A kémiai foszforeltávolítást széles körben alkalmazzák a szennyvíztisztító telepeken. Fémsók vagy mész, egyéb vegyszerek mellett, hozzáadhatók az elsődleges, másodlagos vagy harmadlagos kezelési folyamatokhoz (a legfontosabb kiválasztási pontokért tekintse meg a „Kémiai foszforeltávolító szerek típusai és legfontosabb kiválasztási pontjai” című cikket ezen a nyilvános fiókon; kattintson a cikk végén található hivatkozásra). A kémiai foszforeltávolításnak azonban megvannak a maga korlátai. A reagensek ésszerű kiválasztása és az adagolás pontos kiszámítása előfeltétele a kezelés hatékonyságának és a költségcsökkentésnek. Ez a cikk szisztematikusan felvázolja az alkalmazási kört, a reagens tulajdonságait, a befolyásoló tényezőket, a reakciómechanizmust és a kémiai foszforeltávolítás adagolását, referenciaként és gyakorlati útmutatásként szolgálva a vízkezelő szakemberek számára.
I. A kémiai foszforeltávolítás alkalmazási köre
A kémiai foszforeltávolítás csak a szennyvízben lévő összes foszfor foszfát részét (ortofoszfát) tudja eltávolítani. A befolyó foszfát általában az összes foszfor 50–80%-át teszi ki, általában két formában létezik: H2PO₄⁻ és HPO42⁻, ahol az előbbi dominál 8,3 alatti pH-nál. A polifoszfátok nem lépnek reakcióba fémsókkal vagy mésszel; a biológiai kezelés során azonban foszfáttá alakulnak. A szervesen kötött foszfor jellemzően kis hányadát teszi ki a befolyó összes foszfornak. A kolloid és szemcsés foszfor általában eltávolítható a szilárd-folyadék elválasztása során; Az oldott szerves foszfor a kezelés során ortofoszfáttá hidrolizálhat (ha biológiailag lebomlik), és ha biológiailag nem bomlik le, akkor a szennyvíztisztító telep nem tudja eltávolítani.
II. A reagensek tulajdonságai és befolyásoló tényezők
1. Reagens tulajdonságai
A kémiai foszforeltávolításhoz használt reagensek jellemzően fémsók vagy mész. A két leggyakrabban használt fémsó az alumínium-szulfát (általános nevén timsó) és a vas-klorid. Alumínium-szulfát helyett nátrium-aluminát is használható, de ennek hozzáadása gyakran jelentősen megnöveli a rendszer pH-ját. Ezenkívül a polialumínium-klorid (PAC) különféle formái is felhasználhatók a kémiai kicsapásos foszfor eltávolítására. Vas-szulfátot és vas-kloridot is használnak a foszfor eltávolítására; ezeket a szereket jellemzően acélgyártási folyamatok melléktermékeiként nyerik (pácolási szennyvíz). A meszet általában szilárd formában szállítják, főként égetett meszet (CaO) és hidratált meszet [Ca(OH)2].
2. A reagenseket befolyásoló tényezők
Az adagolás mellett a szennyvíz minőségi jellemzői, a reagens adagolási módja, a reagens adagolási pontjának elhelyezkedése, a reakció pH-ja, a flokkulációs módszer és a reagens adagolása utáni reakcióidő mind fontos tervezési és működési tényezők. Ezek a tényezők mind befolyásolják az adagolás és a foszfor eltávolítási hatékonyság közötti kapcsolatot.
(1) Reagenskeverés
A reagens adagolási pontján megfelelő keverés szükséges ahhoz, hogy a fémionok reakcióba lépjenek a foszfátmolekulákkal. A keverési intenzitást általában a G sebességi gradiens jellemzi, s-1 egységekkel. A gyors keverés biztosítja, hogy a reakciófelületek időben szabaddá váljanak és részt vegyenek a reakcióban; alacsony keverési intenzitás mellett azonban sok fém-oxid képződhet először foszfát részvétel hiányában, így megakadályozva a belső oxigénatomok foszfáttal való egyesülését, ami csökkenti a foszfor eltávolítási hatékonyságot.
A tényleges szennyvíztisztító telepeken a keverési körülmények az adagolási ponton jellemzően rosszak, a G-értékek általában 200 és 300 s⁻¹ között mozognak. Ilyen nagy-energiájú keverési körülmények között a keverési idő általában 10-30 s. A kezdeti gyors reakció kinetikai fázis után a foszfát és a vas tovább reagálhat lassú reakciókinetikai folyamaton keresztül, amely órákig vagy akár napokig is eltarthat. Ez a lassú -reakcióval szabályozott foszforeltávolítási eljárás különösen fontos timsó vagy vas-klorid eleveniszapos tartályokhoz való adagolásakor, mivel az ilyen rendszerek szilárdanyag-visszatartási idejét (SRT) általában napokban mérik.
(2) Flokkuláció
Az adagolási ponton történő gyors keverés után enyhe keverés szükséges, hogy elősegítsük a pelyhek kialakulását, amelyek leülepedhetnek vagy a szilárd{0}}folyadék elválasztásával eltávolíthatók. Ez a folyamat döntő fontosságú a kifolyó alacsony foszforkoncentráció követelményének teljesítéséhez. Normális esetben maga a szennyvíz áramlása a tisztítószerkezeten belül megfelelő keveredési feltételeket biztosít a pelyhképződéshez, de ha a pelyhesítési idő nem elegendő, vagy ha olyan körülmények állnak fenn, amelyek megzavarják a pelyhképződést (például szivattyúzás, levegőztetés stb.), akkor a pelyhesedési folyamat korlátozott lesz.
(3) pH és lúgosság
A vegyszeres kezelés legmagasabb foszforeltávolítási hatékonysága jellemzően az 5,5-7,0 pH-tartományban érhető el. Ha a pH 7 és 10 között van, a foszfor eltávolítási hatékonysága csökken a fém-hidroxidok felületén jelentkező erősebb negatív töltés és az oldható vas-hidroxidok képződése miatt. Alacsonyabb pH-körülmények között a kicsapószer oldhatósága csökken; míg rendkívül alacsony pH-körülmények között a fém-hidroxid-csapadék képződése korlátozott. Az alumínium-szulfát és a vas-klorid foszforeltávolítási hatékonysága hasonló tendenciákat mutat különböző pH-körülmények között.
(4) CODcr és SS
A fémsók hozzáadásának foszforeltávolítási hatékonyságát az elsődleges tisztítási szakaszban jelentősen befolyásolja a szennyvíz jellemzői. Egyértelmű összefüggés van a szervesanyag-tartalom és a fémsók foszforeltávolítási hatékonysága között. Ha a CODcr a 300-700 mg/L tartományban van, a foszfáteltávolítás hatékonysága csökken a KODcr növekedésével. Hasonló eredményeket kaptunk az összes lebegőanyag (TSS) vizsgálataiból, azaz minél magasabb a TSS koncentráció, annál alacsonyabb a foszfor eltávolítási hatékonyság.
A magas szervesanyag-tartalom az elsődleges kezelési szakaszban a foszforeltávolítás hatékonyságának csökkenése mellett a fémsók foszforeltávolító hatását is gyengíti az eleveniszapos reaktorokban. A vas- és alumíniumionok szerves anyagokkal, például huminsavval és fulvosavval reagálva oldhatatlan komplexeket képezhetnek fémionokkal és azok ásványi oxidjaival, ezáltal elfoglalják vagy blokkolják a foszfátkicsapáshoz szükséges reakcióhelyeket, ami a kémiai foszforeltávolítás hatékonyságának csökkenéséhez vezet. Ez az egyik oka annak, hogy a tényleges projektekben gyakran a poszt-kémiai foszforeltávolítást választják.
III. A reagens reakció mechanizmusa és a reagens kiválasztása
Az alábbiakban bemutatjuk az alumínium-szulfát és a foszfor reakcióját.
Vízben lúgosság jelenlétében a vas(III)-klorid reakcióját a vízben oldott foszforral és bikarbonát lúggal az alábbiakban mutatjuk be.
Ha a víz lúgossága nem megfelelő, vas-klorid hozzáadása hidratált vas-oxid csapadékot hoz létre, amely felületaktív helyeket biztosít a foszforreakcióhoz. A vassó foszforeltávolító mechanizmusának alapelve, hogy a foszfát és a vas osztozhat egy oxigénatomon, és kölcsönhatásuk a következő képlettel ábrázolható (töltés nincs feltüntetve).
Amikor meszet adnak a szennyvízhez, a mész először reagál a víz hidrogén-karbonát lúgosságával, és kalcium-karbonátot (CaCO₃) képez. Amikor a rendszer pH-ja 10 fölé emelkedik, a felesleges kalciumionok reakcióba lépnek a foszfátokkal, és hidroxiapatit [Ca5(OH)(PO4)3] csapadékot képeznek, amint az alább látható.
A fenti reakciómechanizmusból látható, hogy: (1) a vassókat és a meszet nagymértékben befolyásolja a víz lúgossága; (2) a mészfoszfor eltávolítása nagy mennyiségű iszapot termel (a magnézium-hidroxid és a kalcium-karbonát is iszap). Ez az egyik oka annak, hogy az alumíniumsókat gyakran választják a foszfor eltávolítására a tényleges projektekben.
IV. A vegyszerek adagolása
A fémsók adagját általában a befolyó folyadékban lévő oldható foszfor (Pin) móljára jutó fém (Me) móljaiban fejezik ki. A "sztöchiometrikus adagolás" azt jelenti, hogy minden eltávolított foszformól után 1,0 mol fémet kell hozzáadni (azaz Me/Pin=1.0), ami szigorúan azon a mólarányon alapul, amely ahhoz szükséges, hogy a fémsó (alumínium- vagy vassó) reagáljon a foszforral, és foszfátcsapadék képződjön. A fémsók adagolásának növekedésével javul a foszfor eltávolítási sebesség, és csökken a kifolyó foszforkoncentráció. Ha azonban az adag egy bizonyos szintre emelkedik, az adag további növelésének fokozatos eltávolító hatása fokozatosan gyengül.
Amikor a vas-klorid adagja eléri a Me/Pin=1.5~2,0 értéket, az oldható foszfor 80-98%-át képes eltávolítani. A szennyvíz nagyon alacsony összfoszforkoncentrációjának eléréséhez (pl. 0,10 mg/L alatt) magasabb adagolási arányra van szükség, Me/Pin=6~7 értékkel.
Az alumínium-szulfát adagolási aránya hasonló a vas-kloridéhoz, de az eltávolítási arány alacsonyabb, 75% és 95% között. A PAC vagy nátrium-aluminát alkalmazása a hasonló foszforeltávolítási hatékonyság elérése érdekében még nagyobb adagokat igényel.
A fenti adagolási információkból látható, hogy a vas(III)sók rendelkeznek a legnagyobb foszforeltávolító hatásfokkal, de amint azt korábban említettük, a vas(III)sókat nagymértékben befolyásolja a lúgosság. A PAC a legalacsonyabb foszforeltávolítási hatékonysággal rendelkezik, még az alumínium-szulfátnál is alacsonyabb. Ez ellentmond egyesek azon nézetének, miszerint a PAC „polialumínium” lévén nagyobb foszforeltávolító hatással kell rendelkeznie, mint a nem-polimer alumínium-szulfáté.
Következtetés
A kémiai foszforeltávolítás, mint a szennyvíztisztítás egyik fontos módszere, nemcsak a reagens típusától és adagolásától függ, hanem a szennyvíz minőségétől, pH-jától, lúgosságától, keveredési és pelyhesedési viszonyaitól is. A megfelelő fémsók vagy mész kiválasztása, az adagolás tudományos kiszámítása és ennek a folyamatoptimalizálással történő kombinálása hatékony foszforeltávolítást biztosíthat, miközben az iszaptermelés és az üzemeltetési költségek is kontrollálhatók. A reagensek reakciómechanizmusainak és befolyásoló tényezőinek megértésével a szennyvízkezelő mérnökök stabil kibocsátott foszforszabályozást érhetnek el, és rugalmasan alkalmazhatják a kémiai foszforeltávolító technológiát a különböző kezelési szakaszokban, szilárd támogatást nyújtva a városi vizek környezetének védelméhez.