7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.1.6.3. Các phương pháp hoá học
Ngày nay, các quy trình thương mại chủ yếu để loại loại bỏ phốtpho trong nước thải là sử dụng các hoá chất để kết tủa như muối sắt, phèn hoặc vôi [40, 103] và ở nồng độ phốtpho thấp hơn, thường áp dụng phương pháp sinh học [126]. Mặc dù, kết tủa phốtpho là quá trình thương mại thông thường, dễ điều chế, kiểm soát và tối ưu hoá dễ dàng. Đồng thời, sử dụng các vật liệu thải và các vật liệu mới từ các quá trình công nghiệp khác và một số cải tiến khác đã được đề xuất trong những năm gần đây.
a) Kết tủa sắt - phốtpho
Sản phẩm xỉ lò cao có khả năng hấp thụ phốtpho rất cao [109]. Sắt bazơ, hyđroxit lớp đôi (LDH), hợp chất có chứa các cation kim loại (Mg, Ca, Fe) được sử dụng. Cation phát sinh từ chất hấp phụ và hyđroxit của chúng là chất keo tụ để loại bỏ phốtpho hiệu quả [113]. Hỗn hợp oxit sắt/canxi sinh ra trong quá trình sản xuất thép, nhôm và oxit của chúng có kích thước hạt mịn có thể loại bỏ được 99% phốtphat trong nước thải trong thời gian 1 giờ [12].
Nồng độ FeCl2 (20, 40 và 100 mg/l) đưa vào bể sục khí để kiểm soát sự kết khối cũng như loại bỏ hầu hết lượng phốtphat trong nước. Muối sắt cũng có thể phát sinh phốtphat và tạo ra sunfua từ bùn thải do một số vi khuẩn khử sắt sunfat. Do đó, vi khuẩn oxi hoá sắt chiếm đa số trong quần thể vi khuẩn có trong nước thải [151].
Kết tủa sắt có thể sử dụng trong sự có mặt của một số ion khác như Ca, Cu, Zn để loại bỏ chất ô nhiễm phốtphat như mono- và poly-phốtphat (sử dụng trong công nghiệp và hộ gia đình như hệ thống làm lạnh, sản xuất dầu, sản phẩm dệt và chất tẩy rửa). Thông thường, con đường chính để loại bỏ phốtphat là hấp phụ lên bề mặt. Khi các ion Ca2+, Cu2+, Zn2+ và Fe3+ biến tính trên bề mặt sắt (hydr)oxit hoặc goethit làm tăng khả năng hấp phụ phốtphat của vật liệu. Khi nồng độ Ca và Zn lớn hơn nồng độ phốtphat (10 μM) thì khả năng hấp phụ tăng lên đáng kể. Điều này cho thấy hình thành bề mặt phức tạp của vật liệu khi có mặt của Zn(hydr)oxit [90].
b) Kết tủa nhôm – phốtpho
Nhôm hydroxit, Al(OH)3, là tác nhân hấp phụ hiệu quả đối với ortho- phốtphat và phốphat ngưng tụ, kết tủa chúng gần như ngay lập tức. Nó chỉ kết tủa phốtphat hữu cơ ở pH thấp (pH = 3,6). Phân tích lý thuyết Al(OH)3 và kết tủa AlPO4 chứng minh rằng việc loại bỏ ortho-phốtphat không đạt hiệu quả thông qua kết tủa AlPO4 khi áp dụng phèn thông thường để xử lý nước thải, thông qua kết tủa nhôm hyđroxit phốtphat. Kiểm tra trong phòng thí nghiệm của hỗn hợp bùn phèn và nước thải chỉ ra rằng, phốtphat loại bỏ gần như toàn bộ trong các hạt bùn phèn. Việc loại bỏ ortho-phốtphat giảm với quá trình lão hoá của bùn phèn [44]. Dung lượng hấp phụ cao của oxit nhôm có thể được duy trì trong thời gian dài, giống như oxit sắt đề cập ở trên. Một cột chứa cát silic, đá vôi và oxit nhôm hoạt tính loại bỏ hơn 99% phốtpho, thậm chí sau hai năm [12]. Tương tự như vậy, thậm chí trong không khí khô, bùn phèn hấp phụ nhanh chóng phốtpho, giảm 55% trong 20 phút đầu tiên sau khi tiếp xúc [55]. Ở nồng độ phốtpho thấp (1 mg/l) có thể được loại bỏ bằng nhôm hoạt tính [40, 41]. Sự hấp phụ bằng nhôm sunfat có thể tăng cường bằng cách thêm polyelectrolytes hữu cơ như tanin, polyelectrolyte anion tổng hợp và đất sét [97]. Hydrotalcit, hydroxit hỗn hợp lớp đôi (Mg – Al – CO3) hấp thụ một số lượng lớn phốtphat từ dung dịch nước [67].
Các hợp chất nhôm được hình thành trong suốt quá trình kết tủa phụ thuộc vào loại hợp chất và số lượng các chất hữu cơ có mặt trong nước thải. Hợp chất nhôm rắn với các đặc tính bề mặt khác nhau được sử dụng tuỳ thuộc vào thành phần của nước thải. Ví dụ, thêm hợp chất nhôm vào nước thải có mặt của axit tannic tạo thành nhôm hyđroxyphốtphat, hyđroxy-nhôm-tannat và phức nhôm chứa cả axit tannic và phốtphat. Axit tannic, cũng như một số hợp chất hữu cơ khác, làm ức chế việc loại bỏ phốtpho. Mức độ ức chế gia tăng khi nồng độ của các chất hữu cơ tăng. Khi nhôm tiếp xúc với axit tannic, chất hữu cơ phủ trên bề mặt của chất rắn vô cơ, ngăn chặn sự hấp phụ phốtpho. Việc xử lý phốtpho sẽ thuận lợi hợp khi sử dụng các hợp chất của nhôm vào cuối quá trình khi nồng độ chất hữu cơ là tương đối thấp [96, 97].
c) Kết tủa canxi – phốtpho
Kết tủa canxi – phốtpho là phương pháp sử dụng phổ biến để loại bỏ phốtpho, chủ yếu là do chi phí thấp và dễ dàng xử lý. Quá trình thực hiện là do kết tủa trực tiếp của canxi phốtphat (hyđroxyapatie, Ca5(PO4)3OH) [155], sử dụng calcit làm nguyên liệu đầu [40, 41]. Các nguyên vật liệu nhân tạo bao gồm canxi silicat hiđrat (tinh thể tobermorit, sản xuất bằng cách pha trộn giữa silic và đá vôi trong autoclave), cũng được ứng dụng để loại bỏ phốtpho bằng cách kết tinh. Hyđroxyapatit kết tinh ở pH 8,0 – 8,5 mà không gây kết tủa của canxi cacbonat, thường ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình. Hiệu quả loại bỏ phốtpho trong quá trình này dao động từ 75% đến 85% [84]. Cuối cùng, vôi cũng được đề xuất như một chất tiền xử lý nước thải thành phố trước khi áp dụng phương pháp xử lý sinh học [76].
Sự có mặt hoặc hình thành của canxi cacbonat trong quá trình xử lý, làm ức chế sự tạo thành hyđroxyapatit [16]. Điều này cho thấy rằng canxi cacbonat có thể làm giảm tốc độ kết tủa canxi phốtphat và giá trị pH dung dịch là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình kết tủa và phốtphat cạnh tranh hấp phụ canxi. Ảnh hưởng của cacbonat trên quá trình kết tủa phốtphat là do sự hình thành liên kết giữa ion cacbonat và ion canxi và làm giảm các ion canxi tự do trong dung dịch. Ngoài ra, cacbonat có thể được đồng kết tủa tách khỏi dung dịch, có chứa phốtphat, đặc biệt là ở pH 9 – 11, tạo ra một kết tủa với hàm lượng phốtpho tương đối thấp [119].