Biện pháp hiệu quả nhất hiện nay để loại bỏ photphat là tạo ra muối photphat ít tan với sắt, nhôm, canxi và phương pháp sinh học. Trong một số trường hợp có thể sử dụng phương pháp hấp phụ và trao đổi ion.
1.3.2.1. Kết tủa photphat
Kết tủa photphat (đơn và một phần loại trùng ngưng) với các ion nhôm, sắt, canxi tạo ra các muối tương ứng có độ tan thấp và tách chúng ra dưới dạng chất rắn.
Đặc trưng quan trọng nhất của một quá trình kết tủa là tích số tan. Tích số tan của một chất càng nhỏ thì hiệu quả của phương pháp càng cao. Trong bảng 1.2 ghi giá trị tích số tan của một số hợp chất liên quan trong quá trình xử lý photphat bằng phương pháp kết tủa với muối, nhôm, sắt và canxi (vôi).
Bảng 1.3. Tích số tan của một số hợp chất photphat với canxi, sắt, nhôm ở 25oC
Hệ T (tích số tan)
Fe.PO4.2H2O Fe3+ + PO43- + 2H2O 10-23 AlPO4.2H2O Al3+ + PO43- + 2H2O 10-21 CaHPO4 Ca2+ + HPO42- 10-6,6 Ca4H(PO4)3 4Ca2+ + 3PO43- + H+ 10-46,9 Ca10(PO4)6(OH)2 10Ca2+ + 6PO43- + 2OH- (hydroxylapatit) 10-114 Ca10(PO4)6F2 10Ca2+ + 6PO43- + 2F- (apatit) 10-118 CaHAl(PO4)2 Ca2+ + Al3+ + H+ + 2 PO43- 10-39 CaCO3 Ca2++ CO32- 10-8,3 CaF2 Ca2+ + 2F- 10-10,4 MgNH4PO4 Mg2+ + NH4+ + PO43- (struvit) 10-12,6 Fe(OH)3 Fe3+ + 3OH- 10-36 Al(OH)3 Al3+ + 3OH- 10-32 Từ bảng 1.3 có một số nhận xét sau:
• Cả 3 loại ion (Ca2+, Al3+, Fe3+) đều tạo ra các hợp chất photphat có độ tan rất thấp, đặc biệt là hydroxylapatit và apatit. Phản ứng này tạo thành ở vùng pH cao nên nhiều loại hợp chất của canxi với photphat có chứa thêm nhóm OH.
• Hydroxit sắt, nhôm tan trở lại vào nước dưới dạng ferrat hoặc aluminat [(Fe(OH)4-, Al(OH)4-)] ở vùng pH cao ( trên 8,5), ở vùng thấp hơn chúng tồn tại ở dạng kết tủa, keo tụ, hấp phụ có vai trò quan trọng hơn trong hệ sử dụng muối sắt, muối nhôm khi kết tủa so với sử dụng vôi
1.3.2.2. Sử dụng phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học dựa trên hiện tượng là một số loại vi sinh vật tích lũy lượng photpho nhiều hơn mức cơ thể chúng cần trong điều kiện hiếu khí. Thông thường hàm lượng photpho trong tế bào chiếm 1,5-2,5% khối lượng tế bào thô, một số loại có thể hấp thu cao hơn từ 6-8%. Trong điều kiện yếm khí chúng lại thải ra phần photpho tích lũy dư thừa, dưới dạng photphat đơn PO43-. Quá trình loại bỏ
photpho dựa trên hiện tượng trên gọi là loại bỏ photpho tăng cường. Photpho được tách ra khỏi nước trực tiếp thông qua thải bùn dư (vi sinh chứa nhiều photpho) hoặc tách ra dưới dạng muối không tan sau khi xử lý yếm khí với một hệ kết tủa kèm theo (ghép hệ thống phụ) [2,4].
Nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình hấp thu – tàng trữ - thải loại photpho được quy chung về nhóm vi sinh bio-P mà vi sinh vật Acinetobacter là chủ yếu. Dưới điều kiện hiếu khí (O2) vi sinh vật bio-P tích lũy photphat trùng ngưng trong cơ thể chúng từ photphat đơn tồn tại trong nước thải.
C2H4O2 + 0,16NH4+ + 1,2O2 + 0,2PO43- 0,16C5H7NO2 + 1,2CO2 + 0,2(HCO3) + 0,44OH- + 1,44H2O
Trong điều kiện yếm khí, vi sinh vật trên hấp thu chất hữu cơ, phân hủy photphat trùng ngưng trong tế bào và thải ra môi trường dưới dạng photphat đơn. 2C2H4O2 + (HPO3) + H2O (C2H4O2)2 + PO43- + 3H+
Trong đó (C2H4O2)2 là chất hữu cơ tích lũy trong cơ thể sinh vật được hấp thu từ ngoài vào.
1.3.2.3. Hấp phụ và trao đổi ion
Hấp phụ và trao đổi ion là những phương pháp xử lý photphat rất có triển vọng, để thu hồi photphat một cách chọn lọc, thu hồi lại từ dung dịch tái sinh và tái sử dụng.
Trao đổi ion cũng cho phép thu hồi các thành phần có ích khác như K+, NH4+ để tạo ra MgNH4PO4 hay MgKPO4 dùng làm phân nhả chậm. Hướng nghiên cứu trên đã được chú ý từ thập kỷ 70 và đã hình thành được một sơ đồ công nghệ REMNUT có ứng dụng trong thực tế. Sơđồ công nghệ gồm hai cột trao đổi ion: cột clinoptiolit thu hồi amoni, cột anionit thu hồi photphat. Dung dịch sau khi tái sinh từ 2 cột chứa NH4+, PO43-được kết tủa dưới dạng struvite [4].
Vật liệu hấp phụ để loại bỏ photphat trong nước đã được nghiên cứu nhiều trong phòng thí nghiệm. Ưu điểm và triển vọng của phương pháp là không phát sinh sinh bùn thải, không làm thay đổi pH của dung dịch được xử lý. Rất nhiều vật liệu đã được nghiên cứu hấp phụ photphat như: tro bay, bùn đỏ (bùn thải của quá trình
khai thác quặng bauxit), nhôm hoạt tính [39], sắt oxit, ngoài ra còn nhiều vật liệu khác được nghiên cứu có bản chất là các kim loại như: La, Mg…sử dụng Zirconi làm chất hấp phụ photphat cũng là một trong những lĩnh vực mới được nghiên cứu, và rất có triển vọng [16,21,22].
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM