تستخدم إزالة الفسفور الكيميائي على نطاق واسع في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. يمكن إضافة الأملاح المعدنية أو الجير، من بين المواد الكيميائية الأخرى، إلى عمليات المعالجة الأولية أو الثانوية أو الثالثة (للحصول على نقاط الاختيار الرئيسية، يرجى الرجوع إلى المقالة "أنواع ونقاط الاختيار الرئيسية لعوامل إزالة الفوسفور الكيميائية" في هذا الحساب العام؛ انقر فوق الرابط في نهاية المقالة). ومع ذلك، فإن إزالة الفوسفور الكيميائي لها أيضًا حدودها. يعد الاختيار المعقول للكواشف والحساب الدقيق للجرعة من المتطلبات الأساسية لضمان فعالية العلاج وخفض التكلفة. توضح هذه المقالة بشكل منهجي نطاق التطبيق، وخصائص الكاشف، والعوامل المؤثرة، وآلية التفاعل، وجرعة إزالة الفسفور الكيميائي، مما يوفر مرجعًا وتوجيهًا عمليًا لمحترفي معالجة المياه.
I. نطاق التطبيق لإزالة الفوسفور الكيميائي
يمكن لإزالة الفوسفور الكيميائي أن يزيل فقط جزء الفوسفات (أورثوفوسفات) من إجمالي الفسفور في مياه الصرف الصحي. يمثل الفوسفات في السائل عادة ما بين 50% إلى 80% من إجمالي الفسفور، ويوجد عمومًا في شكلين: HPO₄⁻ وHPO₄²⁻، حيث يكون الأول هو السائد عند درجة الحموضة أقل من 8.3. لا يتفاعل البوليفوسفات مع الأملاح المعدنية أو الجير؛ ومع ذلك، يتم تحويلها إلى الفوسفات أثناء المعالجة البيولوجية. يشكل الفوسفور المرتبط عضويًا عادةً نسبة صغيرة من إجمالي الفسفور الموجود في السائل. يمكن عادةً إزالة الفوسفور الغروي والجسيمي أثناء فصل السائل الصلب -؛ قد يتحلل الفوسفور العضوي المذاب إلى أورثوفوسفات أثناء المعالجة (إذا كان قابلاً للتحلل الحيوي)، وإذا لم يكن قابلاً للتحلل الحيوي، فلا يمكن إزالته بواسطة محطة معالجة مياه الصرف الصحي.
ثانيا. خصائص الكاشف والعوامل المؤثرة
1. خصائص الكاشف
الكواشف المستخدمة لإزالة الفسفور الكيميائي هي عادة أملاح معدنية أو جير. الأملاح المعدنية الأكثر استخدامًا هي كبريتات الألومنيوم (المعروفة باسم الشب) وكلوريد الحديديك. يمكن أيضًا استخدام ألومينات الصوديوم بدلاً من كبريتات الألومنيوم، لكن إضافتها غالبًا ما تزيد بشكل كبير من الرقم الهيدروجيني للنظام. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام أشكال مختلفة من كلوريد متعدد الألومنيوم (PAC) لإزالة الفوسفور من الترسيب الكيميائي. كما تستخدم كبريتات الحديدوز وكلوريد الحديدوز لإزالة الفوسفور. وعادة ما يتم الحصول على هذه العوامل كمنتجات ثانوية لعمليات صناعة الصلب (تخليل مياه الصرف الصحي). يتم توفير الجير بشكل عام في صورة صلبة، بما في ذلك الجير الحي (CaO) والجير المطفأ [Ca(OH)₂).
2. العوامل المؤثرة على الكواشف
إلى جانب الجرعة، فإن خصائص جودة مياه الصرف الصحي، وطريقة جرعات الكاشف، وموقع نقطة جرعات الكاشف، ودرجة حموضة التفاعل، وطريقة التلبد، ووقت التفاعل بعد جرعات الكاشف، كلها عوامل مهمة في التصميم والتشغيل. تؤثر جميع هذه العوامل على العلاقة بين الجرعة وكفاءة إزالة الفسفور.
(1) خلط الكاشف
يعد الخلط الكافي عند نقطة جرعات الكاشف ضروريًا لضمان تفاعل أيونات المعادن مع جزيئات الفوسفات. تتميز كثافة الخلط عادةً بمعدل التدرج G، بوحدات s⁻¹. يضمن الخلط السريع كشف مواقع سطح التفاعل في الوقت المناسب والمشاركة في التفاعل؛ ومع ذلك، في ظل كثافة الخلط المنخفضة، يمكن إنشاء العديد من أكاسيد المعادن أولاً في غياب مشاركة الفوسفات، وبالتالي منع ذرات الأكسجين الداخلية من الاتحاد مع الفوسفات، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة إزالة الفوسفور.
في محطات معالجة مياه الصرف الصحي الفعلية، تكون ظروف الخلط عند نقطة الجرعات سيئة عادةً، حيث تتراوح قيم G بشكل عام من 200 إلى 300 ثانية⁻¹. في ظل ظروف الخلط عالية الطاقة-، يتراوح وقت الخلط عادة من 10 إلى 30 ثانية. بعد مرحلة حركية التفاعل السريع الأولية، يمكن أن يستمر الفوسفات والحديد في التفاعل من خلال عملية حركية التفاعل البطيء، والتي يمكن أن تستمر لساعات أو حتى أيام. تعتبر عملية إزالة الفوسفور - البطيئة التي يتم التحكم فيها بالتفاعل مهمة بشكل خاص لإضافة الشب أو كلوريد الحديديك إلى خزانات الحمأة المنشطة، حيث يتم عادةً قياس وقت الاحتفاظ بالمواد الصلبة (SRT) لهذه الأنظمة بالأيام.
(2) التلبد
بعد الخلط السريع عند نقطة الجرعات، يلزم الخلط اللطيف لتعزيز تكوين الكتل التي يمكن أن تترسب أو يتم إزالتها من خلال فصل السائل الصلب. هذه العملية ضرورية لتلبية متطلبات تركيز الفوسفور السائل المنخفض. عادةً، يوفر تدفق مياه الصرف الصحي داخل هيكل المعالجة نفسه ظروف خلط كافية لتكوين الندف، ولكن إذا كان وقت التلبد غير كافٍ، أو في حالة وجود ظروف تعطل تكوين الندف (مثل الضخ، والتهوية، وما إلى ذلك)، فستكون عملية التلبد محدودة.
(3) الرقم الهيدروجيني والقلوية
عادةً ما تحدث أعلى كفاءة لإزالة الفوسفور في المعالجة الكيميائية ضمن نطاق الأس الهيدروجيني الذي يتراوح بين 5.5 و7.0. عندما يكون الرقم الهيدروجيني بين 7 و 10، تنخفض كفاءة إزالة الفسفور بسبب الشحنة السالبة الأقوى على سطح هيدروكسيدات المعادن وتكوين هيدروكسيدات الحديد القابلة للذوبان. في ظروف الرقم الهيدروجيني المنخفض، تنخفض قابلية ذوبان المادة المرسبة؛ بينما في ظروف الرقم الهيدروجيني المنخفضة للغاية، يكون تكوين رواسب هيدروكسيد المعدن محدودًا. تظهر كفاءة إزالة الفوسفور لكبريتات الألومنيوم وكلوريد الحديديك اتجاهات مماثلة في ظل ظروف مختلفة من الأس الهيدروجيني.
(4) CODcr وSS
تتأثر كفاءة إزالة الفوسفور بإضافة الأملاح المعدنية في مرحلة المعالجة الأولية بشكل كبير بخصائص مياه الصرف الصحي. توجد علاقة واضحة بين محتوى المادة العضوية وكفاءة إزالة الفوسفور للأملاح المعدنية. عندما يكون CODcr في حدود 300-700 مجم / لتر، تنخفض كفاءة إزالة الفوسفات مع زيادة CODcr. تم الحصول على نتائج مماثلة من الدراسات التي أجريت على إجمالي المواد الصلبة العالقة (TSS)، أي أنه كلما زاد تركيز TSS، انخفضت كفاءة إزالة الفوسفور.
إلى جانب تقليل كفاءة إزالة الفوسفور في مرحلة المعالجة الأولية، فإن المحتوى العالي من المواد العضوية يضعف أيضًا تأثير إزالة الفسفور للأملاح المعدنية في مفاعلات الحمأة المنشطة. يمكن أن تتفاعل أيونات الحديد والألومنيوم مع المواد العضوية مثل حمض الهيوميك وحمض الفولفيك لتكوين مجمعات غير قابلة للذوبان مرتبطة بأيونات المعادن وأكاسيدها المعدنية، وبالتالي تشغل أو تسد مواقع التفاعل المطلوبة لترسيب الفوسفات، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة إزالة الفسفور الكيميائي. وهذا هو أحد أسباب اختيار إزالة الفوسفور الكيميائي بعد-في المشروعات الفعلية.
ثالثا. آلية تفاعل الكاشف واختيار الكاشف
يظهر أدناه تفاعل كبريتات الألومنيوم مع الفوسفور.
في وجود القلوية في الماء، يظهر أدناه تفاعل كلوريد الحديديك مع الفسفور المذاب وقلوية البيكربونات في الماء.
إذا كانت القلوية في الماء غير كافية، فإن إضافة كلوريد الحديديك سوف يشكل راسب أكسيد الحديد المائي، مما يوفر مواقع سطحية نشطة لتفاعل الفوسفور. المبدأ الأساسي لآلية إزالة الفوسفور من ملح الحديد هو أن الفوسفات والحديد يمكن أن يتشاركا في ذرة الأكسجين، ويمكن تمثيل تفاعلهما بالصيغة التالية (الشحنة غير موضحة).
عند إضافة الجير إلى مياه الصرف الصحي، يتفاعل الجير أولاً مع قلوية البيكربونات في الماء لتكوين كربونات الكالسيوم (CaCO₃). عندما يرتفع الرقم الهيدروجيني للنظام فوق 10، تتفاعل أيونات الكالسيوم الزائدة مع الفوسفات لتكوين راسب هيدروكسيباتيت [Ca₅(OH)(PO₄)₃]، كما هو موضح أدناه.
من آلية التفاعل المذكورة أعلاه، يمكن ملاحظة ما يلي: (1) تتأثر أملاح الحديد والجير بشكل كبير بقلوية الماء؛ (2) إزالة الفوسفور الجيري تنتج كمية كبيرة من الحمأة (كل من هيدروكسيد المغنيسيوم وكربونات الكالسيوم من الحمأة). وهذا هو أحد الأسباب وراء اختيار أملاح الألومنيوم في كثير من الأحيان لإزالة الفسفور في المشاريع الفعلية.
رابعا. جرعة المواد الكيميائية
عادة ما يتم التعبير عن جرعة الأملاح المعدنية بعدد مولات المعدن (Me) المضافة لكل مول من الفوسفور القابل للذوبان (Pin) في السائل. تشير "الجرعة المتكافئة" إلى إضافة 1.0 مول من المعدن لكل مول من الفوسفور تمت إزالته (على سبيل المثال، Me/Pin=1.0)، والذي يعتمد بشكل صارم على النسبة المولية المطلوبة لملح المعدن (ملح الألومنيوم أو ملح الحديد) للتفاعل مع الفوسفور لتكوين راسب الفوسفات. مع زيادة جرعة الأملاح المعدنية، يتحسن معدل إزالة الفوسفور وينخفض تركيز الفوسفور السائل. ومع ذلك، عندما تزيد الجرعة إلى مستوى معين، فإن تأثير الإزالة المتزايد من زيادة الجرعة يضعف تدريجياً.
عندما تصل جرعة كلوريد الحديديك إلى Me/Pin=1.5~2.0، يمكنها إزالة 80%~98% من الفسفور القابل للذوبان. لتحقيق تركيزات منخفضة للغاية من الفوسفور الإجمالي (على سبيل المثال، أقل من 0.10 مجم/لتر)، يلزم وجود نسبة جرعة أعلى، مع Me/Pin=6~7.
تشبه نسبة جرعة كبريتات الألومنيوم نسبة كلوريد الحديديك، لكن معدل الإزالة أقل، بين 75% و95%. يتطلب استخدام PAC أو ألومينات الصوديوم لتحقيق كفاءة مماثلة في إزالة الفوسفور جرعات أعلى.
من معلومات الجرعة المذكورة أعلاه، يمكن ملاحظة أن أملاح الحديديك لديها أعلى كفاءة في إزالة الفوسفور، ولكن كما ذكرنا سابقًا، تتأثر أملاح الحديديك بشكل كبير بالقلوية. يتمتع PAC بأقل كفاءة في إزالة الفوسفور، حتى أقل من كبريتات الألومنيوم. وهذا يتناقض مع وجهة النظر التي يتبناها البعض بأن PAC، كونها "بولي ألومنيوم"، يجب أن يكون لها تأثير إزالة فوسفور أعلى من كبريتات الألومنيوم غير البوليمرية.
خاتمة
إن إزالة الفسفور الكيميائي، باعتبارها طريقة مهمة في معالجة مياه الصرف الصحي، لا تعتمد فقط على نوع الكاشف وجرعته، ولكن أيضًا على جودة مياه الصرف الصحي، ودرجة الحموضة، والقلوية، والخلط، وظروف التلبد. إن اختيار الأملاح المعدنية أو الجير المناسب، وحساب الجرعة بشكل علمي، والجمع بين ذلك مع تحسين العملية يمكن أن يضمن إزالة الفوسفور بكفاءة مع التحكم في إنتاج الحمأة وتكاليف التشغيل. من خلال فهم آليات التفاعل والعوامل المؤثرة في الكواشف، يمكن لمهندسي معالجة مياه الصرف الصحي تحقيق تحكم مستقر في الفوسفور السائل وتطبيق تكنولوجيا إزالة الفسفور الكيميائي بمرونة في مراحل المعالجة المختلفة، مما يوفر دعمًا قويًا لحماية بيئة المياه الحضرية.