Loại bỏ phốt pho hóa học được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lý nước thải. Muối kim loại hoặc vôi, cùng với các hóa chất khác, có thể được thêm vào các quy trình xử lý bậc một, bậc hai hoặc bậc ba (để biết các điểm lựa chọn chính, vui lòng tham khảo bài viết "Các loại và điểm lựa chọn chính của các chất loại bỏ phốt pho hóa học" trên tài khoản công khai này; nhấp vào liên kết ở cuối bài viết). Tuy nhiên, việc loại bỏ phốt pho bằng hóa học cũng có những hạn chế. Lựa chọn thuốc thử hợp lý và tính toán liều lượng chính xác là điều kiện tiên quyết để đảm bảo hiệu quả điều trị và giảm chi phí. Bài viết này phác thảo một cách có hệ thống phạm vi ứng dụng, đặc tính thuốc thử, các yếu tố ảnh hưởng, cơ chế phản ứng và liều lượng loại bỏ phốt pho hóa học, cung cấp tài liệu tham khảo và hướng dẫn thực tế cho các chuyên gia xử lý nước.
I. Phạm vi ứng dụng để loại bỏ phốt pho hóa học
Việc loại bỏ phốt pho bằng hóa học chỉ có thể loại bỏ phần photphat (orthophosphate) trong tổng lượng phốt pho trong nước thải. Phốt phát trong dòng chảy vào thường chiếm 50%–80% tổng lượng phốt pho, thường tồn tại ở hai dạng: H₂PO₄⁻ và HPO₄²⁻, trong đó dạng trước chiếm ưu thế ở độ pH dưới 8,3. Polyphosphate không phản ứng với muối kim loại hoặc vôi; tuy nhiên, chúng được chuyển thành phốt phát trong quá trình xử lý sinh học. Phốt pho liên kết hữu cơ thường chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng lượng phốt pho trong dòng chảy vào. Phốt pho dạng keo và dạng hạt thường có thể được loại bỏ trong quá trình tách chất lỏng-rắn; Phốt pho hữu cơ hòa tan có thể bị thủy phân thành orthophosphate trong quá trình xử lý (nếu phân hủy sinh học) và nếu không phân hủy sinh học thì nhà máy xử lý nước thải không thể loại bỏ được.
II. Đặc tính thuốc thử và các yếu tố ảnh hưởng
1. Tính chất thuốc thử
Thuốc thử được sử dụng để loại bỏ photpho hóa học thường là muối kim loại hoặc vôi. Hai muối kim loại được sử dụng phổ biến nhất là nhôm sunfat (thường được gọi là phèn) và clorua sắt. Natri aluminate cũng có thể được sử dụng thay cho nhôm sunfat, nhưng việc bổ sung nó thường làm tăng đáng kể độ pH của hệ thống. Ngoài ra, nhiều dạng polyalumin clorua (PAC) khác nhau cũng có thể được sử dụng để loại bỏ photpho kết tủa bằng hóa chất. Sắt sunfat và sắt clorua cũng được sử dụng để loại bỏ phốt pho; những tác nhân này thường thu được dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình sản xuất thép (nước thải tẩy rửa). Vôi thường được cung cấp ở dạng rắn, chủ yếu bao gồm vôi sống (CaO) và vôi ngậm nước [Ca(OH)₂].
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến thuốc thử
Bên cạnh liều lượng, đặc tính chất lượng nước thải, phương pháp định lượng thuốc thử, vị trí điểm định lượng thuốc thử, pH phản ứng, phương pháp keo tụ và thời gian phản ứng sau khi định lượng thuốc thử đều là những yếu tố thiết kế và vận hành quan trọng. Những yếu tố này đều ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa liều lượng và hiệu quả loại bỏ phốt pho.
(1) Trộn thuốc thử
Cần trộn đủ tại điểm định lượng thuốc thử để đảm bảo rằng các ion kim loại phản ứng với các phân tử photphat. Cường độ trộn thường được đặc trưng bởi gradient tốc độ G, với đơn vị là s⁻¹. Trộn nhanh đảm bảo các vị trí bề mặt phản ứng được bộc lộ kịp thời và tham gia vào phản ứng; tuy nhiên, ở cường độ trộn thấp, nhiều oxit kim loại có thể được tạo ra trước tiên khi không có sự tham gia của photphat, do đó ngăn cản các nguyên tử oxy bên trong của chúng kết hợp với photphat, dẫn đến hiệu quả loại bỏ photpho giảm.
Trong các nhà máy xử lý nước thải thực tế, điều kiện trộn tại điểm định lượng thường kém, với giá trị G thường dao động từ 200 đến 300 s⁻¹. Trong các điều kiện trộn năng lượng cao-này, thời gian trộn thường là 10 đến 30 giây. Sau giai đoạn động học phản ứng nhanh ban đầu, phốt phát và sắt có thể tiếp tục phản ứng thông qua quá trình động học phản ứng chậm, có thể kéo dài hàng giờ hoặc thậm chí vài ngày. Quá trình loại bỏ phốt pho được kiểm soát bằng phản ứng chậm-này đặc biệt quan trọng đối với việc bổ sung phèn hoặc clorua sắt vào bể chứa bùn hoạt tính, vì thời gian lưu chất rắn (SRT) của các hệ thống như vậy thường được đo bằng ngày.
(2) Keo tụ
Sau khi trộn nhanh tại điểm định lượng, cần trộn nhẹ nhàng để thúc đẩy sự hình thành các khối có thể lắng xuống hoặc loại bỏ thông qua quá trình tách chất lỏng-rắn. Quá trình này rất quan trọng để đáp ứng yêu cầu về nồng độ phốt pho trong nước thải thấp. Thông thường, dòng nước thải trong cấu trúc xử lý tự nó cung cấp đủ điều kiện trộn cho sự hình thành keo tụ, nhưng nếu thời gian keo tụ không đủ hoặc nếu tồn tại các điều kiện làm gián đoạn sự hình thành keo tụ (như bơm, sục khí, v.v.), thì quá trình keo tụ sẽ bị hạn chế.
(3) Độ pH và độ kiềm
Hiệu quả loại bỏ phốt pho cao nhất trong xử lý hóa học thường xảy ra trong phạm vi pH từ 5,5–7,0. Khi độ pH nằm trong khoảng từ 7 đến 10, hiệu quả loại bỏ phốt pho giảm do điện tích âm mạnh hơn trên bề mặt hydroxit kim loại và sự hình thành các hydroxit sắt hòa tan. Ở điều kiện pH thấp hơn, độ hòa tan của chất kết tủa giảm; trong khi ở điều kiện pH cực thấp, sự hình thành kết tủa hydroxit kim loại bị hạn chế. Hiệu suất loại bỏ phốt pho của nhôm sunfat và clorua sắt cho thấy xu hướng tương tự ở các điều kiện pH khác nhau.
(4) CODcr và SS
Hiệu suất loại bỏ phốt pho của việc bổ sung muối kim loại trong giai đoạn xử lý sơ cấp bị ảnh hưởng đáng kể bởi đặc tính của nước thải. Có mối quan hệ rõ ràng giữa hàm lượng chất hữu cơ và hiệu quả loại bỏ photpho của muối kim loại. Khi CODcr nằm trong khoảng 300–700 mg/L, hiệu suất loại bỏ photphat giảm khi CODcr tăng. Kết quả tương tự cũng thu được từ các nghiên cứu về tổng chất rắn lơ lửng (TSS), tức là nồng độ TSS càng cao thì hiệu quả loại bỏ phốt pho càng thấp.
Bên cạnh việc làm giảm hiệu quả loại bỏ photpho ở giai đoạn xử lý sơ cấp, hàm lượng chất hữu cơ cao còn làm suy yếu tác dụng loại bỏ photpho của muối kim loại trong bể phản ứng bùn hoạt tính. Các ion sắt và nhôm có thể phản ứng với các chất hữu cơ như axit humic và axit fulvic để tạo thành các phức không hòa tan liên kết với các ion kim loại và oxit khoáng của chúng, do đó chiếm giữ hoặc chặn các vị trí phản ứng cần thiết cho kết tủa phốt phát, dẫn đến giảm hiệu quả loại bỏ phốt pho hóa học. Đây là một trong những lý do tại sao việc loại bỏ phốt pho sau{2}}hóa chất thường được chọn trong các dự án thực tế.
III. Cơ chế phản ứng của thuốc thử và lựa chọn thuốc thử
Phản ứng của nhôm sunfat với phốt pho được trình bày dưới đây.
Khi có độ kiềm trong nước, phản ứng của clorua sắt với phốt pho hòa tan và độ kiềm bicarbonate trong nước được trình bày dưới đây.
Nếu độ kiềm trong nước không đủ, việc bổ sung clorua sắt sẽ tạo thành kết tủa oxit sắt ngậm nước, tạo ra các vị trí hoạt động bề mặt cho phản ứng phốt pho. Nguyên tắc cơ bản của cơ chế loại bỏ phốt pho muối sắt là phốt phát và sắt có thể chia sẻ một nguyên tử oxy và sự tương tác của chúng có thể được biểu thị bằng công thức sau (điện tích không được chỉ định).
Khi thêm vôi vào nước thải, đầu tiên vôi phản ứng với độ kiềm bicarbonate trong nước tạo thành canxi cacbonat (CaCO₃). Khi độ pH của hệ thống tăng lên trên 10, các ion canxi dư thừa sẽ phản ứng với phốt phát để tạo thành kết tủa hydroxyapatite [Ca₅(OH)(PO₄)₃], như hình dưới đây.
Từ cơ chế phản ứng trên có thể thấy: (1) muối sắt và vôi bị ảnh hưởng rất nhiều bởi độ kiềm của nước; (2) Việc loại bỏ phốt pho bằng vôi tạo ra một lượng lớn bùn (cả magie hydroxit và canxi cacbonat đều là bùn). Đây là một trong những lý do muối nhôm thường được lựa chọn để loại bỏ phốt pho trong các công trình thực tế.
IV. Liều lượng hóa chất
Liều lượng muối kim loại thường được biểu thị bằng số mol kim loại (Me) được thêm vào trên mỗi mol phốt pho hòa tan (Pin) trong dòng nước vào. "Liều lượng cân bằng hóa học" đề cập đến việc thêm 1,0 mol kim loại cho mỗi mol phốt pho bị loại bỏ (tức là Me/Pin=1.0), dựa trên tỷ lệ mol cần thiết để muối kim loại (muối nhôm hoặc muối sắt) phản ứng với phốt pho để tạo thành kết tủa photphat. Khi liều lượng muối kim loại tăng lên, tốc độ loại bỏ phốt pho được cải thiện và nồng độ phốt pho trong nước thải giảm xuống. Tuy nhiên, khi tăng liều lượng đến một mức nhất định, tác dụng loại bỏ dần dần khi tăng liều lượng dần dần yếu đi.
Khi liều lượng clorua sắt đạt Me/Pin=1.5~2,0, nó có thể loại bỏ 80%~98% phốt pho hòa tan. Để đạt được nồng độ phốt pho tổng trong nước thải rất thấp (ví dụ: dưới 0,10 mg/L), cần có tỷ lệ liều lượng cao hơn, với Me/Pin=6~7.
Tỷ lệ liều lượng của nhôm sunfat tương tự như clorua sắt, nhưng tỷ lệ loại bỏ thấp hơn, từ 75% đến 95%. Sử dụng PAC hoặc natri aluminate để đạt được hiệu quả loại bỏ phốt pho tương tự đòi hỏi liều lượng cao hơn.
Từ thông tin liều lượng trên, có thể thấy muối sắt có hiệu quả loại bỏ phốt pho cao nhất, nhưng như đã đề cập trước đó, muối sắt bị ảnh hưởng rất nhiều bởi độ kiềm. PAC có hiệu suất loại bỏ phốt pho thấp nhất, thậm chí còn thấp hơn cả nhôm sunfat. Điều này mâu thuẫn với quan điểm của một số người cho rằng PAC, là "polyalumin", nên có tác dụng loại bỏ phốt pho cao hơn so với nhôm sunfat không chứa{{2} polyme.
Phần kết luận
Loại bỏ phốt pho hóa học, là một phương pháp quan trọng trong xử lý nước thải, không chỉ phụ thuộc vào loại và liều lượng thuốc thử mà còn phụ thuộc vào chất lượng nước thải, độ pH, độ kiềm, pha trộn và điều kiện keo tụ. Việc lựa chọn muối hoặc vôi kim loại thích hợp, tính toán liều lượng một cách khoa học và kết hợp điều này với tối ưu hóa quy trình có thể đảm bảo loại bỏ phốt pho hiệu quả đồng thời kiểm soát chi phí sản xuất và vận hành bùn. Bằng cách hiểu rõ cơ chế phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng của thuốc thử, các kỹ sư xử lý nước thải có thể kiểm soát phốt pho nước thải ổn định và áp dụng linh hoạt công nghệ loại bỏ phốt pho hóa học ở các giai đoạn xử lý khác nhau, hỗ trợ vững chắc cho việc bảo vệ môi trường nước đô thị.