Kjemisk fosforfjerning er mye brukt i avløpsrenseanlegg. Metallsalter eller kalk, blant andre kjemikalier, kan tilsettes primære, sekundære eller tertiære behandlingsprosesser (for viktige utvalgspunkter, se artikkelen "Typer and Key Selection Points of Chemical Phosphorus Removal Agents" på denne offentlige kontoen; klikk på lenken på slutten av artikkelen). Kjemisk fosforfjerning har imidlertid også sine begrensninger. Rimelig utvalg av reagenser og nøyaktig doseringsberegning er forutsetninger for å sikre behandlingseffektivitet og kostnadsreduksjon. Denne artikkelen skisserer systematisk anvendelsesområdet, reagensegenskaper, påvirkningsfaktorer, reaksjonsmekanisme og dosering av kjemisk fosforfjerning, og gir referanse og praktisk veiledning for fagfolk innen vannbehandling.
I. Anvendelsesområde for kjemisk fosforfjerning
Kjemisk fosforfjerning kan kun fjerne fosfatdelen (ortofosfat) av totalt fosfor i avløpsvannet. Fosfat i influent utgjør typisk 50%–80% av totalt fosfor, som vanligvis finnes i to former: H₂PO₄⁻ og HPO₄²⁻, hvor førstnevnte er dominerende ved pH under 8,3. Polyfosfater reagerer ikke med metallsalter eller kalk; imidlertid omdannes de til fosfater under biologisk behandling. Organisk bundet fosfor utgjør typisk en liten andel av totalfosfor i tilløpsvannet. Kolloidalt og partikkelformig fosfor kan vanligvis fjernes under fast-væskeseparasjon; oppløst organisk fosfor kan hydrolysere til ortofosfater under behandling (hvis biologisk nedbrytbart), og hvis det ikke er biologisk nedbrytbart, kan det ikke fjernes av renseanlegget.
II. Reagensegenskaper og påvirkningsfaktorer
1. Reagensegenskaper
Reagenser som brukes for kjemisk fosforfjerning er typisk metallsalter eller kalk. De to mest brukte metallsaltene er aluminiumsulfat (ofte kjent som alun) og jernklorid. Natriumaluminat kan også brukes i stedet for aluminiumsulfat, men tilsetningen øker ofte systemets pH betydelig. I tillegg kan ulike former for polyaluminiumklorid (PAC) også brukes til kjemisk utfelling av fosforfjerning. Jernsulfat og jernklorid brukes også for fjerning av fosfor; disse midlene oppnås vanligvis som biprodukter av stålfremstillingsprosesser (beising av avløpsvann). Kalk leveres vanligvis i fast form, hovedsakelig inkludert brent kalk (CaO) og hydrert kalk [Ca(OH)₂].
2. Faktorer som påvirker reagenser
Foruten doseringen er avløpsvannkvalitetsegenskaper, reagensdoseringsmetode, reagensdoseringspunktplassering, reaksjons-pH, flokkuleringsmetode og reaksjonstid etter reagensdosering alle viktige design- og driftsfaktorer. Disse faktorene påvirker alle forholdet mellom dosering og effektiviteten av fosforfjerning.
(1) Reagensblanding
Tilstrekkelig blanding ved reagensdoseringspunktet er nødvendig for å sikre at metallioner reagerer med fosfatmolekyler. Blandeintensiteten er vanligvis karakterisert ved hastighetsgradienten G, med enheter på s⁻1. Rask blanding sikrer at reaksjonsoverflatesteder eksponeres i tide og deltar i reaksjonen; under lav blandingsintensitet kan imidlertid mange metalloksider genereres først i fravær av fosfatdeltakelse, og dermed forhindre deres indre oksygenatomer i å kombinere med fosfat, noe som resulterer i redusert fosforfjerningseffektivitet.
I faktiske renseanlegg er blandingsforholdene ved doseringspunktet typisk dårlige, med G-verdier som vanligvis varierer fra 200 til 300 s⁻¹. Under disse høye-blandingsforholdene er blandetiden vanligvis 10 til 30 s. Etter den innledende hurtigreaksjonskinetikkfasen kan fosfat og jern fortsette å reagere gjennom en langsom reaksjonskinetikkprosess, som kan vare i timer eller til og med dager. Denne langsomme-reaksjonskontrollerte prosessen for fjerning av fosfor er spesielt viktig for tilsetning av alun eller jernklorid til aktivert slamtanker, ettersom faststoffretensjonstiden (SRT) til slike systemer typisk måles i dager.
(2) Flokkulering
Etter rask blanding ved doseringspunktet, kreves skånsom blanding for å fremme dannelsen av flokker som kan sette seg eller fjernes gjennom fast-væskeseparasjon. Denne prosessen er avgjørende for å oppfylle kravet om lav fosforkonsentrasjon i avløpsvannet. Normalt gir strømmen av avløpsvann innenfor selve rensestrukturen tilstrekkelige blandingsforhold for flokkdannelse, men dersom flokkuleringstiden er utilstrekkelig, eller hvis det eksisterer forhold som forstyrrer flokkdannelsen (som pumping, lufting osv.), vil flokkuleringsprosessen være begrenset.
(3) pH og alkalinitet
Den høyeste fosforfjerningseffektiviteten ved kjemisk behandling forekommer vanligvis innenfor pH-området 5,5–7,0. Når pH er mellom 7 og 10, reduseres fosforfjerningseffektiviteten på grunn av den sterkere negative ladningen på overflaten av metallhydroksider og dannelsen av løselige jernhydroksider. Ved lavere pH-forhold avtar løseligheten av utfellingsmidlet; mens ved ekstremt lave pH-forhold er dannelsen av metallhydroksidutfellinger begrenset. Effektiviteten for fjerning av fosfor til aluminiumsulfat og jernklorid viser lignende trender under forskjellige pH-forhold.
(4) CODcr og SS
Effektiviteten til å fjerne fosfor ved å tilsette metallsalter i det primære behandlingstrinnet påvirkes betydelig av egenskapene til avløpsvannet. Det er en klar sammenheng mellom innhold av organisk materiale og fosforfjerningseffektiviteten til metallsalter. Når CODcr er i området 300–700 mg/L, reduseres fosfatfjerningseffektiviteten med økende CODcr. Lignende resultater ble oppnådd fra studier på totalt suspenderte faste stoffer (TSS), dvs. jo høyere TSS-konsentrasjon, desto lavere er fosforfjerningseffektiviteten.
I tillegg til å redusere effektiviteten av fosforfjerning i det primære behandlingsstadiet, svekker det høye innholdet av organisk materiale også fosforfjerningseffekten til metallsalter i reaktorer for aktivert slam. Jern- og aluminiumioner kan reagere med organisk materiale som humussyre og fulvinsyre for å danne uløselige komplekser assosiert med metallioner og deres mineraloksider, og dermed okkupere eller blokkere reaksjonsstedene som kreves for fosfatutfelling, noe som fører til en reduksjon i kjemisk fosforfjerningseffektivitet. Dette er en av grunnene til at post-kjemisk fjerning av fosfor ofte velges i faktiske prosjekter.
III. Reagensreaksjonsmekanisme og reagensvalg
Reaksjonen av aluminiumsulfat med fosfor er vist nedenfor.
I nærvær av alkalitet i vann, er reaksjonen av jern(III)klorid med oppløst fosfor og bikarbonat alkalitet i vannet vist nedenfor.
Hvis alkaliteten i vannet er utilstrekkelig, vil tilsetning av jern(III)klorid danne hydrert jernoksidutfelling, som gir overflateaktive steder for fosforreaksjon. Det grunnleggende prinsippet for fjerningsmekanismen for jernsaltfosfor er at fosfat og jern kan dele et oksygenatom, og deres interaksjon kan representeres av følgende formel (ladning ikke angitt).
Når kalk tilsettes avløpsvannet, reagerer kalken først med bikarbonat-alkaliteten i vannet og danner kalsiumkarbonat (CaCO₃). Når pH i systemet stiger over 10, vil overskudd av kalsiumioner reagere med fosfater for å danne hydroksyapatitt [Ca5(OH)(PO4)3]-utfelling, som vist nedenfor.
Fra reaksjonsmekanismen ovenfor kan det sees at: (1) jernsalter og kalk påvirkes sterkt av vannets alkalitet; (2) fjerning av kalkfosfor produserer en stor mengde slam (både magnesiumhydroksid og kalsiumkarbonat er slam). Dette er en av grunnene til at aluminiumsalter ofte velges for fosforfjerning i faktiske prosjekter.
IV. Dosering av kjemikalier
Doseringen av metallsalter uttrykkes vanligvis som antall mol metall (Me) tilsatt per mol løselig fosfor (Pin) i tilløpet. "Støkiometrisk dosering" refererer til å tilsette 1,0 mol metall for hver mol fosfor som fjernes (dvs. Me/Pin=1.0), som er strengt basert på molforholdet som kreves for at metallsaltet (aluminiumsalt eller jernsalt) skal reagere med fosfor for å danne fosfatutfelling. Etter hvert som doseringen av metallsalter øker, forbedres fosforfjerningshastigheten og avløpsfosforkonsentrasjonen synker. Men når dosen øker til et visst nivå, svekkes gradvis den inkrementelle fjerningseffekten fra ytterligere økning av dosen.
Når jernkloriddosen når Me/Pin=1.5~2,0, kan den fjerne 80%~98% av løselig fosfor. For å oppnå svært lave totalfosforkonsentrasjoner i avløpet (f.eks. under 0,10 mg/L), kreves det et høyere doseringsforhold, med Me/Pin=6~7.
Doseringsforholdet for aluminiumsulfat er likt det for jern(III)klorid, men fjerningshastigheten er lavere, mellom 75 % og 95 %. Bruk av PAC eller natriumaluminat for å oppnå tilsvarende effektivitet for fjerning av fosfor krever enda høyere doser.
Fra ovennevnte doseringsinformasjon kan det ses at jernsalter har den høyeste fosforfjerningseffektiviteten, men som nevnt tidligere er jernsalter sterkt påvirket av alkalitet. PAC har den laveste effektiviteten til å fjerne fosfor, enda lavere enn aluminiumsulfat. Dette er i strid med oppfatningen av enkelte om at PAC, som er "polyaluminium", bør ha en høyere fosforfjerningseffekt enn ikke--polymer aluminiumsulfat.
Konklusjon
Kjemisk fosforfjerning, som en viktig metode i avløpsvannbehandling, avhenger ikke bare av typen og doseringen av reagenset, men også av avløpsvannets kvalitet, pH, alkalitet, blanding og flokkuleringsforhold. Å velge passende metallsalter eller kalk, vitenskapelig beregne doseringen og kombinere dette med prosessoptimalisering kan sikre effektiv fosforfjerning samtidig som slamproduksjon og driftskostnader kontrolleres. Ved å forstå reaksjonsmekanismene og påvirkningsfaktorene til reagensene, kan avløpsvannbehandlingsingeniører oppnå stabil avløpsfosforkontroll og fleksibelt anvende kjemisk fosforfjerningsteknologi på forskjellige behandlingsstadier, og gi solid støtte for beskyttelse av urbant vannmiljø.