvaliteta otpadne vode, metoda doziranja reagensa, lokacija tačke doziranja reagensa, pH reakcije, metoda flokulacije i vrijeme reakcije nakon doziranja reagensa su važni faktori dizajna i rada. Svi ovi faktori utiču na odnos između doze i efikasnosti uklanjanja fosfora.
(1) Mešanje reagensa
Dovoljno miješanje na mjestu doziranja reagensa je neophodno kako bi se osiguralo da metalni joni reagiraju s molekulima fosfata. Intenzitet miješanja se obično karakterizira gradijentom brzine G, s jedinicama s⁻¹. Brzo miješanje osigurava da mjesta reakcijske površine budu izložena na vrijeme i učestvuju u reakciji; međutim, pod niskim intenzitetom miješanja, mnogi metalni oksidi mogu se prvo stvoriti u odsustvu sudjelovanja fosfata, čime se sprječava da se njihovi unutrašnji atomi kisika kombinuju sa fosfatom, što rezultira smanjenom efikasnošću uklanjanja fosfora.
U stvarnim postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda, uslovi mešanja na mestu doziranja su obično loši, sa G vrednostima koje se uglavnom kreću od 200 do 300 s⁻¹. U ovim uslovima miješanja visoke{3}}e energije, 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 spor{8}}reakcionom kontrolisan proces uklanjanja fosfora je posebno važan za dodavanje alum ili željeznog hlorida u rezervoare sa aktivnim muljem, pošto se vreme zadržavanja čvrstih materija (SRT) takvih sistema obično meri u danima.
(2) Flokulacija
Nakon brzog miješanja na mjestu doziranja, potrebno je nježno miješanje kako bi se podstaklo formiranje grudvica koje se mogu taložiti ili ukloniti odvajanjem čvrste-tečnosti. Ovaj proces je ključan za ispunjavanje zahtjeva niske koncentracije fosfora u efluentu. Normalno, protok otpadne vode unutar same strukture za prečišćavanje obezbeđuje dovoljne uslove mešanja za formiranje flokula, ali ako je vreme flokulacije nedovoljno, ili ako postoje uslovi koji ometaju formiranje flokula (kao što je pumpanje, aeracija, itd.), proces flokulacije će biti ograničen.
(3) pH i alkalnost
Najveća efikasnost uklanjanja fosfora u hemijskom tretmanu obično se javlja u pH opsegu od 5,5-7,0. Kada je pH između 7 i 10, efikasnost uklanjanja fosfora se smanjuje zbog jačeg negativnog naboja na površini metalnih hidroksida i stvaranja rastvorljivih hidroksida željeza. U uslovima nižeg pH, rastvorljivost precipitanta se smanjuje; dok je u uslovima ekstremno niskog pH formiranje precipitata metalnog hidroksida ograničeno. Efikasnost uklanjanja fosfora aluminijum sulfata i željeznog hlorida pokazuje slične trendove pod različitim pH uslovima.
(4) CODcr i SS
Na efikasnost uklanjanja fosfora dodavanjem soli metala u fazi primarnog tretmana značajno utiču karakteristike otpadne vode. Postoji jasna veza između sadržaja organske materije i efikasnosti uklanjanja fosfora soli metala. Kada je CODcr u rasponu od 300-700 mg/L, efikasnost uklanjanja fosfata opada sa povećanjem CODcr. Slični rezultati su dobijeni iz studija na ukupnim suspendovanim čvrstim materijama (TSS), tj. što je veća koncentracija TSS, to je niža efikasnost uklanjanja fosfora.
Osim što smanjuje efikasnost uklanjanja fosfora u fazi primarnog tretmana, visok sadržaj organske tvari također slabi efekat uklanjanja fosfora soli metala u reaktorima s aktivnim muljem. Ioni željeza i aluminija mogu reagirati s organskom tvari kao što su huminska kiselina i fulvo kiselina kako bi formirali netopive komplekse povezane s metalnim ionima i njihovim mineralnim oksidima, čime zauzimaju ili blokiraju reakcijska mjesta potrebna za taloženje fosfata, što dovodi do smanjenja efikasnosti kemijskog uklanjanja fosfora. Ovo je jedan od razloga zašto se u stvarnim projektima često bira post{2}}hemijsko uklanjanje fosfora.
III. Mehanizam reakcije reagensa i odabir reagensa
Reakcija aluminijum sulfata sa fosforom prikazana je u nastavku.
U prisustvu alkalnosti u vodi, reakcija željeznog hlorida sa rastvorenim fosforom i alkalnošću bikarbonata u vodi je prikazana u nastavku.
Ako je alkalnost u vodi nedovoljna, dodavanje željeznog klorida će formirati hidratizirani precipitat željeznog oksida, obezbjeđujući površinski aktivna mjesta za reakciju fosfora. Osnovni princip mehanizma uklanjanja fosfora iz soli željeza je da fosfat i željezo mogu dijeliti atom kisika, a njihova interakcija se može predstaviti sljedećom formulom (naboj nije naznačen).
Kada se vapno doda u otpadnu vodu, vapno prvo reaguje sa bikarbonatnom alkalnošću u vodi i formira kalcijum karbonat (CaCO₃). Kako pH sistema poraste iznad 10, višak kalcijevih jona će reagovati sa fosfatima i formirati hidroksiapatit [Ca₅(OH)(PO₄)₃] precipitat, kao što je prikazano ispod.
Iz gornjeg mehanizma reakcije može se vidjeti da: (1) soli željeza i kreč su pod velikim utjecajem alkalnosti vode; (2) uklanjanjem krečnog fosfora stvara se velika količina mulja (i magnezijum hidroksid i kalcijum karbonat su mulj). Ovo je jedan od razloga zašto se aluminijske soli često biraju za uklanjanje fosfora u stvarnim projektima.
IV. Doziranje hemikalija
Doziranje soli metala obično se izražava kao broj molova metala (Me) dodatih po molu rastvorljivog fosfora (Pin) u influentu. "Stehiometrijska doza" se odnosi na dodavanje 1,0 mola metala za svaki mol uklonjenog fosfora (tj. Me/Pin=1.0), što je striktno zasnovano na molarnom omjeru potrebnom da sol metala (soli aluminija ili soli željeza) reaguje sa fosforom i formira fosfatni precipitat. Kako se doza soli metala povećava, brzina uklanjanja fosfora se poboljšava, a koncentracija fosfora u efluentu opada. Međutim, kada se doza poveća na određeni nivo, efekat postepenog uklanjanja od daljeg povećanja doze postepeno slabi.
Kada doza željeznog hlorida dostigne Me/Pin=1.5~2,0, može ukloniti 80%~98% rastvorljivog fosfora. Da bi se postigle vrlo niske koncentracije ukupnog fosfora u efluentu (npr. ispod 0,10 mg/L), potreban je veći odnos doziranja, sa Me/Pin=6~7.
Omjer doziranja aluminij sulfata sličan je omjeru željeznog klorida, ali je brzina uklanjanja niža, između 75% i 95%. Upotreba PAC-a ili natrijum aluminata za postizanje slične efikasnosti uklanjanja fosfora zahtijeva još veće doze.
Iz gornjih informacija o doziranju može se vidjeti da soli željeza imaju najveću efikasnost uklanjanja fosfora, ali kao što je ranije spomenuto, na soli željeza u velikoj mjeri utiče alkalnost. PAC ima najnižu efikasnost uklanjanja fosfora, čak nižu od aluminijum sulfata. Ovo je u suprotnosti sa stavom nekih da bi PAC, budući da je "polialuminij", trebao imati veći efekat uklanjanja fosfora od ne-polimernog aluminijum sulfata.
Zaključak
Hemijsko uklanjanje fosfora, kao važna metoda u tretmanu otpadnih voda, ne zavisi samo od vrste i doze reagensa, već i od kvaliteta otpadne vode, pH, alkalnosti, mešanja i uslova flokulacije. Odabir odgovarajućih soli metala ili kreča, naučno izračunavanje doze i kombinovanje toga sa optimizacijom procesa može osigurati efikasno uklanjanje fosfora uz kontrolu proizvodnje mulja i operativnih troškova. Razumijevanjem reakcionih mehanizama i faktora utjecaja reagenasa, inženjeri za tretman otpadnih voda mogu postići stabilnu kontrolu fosfora u otpadnim vodama i fleksibilno primijeniti tehnologiju kemijskog uklanjanja fosfora u različitim fazama tretmana, pružajući čvrstu podršku za zaštitu okoliša urbanih voda.