Kemisk fosforavskiljning används i stor utsträckning i avloppsreningsverk. Metallsalter eller kalk, bland andra kemikalier, kan läggas till primära, sekundära eller tertiära behandlingsprocesser (för viktiga urvalspunkter, se artikeln "Typer and Key Selection Points of Chemical Phosphorus Removal Agents" på detta offentliga konto; klicka på länken i slutet av artikeln). Kemiskt fosforavskiljande har dock också sina begränsningar. Rimligt val av reagens och noggrann doseringsberäkning är förutsättningar för att säkerställa behandlingseffektivitet och kostnadsreduktion. Den här artikeln beskriver systematiskt tillämpningsområdet, reagensegenskaper, påverkande faktorer, reaktionsmekanism och dosering av kemisk fosforborttagning, och ger referens och praktisk vägledning för vattenreningspersonal.
I. Tillämpningsområde för kemiskt fosforavskiljande
Kemisk fosforavskiljning kan bara ta bort fosfatdelen (ortofosfat) av totalfosfor i avloppsvattnet. Fosfat i inflödet står vanligtvis för 50 %–80 % av den totala fosforn, som vanligtvis finns i två former: H₂PO4⁻ och HPO₄²⁻, där den förra är dominerande vid pH under 8,3. Polyfosfater reagerar inte med metallsalter eller kalk; dock omvandlas de till fosfater under biologisk behandling. Organiskt bunden fosfor utgör typiskt sett en liten andel av den totala fosforn i inloppet. Kolloidal och partikelformig fosfor kan vanligtvis avlägsnas under fast-vätskeseparation; löst organisk fosfor kan hydrolysera till ortofosfater under rening (om den är biologiskt nedbrytbar) och om den inte är biologiskt nedbrytbar kan den inte avlägsnas av avloppsreningsverket.
II. Reagensegenskaper och påverkande faktorer
1. Reagensegenskaper
Reagenser som används för kemiskt fosforborttagning är vanligtvis metallsalter eller kalk. De två mest använda metallsalterna är aluminiumsulfat (allmänt känt som alun) och järnklorid. Natriumaluminat kan också användas istället för aluminiumsulfat, men dess tillsats ökar ofta systemets pH avsevärt. Dessutom kan olika former av polyaluminiumklorid (PAC) också användas för kemisk fällning av fosforborttagning. Järnsulfat och järnklorid används också för borttagning av fosfor; dessa medel erhålls vanligtvis som biprodukter från ståltillverkningsprocesser (betning av avloppsvatten). Kalk levereras vanligtvis i fast form, huvudsakligen inklusive bränd kalk (CaO) och hydratiserad kalk [Ca(OH)₂].
2. Faktorer som påverkar reagenser
Förutom doseringen är avloppsvattenkvaliteten, reagensdoseringsmetod, reagensdoseringspunktens placering, reaktions-pH, flockningsmetod och reaktionstid efter reagensdosering alla viktiga design- och driftsfaktorer. Dessa faktorer påverkar alla förhållandet mellan dosering och fosforavlägsnande effektivitet.
(1) Reagensblandning
Tillräcklig blandning vid reagensdoseringspunkten är nödvändig för att säkerställa att metalljoner reagerar med fosfatmolekyler. Blandningsintensiteten kännetecknas vanligtvis av hastighetsgradienten G, med enheter av s⁻1. Snabb blandning säkerställer att reaktionsytor exponeras i tid och deltar i reaktionen; under låg blandningsintensitet kan emellertid många metalloxider genereras först i frånvaro av fosfatdeltagande, vilket förhindrar deras inre syreatomer från att kombineras med fosfat, vilket resulterar i minskad fosforavlägsnande effektivitet.
I faktiska avloppsreningsverk är blandningsförhållandena vid doseringspunkten vanligtvis dåliga, med G-värden som vanligtvis sträcker sig från 200 till 300 s⁻¹. Under dessa hög-blandningsförhållanden är blandningstiden vanligtvis 10 till 30 s. Efter den första snabba reaktionskinetikfasen kan fosfat och järn fortsätta att reagera genom en långsam reaktionskinetikprocess, som kan pågå i timmar eller till och med dagar. Denna långsamma-reaktionskontrollerade fosforavlägsnandeprocess är särskilt viktig för tillsats av alun eller järnklorid till tankar för aktiverat slam, eftersom retentionstiden för fasta ämnen (SRT) för sådana system vanligtvis mäts i dagar.
(2) Flockning
Efter snabb blandning vid doseringspunkten krävs försiktig blandning för att främja bildningen av flockar som kan sedimentera eller avlägsnas genom fast-vätskeseparation. Denna process är avgörande för att uppfylla kravet på låg fosforkoncentration i avloppsvattnet. Normalt ger flödet av avloppsvatten inom själva reningsstrukturen tillräckliga blandningsförhållanden för flockbildning, men om flockningstiden är otillräcklig, eller om det finns förhållanden som stör flockbildningen (såsom pumpning, luftning etc.) kommer flockningsprocessen att begränsas.
(3) pH och alkalinitet
Den högsta effektiviteten för borttagning av fosfor vid kemisk behandling sker vanligtvis inom pH-området 5,5–7,0. När pH är mellan 7 och 10, minskar fosforavlägsningseffektiviteten på grund av den starkare negativa laddningen på ytan av metallhydroxider och bildningen av lösliga järnhydroxider. Vid lägre pH-förhållanden minskar utfällningsmedlets löslighet; medan vid extremt låga pH-förhållanden är bildningen av metallhydroxidfällningar begränsad. Effektiviteten för borttagning av fosfor för aluminiumsulfat och järnklorid visar liknande trender under olika pH-förhållanden.
(4) CODcr och SS
Effektiviteten för borttagning av fosfor vid tillsats av metallsalter i det primära reningssteget påverkas avsevärt av avloppsvattnets egenskaper. Det finns ett tydligt samband mellan innehållet av organiskt material och metallsalternas fosforavlägsnande effektivitet. När CODcr är i intervallet 300–700 mg/L, minskar fosfatavlägsnandet med ökande CODcr. Liknande resultat erhölls från studier på totala suspenderade fasta ämnen (TSS), dvs ju högre TSS-koncentrationen är, desto lägre effektivitet för borttagning av fosfor.
Förutom att reducera fosforavskiljningseffektiviteten i det primära reningssteget, försvagar den höga halten organiskt material även fosforavlägsnande effekten av metallsalter i reaktorer för aktiverat slam. Järn- och aluminiumjoner kan reagera med organiskt material som humussyra och fulvinsyra för att bilda olösliga komplex associerade med metalljoner och deras mineraloxider, och därigenom ockupera eller blockera de reaktionsställen som krävs för fosfatfällning, vilket leder till en minskning av effektiviteten i kemisk fosforavlägsnande. Detta är en av anledningarna till att post-kemisk fosforborttagning ofta väljs i faktiska projekt.
III. Reagensreaktionsmekanism och reagensval
Reaktionen av aluminiumsulfat med fosfor visas nedan.
I närvaro av alkalinitet i vatten visas reaktionen av järnklorid med löst fosfor och bikarbonat alkalinitet i vattnet nedan.
Om alkaliniteten i vattnet är otillräcklig, kommer tillsatsen av järnklorid att bilda hydrerad järnoxidfällning, vilket ger ytaktiva platser för fosforreaktion. Den grundläggande principen för mekanismen för avlägsnande av järnsalt fosfor är att fosfat och järn kan dela en syreatom, och deras interaktion kan representeras av följande formel (avgift anges ej).
När kalk tillsätts avloppsvattnet reagerar kalken först med bikarbonat-alkaliniteten i vattnet och bildar kalciumkarbonat (CaCO₃). När systemets pH stiger över 10 kommer överskott av kalciumjoner att reagera med fosfater för att bilda hydroxiapatit [Ca5(OH)(PO4)3]-fällning, som visas nedan.
Från ovanstående reaktionsmekanism kan man se att: (1) järnsalter och kalk påverkas kraftigt av vattnets alkalitet; (2) Borttagning av kalkfosfor ger en stor mängd slam (både magnesiumhydroxid och kalciumkarbonat är slam). Detta är en av anledningarna till att aluminiumsalter ofta väljs för fosforavskiljning i egentliga projekt.
IV. Dosering av kemikalier
Doseringen av metallsalter uttrycks vanligtvis som antalet mol metall (Me) tillsatt per mol löslig fosfor (Pin) i inflödet. "Stökiometrisk dosering" avser tillsats av 1,0 mol metall för varje mol fosfor som tas bort (dvs Me/Pin=1.0), vilket är strikt baserat på det molära förhållandet som krävs för att metallsaltet (aluminiumsalt eller järnsalt) ska reagera med fosfor för att bilda fosfatfällning. När dosen av metallsalter ökar, förbättras fosforavlägsningshastigheten och avloppsfosforkoncentrationen minskar. Men när dosen ökar till en viss nivå försvagas gradvis den inkrementella borttagningseffekten av ytterligare ökning av dosen.
När järnkloriddosen når Me/Pin=1.5~2,0, kan den avlägsna 80%~98% av löslig fosfor. För att uppnå mycket låga totala fosforkoncentrationer av avloppsvattnet (t.ex. under 0,10 mg/L), krävs ett högre dosförhållande, med Me/Pin=6~7.
Dosförhållandet för aluminiumsulfat liknar det för järn(III)klorid, men avlägsningshastigheten är lägre, mellan 75 % och 95 %. Användning av PAC eller natriumaluminat för att uppnå liknande fosforavlägsnande effektivitet kräver ännu högre doser.
Av ovanstående doseringsinformation kan man se att järnsalter har den högsta fosforavlägsningseffektiviteten, men som tidigare nämnts påverkas järnsalter kraftigt av alkalinitet. PAC har den lägsta fosforavlägsningseffektiviteten, till och med lägre än aluminiumsulfat. Detta motsäger uppfattningen av vissa att PAC, som är "polyaluminium", borde ha en högre fosforavlägsnande effekt än icke-polymeraluminiumsulfat.
Slutsats
Kemisk fosforborttagning, som en viktig metod vid rening av avloppsvatten, beror inte bara på typen och doseringen av reagenset, utan också på avloppsvattnets kvalitet, pH, alkalinitet, blandning och flockningsförhållanden. Att välja lämpliga metallsalter eller kalk, vetenskapligt beräkna doseringen och kombinera detta med processoptimering kan säkerställa effektiv fosforavskiljning samtidigt som slamproduktion och driftskostnader kontrolleras. Genom att förstå reaktionsmekanismerna och påverkansfaktorerna för reagenserna, kan avloppsreningsingenjörer uppnå stabil kontroll av avloppsfosfor och flexibelt tillämpa kemisk fosforavskiljningsteknik vid olika reningssteg, vilket ger ett solidt stöd för skydd av stadsvattenmiljön.