Hình 3.6. Ảnh hưởng tỷ lệ mol Mg/P đến hiệu quả thu hồi a) Photpho và b) Nitơ
Tương tự như giá trị pH, tỷ lệ mol Mg/P càng cao có liên quan đến hiệu quả thu hồi nitơ và photpho cao hơn. Khảo sát được thực hiện ở các tỷ lệ Mg/P lần lượt là 0,8/1 và 1/1; 1,2/1 và 1,4/1. Kết quả được thể hiện trong Hình 3.6 cho thấy khi tăng tỷ lệ Mg:P từ 0,8 lên 1, hiệu suất loại bỏ photpho tăng, từ 94,4±0,7% lên 97,9±0,7%, lần lượt. Có thể nhận thấy sự thấp hơn về hiệu suất khi tỷ lệ Mg/P là 0,8; dấu hiệu này cho thấy lượng magie là chưa đủ cho việc xử lý photpho. So với khi sử dụng MgCl2, hiệu suất ở tỷ lệ này là cao hơn (78,2 ± 6,7%) [94]. Điều này cho thấy trong nước ót có chứa nhiều ion khác tạo kết tủa với photpho. Kết quả còn thể hiện được, tỷ lệ mol Mg/P càng cao thì thời gian cần thiết để ổn định là càng ít.
Ở tỷ lệ Mg/P là 1,2/1 và 1,4/1 hiệu suất tăng nhanh ở 30 phút đầu và có dấu hiệu ổn định ở phút 90 với hiệu suất lần lượt là 96,6±0,2% và 99,0±0,2%. Tuy nhiên ở tỷ lệ Mg/P là 1/1 thì cần nhiều thời gian hơn để đạt độ ổn định, cụ thể là 120 phút (đạt hiệu suất 97,8±0,1% so với 97,9±0,2% ở 180 phút) và ở tỷ lệ 0,8 thì cần đến 150 phút để ổn định. Sự khác nhau này có thể được giải thích rằng khi tăng tỷ lệ mol Mg:P ảnh hưởng đến nồng độ Mg2+ từ đó làm tăng mức độ siêu tăng độ bão hòa của dung dịch [95]. Nhìn chung, khi tăng tỷ lệ mol Mg/P từ 0,8 lên 1,0 giúp cải thiện hiệu suất xử lý photpho và rút ngắn thời gian ổn định, tuy nhiên không nhận thấy sự
56
khác biết đáng kể nào khi tiếp tục tăng tỷ lệ lên 1,2 và 1,4. Vì vậy tỷ lệ mol 1,0/1 thích hợp cho việc xử lý photpho.
Đối với hiệu suất xử lý nitơ, tăng từ 31,1±4% lên 47,1±2% khi tăng tỷ lệ mol Mg/P từ 0,8 lên 1. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng tỷ lệ đến 1,2 và 1,4 thì hiệu suất có tăng nhưng không nhiều, đạt 49,1±3% và 51,9±5%, lần lượt. Điều đó có nghĩa rằng, việc tăng nồng độ magie quá liều không có ý nghĩa nhiều với hiệu suất thu hồi nitơ.
Tương tự vậy, nghiên cứu của Gong và các cộng sự cho thấy tỷ lệ Mg/P ít ảnh hưởng đến khả năng thu hồi nitơ, tỷ lệ thu hồi chỉ tăng 2% khi tăng tỷ lệ Mg/P từ 1,2 lên 1,6 [44]. Nhìn vào Hình 3.6b thấy được khi tỷ lệ mol Mg/P ở 1,2/1 và 1,4/1 hiệu suất chưa ổn định và vẫn có dấu hiệu tăng ở 180 phút. Điều này có thể được lý giải rằng cần thời gian lâu hơn để nitơ đạt bão hòa, hoặc bên cạnh việc tạo ra struvite, magie còn tham gia vào nhiều phản ứng tạo các sản phẩm khác. Nhiều nghiên cứu còn cho thấy việc nồng độ magie quá cao dẫn đến sự hình thành magie photphat và dimagie photphat không tạo thành được sản phẩm struvite [96]. Cùng tỉ lệ Mg/P là 1,0/1 kết quả nghiên cứu với nguồn magie hóa chất trong nước tiểu có sự tương đồng với nguồn magie nước ót.
MgHPO4 ↔ Mg2+ + HPO43- Ksp = 10-5,82 (3.13) Mg3(PO4)2 ↔ 3Mg2+ + 2PO43- Ksp = 10-25,2 (3.14)
Bên cạnh đó, việc sử dùng quá mức lượng magie sẽ gây lãng phí và dẫn đến các vấn đề thứ cấp nghiêm trọng [97,98]. Chính vì vậy, mức độ kiểm soát chi phí và hiệu quả thu hồi, liều lượng tỷ lệ mol magie vừa đủ (1,0/1) được ưu tiên hơn là quá liều (1,2 và 1,4).
57
3.1.6. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến tỷ lệ kích thước hạt
Hình 3.7. Sự phân bổ kích thước hạt theo thời gian
Nhìn chung, thấy được ở các thời gian khác nhau thì phân bố kích thước hạt không đồng nhất. Theo thời gian thì kích thước hạt có chiều hướng tăng dần từ kích thước nhỏ đến kích thước lớn. Ở 30 phút đầu, có thể thấy rõ được kích thước hạt nhỏ hơn 90àm chiếm 36,3% và đạt giỏ trị cao nhất trong tất cả thời gian tạo hạt.
Đồng thời trong thời gian này hạt có kích thước lớn chiếm phần trăm thấp hơn so với các khoảng thời gian còn lại, chỉ đạt 3,2%. Để giải thích cho điều này, theo thời gian phản ứng thì các phân tử có cấu trúc nhỏ kết cụm lại với nhau tạo thành hạt struvite và thời gian phản ứng càng lâu thì hạt có kích thước to càng nhiều. Xét từ thời điểm 60 phỳt trở về sau, thấy rõ được rằng kớch thước nhỏ hơn 90àm đang cú chiều hướng giảm và ở các kích thước còn lại đang có chiều hướng tăng dần lên. Ở 120 phỳt phản ứng, tỷ lệ hạt cú kớch thức 150-300 àm đạt tỷ lệ cao nhất trong cỏc khoảng thời gian (25,7%), sau đó có xu hướng giảm dần (22,8% ở phút 180). Từ phút 120 trở đi, có thể thấy sự thay đổi kích thước là khá ít và có sự tăng của các kích thước lớn. Lí giải cho điều này có thể là do sự liên kết của các hạt lớn diễn ra
58
chậm, tốn nhiều thời gian [68]. Từ thí nghiệm trên, xác định được thời gian cần thiết để đạt được kích thước hạt ổn định là ít nhất từ 120 phút trở đi, sau đó kích thước hạt có thay đổi nhưng cần nhiều thời gian. Việc duy trì thời gian lưu hạt lâu hơn 120 phút cho có thể áp dụng vào mô hình cột FBR tạo các hạt to hơn làm phân bón mang tính thương mại cao.
3.1.7. Đánh giá hiệu quả xử lý đồng thời Kali
Hình 3.8. Hiệu suất xử lý nitơ và kali, phoptho ở các pH khác nhau
Ngoài nitơ và photpho, kali (hay potassium) cũng là một chất cần thiết cho cây trồng, giúp cho cây cứng chắc, ít đổ ngã, tăng cường khả năng chịu úng, chịu hạn, chịu rét, chống chịu sâu bệnh. Việc bổ sung nước ót làm nguồn magie cho việc tạo kết tủa Struvite cũng bổ sung vào nguồn nước một lượng kali đáng kể. Vì vậy, nhóm tiến hành đánh giá hiệu quả xử lý đồng thời của kali theo các pH khác nhau.
Nhìn chung, hiệu xuất xử lý nitơ ở các pH khác nhau đều có xu hướng tăng và hiệu xuất kali thì ngược lại. Quan sát Hình 3.8, thấy được ở pH-8 hiệu suất xử lý
59
kali (34,5%) gần bằng hiệu suất xử lý nitơ (35,0%). Tuy nhiên khi tăng pH của dung dịch lên thì hiệu suất xử lý kali lại giảm dần và hiệu suất photpho cùng với nitơ tăng lên. Nhiều nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng có sự liên quan nghịch về hiệu quả xử lí giữa hai ion này. Sự tạo thành MAP có nhiều lợi thế hơn so với chất rắn chứa kali (MPP) và chất rắn chứ natri (MSP) có tích số tan (Ksp) lần lượt là 10–13,26, 10–12,2 và
10–11,6 tương tự MAP, MPP và MSP), với tích số tan càng nhỏ việc hình thành chất
rắn sẽ nhanh hơn và ngược lại [99]. Do đó, sự tạo sản phẩm struvite MAP sẽ được ưu tiên hơn MPP khi nồng độ amoni chiếm ưu thế ở dung dịch có giá trị pH cao [100].
Mg2+ + K+ + PO43- + 6H2O → MgKPO4.6H2O Ksp = 10–12,2 (3.15) Mg2+ + Na+ + PO43- + 6H2O → MgNaPO4.6H2O Ksp = 10–11,6 (3.16) Mg2+ + NH4+ + PO43- + 6H2O → MgNH4PO4.6H2O Ksp = 10–13,26 (3.17)
Hình 3.9. Các dạng sản phẩm struvite khác nhau [100]
Khi pH tiếp tục tăng lên 11, hiệu suất xử lý kali có dấu hiệu tăng nhưng không nhiều. Lý giải cho điều này, Shin và cộng sự đã khảo sát rằng độ pH tối ưu cho việc tạo tủa MPP là 11 [39]. Ở pH này ( >10,5) nồng độ NH4+ là không ổn định nên các ion Na+ và K+ có cơ hội thay thế NH4+. Tuy nhiên thì kali cũng là một chất cần thiết cho cây trồng, chính vì vậy, việc thu hồi đồng thời kali và nitơ với hiệu suất cao đem lại nguồn lợi, giúp cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng.