Nuotekų valymo įrenginiuose plačiai naudojamas cheminis fosforo šalinimas. Metalų druskų ar kalkių, be kitų cheminių medžiagų, galima dėti į pirminio, antrinio ar tretinio apdorojimo procesus (pagrindinius pasirinkimo taškus skaitykite šios viešosios paskyros straipsnyje „Cheminių fosforo šalinimo medžiagų tipai ir pagrindiniai pasirinkimo taškai“; spustelėkite straipsnio pabaigoje esančią nuorodą). Tačiau cheminis fosforo pašalinimas taip pat turi savo apribojimų. Racionalus reagentų parinkimas ir tikslus dozių apskaičiavimas yra būtinos sąlygos gydymo efektyvumui ir sąnaudų mažinimui užtikrinti. Šiame straipsnyje sistemingai aprašoma taikymo sritis, reagentų savybės, įtakojantys veiksniai, reakcijos mechanizmas ir cheminio fosforo šalinimo dozės, pateikiamos nuorodos ir praktinės gairės vandens valymo specialistams.
I. Cheminio fosforo šalinimo taikymo sritis
Cheminis fosforo pašalinimas gali pašalinti tik fosfato dalį (ortofosfatą) viso fosforo iš nuotekų. Įtekantis fosfatas paprastai sudaro 50–80 % viso fosforo, paprastai būna dviejų formų: H2PO₄⁻ ir HPO₄²⁻, o pirmasis vyrauja, kai pH yra mažesnis nei 8,3. Polifosfatai nereaguoja su metalų druskomis ar kalkėmis; tačiau biologinio apdorojimo metu jie paverčiami fosfatais. Organiškai surištas fosforas paprastai sudaro nedidelę viso įtekančio fosforo dalį. Koloidinis ir kietųjų dalelių fosforas paprastai gali būti pašalintas kieto{6}}skysčio atskyrimo metu; ištirpęs organinis fosforas valymo metu gali hidrolizuotis iki ortofosfatų (jei biologiškai skaidus), o jei biologiškai neskaidomas, jo negali pašalinti nuotekų valymo įrenginiai.
II. Reagento savybės ir įtakos veiksniai
1. Reagento savybės
Cheminiam fosforo pašalinimui naudojami reagentai paprastai yra metalų druskos arba kalkės. Dvi dažniausiai naudojamos metalų druskos yra aliuminio sulfatas (paprastai žinomas kaip alūnas) ir geležies chloridas. Vietoj aliuminio sulfato galima naudoti ir natrio aliuminatą, tačiau jo pridėjimas dažnai gerokai padidina sistemos pH. Be to, įvairių formų polialiuminio chloridas (PAC) taip pat gali būti naudojamas cheminiam fosforo pašalinimui iš nusodinimo. Geležies sulfatas ir geležies chloridas taip pat naudojami fosforo šalinimui; šie agentai paprastai gaunami kaip šalutiniai plieno gamybos procesų produktai (marinavimo nuotekos). Kalkės paprastai tiekiamos kietos, daugiausia įskaitant negesintas kalkes (CaO) ir hidratuotas kalkes [Ca(OH)₂].
2. Reagentus įtakojantys veiksniai
Be dozavimo, nuotekų kokybės charakteristikos, reagento dozavimo metodas, reagento dozavimo taško vieta, reakcijos pH, flokuliacijos metodas ir reakcijos laikas po reagento dozavimo yra svarbūs projektavimo ir veikimo veiksniai. Visi šie veiksniai turi įtakos santykiui tarp dozės ir fosforo pašalinimo efektyvumo.
(1) Reagentų maišymas
Reagento dozavimo taške reikia pakankamai maišyti, kad metalo jonai reaguotų su fosfato molekulėmis. Maišymo intensyvumas paprastai apibūdinamas greičio gradientu G su s⁻¹ vienetais. Greitas maišymas užtikrina, kad reakcijos paviršiaus vietos atsiskleidžia laiku ir dalyvauja reakcijoje; tačiau, esant mažam maišymo intensyvumui, daugelis metalų oksidų gali susidaryti pirmiausia, kai nedalyvauja fosfatas, taip užkertant kelią jų vidiniams deguonies atomams susijungti su fosfatu, todėl sumažėja fosforo šalinimo efektyvumas.
Faktiniuose nuotekų valymo įrenginiuose maišymo sąlygos dozavimo vietoje paprastai yra prastos, o G vertės paprastai svyruoja nuo 200 iki 300 s⁻¹. Esant tokioms didelės-energijos maišymo sąlygoms, maišymo laikas paprastai yra 10–30 s. Po pradinės greitos reakcijos kinetikos fazės fosfatas ir geležis gali toliau reaguoti per lėtą reakcijos kinetikos procesą, kuris gali trukti valandas ar net dienas. Šis lėta -reakcija kontroliuojamas fosforo šalinimo procesas yra ypač svarbus įpilant alūno arba geležies chlorido į aktyviojo dumblo rezervuarus, nes tokių sistemų kietųjų dalelių sulaikymo laikas (SRT) paprastai matuojamas dienomis.
(2) Flokuliacija
Greitai sumaišius dozavimo vietoje, reikia švelniai maišyti, kad susidarytų pūslelinės, kurios gali nusėsti arba pasišalinti atskiriant kietą{0}}skystį. Šis procesas yra labai svarbus siekiant patenkinti mažos fosforo koncentracijos nuotekose reikalavimą. Įprastai nuotekų srautas pačioje valymo konstrukcijoje sudaro pakankamas maišymosi sąlygas, kad susidarytų flokuliacija, tačiau jei flokuliacijos laikas yra nepakankamas arba yra sąlygos, kurios sutrikdo flokuliaciją (pvz., siurbimas, aeracija ir kt.), flokuliacijos procesas bus ribotas.
(3) pH ir šarmingumas
Didžiausias fosforo pašalinimo efektyvumas cheminio apdorojimo metu paprastai būna pH 5,5–7,0 diapazone. Kai pH yra tarp 7 ir 10, fosforo šalinimo efektyvumas mažėja dėl stipresnio neigiamo krūvio metalų hidroksidų paviršiuje ir tirpių geležies hidroksidų susidarymo. Esant žemesnėms pH sąlygoms, nusodintuvo tirpumas mažėja; o esant itin žemam pH sąlygoms, metalo hidroksido nuosėdų susidarymas yra ribotas. Aliuminio sulfato ir geležies chlorido fosforo šalinimo efektyvumas skirtingomis pH sąlygomis rodo panašias tendencijas.
(4) CODcr ir SS
Fosforo šalinimo efektyvumui pridedant metalų druskų pirminio valymo etape didelę įtaką daro nuotekų savybės. Yra aiškus ryšys tarp organinių medžiagų kiekio ir metalų druskų fosforo šalinimo efektyvumo. Kai CODcr yra 300–700 mg/L, fosfato šalinimo efektyvumas mažėja didėjant CODcr. Panašūs rezultatai gauti ir atliekant bendrojo suspenduotų kietųjų dalelių (TSS) tyrimus, ty kuo didesnė TSS koncentracija, tuo mažesnis fosforo šalinimo efektyvumas.
Didelis organinių medžiagų kiekis ne tik sumažina fosforo šalinimo efektyvumą pirminio apdorojimo etape, bet ir silpnina metalų druskų fosforo šalinimo efektą aktyviojo dumblo reaktoriuose. Geležies ir aliuminio jonai gali reaguoti su organinėmis medžiagomis, tokiomis kaip humino rūgštis ir fulvo rūgštis, sudarydami netirpius kompleksus, susijusius su metalų jonais ir jų mineraliniais oksidais, taip užimdami arba blokuodami reakcijos vietas, reikalingas fosfatų nusodinimui, todėl sumažėja cheminio fosforo šalinimo efektyvumas. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl atliekant tikrus projektus dažnai pasirenkamas cheminis fosforo pašalinimas po-.
III. Reagento reakcijos mechanizmas ir reagento parinkimas
Aliuminio sulfato reakcija su fosforu parodyta žemiau.
Esant šarmingumui vandenyje, geležies chlorido reakcija su vandenyje ištirpusio fosforo ir bikarbonato šarmingumu parodyta žemiau.
Jei vandens šarmingumas yra nepakankamas, pridėjus geležies chlorido susidarys hidratuotos geležies oksido nuosėdos, kurios sudaro paviršinio aktyvumo vietas fosforo reakcijai. Pagrindinis geležies druskos fosforo pašalinimo mechanizmo principas yra tas, kad fosfatas ir geležis gali turėti bendrą deguonies atomą, o jų sąveiką galima pavaizduoti pagal šią formulę (įkrova nenurodyta).
Kai į nuotekas įpilama kalkių, kalkės pirmiausia reaguoja su vandenilio karbonato šarmingumu ir susidaro kalcio karbonatas (CaCO₃). Kai sistemos pH pakyla virš 10, kalcio jonų perteklius reaguos su fosfatais, sudarydamas hidroksiapatito [Ca₅(OH)(PO4)3] nuosėdas, kaip parodyta toliau.
Iš aukščiau pateikto reakcijos mechanizmo matyti, kad: (1) geležies druskas ir kalkes labai veikia vandens šarmingumas; (2) kalkių fosforo šalinimo metu susidaro didelis kiekis dumblo (ir magnio hidroksidas, ir kalcio karbonatas yra dumblas). Tai viena iš priežasčių, kodėl fosforo šalinimui realiuose projektuose dažnai pasirenkamos aliuminio druskos.
IV. Cheminių medžiagų dozavimas
Metalo druskų dozė paprastai išreiškiama metalo (Me) molių skaičiumi, pridedant vienam moliui tirpaus fosforo (Pin) įtekančioje terpėje. „Stechiometrinė dozė“ reiškia 1,0 molio metalo pridėjimą kiekvienam pašalinto fosforo moliui (ty Me/Pin=1.0), kuris yra griežtai pagrįstas moliniu santykiu, kurio reikia, kad metalo druska (aliuminio druska arba geležies druska) reaguotų su fosforu ir susidarytų fosfato nuosėdos. Didėjant metalų druskų dozei, pagerėja fosforo šalinimo greitis ir sumažėja fosforo koncentracija nuotekose. Tačiau, kai dozė padidėja iki tam tikro lygio, laipsniškas pašalinimo efektas, didėjant dozei, palaipsniui silpnėja.
Kai geležies chlorido dozė pasiekia Me/Pin=1.5~2,0, ji gali pašalinti 80–98 % tirpaus fosforo. Norint pasiekti labai mažą bendrojo fosforo koncentraciją nuotekose (pvz., mažesnę nei 0,10 mg/L), reikalingas didesnis dozavimo santykis, kai Me/Pin=6~7.
Aliuminio sulfato dozavimo santykis yra panašus į geležies chlorido, tačiau pašalinimo greitis yra mažesnis – nuo 75% iki 95%. Norint pasiekti panašų fosforo šalinimo efektyvumą, naudojant PAC arba natrio aliuminatą reikia dar didesnių dozių.
Iš pirmiau pateiktos informacijos apie dozavimą matyti, kad geležies druskos turi didžiausią fosforo šalinimo efektyvumą, tačiau, kaip minėta anksčiau, geležies druskas labai veikia šarmingumas. PAC turi mažiausią fosforo šalinimo efektyvumą, netgi žemesnį nei aliuminio sulfato. Tai prieštarauja kai kurių nuomonei, kad PAC, būdamas „polialiuminiu“, turėtų turėti didesnį fosforo šalinimo efektą nei ne-polimerinis aliuminio sulfatas.
Išvada
Cheminis fosforo šalinimas, kaip svarbus nuotekų valymo būdas, priklauso ne tik nuo reagento rūšies ir dozės, bet ir nuo nuotekų kokybės, pH, šarmingumo, maišymosi, flokuliacijos sąlygų. Pasirinkus tinkamas metalo druskas ar kalkes, moksliškai apskaičiuojant dozavimą ir derinant tai su proceso optimizavimu, galima užtikrinti efektyvų fosforo pašalinimą, tuo pačiu kontroliuojant dumblo gamybos ir eksploatavimo išlaidas. Suprasdami reagentų reakcijos mechanizmus ir įtakos veiksnius, nuotekų valymo inžinieriai gali pasiekti stabilią nuotekų fosforo kontrolę ir lanksčiai pritaikyti cheminio fosforo šalinimo technologiją skirtinguose valymo etapuose, suteikdami tvirtą paramą miesto vandens aplinkos apsaugai.
