Химическото отстраняване на фосфор се използва широко в пречиствателните станции за отпадъчни води. Метални соли или вар, наред с други химикали, могат да се добавят към процесите на първично, вторично или третично третиране (за ключови точки за избор, моля, вижте статията „Видове и ключови точки за избор на агенти за химическо отстраняване на фосфор“ в този публичен акаунт; щракнете върху връзката в края на статията). Въпреки това, химическото отстраняване на фосфор също има своите ограничения. Разумният подбор на реагентите и точното изчисляване на дозировката са предпоставка за осигуряване на ефективност на лечението и намаляване на разходите. Тази статия систематично очертава обхвата на приложение, свойствата на реагента, влияещите фактори, механизма на реакцията и дозировката на химическото отстраняване на фосфора, предоставяйки справочни и практически насоки за професионалистите по пречистване на вода.
I. Обхват на приложение за химическо отстраняване на фосфор
Химическото отстраняване на фосфор може да отстрани само фосфатната част (ортофосфат) от общия фосфор в отпадъчните води. Фосфатът в потока обикновено представлява 50%–80% от общия фосфор, като обикновено съществува в две форми: H₂PO₄⁻ и HPO₄²⁻, като първото е преобладаващо при pH под 8,3. Полифосфатите не реагират с метални соли или вар; те обаче се превръщат във фосфати по време на биологично третиране. Органично свързаният фосфор обикновено представлява малка част от общия фосфор във входящия поток. Колоидният и праховият фосфор обикновено могат да бъдат отстранени по време на разделянето на твърди-течни вещества; разтвореният органичен фосфор може да се хидролизира до ортофосфати по време на обработката (ако е биоразградим), а ако не е биоразградим, не може да бъде отстранен от пречиствателната станция за отпадъчни води.
II. Свойства на реагента и влияещи фактори
1. Свойства на реагента
Реагентите, използвани за химическо отстраняване на фосфор, обикновено са метални соли или вар. Двете най-често използвани метални соли са алуминиев сулфат (известен като стипца) и железен хлорид. Вместо алуминиев сулфат може да се използва и натриев алуминат, но добавянето му често повишава значително pH на системата. В допълнение, различни форми на полиалуминиев хлорид (PAC) също могат да се използват за химическо утаяване на фосфора. Железен сулфат и железен хлорид също се използват за отстраняване на фосфор; тези агенти обикновено се получават като странични продукти от процесите на производство на стомана (отпадъчни води от ецване). Варът обикновено се доставя в твърда форма, включително главно негасена вар (CaO) и хидратна вар [Ca(OH)₂].
2. Фактори, влияещи върху реагентите
Освен дозировката, характеристиките на качеството на отпадъчните води, методът на дозиране на реагента, местоположението на точката на дозиране на реагента, рН на реакцията, методът на флокулация и времето за реакция след дозиране на реагента са важни фактори за проектиране и работа. Всички тези фактори влияят на връзката между дозировката и ефективността на отстраняване на фосфора.
(1) Смесване на реагенти
Необходимо е достатъчно смесване в точката на дозиране на реагента, за да се гарантира, че металните йони реагират с фосфатните молекули. Интензитетът на смесване обикновено се характеризира с градиента на скоростта G, с единици s⁻¹. Бързото смесване гарантира, че местата на реакционната повърхност са изложени навреме и участват в реакцията; въпреки това, при нисък интензитет на смесване, много метални оксиди могат да бъдат генерирани първи в отсъствието на фосфатно участие, като по този начин се предотвратява комбинирането на техните вътрешни кислородни атоми с фосфат, което води до намалена ефективност на отстраняване на фосфора.
В действителните пречиствателни станции за отпадъчни води условията на смесване в точката на дозиране обикновено са лоши, като G стойностите обикновено варират от 200 до 300 s⁻¹. При тези високо{3}}енергийни условия на смесване, времето за смесване обикновено е 10 до 30 s. След първоначалната кинетична фаза на бърза реакция, фосфатът и желязото могат да продължат да реагират чрез процес на кинетика на бавна реакция, който може да продължи часове или дори дни. Този контролиран процес на отстраняване на фосфор с бавна -реакция е особено важен за добавянето на стипца или железен хлорид към резервоарите за активна утайка, тъй като времето за задържане на твърди вещества (SRT) на такива системи обикновено се измерва в дни.
(2) Флокулация
След бързо смесване в точката на дозиране е необходимо внимателно смесване, за да се насърчи образуването на флокули, които могат да се утаят или да бъдат отстранени чрез отделяне на твърдо-течно вещество. Този процес е от решаващо значение за постигане на изискването за ниска концентрация на фосфор в отпадъчните води. Обикновено потокът от отпадъчни води в самата пречиствателна структура осигурява достатъчни условия за смесване за образуване на флокулация, но ако времето за флокулация е недостатъчно или ако съществуват условия, които нарушават образуването на флокулация (като изпомпване, аерация и т.н.), процесът на флокулация ще бъде ограничен.
(3) pH и алкалност
Най-високата ефективност на отстраняване на фосфор при химическо третиране обикновено се случва в диапазона на pH от 5,5–7,0. Когато pH е между 7 и 10, ефективността на отстраняване на фосфора намалява поради по-силния отрицателен заряд на повърхността на металните хидроксиди и образуването на разтворими железни хидроксиди. При условия на по-ниско рН, разтворимостта на утаителя намалява; докато при условия на изключително ниско рН, образуването на утайки от метален хидроксид е ограничено. Ефективността на отстраняване на фосфор от алуминиев сулфат и железен хлорид показва сходни тенденции при различни условия на pH.
(4) CODcr и SS
Ефективността на отстраняване на фосфора при добавяне на метални соли в етапа на първично пречистване се влияе значително от характеристиките на отпадъчните води. Съществува ясна връзка между съдържанието на органични вещества и ефективността на отстраняване на фосфор от металните соли. Когато CODcr е в диапазона 300–700 mg/L, ефективността на отстраняване на фосфати намалява с увеличаване на CODcr. Подобни резултати са получени от проучвания върху общото количество суспендирани твърди вещества (TSS), т.е. колкото по-висока е концентрацията на TSS, толкова по-ниска е ефективността на отстраняване на фосфора.
Освен че намалява ефективността на отстраняване на фосфор в етапа на първично третиране, високото съдържание на органична материя също отслабва ефекта на отстраняване на фосфор от металните соли в реакторите с активна утайка. Железните и алуминиевите йони могат да реагират с органична материя като хуминова киселина и фулвинова киселина, за да образуват неразтворими комплекси, свързани с метални йони и техните минерални оксиди, като по този начин заемат или блокират реакционните места, необходими за утаяване на фосфат, което води до намаляване на ефективността на химическото отстраняване на фосфора. Това е една от причините, поради които пост-химическото отстраняване на фосфор често се избира в реални проекти.
III. Реакционен механизъм и избор на реагент
Реакцията на алуминиев сулфат с фосфор е показана по-долу.
При наличие на алкалност във водата реакцията на железен хлорид с разтворен фосфор и бикарбонатна алкалност във водата е показана по-долу.
Ако алкалността на водата е недостатъчна, добавянето на железен хлорид ще образува утайка от хидратиран железен оксид, осигурявайки повърхностно активни центрове за фосфорна реакция. Основният принцип на механизма за отстраняване на фосфор от желязна сол е, че фосфатът и желязото могат да споделят кислороден атом и тяхното взаимодействие може да бъде представено със следната формула (зарядът не е посочен).
Когато варовик се добави към отпадъчните води, варовикът първо реагира с алкалността на бикарбоната във водата, за да образува калциев карбонат (CaCO₃). Когато pH на системата се повиши над 10, излишните калциеви йони ще реагират с фосфати, за да образуват утайка от хидроксиапатит [Ca₅(OH)(PO₄)3], както е показано по-долу.
От горния реакционен механизъм може да се види, че: (1) железните соли и варовик са силно повлияни от алкалността на водата; (2) отстраняването на варовик и фосфор произвежда голямо количество утайка (както магнезиевият хидроксид, така и калциевият карбонат са утайки). Това е една от причините, поради които алуминиевите соли често се избират за отстраняване на фосфор в реални проекти.
IV. Дозировка на химикали
Дозировката на метални соли обикновено се изразява като брой молове метал (Me), добавен на мол разтворим фосфор (Pin) във входящия поток. „Стехиометрична доза“ се отнася до добавяне на 1,0 мол метал за всеки мол отстранен фосфор (т.е. Me/Pin=1.0), което е строго базирано на моларното съотношение, необходимо за металната сол (алуминиева сол или желязна сол) да реагира с фосфор, за да образува фосфатна утайка. С увеличаването на дозата на металните соли скоростта на отстраняване на фосфора се подобрява и концентрацията на фосфор в изтичащия поток намалява. Въпреки това, когато дозата се увеличи до определено ниво, ефектът на постепенно премахване от по-нататъшното увеличаване на дозата постепенно отслабва.
Когато дозировката на железен хлорид достигне Me/Pin=1.5~2,0, тя може да отстрани 80%~98% от разтворимия фосфор. За постигане на много ниски общи концентрации на фосфор в отпадъчните води (напр. под 0,10 mg/L), е необходимо по-високо съотношение на дозиране с Me/Pin=6~7.
Съотношението на дозировката на алуминиевия сулфат е подобно на това на железния хлорид, но степента на отстраняване е по-ниска, между 75% и 95%. Използването на PAC или натриев алуминат за постигане на подобна ефективност на отстраняване на фосфора изисква още по-високи дози.
От горната информация за дозировката може да се види, че железните соли имат най-висока ефективност на отстраняване на фосфора, но както беше споменато по-рано, железните соли са силно повлияни от алкалността. PAC има най-ниската ефективност на отстраняване на фосфор, дори по-ниска от алуминиевия сулфат. Това противоречи на мнението на някои, че PAC, тъй като е „полиалуминий“, трябва да има по-висок ефект на отстраняване на фосфор от не-полимерния алуминиев сулфат.
Заключение
Химичното отстраняване на фосфор, като важен метод при пречистване на отпадъчни води, зависи не само от вида и дозировката на реагента, но и от качеството на отпадъчните води, pH, алкалност, смесване и условия на флокулация. Избирането на подходящи метални соли или варовик, научното изчисляване на дозировката и комбинирането на това с оптимизиране на процеса може да осигури ефективно отстраняване на фосфора, като същевременно контролира производството на утайки и оперативните разходи. Чрез разбирането на реакционните механизми и факторите на влияние на реагентите, инженерите по пречистване на отпадъчни води могат да постигнат стабилен контрол на фосфора в отпадъчните води и гъвкаво да прилагат технология за химическо отстраняване на фосфора на различни етапи на третиране, осигурявайки солидна подкрепа за защита на градската водна среда.