Chemische fosforverwijdering wordt veel toegepast in afvalwaterzuiveringsinstallaties. Metaalzouten of kalk, naast andere chemicaliën, kunnen worden toegevoegd aan primaire, secundaire of tertiaire zuiveringsprocessen (voor de belangrijkste selectiepunten verwijzen wij u naar het artikel "Typen en belangrijkste selectiepunten van chemische fosforverwijderingsmiddelen" op dit openbare account; klik op de link aan het einde van het artikel). Chemische fosforverwijdering kent echter ook zijn beperkingen. Een redelijke selectie van reagentia en een nauwkeurige doseringsberekening zijn voorwaarden voor het garanderen van de effectiviteit van de behandeling en het verlagen van de kosten. Dit artikel schetst systematisch het toepassingsgebied, de eigenschappen van de reagentia, beïnvloedende factoren, het reactiemechanisme en de dosering van chemische fosforverwijdering, en biedt referenties en praktische richtlijnen voor professionals in de waterbehandeling.
I. Toepassingsgebied voor chemische fosforverwijdering
Met chemische fosforverwijdering kan alleen het fosfaatgedeelte (orthofosfaat) van het totaalfosfor in het afvalwater worden verwijderd. Fosfaat in het influent is doorgaans verantwoordelijk voor 50% -80% van de totale fosfor, en bestaat doorgaans in twee vormen: H₂PO₄⁻ en HPO₄²⁻, waarbij de eerste overheersend is bij een pH lager dan 8,3. Polyfosfaten reageren niet met metaalzouten of kalk; tijdens biologische behandeling worden ze echter omgezet in fosfaten. Organisch gebonden fosfor vormt doorgaans een klein deel van de totale fosfor in het influent. Colloïdale en deeltjesvormige fosfor kunnen gewoonlijk worden verwijderd tijdens vaste-vloeistofscheiding; Opgeloste organische fosfor kan tijdens de behandeling hydrolyseren tot orthofosfaten (indien biologisch afbreekbaar), en als het niet biologisch afbreekbaar is, kan het niet door de afvalwaterzuiveringsinstallatie worden verwijderd.
II. Reagenseigenschappen en beïnvloedende factoren
1. Eigenschappen van reagens
Reagentia die worden gebruikt voor chemische fosforverwijdering zijn doorgaans metaalzouten of kalk. De twee meest gebruikte metaalzouten zijn aluminiumsulfaat (algemeen bekend als aluin) en ijzerchloride. Natriumaluminaat kan ook worden gebruikt in plaats van aluminiumsulfaat, maar de toevoeging ervan verhoogt vaak de pH van het systeem aanzienlijk. Daarnaast kunnen ook verschillende vormen van polyaluminiumchloride (PAC) worden gebruikt voor chemische neerslagfosforverwijdering. Ferrosulfaat en ferrochloride worden ook gebruikt voor fosforverwijdering; deze middelen worden doorgaans verkregen als bijproducten van staalproductieprocessen (beitswater). Kalk wordt over het algemeen in vaste vorm geleverd, waaronder vooral ongebluste kalk (CaO) en gehydrateerde kalk [Ca(OH)₂].
2. Factoren die van invloed zijn op reagentia
Naast de dosering zijn de kenmerken van de afvalwaterkwaliteit, de reagensdoseringsmethode, de locatie van het reagensdoseerpunt, de reactie-pH, de uitvlokkingsmethode en de reactietijd na de reagensdosering allemaal belangrijke ontwerp- en werkingsfactoren. Deze factoren beïnvloeden allemaal de relatie tussen dosering en efficiëntie van fosforverwijdering.
(1) Reagensmenging
Voldoende menging op het reagensdoseerpunt is noodzakelijk om ervoor te zorgen dat metaalionen reageren met fosfaatmoleculen. De mengintensiteit wordt gewoonlijk gekenmerkt door de snelheidsgradiënt G, met eenheden van s⁻¹. Snel mengen zorgt ervoor dat reactieoppervlakken tijdig worden blootgesteld en deelnemen aan de reactie; Bij een lage mengintensiteit kunnen echter eerst veel metaaloxiden worden gegenereerd in afwezigheid van fosfaatdeelname, waardoor wordt voorkomen dat hun interne zuurstofatomen zich met fosfaat combineren, wat resulteert in een verminderde efficiëntie van de fosforverwijdering.
In daadwerkelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties zijn de mengomstandigheden op het doseerpunt doorgaans slecht, met G-waarden die over het algemeen variëren van 200 tot 300 s⁻¹. Onder deze hoogenergetische mengomstandigheden bedraagt de mengtijd doorgaans 10 tot 30 seconden. Na de eerste fase van de snelle reactiekinetiek kunnen fosfaat en ijzer blijven reageren via een langzaam reactiekinetisch proces, dat uren of zelfs dagen kan duren. Dit langzame-reactiegecontroleerde fosforverwijderingsproces is vooral belangrijk voor de toevoeging van aluin of ijzerchloride aan actiefslibtanks, omdat de retentietijd voor vaste stoffen (SRT) van dergelijke systemen doorgaans in dagen wordt gemeten.
(2) Uitvlokking
Na snel mengen op het doseerpunt is voorzichtig mengen vereist om de vorming van vlokken te bevorderen die kunnen bezinken of kunnen worden verwijderd door vaste-vloeistofscheiding. Dit proces is cruciaal om te voldoen aan de eis van een lage fosforconcentratie in het effluent. Normaal gesproken zorgt de afvalwaterstroom binnen de zuiveringsstructuur zelf voor voldoende mengomstandigheden voor vlokvorming, maar als de uitvloktijd onvoldoende is, of als er omstandigheden zijn die de vlokvorming verstoren (zoals pompen, beluchten, enz.), zal het uitvlokproces beperkt zijn.
(3) pH en alkaliteit
De hoogste fosforverwijderingsefficiëntie bij chemische behandeling treedt doorgaans op binnen het pH-bereik van 5,5–7,0. Wanneer de pH tussen 7 en 10 ligt, neemt de efficiëntie van de fosforverwijdering af als gevolg van de sterkere negatieve lading op het oppervlak van metaalhydroxiden en de vorming van oplosbare ijzerhydroxiden. Bij lagere pH-omstandigheden neemt de oplosbaarheid van het neerslagmiddel af; terwijl bij extreem lage pH-omstandigheden de vorming van metaalhydroxideprecipitaten beperkt is. De fosforverwijderingsefficiëntie van aluminiumsulfaat en ijzerchloride vertoont vergelijkbare trends onder verschillende pH-omstandigheden.
(4) CODcr en SS
De efficiëntie van het verwijderen van fosfor door het toevoegen van metaalzouten in de primaire behandelingsfase wordt aanzienlijk beïnvloed door de kenmerken van het afvalwater. Er bestaat een duidelijk verband tussen het gehalte aan organische stof en de fosforverwijderingsefficiëntie van metaalzouten. Wanneer CODcr tussen 300 en 700 mg/l ligt, neemt de efficiëntie van de fosfaatverwijdering af naarmate de CODcr toeneemt. Soortgelijke resultaten werden verkregen uit onderzoek naar de totale hoeveelheid zwevende stoffen (TSS), dwz: hoe hoger de TSS-concentratie, hoe lager de efficiëntie van de fosforverwijdering.
Naast het verminderen van de fosforverwijderingsefficiëntie in de primaire zuiveringsfase, verzwakt het hoge gehalte aan organische stof ook het fosforverwijderingseffect van metaalzouten in actiefslibreactoren. IJzer- en aluminiumionen kunnen reageren met organisch materiaal zoals humuszuur en fulvinezuur en onoplosbare complexen vormen die zijn geassocieerd met metaalionen en hun minerale oxiden, waardoor de reactieplaatsen die nodig zijn voor fosfaatprecipitatie worden bezet of geblokkeerd, wat leidt tot een afname van de chemische efficiëntie van de fosforverwijdering. Dit is een van de redenen waarom bij daadwerkelijke projecten vaak wordt gekozen voor post-chemische fosforverwijdering.
III. Reagensreactiemechanisme en reagensselectie
De reactie van aluminiumsulfaat met fosfor wordt hieronder weergegeven.
In aanwezigheid van alkaliteit in water wordt hieronder de reactie van ijzerchloride met opgeloste fosfor en bicarbonaatalkaliteit in het water weergegeven.
Als de alkaliteit in het water onvoldoende is, zal de toevoeging van ijzerchloride een gehydrateerd ijzeroxideneerslag vormen, waardoor oppervlakteactieve plaatsen voor de fosforreactie ontstaan. Het basisprincipe van het ijzerzout-fosforverwijderingsmechanisme is dat fosfaat en ijzer een zuurstofatoom kunnen delen, en hun interactie kan worden weergegeven door de volgende formule (lading niet aangegeven).
Wanneer kalk aan afvalwater wordt toegevoegd, reageert de kalk eerst met de bicarbonaatalkaliteit in het water om calciumcarbonaat (CaCO₃) te vormen. Naarmate de pH van het systeem boven de 10 stijgt, zullen overtollige calciumionen reageren met fosfaten om hydroxyapatiet [Ca₅(OH)(PO₄)3]-neerslag te vormen, zoals hieronder weergegeven.
Uit het bovenstaande reactiemechanisme blijkt dat: (1) ijzerzouten en kalk sterk worden beïnvloed door de alkaliteit van het water; (2) Bij het verwijderen van kalkfosfor ontstaat een grote hoeveelheid slib (zowel magnesiumhydroxide als calciumcarbonaat zijn slib). Dit is één van de redenen waarom aluminiumzouten in actuele projecten vaak worden gekozen voor fosforverwijdering.
IV. Dosering van chemicaliën
De dosering van metaalzouten wordt doorgaans uitgedrukt als het aantal toegevoegde mol metaal (Me) per mol oplosbare fosfor (Pin) in het influent. "Stoichiometrische dosering" verwijst naar het toevoegen van 1,0 mol metaal voor elke mol verwijderde fosfor (dwz Me/Pin=1.0), die strikt gebaseerd is op de molaire verhouding die nodig is om het metaalzout (aluminiumzout of ijzerzout) te laten reageren met fosfor om fosfaatneerslag te vormen. Naarmate de dosering van metaalzouten toeneemt, verbetert de fosforverwijderingssnelheid en neemt de fosforconcentratie in het effluent af. Wanneer de dosering echter tot een bepaald niveau stijgt, verzwakt het stapsgewijze verwijderingseffect van het verder verhogen van de dosering geleidelijk.
Wanneer de ijzerchloridedosering Me/Pin=1.5~2,0 bereikt, kan deze 80%~98% van de oplosbare fosfor verwijderen. Om zeer lage totale fosforconcentraties in het effluent te bereiken (bijvoorbeeld minder dan 0,10 mg/l), is een hogere doseringsverhouding vereist, met Me/Pin=6~7.
De doseringsverhouding van aluminiumsulfaat is vergelijkbaar met die van ijzerchloride, maar het verwijderingspercentage is lager, tussen 75% en 95%. Het gebruik van PAC of natriumaluminaat om een vergelijkbare efficiëntie van fosforverwijdering te bereiken, vereist nog hogere doseringen.
Uit de bovenstaande doseringsinformatie blijkt dat ijzerzouten de hoogste fosforverwijderingsefficiëntie hebben, maar zoals eerder vermeld worden ijzerzouten sterk beïnvloed door de alkaliteit. PAC heeft de laagste fosforverwijderingsefficiëntie, zelfs lager dan aluminiumsulfaat. Dit is in tegenspraak met de opvatting van sommigen dat PAC, omdat het "polyaluminium" is, een hoger fosforverwijderingseffect zou moeten hebben dan niet--polymeeraluminiumsulfaat.
Conclusie
Chemische fosforverwijdering, als een belangrijke methode bij de behandeling van afvalwater, hangt niet alleen af van het type en de dosering van het reagens, maar ook van de kwaliteit van het afvalwater, de pH, de alkaliteit, de menging en de uitvlokkingsomstandigheden. Door de juiste metaalzouten of kalk te selecteren, de dosering wetenschappelijk te berekenen en dit te combineren met procesoptimalisatie kan een efficiënte fosforverwijdering worden gegarandeerd, terwijl de slibproductie en de bedrijfskosten onder controle worden gehouden. Door de reactiemechanismen en beïnvloedende factoren van de reagentia te begrijpen, kunnen afvalwaterzuiveringsingenieurs stabiele effluent-fosforcontrole bereiken en op flexibele wijze chemische fosforverwijderingstechnologie toepassen in verschillende behandelingsfasen, wat solide ondersteuning biedt voor de bescherming van het stedelijk watermilieu.