أشكال الملوثات الفسفورية في مياه الصرف الصحي واستراتيجيات إزالتها المناسبة

وبعد البحث لفترة طويلة، لم أعرف حقًا ما الذي أكتب عنه. بالنظر إلى مقالاتي السابقة، أدركت أنني لم أقم بتغطية الفوسفور، لذلك هذا هو موضوع اليوم. يعتبر الفوسفور من الملوثات الشائعة في مياه الصرف الصحي، وينقسم بشكل رئيسي إلى فئتين: "الفوسفور العضوي والفوسفور غير العضوي". العاملون في صناعة حماية البيئة على دراية بهذا المؤشر تمامًا. يبدو الفوسفور بسيطًا، لكنه قد يكون صعبًا في بعض مياه الصرف الصحي.

يوجد الفوسفور في مياه الصرف الصحي على شكل فوسفور عضوي وغير عضوي. وينقسم الفوسفور غير العضوي أيضًا إلى أورثوفوسفات وميتافوسفات. تتطلب الإزالة النهائية للفوسفور التحويل إلى أورثوفوسفات.

الأرثوفوسفات (الفوسفور غير العضوي): مثل PO₄³⁻، HPO₄²⁻. الشكل الأكثر شيوعاً، لديه قابلية ذوبان جيدة ويمكن للكائنات الحية استخدامه مباشرة. ويمكن إزالته مباشرة من خلال الطرق الفيزيائية والكيميائية.

ميتافوسفات (فوسفور غير عضوي): مثل بيروفوسفات، ترايبوليفوسفيت (من المنظفات)، والذي يتحلل تدريجياً إلى أورثوفوسفات في الماء.

الفوسفور العضوي: مثل المبيدات الحشرية والفوسفوكرياتين. يوجد معظمها في الملوثات العضوية ويجب أولاً أن يتم تحللها مائيًا إلى أورثوفوسفات قبل أن تتم إزالتها بشكل فعال.

يتضمن مسار إزالة الفوسفور عمومًا تحويله أولاً إلى أورثوفوسفات، ثم النظر في طرق الإزالة البيولوجية أو الكيميائية. إن إزالة الفسفور البيولوجي لها فعالية محدودة، وتقتصر عمومًا على الفوسفور الموجود في مياه الصرف الصحي المنزلية، وعندما يكون التركيز مرتفعًا جدًا، يجب استكماله بإزالة الفسفور الكيميائي. تعتبر إزالة الفوسفور الكيميائي هي الطريقة الأفضل، ولكنها غير مناسبة للاستخدام في عمليات الحمأة المنشطة، حيث يمكن لعوامل إزالة الفسفور أن تؤثر سلبًا على نمو الكائنات الحية الدقيقة.

جوهر تحويل الفسفور العضوي إلى فوسفور غير عضوي (أورثوفوسفات) هو عملية التمعدن، وهي في الأساس تكسير المجموعات الوظيفية العضوية، مع أكسدة الفسفور إلى PO₄³⁻. لا تحتوي هذه العملية على معادلة واحدة ثابتة؛ اعتمادًا على ظروف التفاعل، فإنه يقع بشكل أساسي ضمن المسارات النموذجية الثلاثة التالية:

① التحلل الحيوي (الأكثر شيوعًا): يتم تحفيزه بواسطة الفوسفاتيز (مثل الفوسفاتيز القلوي)، ويتم كسر روابط C-O-P أو C-P للفسفور العضوي. لنأخذ أحاديات الفوسفات كمثال:

R-O-PO₃²⁻ + H₂O → R-OH + HPO₄²⁻ (أو PO₄³⁻)

الخصائص: درجة الحرارة والضغط الطبيعي، أخضر واقتصادي. تعتمد مياه الصرف الصحي البلدية بشكل أساسي على هذه الطريقة، لكن معدل التفاعل يعتمد على النشاط الميكروبي ودرجة الحرارة.

② طريقة الأكسدة الكيميائية (المعالجة الصناعية العميقة): إضافة مؤكسد قوي (مثل كاشف فنتون · OH) لأكسدة الفوسفات العضوي بالكامل. لنأخذ المبيدات الفوسفاتية العضوية (مثل الملاثيون) كمثال:

(C₁₀H₁₉O₆PS₂) + 21·OH → 10CO₂ + 14H₂O + SO₄²⁻ + H₂PO₄⁻

الخصائص: رد فعل سريع وتمعدن شامل. مناسبة لمياه الصرف الصناعي ذات قابلية التحلل الحيوي الضعيفة، ولكن تكلفة التشغيل مرتفعة نسبيًا.

③ الترميد بدرجة حرارة عالية- (الحمأة/النفايات الصلبة): يؤدي التسخين تحت ظروف غنية بالأكسجين- إلى تحويل الفوسفور العضوي مباشرة إلى بقايا فوسفات غير عضوية مستقرة، وغالبًا ما يتم تثبيته في الرماد على هيئة ميتافوسفات أو بيروفوسفات. مناسب للفوسفور عالي التركيز--الذي يحتوي على نفايات خطرة.

في المعالجة الفعلية لمياه الصرف الصحي، تعتمد الغالبية العظمى من تحويل "الفوسفور العضوي إلى فوسفور غير عضوي" على التحلل المائي المحفز للإنزيم البيولوجي. يشتمل التفاعل دائمًا على H₂O، ويكون المنتج النهائي دائمًا تقريبًا أورثوفوسفات (PO₄³⁻ أو HPO₄²⁻)، وهو شرط أساسي لإزالة الفوسفور الكيميائي لاحقًا (إضافة أملاح الألومنيوم/الحديد) لترسيب وإزالة الفوسفور.

المبدأ: باستخدام خصائص الكائنات الحية المتراكمة للفوسفور -(PAOs) التي تطلق الفوسفور في المنطقة اللاهوائية وتمتص الفوسفور بشكل مفرط في المنطقة الهوائية، تتم إزالة الفوسفور أخيرًا عن طريق تفريغ الحمأة الغنية بالفوسفور-.

العمليات الرئيسية: A²/O (اللاهوائية-غير المؤكسدة-الهوائية) ومتغيراتها (مثل خنادق الأكسدة، SBR). يمكن لهذه العملية إزالة النيتروجين والفوسفور في وقت واحد، مما يحقق إجمالي معدل إزالة الفوسفور حوالي 60%.

الجوهر: فعال من حيث التكلفة-وقادر على معالجة الفوسفات العضوي (تحويلها إلى أورثوفوسفات قبل الامتصاص)، ولكنه يفتقر إلى الاستقرار عندما تكون تركيزات النفايات السائلة صارمة للغاية (على سبيل المثال،<0.5 mg/L).

المبدأ: إضافة أملاح الألومنيوم (مثل كبريتات الألومنيوم) أو أملاح الحديد (مثل كلوريد الحديديك) تتفاعل مع أيونات الفوسفات لتكوين رواسب غير قابلة للذوبان (مثل AlPO₄، FePO₄).

الرقم الهيدروجيني الأمثل: أملاح الألومنيوم حوالي 6-7، أملاح الحديد حوالي 5-5.5؛ السيطرة الدقيقة ضرورية.

الإستراتيجية: تتم إضافتها عادةً كخطوة معالجة عميقة بعد خزان المعالجة البيولوجية، أو يتم إضافتها بالتزامن معها في أوقات محددة لضمان الامتثال المستقر لجودة المياه.

بالنسبة لمياه الصرف الصحي ذات التركيز العالي أو الفوسفات العضوي الصناعي، تكون الأكسدة المتقدمة (على سبيل المثال، عملية الفنتون) مطلوبة للمعالجة المسبقة في نهاية المنبع؛ إذا لزم الأمر، يجب تحويل الميتافوسفات إلى أورثوفوسفات من خلال الأكسدة المتقدمة لمزيد من الإزالة.