Kemiallista fosforinpoistoa käytetään laajalti jätevedenpuhdistamoissa. Metallisuoloja tai kalkkia, muiden kemikaalien ohella, voidaan lisätä primääri-, toissijaisiin tai tertiäärisiin käsittelyprosesseihin (katso tärkeimmät valintakohdat tämän julkisen tilin artikkelista "Kemiallisten fosforinpoistoaineiden tyypit ja tärkeimmät valintapisteet"; napsauta artikkelin lopussa olevaa linkkiä). Kemiallisella fosforinpoistolla on kuitenkin myös rajoituksensa. Kohtuullinen reagenssien valinta ja tarkka annostuslaskenta ovat hoidon tehokkuuden ja kustannusten alenemisen edellytyksiä. Tässä artikkelissa hahmotellaan systemaattisesti käyttöalue, reagenssien ominaisuudet, vaikuttavat tekijät, reaktiomekanismi ja kemiallisen fosforinpoiston annostus. Se tarjoaa viitteellisiä ja käytännön ohjeita vedenkäsittelyn ammattilaisille.
I. Kemiallisen fosforinpoiston soveltamisala
Kemiallinen fosforinpoisto voi poistaa vain fosfaattiosan (ortofosfaatin) kokonaisfosforista jätevedestä. Sisäänvirtaava fosfaatti muodostaa tyypillisesti 50–80 % kokonaisfosforista, ja sitä esiintyy yleensä kahdessa muodossa: H2PO₄⁻ ja HPO42⁻, joista edellinen on vallitseva pH:n ollessa alle 8,3. Polyfosfaatit eivät reagoi metallisuolojen tai kalkin kanssa; ne kuitenkin muuttuvat fosfaateiksi biologisen käsittelyn aikana. Orgaa- nisesti sitoutunut fosfori muodostaa tyypillisesti pienen osan sisäänvirtaavan veden kokonaisfosforista. Kolloidinen ja hiukkasmainen fosfori voidaan yleensä poistaa kiinteän -nesteen erotuksen aikana; liuennut orgaaninen fosfori voi hydrolysoitua ortofosfaateiksi käsittelyn aikana (jos se on biohajoavaa), ja jos se ei ole biohajoavaa, sitä ei voida poistaa jätevedenpuhdistamolla.
II. Reagenssien ominaisuudet ja vaikuttavat tekijät
1. Reagenssin ominaisuudet
Kemialliseen fosforinpoistoon käytetyt reagenssit ovat tyypillisesti metallisuoloja tai kalkkia. Kaksi yleisimmin käytettyä metallisuolaa ovat alumiinisulfaatti (tunnetaan yleisesti alunana) ja rautakloridi. Natriumaluminaattia voidaan käyttää myös alumiinisulfaatin sijasta, mutta sen lisääminen nostaa usein merkittävästi järjestelmän pH:ta. Lisäksi erilaisia polyalumiinikloridin (PAC) muotoja voidaan käyttää myös kemialliseen saostusfosforin poistoon. Rautasulfaattia ja rautakloridia käytetään myös fosforin poistamiseen; näitä aineita saadaan tyypillisesti teräksenvalmistusprosessien sivutuotteina (peittausjätevesi). Kalkkia toimitetaan yleensä kiinteässä muodossa, sisältäen pääasiassa poltetun kalkin (CaO) ja hydratoidun kalkin [Ca(OH)2].
2. Reagensseihin vaikuttavat tekijät
Annostelun lisäksi jäteveden laatuominaisuudet, reagenssin annostelumenetelmä, reagenssin annostelupisteen sijainti, reaktion pH, flokkulaatiomenetelmä ja reaktioaika reagenssin annostelun jälkeen ovat kaikki tärkeitä suunnittelu- ja toimintatekijöitä. Kaikki nämä tekijät vaikuttavat annostuksen ja fosforinpoistotehokkuuden väliseen suhteeseen.
(1) Reagenssisekoitus
Riittävä sekoitus reagenssin annostelupisteessä on välttämätöntä sen varmistamiseksi, että metalli-ionit reagoivat fosfaattimolekyylien kanssa. Sekoitusintensiteettiä kuvaa yleensä nopeusgradientti G yksiköillä s-1. Nopea sekoitus varmistaa, että reaktiopinnat tulevat näkyviin ajoissa ja osallistuvat reaktioon; kuitenkin alhaisella sekoitusintensiteetillä monia metallioksideja voi syntyä ensin ilman fosfaatin osallistumista, mikä estää niiden sisäisiä happiatomeja yhdistymästä fosfaatin kanssa, mikä johtaa alentuneeseen fosforinpoistotehokkuuteen.
Varsinaisissa jätevedenpuhdistamoissa sekoitusolosuhteet annostelupisteessä ovat tyypillisesti huonot, G-arvot vaihtelevat yleensä välillä 200-300 s⁻¹. Näissä korkeaenergiaisissa sekoitusolosuhteissa sekoitusaika on yleensä 10-30 s. Alkuperäisen nopean reaktion kinetiikkavaiheen jälkeen fosfaatti ja rauta voivat jatkaa reagoimista hitaan reaktiokinetiikkaprosessin kautta, joka voi kestää tunteja tai jopa päiviä. Tämä hitaasti -reaktiolla ohjattu fosforinpoistoprosessi on erityisen tärkeä alunan tai rautakloridin lisäämisessä aktiivilietesäiliöihin, koska tällaisten järjestelmien kiintoaineen retentioaika (SRT) mitataan tyypillisesti päivinä.
(2) Flokkulaatio
Nopean sekoituksen jälkeen annostelukohdassa on sekoitettava varovasti, jotta edistetään hiutaleiden muodostumista, jotka voivat laskeutua tai poistua kiinteän -nesteen erotuksen kautta. Tämä prosessi on ratkaisevan tärkeä jäteveden alhaisen fosforipitoisuuden vaatimuksen täyttämiseksi. Normaalisti jäteveden virtaus itse puhdistusrakenteessa tarjoaa riittävät sekoitusolosuhteet flokkulan muodostumiselle, mutta jos flokkulaatioaika on riittämätön tai jos esiintyy hiutaleen muodostumista häiritseviä olosuhteita (kuten pumppaus, ilmastus jne.), flokkulaatioprosessi on rajoitettu.
(3) pH ja alkalisuus
Kemiallisen käsittelyn suurin fosforinpoistoteho on tyypillisesti pH-alueella 5,5–7,0. Kun pH on välillä 7-10, fosforinpoistotehokkuus laskee johtuen metallihydroksidien pinnan voimakkaammasta negatiivisesta varauksesta ja liukoisten rautahydroksidien muodostumisesta. Alemmissa pH-olosuhteissa saostusaineen liukoisuus laskee; kun taas erittäin alhaisissa pH-olosuhteissa metallihydroksidisaostumien muodostuminen on rajoitettua. Alumiinisulfaatin ja rautakloridin fosforinpoistotehokkuus osoittaa samansuuntaista kehitystä erilaisissa pH-olosuhteissa.
(4) CODcr ja SS
Metallisuolojen lisäämisen fosforinpoistotehokkuuteen primaarikäsittelyvaiheessa vaikuttavat merkittävästi jäteveden ominaisuudet. Orgaanisen aineksen pitoisuuden ja metallisuolojen fosforinpoistotehokkuuden välillä on selvä yhteys. Kun CODcr on välillä 300–700 mg/L, fosfaatinpoistotehokkuus laskee CODcr:n kasvaessa. Samanlaisia tuloksia saatiin kokonaissuspendoituneiden kiintoaineiden (TSS) tutkimuksista, eli mitä korkeampi TSS-pitoisuus, sitä pienempi fosforinpoistotehokkuus.
Sen lisäksi, että korkea orgaanisen aineksen pitoisuus heikentää fosforinpoistotehokkuutta primäärikäsittelyvaiheessa, heikentää myös metallisuolojen fosforinpoistovaikutusta aktiivilietereaktoreissa. Rauta- ja alumiini-ionit voivat reagoida orgaanisten aineiden, kuten humushapon ja fulvohapon kanssa muodostaen liukenemattomia komplekseja, jotka liittyvät metalli-ioneihin ja niiden mineraalioksideihin, miehittäen tai tukkien siten fosfaatin saostukseen tarvittavat reaktiokohdat, mikä johtaa kemiallisen fosforinpoiston tehokkuuden heikkenemiseen. Tämä on yksi syistä, miksi fosforin jälkeinen-poisto valitaan usein varsinaisissa projekteissa.
III. Reagenssireaktiomekanismi ja reagenssin valinta
Alumiinisulfaatin reaktio fosforin kanssa on esitetty alla.
Kun vedessä on alkalisuutta, rautakloridin reaktio veteen liuenneen fosforin ja bikarbonaatin alkaliteetin kanssa on esitetty alla.
Jos emäksisyys vedessä on riittämätön, ferrikloridin lisäys muodostaa hydratoituneen rautaoksidisakan, joka tarjoaa pinta-aktiivisia paikkoja fosforireaktiolle. Rautasuolafosforinpoistomekanismin perusperiaate on, että fosfaatilla ja raudalla voi olla yhteinen happiatomi, ja niiden vuorovaikutus voidaan esittää seuraavalla kaavalla (varausta ei ole ilmoitettu).
Kun jäteveteen lisätään kalkkia, kalkki reagoi ensin vedessä olevan bikarbonaatin alkaliteetin kanssa muodostaen kalsiumkarbonaattia (CaCO₃). Kun järjestelmän pH nousee yli 10:n, ylimääräiset kalsiumionit reagoivat fosfaattien kanssa muodostaen hydroksiapatiitti- [Ca5(OH)(PO4)3]-sakkaa, kuten alla on esitetty.
Yllä olevasta reaktiomekanismista voidaan nähdä, että: (1) veden alkalisuus vaikuttaa suuresti rautasuoloihin ja kalkkiin; (2) Kalkkifosforin poisto tuottaa suuren määrän lietettä (sekä magnesiumhydroksidi että kalsiumkarbonaatti ovat lietettä). Tämä on yksi syistä, miksi alumiinisuolat valitaan usein varsinaisissa projekteissa fosforinpoistoon.
IV. Kemikaalien annostus
Metallisuolojen annostus ilmaistaan tavallisesti lisättyjen metallin (Me) moolien lukumääränä sisäänvirtausaineen liukoisen fosforin (Pin) moolia kohden. "Stoikiometrinen annostus" tarkoittaa 1,0 moolin metallin lisäämistä jokaista poistettua fosforimoolia kohden (eli Me/Pin=1.0), mikä perustuu tiukasti moolisuhteeseen, joka vaaditaan metallisuolan (alumiinisuolan tai rautasuola) reagoimiseksi fosforin kanssa muodostaen fosfaattisakan. Kun metallisuolojen annostus kasvaa, fosforinpoistonopeus paranee ja jäteveden fosforipitoisuus pienenee. Kuitenkin, kun annostus kasvaa tietylle tasolle, vähitellen annostuksen lisäämisen aiheuttama inkrementaalinen poistovaikutus heikkenee.
Kun rautakloridin annos saavuttaa Me/Pin-arvon=1.5~2,0, se voi poistaa 80-98 % liukoisesta fosforista. Erittäin alhaisten jäteveden kokonaisfosforipitoisuuksien (esim. alle 0,10 mg/L) saavuttamiseksi tarvitaan suurempi annostussuhde, jossa Me/Pin=6~7.
Alumiinisulfaatin annostussuhde on samanlainen kuin rautakloridin, mutta poistonopeus on pienempi, 75–95 %. PAC:n tai natriumaluminaatin käyttö samanlaisen fosforinpoistotehokkuuden saavuttamiseksi vaatii vielä suurempia annoksia.
Yllä olevasta annostustiedosta voidaan nähdä, että ferrisuoloilla on korkein fosforinpoistotehokkuus, mutta kuten aiemmin mainittiin, emäksisyys vaikuttaa suuresti rautasuoloihin. PAC:lla on alhaisin fosforinpoistotehokkuus, jopa alhaisempi kuin alumiinisulfaatilla. Tämä on ristiriidassa joidenkin näkemyksen kanssa, jonka mukaan PAC:lla, koska se on "polyalumiinia", pitäisi olla suurempi fosforinpoistovaikutus kuin ei--polymeerialumiinisulfaatilla.
Johtopäätös
Kemiallinen fosforinpoisto, joka on tärkeä menetelmä jäteveden käsittelyssä, ei riipu pelkästään reagenssin tyypistä ja annostuksesta, vaan myös jäteveden laadusta, pH:sta, emäksisyydestä, sekoitus- ja flokkulaatio-olosuhteista. Sopivien metallisuolojen tai kalkin valinta, annostuksen tieteellinen laskeminen ja tämän yhdistäminen prosessin optimointiin voi varmistaa tehokkaan fosforinpoiston ja samalla hillitä lietteen tuotanto- ja käyttökustannuksia. Ymmärtämällä reagenssien reaktiomekanismit ja vaikuttavat tekijät jätevedenkäsittelyinsinöörit voivat saavuttaa vakaan jätevesien fosforinhallinnan ja soveltaa joustavasti kemiallista fosforinpoistotekniikkaa eri käsittelyvaiheissa, mikä tarjoaa vankan tuen kaupunkivesiympäristön suojelulle.