CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.3. nhiễm photphat và các phương pháp xử lý
1.3.1. Ơ nhiễm photphat.
Trong mơi trường nước, P tồn tại ở các dạng: H2PO4-, HPO42-, PO43-, dạng polymetaphotphat như: Na(PO3)6 và photphat hữu cơ. Muối photphat vô cơ được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp bao gồm: sản phẩm làm sạch, kem đánh răng, bật lửa, công nghiệp dệt may, xử lý nước và phân bón.
Khi lượng photphat có trong đất quá nhiều, các ion photphat sẽ kết hợp với các kim loại trong đất như nhôm (Al3+), sắt (Fe3+, Fe2+)…dẫn đến chai cứng đất,
tiêu diệt một số sinh vật có lợi, khơng tốt cho cây trồng phát triển.
Trong môi trường nước, khi lượng photphat quá dư sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng. Trong môi trường tự nhiên, q trình trao đổi, hịa tan photphat từ dạng kết tủa hoặc phức bền diễn ra từ từ, quá trình tiêu thụ photphat diễn ra cân bằng tạo ra sự phát triển ổn định cho hệ sinh vật. Tuy nhiên khi lượng photphat quá dư do nước thải mang đến gây hiện tượng phú dưỡng ở các lưu vực.
Phú dưỡng là hiện tượng phát triển ồ ạt, mạnh mẽ của các loài sinh vật thủy sinh như rong, bèo, tảo…Sự phát triển quá mạnh mẽ sẽ gây nên sự thay đổi hệ sinh thái và điều kiện môi trường. Với mật độ dày đặc, chúng ngăn cản ánh sáng đi sâu vào lòng nước. Khi chết đi quá trình phân hủy xác của chúng cần một lượng oxi
lớn, làm cạn kiệt oxi trong nước, làm tăng các chất ô nhiễm trong nước, do các sản phẩm phân hủy không hoàn toàn. Các xác chết cùng sản phẩm phân hủy tạo nên lớp bùn dày ở đáy hồ. Cứ như vậy, sau một thời gian, quá trình phân hủy hiếu khí
chuyển thành phân hủy yếm khí tạo ra nhiều sản phẩm có tính khử, càng làm ơ nhiễm mơi trường nước, tạo ra các khí độc, các khí có mùi khó chịu. Hậu quả làm sinh vật sống trong nước bị chết, ở mức độ nhẹ hơn, đối với các lưu vực có dịng
chảy, hiện tượng phú dưỡng có thể làm nghẽn dịng chảy do sự phát triển của bèo, làm nông các lưu vực do bùn tạo thành quá dày, là môi trường sống của các vi sinh vật có hại…
1.3.2. Xử lý ơ nhiễm photphat.
Biện pháp hiệu quả nhất hiện nay để loại bỏ photphat là tạo ra muối
photphat ít tan với sắt, nhơm, 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).
Đặng Thị Thu Hương 22 Khóa K23- Cao học Hóa Mơi trường
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 trị 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. Thơng
thường hàm lượng photpho trong tế bào chiếm 1,5-2,5% khối lượng tế bào thơ, một số loại có thể hấp thu cao hơn từ 6-8%. Trong điều kiện yếm khí chúng lại thải ra
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 cơng nghệ
REMNUT có ứng dụng trong thực tế. Sơ đồ 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 phịng 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
Đặng Thị Thu Hương 24 Khóa K23- Cao học Hóa Mơi trường
khai thác quặng bauxit), nhơm hoạt tính [39], sắt oxit, ngồi ra cịn 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].