L'eliminació química del fòsfor s'utilitza àmpliament a les plantes de tractament d'aigües residuals. Les sals metàl·liques o la calç, entre altres productes químics, es poden afegir als processos de tractament primari, secundari o terciari (per als punts de selecció clau, consulteu l'article "Tipus i punts de selecció clau d'agents d'eliminació de fòsfor químic" d'aquest compte públic; feu clic a l'enllaç al final de l'article). Tanmateix, l'eliminació química del fòsfor també té les seves limitacions. La selecció raonable de reactius i el càlcul precís de la dosi són requisits previs per garantir l'eficàcia del tractament i la reducció de costos. Aquest article descriu sistemàticament l'àmbit d'aplicació, les propietats dels reactius, els factors que influeixen, el mecanisme de reacció i la dosi d'eliminació química de fòsfor, proporcionant una referència i una guia pràctica per als professionals del tractament d'aigua.
I. Àmbit d'aplicació per a l'eliminació química de fòsfor
L'eliminació química del fòsfor només pot eliminar la porció de fosfat (ortofosfat) del fòsfor total de les aigües residuals. El fosfat en l'afluent representa típicament entre el 50% i el 80% del fòsfor total, generalment existent en dues formes: H₂PO₄⁻ i HPO₄²⁻, amb el primer predominant a pH inferior a 8,3. Els polifosfats no reaccionen amb sals metàl·liques o calç; tanmateix, es converteixen en fosfats durant el tractament biològic. El fòsfor lligat orgànicament constitueix normalment una petita proporció del fòsfor total a l'afluent. El fòsfor col·loïdal i en partícules normalment es pot eliminar durant la separació de sòlids-líquids; El fòsfor orgànic dissolt pot hidrolitzar-se a ortofosfats durant el tractament (si és biodegradable), i si no és biodegradable, no pot ser eliminat per la depuradora d'aigües residuals.
II. Propietats dels reactius i factors que influeixen
1. Propietats dels reactius
Els reactius utilitzats per a l'eliminació química del fòsfor solen ser sals metàl·liques o calç. Les dues sals metàl·liques més utilitzades són el sulfat d'alumini (comunament conegut com alum) i el clorur fèrric. L'aluminat de sodi també es pot utilitzar en lloc del sulfat d'alumini, però la seva addició sovint augmenta significativament el pH del sistema. A més, també es poden utilitzar diverses formes de clorur de polialumini (PAC) per a l'eliminació de fòsfor de precipitació química. El sulfat ferros i el clorur fèrric també s'utilitzen per a l'eliminació del fòsfor; aquests agents s'obtenen normalment com a subproductes dels processos d'elaboració d'acer (decapatge d'aigües residuals). La calç es subministra generalment en forma sòlida, incloent principalment calç viva (CaO) i calç hidratada [Ca(OH)₂].
2. Factors que afecten els reactius
A més de la dosificació, les característiques de qualitat de les aigües residuals, el mètode de dosificació del reactiu, la ubicació del punt de dosificació del reactiu, el pH de la reacció, el mètode de floculació i el temps de reacció després de la dosificació del reactiu són factors importants de disseny i funcionament. Tots aquests factors afecten la relació entre la dosi i l'eficiència d'eliminació de fòsfor.
(1) Mescla de reactius
És necessària una mescla suficient al punt de dosificació del reactiu per garantir que els ions metàl·lics reaccionin amb les molècules de fosfat. La intensitat de mescla normalment es caracteritza pel gradient de velocitat G, amb unitats de s⁻¹. La barreja ràpida garanteix que els llocs de la superfície de reacció estiguin exposats a temps i participin en la reacció; tanmateix, amb baixa intensitat de mescla, molts òxids metàl·lics es poden generar primer en absència de participació de fosfat, evitant així que els seus àtoms d'oxigen interns es combinin amb el fosfat, donant lloc a una eficiència reduïda d'eliminació de fòsfor.
A les plantes de tractament d'aigües residuals reals, les condicions de mescla al punt de dosificació solen ser pobres, amb valors G generalment entre 200 i 300 s⁻¹. En aquestes condicions de mescla d'alta-energia, el temps de mescla sol ser de 10 a 30 s. Després de la fase inicial de cinètica de reacció ràpida, el fosfat i el ferro poden continuar reaccionant mitjançant un procés de cinètica de reacció lenta, que pot durar hores o fins i tot dies. Aquest procés d'eliminació de fòsfor controlat de reacció lenta-és particularment important per a l'addició d'alum o clorur fèrric als dipòsits de fangs activats, ja que el temps de retenció de sòlids (SRT) d'aquests sistemes normalment es mesura en dies.
(2) Floculació
Després de la mescla ràpida al punt de dosificació, cal una barreja suau per afavorir la formació de flóculs que es puguin sedimentar o eliminar mitjançant la separació de sòlids-líquids. Aquest procés és crucial per satisfer el requisit de baixa concentració de fòsfor de l'efluent. Normalment, el flux d'aigües residuals dins de la pròpia estructura de tractament proporciona condicions de mescla suficients per a la formació de flocs, però si el temps de floculació és insuficient, o si existeixen condicions que alteren la formació de flocs (com bombament, aireació, etc.), el procés de floculació serà limitat.
(3) pH i alcalinitat
L'eficiència més alta d'eliminació de fòsfor en el tractament químic es produeix normalment dins del rang de pH de 5,5 a 7,0. Quan el pH està entre 7 i 10, l'eficiència d'eliminació de fòsfor disminueix a causa de la càrrega negativa més forta a la superfície dels hidròxids metàl·lics i la formació d'hidròxids de ferro solubles. En condicions de pH més baixes, la solubilitat del precipitant disminueix; mentre que en condicions de pH extremadament baix, la formació de precipitats d'hidròxid metàl·lic és limitada. L'eficiència d'eliminació de fòsfor del sulfat d'alumini i el clorur fèrric mostra tendències similars en diferents condicions de pH.
(4) CODcr i SS
L'eficiència d'eliminació de fòsfor d'afegir sals metàl·liques en l'etapa de tractament primari es veu significativament afectada per les característiques de les aigües residuals. Hi ha una clara relació entre el contingut de matèria orgànica i l'eficiència d'eliminació de fòsfor de les sals metàl·liques. Quan el CODcr està en el rang de 300-700 mg/L, l'eficiència d'eliminació de fosfats disminueix amb l'augment de CODcr. S'han obtingut resultats similars a partir d'estudis sobre sòlids en suspensió total (TSS), és a dir, com més gran és la concentració de TSS, menor és l'eficiència d'eliminació de fòsfor.
A més de reduir l'eficiència d'eliminació de fòsfor en l'etapa de tractament primari, l'alt contingut de matèria orgànica també debilita l'efecte d'eliminació de fòsfor de les sals metàl·liques en els reactors de fangs activats. Els ions de ferro i alumini poden reaccionar amb matèria orgànica com l'àcid húmic i l'àcid fúlvic per formar complexos insolubles associats amb ions metàl·lics i els seus òxids minerals, ocupant o bloquejant així els llocs de reacció necessaris per a la precipitació de fosfats, donant lloc a una disminució de l'eficiència química d'eliminació de fòsfor. Aquesta és una de les raons per les quals sovint s'escull l'eliminació post-química de fòsfor en projectes reals.
III. Mecanisme de reacció dels reactius i selecció de reactius
A continuació es mostra la reacció del sulfat d'alumini amb el fòsfor.
En presència d'alcalinitat a l'aigua, a continuació es mostra la reacció del clorur fèrric amb l'alcalinitat de fòsfor i bicarbonat dissolts a l'aigua.
Si l'alcalinitat de l'aigua és insuficient, l'addició de clorur fèrric formarà un precipitat d'òxid de ferro hidratat, proporcionant llocs tensioactius per a la reacció del fòsfor. El principi bàsic del mecanisme d'eliminació de fòsfor de sal de ferro és que el fosfat i el ferro poden compartir un àtom d'oxigen i la seva interacció es pot representar amb la fórmula següent (càrrega no indicada).
Quan s'afegeix calç a les aigües residuals, la calç primer reacciona amb l'alcalinitat del bicarbonat de l'aigua per formar carbonat de calci (CaCO₃). Quan el pH del sistema augmenta per sobre de 10, l'excés d'ions de calci reaccionarà amb els fosfats per formar un precipitat d'hidroxiapatita [Ca₅(OH)(PO₄)₃], com es mostra a continuació.
A partir del mecanisme de reacció anterior, es pot veure que: (1) les sals de ferro i la calç es veuen molt afectades per l'alcalinitat de l'aigua; (2) l'eliminació de fòsfor de calç produeix una gran quantitat de fangs (tant l'hidròxid de magnesi com el carbonat de calci són fangs). Aquesta és una de les raons per les quals sovint es trien sals d'alumini per a l'eliminació de fòsfor en projectes reals.
IV. Dosificació de productes químics
La dosi de sals metàl·liques sol expressar-se com el nombre de mols de metall (Me) afegits per mol de fòsfor soluble (Pin) a l'afluent. "Dosi estequiomètrica" es refereix a afegir 1,0 mol de metall per cada mol de fòsfor eliminat (és a dir, Me/Pin=1.0), que es basa estrictament en la proporció molar necessària perquè la sal metàl·lica (sal d'alumini o sal de ferro) reaccioni amb fòsfor per formar precipitat de fosfat. A mesura que augmenta la dosi de sals metàl·liques, la taxa d'eliminació de fòsfor millora i la concentració de fòsfor de l'efluent disminueix. Tanmateix, quan la dosi augmenta fins a un cert nivell, l'efecte d'eliminació incremental d'augmentar encara més la dosi es debilita gradualment.
Quan la dosi de clorur fèrric arriba a Me/Pin=1.5~2,0, pot eliminar el 80%~98% del fòsfor soluble. Per aconseguir concentracions de fòsfor total de l'efluent molt baixes (per exemple, per sota de 0,10 mg/L), es requereix una proporció de dosificació més alta, amb Me/Pin=6~7.
La proporció de dosificació del sulfat d'alumini és similar a la del clorur fèrric, però la taxa d'eliminació és menor, entre el 75% i el 95%. L'ús de PAC o aluminat de sodi per aconseguir una eficiència similar d'eliminació de fòsfor requereix dosis encara més altes.
A partir de la informació de dosificació anterior, es pot veure que les sals fèrriques tenen la major eficiència d'eliminació de fòsfor, però com s'ha esmentat anteriorment, les sals fèrriques es veuen molt afectades per l'alcalinitat. El PAC té la menor eficiència d'eliminació de fòsfor, fins i tot inferior a la del sulfat d'alumini. Això contradiu l'opinió d'alguns que el PAC, sent "polialumini", hauria de tenir un efecte d'eliminació de fòsfor més gran que el sulfat d'alumini no -polímer.
Conclusió
L'eliminació química del fòsfor, com a mètode important en el tractament d'aigües residuals, depèn no només del tipus i la dosi del reactiu, sinó també de la qualitat de l'aigua residual, el pH, l'alcalinitat, la barreja i les condicions de floculació. Seleccionar sals metàl·liques o calç adequades, calcular científicament la dosi i combinar-ho amb l'optimització del procés pot garantir l'eliminació eficient del fòsfor alhora que es controla la producció de fangs i els costos operatius. Mitjançant la comprensió dels mecanismes de reacció i els factors d'influència dels reactius, els enginyers de tractament d'aigües residuals poden aconseguir un control estable del fòsfor de l'efluent i aplicar de manera flexible la tecnologia d'eliminació química del fòsfor en diferents etapes de tractament, proporcionant un suport sòlid per a la protecció del medi ambient de l'aigua urbana.