1.3. Các phương pháp xử lý N và P trong nước tiểu
1.3.2. Xử lý hợp chất photpho
Hợp chất photpho tồn tại trong nước thải ở các dạng: photphat đơn tan (orthophotphat), photphat trùng ngưng, photpho trong hợp chất hữu cơ. Photphat trùng ngưng (polyme) và dạng hữu cơ (trong cơ thể vi sinh) có thể loại được một phần qua quá trình lắng hoặc lọc trong các giai đoạn lắng sơ cấp, thứ cấp. Photphat đơn tan trong nước không thể loại bỏ theo phương pháp lắng, lọc.
Axit photphoric là một axit yếu, phân li theo ba bậc, tùy thuộc vào pH của môi trường [26].
H3PO4 H+ + H2PO4- pKa = 2,2 (1.26) H2PO4- H+ + HPO42- pKa = 7,2 (1.27) HPO42- H+ + PO43- pKa = 12,3 (1.28)
Các ion H2PO4-; HPO42-; PO43- tan trong nước, được gọi là dạng photphat đơn (ortho photphat).
Biện pháp hiệu quả nhất hiện nay trong công nghệ xử lý nước thải là tạo ra muối photphat ít tan với sắt, nhôm và canxi. Trong một số trường hợp có thể sử dụng phương pháp trao đổi ion.
1.3.2.1. Phương pháp hóa học
Kết quả từ những nghiên cứu sâu và rộng cho thấy trong khi kết tủa photphat với các ion kim loại sắt, nhôm và canxi, kết tủa không phải là cơ chế duy nhất mà quá trình hấp phụ, keo tụ xảy ra đồng thời ở trong hệ cũng đóng góp vào việc tách photphat tan ra khỏi môi trường nước. Hợp chất photphat dạng kết tủa gồm rất nhiều loại, khác nhau về cấu trúc rắn, dạng tinh thể, thành phần hóa học, thậm chí không tuân theo công thức tỉ lượng hoặc chúng thay đổi ngay trong thời gian ngắn.
Riêng đối với ion sắt (II), (III) và nhôm khi tồn tại ở trong nước tự bản thân chúng đã tham gia một loạt các phản ứng như thủy phân, tạo ra các phân
tử lớn hơn như đime, trime cũng như polyme có mạch dài ngắn khác nhau hoặc các dạng hyđroxit có hóa trị khác nhau. Hyđroxit, polyme của sắt và nhôm trong nước đóng vai trò chất hấp phụ, chất keo tụ có khả năng hấp phụ photphat tan hoặc keo tụ các hợp chất photphat không tan cùng lắng.
Diễn biến trong hệ nước - photphat - Al3+, Fe2+, Fe3+phụ thuộc vào điều kiện môi trường như pH, thế oxy hóa khử (Eh) cũng như chính nồng độ của các cấu tử tham gia phản ứng.
Đặc trưng quan trọng nhất của một quá trình kết tủa là tích số tan (độ tan) của sản phẩm tạo thành. Tích số tan của một chất càng nhỏ thì hiệu quả kết tủa càng cao. Trong môi trường nước, một hợp chất AmBn khó tan chịu một cân bằng giữa hòa tan phân li và kết tủa:
Bảng 1.6 ghi giá trị tích số tan của một số hợp chất liên quan tới quá trình xử lý photphat bằng phương pháp kết tủa với muối nhôm, sắt, và vôi (canxi) ở nhiệt độ 250C
Bảng 1.6. Tích số tan của một số hợp chất photphat với canxi, nhôm, sắt tại 250C [26] với canxi, nhôm, sắt tại 250C [26]
Hệ phản ứng Ksp
FePO4. 2H2O Fe3++ PO43- + 2 H2O 10-23 AlPO4. 2 H2O Al3++ PO43- + 2 H2O 10-21
CaHPO4 Ca2++ HPO42- 10-6,6
Ca4H(PO4)3 4Ca2++ 3PO43- + H+ 10-46,9 Ca10(PO4)6(OH)210Ca2++ 6PO43- + 2OH- (hyđroxylapatit) 10-114 Ca10(PO4)6 F2 10Ca2++ 6PO43-+ 2F- (apatit) 10-118 CaHAl(PO4)2 Ca2++ 2PO43- + Al3+- + H+ 10-39 CaCO3 Ca2+ + CO32- 10-8,3 CaF2 Ca2+ + 2F- 10-10,4 MgNH4PO4 Mg2+ + NH4+ + PO43- (Struvite) 10-12,6 Fe(OH)3 Fe3++ 3OH- 10-36 Al(OH)3 Al3++ 3OH- 10-32 Từ bảng 1.6 có thể đưa ra một số nhận xét:
rất thấp, đặc biệt là hyđroxylapatit và apatit. Phản ứng tạo thành ở vùng pH cao nên nhiều loại hợp chất của canxi với photphat có chứa thêm nhóm OH-.
- Hyđroxit 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, cùng lắng với các hợp chất photphat tạo thành. Hiện tượng 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. 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 khô, một số loại có thể hấp thu cao hơn, từ 6 - 8%. Trong điều kiện yếm khí chúng lại thải ra phần tích lũy dư thừa. 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).
1.3.2.3. Phương pháp lọc qua màng
Sử dụng mộ số loại màng lọc như màng nano, màng thẩm thấu ngược hay điện thẩm tích cũng tách được các hợp chất của photpho đồng thời với các hợp chất khác [25]. Về nguyên tắc hiệu quả tách lọc qua màng có hiệu suất cao nhưng do giá thành quá đắt nên hầu như chưa thấy có ứng dụng trong thực tế.