Хемијско уклањање фосфора се широко користи у постројењима за пречишћавање отпадних вода. Металне соли или креч, између осталих хемикалија, могу се додати у процесе примарног, секундарног или терцијарног третмана (за кључне тачке избора, погледајте чланак „Врсте и кључне тачке одабира агенаса за хемијско уклањање фосфора“ на овом јавном налогу; кликните на везу на крају чланка). Међутим, хемијско уклањање фосфора такође има своја ограничења. Разуман избор реагенса и тачан прорачун дозирања су предуслови за обезбеђивање ефикасности третмана и смањење трошкова. Овај чланак систематски описује обим примене, својства реагенса, факторе утицаја, механизам реакције и дозу хемијског уклањања фосфора, пружајући референтне и практичне смернице за стручњаке за третман воде.
И. Обим примене за хемијско уклањање фосфора
Хемијско уклањање фосфора може уклонити само фосфатни део (ортофосфат) укупног фосфора у отпадној води. Фосфат у инфлуенту обично чини 50%–80% укупног фосфора, генерално постоји у два облика: Х₂ПО₄⁻ и ХПО₄²⁻, при чему је први преовлађујући при пХ испод 8,3. Полифосфати не реагују са металним солима или кречом; међутим, током биолошког третмана се претварају у фосфате. Органски везан фосфор типично чини мали део укупног фосфора у инфлуенту. Колоидни и честични фосфор се обично могу уклонити током сепарације чврсте-течности; растворени органски фосфор може хидролизовати у ортофосфате током третмана (ако је биоразградив), а ако није биоразградив, не може се уклонити у постројењу за пречишћавање отпадних вода.
ИИ. Својства реагенса и фактори утицаја
1. Својства реагенса
Реагенси који се користе за хемијско уклањање фосфора су обично соли метала или креч. Две најчешће коришћене металне соли су алуминијум сулфат (обично познат као стипса) и гвожђе хлорид. Уместо алуминијум сулфата може се користити и натријум алуминат, али његово додавање често значајно повећава пХ система. Поред тога, различити облици полиалуминијум хлорида (ПАЦ) се такође могу користити за хемијско уклањање фосфора из таложења. За уклањање фосфора користе се и жељезни сулфат и жељезни хлорид; ови агенси се обично добијају као нуспроизводи процеса производње челика (отпадне воде од кисељења). Креч се углавном испоручује у чврстом облику, углавном укључујући живи креч (ЦаО) и хидратизовани креч [Ца(ОХ)₂].
2. Фактори који утичу на реагенсе
Поред дозирања, карактеристике квалитета отпадне воде, метода дозирања реагенса, локација тачке дозирања реагенса, пХ реакције, метода флокулације и време реакције након дозирања реагенса су важни фактори дизајна и рада. Сви ови фактори утичу на однос између дозе и ефикасности уклањања фосфора.
(1) Мешање реагенса
Довољно мешање на тачки дозирања реагенса је неопходно да би се обезбедило да метални јони реагују са молекулима фосфата. Интензитет мешања се обично карактерише градијентом брзине Г, са јединицама с⁻¹. Брзо мешање обезбеђује да места на површини реакције буду изложена на време и учествују у реакцији; међутим, под ниским интензитетом мешања, многи метални оксиди могу се прво генерисати у одсуству учешћа фосфата, чиме се спречава да се њихови унутрашњи атоми кисеоника комбинују са фосфатом, што резултира смањеном ефикасношћу уклањања фосфора.
У стварним постројењима за пречишћавање отпадних вода, услови мешања на тачки дозирања су обично лоши, са Г вредностима које се углавном крећу од 200 до 300 с⁻¹. У овим условима мешања високе{3}}е енергије, време мешања је обично 10 до 30 с. Након почетне фазе кинетике брзе реакције, фосфат и гвожђе могу наставити да реагују кроз процес споре кинетике реакције, који може трајати сатима или чак данима. Овај спор{8}}реакционо контролисан процес уклањања фосфора је посебно важан за додавање стипсе или гвожђе хлорида у резервоаре за активни муљ, пошто се време задржавања чврстих материја (СРТ) таквих система обично мери у данима.
(2) Флокулација
Након брзог мешања на месту дозирања, потребно је нежно мешање да би се подстакло формирање грудвица које се могу слегнути или уклонити одвајањем чврстих{0}}течности. Овај процес је кључан за испуњавање захтева ниске концентрације фосфора у ефлуенту. Нормално, проток отпадне воде унутар саме структуре за третман обезбеђује довољне услове мешања за формирање флокула, али ако је време флокулације недовољно, или ако постоје услови који ометају формирање флокула (као што је пумпање, аерација, итд.), процес флокулације ће бити ограничен.
(3) пХ и алкалност
Највећа ефикасност уклањања фосфора у хемијском третману се обично јавља у пХ опсегу од 5,5-7,0. Када је пХ између 7 и 10, ефикасност уклањања фосфора опада због јачег негативног наелектрисања на површини металних хидроксида и формирања растворљивих хидроксида гвожђа. У условима нижег пХ, растворљивост талога се смањује; док је у условима екстремно ниског пХ формирање преципитата металног хидроксида ограничено. Ефикасност уклањања фосфора алуминијум сулфата и гвожђе хлорида показује сличне трендове под различитим пХ условима.
(4) ЦОДцр и СС
На ефикасност уклањања фосфора додавањем соли метала у фази примарног третмана значајно утичу карактеристике отпадне воде. Постоји јасна веза између садржаја органске материје и ефикасности уклањања фосфора соли метала. Када је ЦОДцр у опсегу од 300–700 мг/Л, ефикасност уклањања фосфата опада са повећањем ЦОДцр. Слични резултати су добијени из студија о укупним суспендованим чврстим материјама (ТСС), тј. што је већа концентрација ТСС, то је нижа ефикасност уклањања фосфора.
Поред смањења ефикасности уклањања фосфора у фази примарног третмана, висок садржај органске материје такође слаби ефекат уклањања фосфора соли метала у реакторима са активним муљем. Јони гвожђа и алуминијума могу да реагују са органском материјом као што су хуминска киселина и фулво киселина да формирају нерастворљиве комплексе повезане са металним јонима и њиховим минералним оксидима, чиме заузимају или блокирају реакциона места потребна за таложење фосфата, што доводи до смањења ефикасности хемијског уклањања фосфора. Ово је један од разлога зашто се накнадно{2}}уклањање фосфора често бира у стварним пројектима.
ИИИ. Механизам реакције реагенса и избор реагенса
Реакција алуминијум сулфата са фосфором је приказана у наставку.
У присуству алкалности у води, реакција гвожђе хлорида са раствореним фосфором и алкалношћу бикарбоната у води је приказана у наставку.
Ако је алкалност у води недовољна, додавање гвожђе хлорида ће формирати хидратисани талог оксида гвожђа, обезбеђујући површински активна места за реакцију фосфора. Основни принцип механизма уклањања фосфора из соли гвожђа је да фосфат и гвожђе могу делити атом кисеоника, а њихова интеракција се може представити следећом формулом (наелектрисање није назначено).
Када се креч дода у отпадну воду, креч прво реагује са алкалношћу бикарбоната у води и формира калцијум карбонат (ЦаЦО₃). Како пХ система порасте изнад 10, вишак јона калцијума ће реаговати са фосфатима да би се формирао талог хидроксиапатита [Ца₅(ОХ)(ПО₄)₃], као што је приказано у наставку.
Из наведеног механизма реакције може се видети да: (1) на соли гвожђа и креч у великој мери утиче алкалност воде; (2) уклањањем кречног фосфора ствара се велика количина муља (и магнезијум хидроксид и калцијум карбонат су муљ). Ово је један од разлога зашто се соли алуминијума често бирају за уклањање фосфора у стварним пројектима.
ИВ. Дозирање хемикалија
Дозирање соли метала се обично изражава као број молова метала (Ме) додатог по молу растворљивог фосфора (Пин) у инфлуенту. „Стехиометријска доза“ се односи на додавање 1,0 мола метала за сваки мол уклоњеног фосфора (тј. Ме/Пин=1.0), што је стриктно засновано на моларном односу потребном да метална со (со алуминијума или со гвожђа) реагује са фосфором да би се формирао фосфатни преципитат. Како се доза соли метала повећава, брзина уклањања фосфора се побољшава и концентрација фосфора у ефлуенту се смањује. Међутим, када се доза повећа на одређени ниво, ефекат постепеног уклањања од даљег повећања дозе постепено слаби.
Када доза гвожђе хлорида достигне Ме/Пин=1.5~2,0, може да уклони 80%~98% растворљивог фосфора. Да би се постигле веома ниске концентрације укупног фосфора у ефлуенту (нпр. испод 0,10 мг/Л), потребан је већи однос доза, са Ме/Пин=6~7.
Однос дозирања алуминијум сулфата је сличан оном код гвожђе хлорида, али је брзина уклањања нижа, између 75% и 95%. Коришћење ПАЦ-а или натријум алумината за постизање сличне ефикасности уклањања фосфора захтева још веће дозе.
Из горњих информација о дозирању, може се видети да гвожђе соли имају највећу ефикасност уклањања фосфора, али као што је раније поменуто, на соли гвожђа у великој мери утиче алкалност. ПАЦ има најмању ефикасност уклањања фосфора, чак нижу од алуминијум сулфата. Ово је у супротности са ставом неких да би ПАЦ, будући да је „полиалуминијум“, требало да има већи ефекат уклањања фосфора од не-полимерног алуминијум сулфата.
Закључак
Хемијско уклањање фосфора, као важна метода у третману отпадних вода, зависи не само од врсте и дозе реагенса, већ и од квалитета отпадне воде, пХ, алкалности, мешања и услова флокулације. Одабир одговарајућих соли метала или креча, научно израчунавање дозе и комбиновање тога са оптимизацијом процеса може осигурати ефикасно уклањање фосфора уз контролу производње муља и оперативних трошкова. Разумевањем реакционих механизама и фактора утицаја реагенаса, инжењери за третман отпадних вода могу постићи стабилну контролу ефлуентног фосфора и флексибилно применити технологију хемијског уклањања фосфора у различитим фазама третмана, пружајући чврсту подршку за заштиту животне средине у урбаним водама.