Penyingkiran fosforus kimia digunakan secara meluas dalam loji rawatan air sisa. Garam logam atau kapur, antara bahan kimia lain, boleh ditambah kepada proses rawatan primer, sekunder atau tertier (untuk titik pemilihan utama, sila rujuk artikel "Jenis dan Titik Pemilihan Utama Agen Penyingkiran Fosfor Kimia" pada akaun awam ini; klik pautan di penghujung artikel). Walau bagaimanapun, penyingkiran fosforus kimia juga mempunyai hadnya. Pemilihan reagen yang munasabah dan pengiraan dos yang tepat adalah prasyarat untuk memastikan keberkesanan rawatan dan pengurangan kos. Artikel ini menggariskan secara sistematik skop aplikasi, sifat reagen, faktor yang mempengaruhi, mekanisme tindak balas, dan dos penyingkiran fosforus kimia, menyediakan rujukan dan panduan praktikal untuk profesional rawatan air.
I. Skop Permohonan Penyingkiran Fosfor Kimia
Penyingkiran fosforus kimia hanya boleh mengeluarkan bahagian fosfat (ortofosfat) daripada jumlah fosforus dalam air sisa. Fosfat dalam influen biasanya menyumbang 50%–80% daripada jumlah fosforus, secara amnya wujud dalam dua bentuk: H₂PO₄⁻ dan HPO₄²⁻, dengan yang pertama adalah dominan pada pH di bawah 8.3. Polifosfat tidak bertindak balas dengan garam logam atau kapur; bagaimanapun, ia ditukar kepada fosfat semasa rawatan biologi. Fosforus terikat secara organik biasanya membentuk sebahagian kecil daripada jumlah fosforus dalam influen. Fosforus koloid dan zarah biasanya boleh dialih keluar semasa-pemisahan cecair; fosforus organik terlarut boleh menghidrolisis kepada ortofosfat semasa rawatan (jika boleh terbiodegradasi), dan jika tidak boleh terbiodegradasi, ia tidak boleh dialihkan oleh loji rawatan air sisa.
II. Sifat Reagen dan Faktor Pengaruh
1. Sifat Reagen
Reagen yang digunakan untuk penyingkiran fosforus kimia biasanya adalah garam logam atau kapur. Dua garam logam yang paling biasa digunakan ialah aluminium sulfat (biasanya dikenali sebagai tawas) dan ferik klorida. Natrium aluminat juga boleh digunakan sebagai ganti aluminium sulfat, tetapi penambahannya sering meningkatkan pH sistem dengan ketara. Selain itu, pelbagai bentuk polialuminum klorida (PAC) juga boleh digunakan untuk penyingkiran fosforus pemendakan kimia. Ferus sulfat dan ferus klorida juga digunakan untuk penyingkiran fosforus; agen ini biasanya diperolehi sebagai hasil sampingan proses pembuatan keluli (air sisa penjerukan). Kapur biasanya dibekalkan dalam bentuk pepejal, terutamanya termasuk kapur cepat (CaO) dan kapur terhidrat [Ca(OH)₂].
2. Faktor yang Mempengaruhi Reagen
Selain dos, ciri kualiti air sisa, kaedah dos reagen, lokasi titik dos reagen, pH tindak balas, kaedah pemberbukuan, dan masa tindak balas selepas dos reagen adalah semua faktor reka bentuk dan operasi yang penting. Faktor-faktor ini semuanya mempengaruhi hubungan antara dos dan kecekapan penyingkiran fosforus.
(1) Pencampuran Reagen
Pencampuran yang mencukupi pada titik dos reagen adalah perlu untuk memastikan ion logam bertindak balas dengan molekul fosfat. Keamatan pencampuran biasanya dicirikan oleh kecerunan kadar G, dengan unit s⁻¹. Pencampuran pantas memastikan tapak permukaan tindak balas terdedah dalam masa dan mengambil bahagian dalam tindak balas; walau bagaimanapun, di bawah keamatan pencampuran yang rendah, banyak oksida logam mungkin terhasil dahulu jika tiada penyertaan fosfat, sekali gus menghalang atom oksigen dalamannya daripada bergabung dengan fosfat, mengakibatkan kecekapan penyingkiran fosforus berkurangan.
Dalam loji rawatan air sisa sebenar, keadaan pencampuran pada titik dos lazimnya kurang baik, dengan nilai G pada umumnya antara 200 hingga 300 s⁻¹. Di bawah-keadaan pencampuran tenaga yang tinggi ini, masa pencampuran biasanya 10 hingga 30 saat. Selepas fasa kinetik tindak balas pantas awal, fosfat dan besi boleh terus bertindak balas melalui proses kinetik tindak balas perlahan, yang boleh bertahan selama berjam-jam atau bahkan berhari-hari. Proses penyingkiran fosforus terkawal-tindak balas yang perlahan ini amat penting untuk penambahan tawas atau ferik klorida kepada tangki enap cemar diaktifkan, kerana masa pengekalan pepejal (SRT) sistem sedemikian biasanya diukur dalam beberapa hari.
(2) Flokulasi
Selepas pencampuran pantas pada titik dos, pencampuran lembut diperlukan untuk menggalakkan pembentukan flok yang boleh mendap atau dialihkan melalui-pemisahan cecair pepejal. Proses ini adalah penting untuk memenuhi keperluan kepekatan fosforus efluen rendah. Biasanya, aliran air sisa dalam struktur rawatan itu sendiri menyediakan keadaan pencampuran yang mencukupi untuk pembentukan flok, tetapi jika masa pemberbukuan tidak mencukupi, atau jika keadaan yang mengganggu pembentukan flok wujud (seperti pengepaman, pengudaraan, dll.), proses pemberbukuan akan dihadkan.
(3) pH dan Kealkalian
Kecekapan penyingkiran fosforus tertinggi dalam rawatan kimia biasanya berlaku dalam julat pH 5.5–7.0. Apabila pH antara 7 dan 10, kecekapan penyingkiran fosforus berkurangan disebabkan oleh cas negatif yang lebih kuat pada permukaan logam hidroksida dan pembentukan hidroksida besi larut. Pada keadaan pH yang lebih rendah, keterlarutan pemendakan berkurangan; manakala pada keadaan pH yang sangat rendah, pembentukan mendakan logam hidroksida adalah terhad. Kecekapan penyingkiran fosforus aluminium sulfat dan ferik klorida menunjukkan arah aliran yang sama di bawah keadaan pH yang berbeza.
(4) CODcr dan SS
Kecekapan penyingkiran fosforus menambah garam logam dalam peringkat rawatan utama dipengaruhi dengan ketara oleh ciri-ciri air sisa. Terdapat hubungan yang jelas antara kandungan bahan organik dan kecekapan penyingkiran fosforus garam logam. Apabila CODcr berada dalam julat 300–700 mg/L, kecekapan penyingkiran fosfat berkurangan dengan peningkatan CODcr. Keputusan yang sama diperoleh daripada kajian tentang jumlah pepejal terampai (TSS), iaitu, semakin tinggi kepekatan TSS, semakin rendah kecekapan penyingkiran fosforus.
Selain mengurangkan kecekapan penyingkiran fosforus dalam peringkat rawatan primer, kandungan bahan organik yang tinggi juga melemahkan kesan penyingkiran fosforus garam logam dalam reaktor enapcemar teraktif. Ion besi dan aluminium boleh bertindak balas dengan bahan organik seperti asid humik dan asid fulvik untuk membentuk kompleks tidak larut yang dikaitkan dengan ion logam dan oksida mineralnya, dengan itu menduduki atau menyekat tapak tindak balas yang diperlukan untuk pemendakan fosfat, yang membawa kepada penurunan kecekapan penyingkiran fosforus kimia. Ini adalah salah satu sebab mengapa penyingkiran pos-kimia sering dipilih dalam projek sebenar.
III. Mekanisme Tindak Balas Reagen dan Pemilihan Reagen
Tindak balas aluminium sulfat dengan fosforus ditunjukkan di bawah.
Dengan adanya kealkalian dalam air, tindak balas ferik klorida dengan fosforus terlarut dan kealkalian bikarbonat dalam air ditunjukkan di bawah.
Jika kealkalian dalam air tidak mencukupi, penambahan ferik klorida akan membentuk mendakan oksida besi terhidrat, menyediakan tapak aktif permukaan untuk tindak balas fosforus. Prinsip asas mekanisme penyingkiran fosforus garam besi ialah fosfat dan besi boleh berkongsi atom oksigen, dan interaksi mereka boleh diwakili oleh formula berikut (caj tidak ditunjukkan).
Apabila kapur ditambah kepada air buangan, kapur mula bertindak balas dengan kealkalian bikarbonat dalam air untuk membentuk kalsium karbonat (CaCO₃). Apabila pH sistem meningkat melebihi 10, ion kalsium yang berlebihan akan bertindak balas dengan fosfat untuk membentuk mendakan hidroksiapatit [Ca₅(OH)(PO₄)₃], seperti ditunjukkan di bawah.
Daripada mekanisme tindak balas di atas, dapat dilihat bahawa: (1) garam besi dan kapur sangat dipengaruhi oleh kealkalian air; (2) penyingkiran fosforus kapur menghasilkan sejumlah besar enapcemar (kedua-dua magnesium hidroksida dan kalsium karbonat adalah enapcemar). Ini adalah salah satu sebab mengapa garam aluminium sering dipilih untuk penyingkiran fosforus dalam projek sebenar.
IV. Dos Bahan Kimia
Dos garam logam biasanya dinyatakan sebagai bilangan mol logam (Me) yang ditambahkan setiap mol fosforus larut (Pin) dalam influen. "Dos stoikiometrik" merujuk kepada penambahan 1.0 mol logam untuk setiap mol fosforus yang dikeluarkan (iaitu, Me/Pin=1.0), yang berdasarkan tegas pada nisbah molar yang diperlukan untuk garam logam (garam aluminium atau garam besi) bertindak balas dengan fosforus untuk membentuk mendakan fosfat. Apabila dos garam logam meningkat, kadar penyingkiran fosforus bertambah baik dan kepekatan fosforus efluen berkurangan. Walau bagaimanapun, apabila dos meningkat ke tahap tertentu, kesan penyingkiran tambahan daripada meningkatkan lagi dos secara beransur-ansur menjadi lemah.
Apabila dos ferik klorida mencapai Me/Pin=1.5~2.0, ia boleh mengeluarkan 80%~98% fosforus larut. Untuk mencapai kepekatan fosforus jumlah efluen yang sangat rendah (cth, di bawah 0.10 mg/L), nisbah dos yang lebih tinggi diperlukan, dengan Me/Pin=6~7.
Nisbah dos aluminium sulfat adalah serupa dengan ferik klorida, tetapi kadar penyingkiran lebih rendah, antara 75% dan 95%. Menggunakan PAC atau natrium aluminat untuk mencapai kecekapan penyingkiran fosforus yang serupa memerlukan dos yang lebih tinggi.
Daripada maklumat dos di atas, dapat dilihat bahawa garam ferik mempunyai kecekapan penyingkiran fosforus yang paling tinggi, tetapi seperti yang dinyatakan sebelum ini, garam ferik sangat dipengaruhi oleh kealkalian. PAC mempunyai kecekapan penyingkiran fosforus terendah, malah lebih rendah daripada aluminium sulfat. Ini bercanggah dengan pandangan sesetengah pihak bahawa PAC, sebagai "polialuminum," sepatutnya mempunyai kesan penyingkiran fosforus yang lebih tinggi daripada bukan-aluminium sulfat bukan polimer.
Kesimpulan
Penyingkiran fosforus kimia, sebagai kaedah penting dalam rawatan air sisa, bergantung bukan sahaja pada jenis dan dos reagen, tetapi juga pada kualiti air sisa, pH, kealkalian, pencampuran, dan keadaan pemberbukuan. Memilih garam logam atau kapur yang sesuai, mengira dos secara saintifik, dan menggabungkan ini dengan pengoptimuman proses boleh memastikan penyingkiran fosforus yang cekap sambil mengawal pengeluaran enap cemar dan kos operasi. Dengan memahami mekanisme tindak balas dan faktor yang mempengaruhi reagen, jurutera rawatan air sisa boleh mencapai kawalan fosforus efluen yang stabil dan secara fleksibel menggunakan teknologi penyingkiran fosforus kimia pada peringkat rawatan yang berbeza, memberikan sokongan padu untuk perlindungan persekitaran air bandar.
