La eliminación química de fósforo se utiliza ampliamente en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Se pueden agregar sales metálicas o cal, entre otros productos químicos, a los procesos de tratamiento primario, secundario o terciario (para conocer los puntos clave de selección, consulte el artículo "Tipos y puntos clave de selección de agentes químicos de eliminación de fósforo" en esta cuenta pública; haga clic en el enlace al final del artículo). Sin embargo, la eliminación química del fósforo también tiene sus limitaciones. Una selección razonable de reactivos y un cálculo preciso de la dosis son requisitos previos para garantizar la eficacia del tratamiento y la reducción de costes. Este artículo describe sistemáticamente el ámbito de aplicación, las propiedades de los reactivos, los factores que influyen, el mecanismo de reacción y la dosificación de la eliminación química de fósforo, proporcionando referencias y orientación práctica para los profesionales del tratamiento de agua.
I. Ámbito de aplicación para la eliminación química de fósforo
La eliminación química del fósforo sólo puede eliminar la porción de fosfato (ortofosfato) del fósforo total en las aguas residuales. El fosfato en el afluente normalmente representa entre el 50% y el 80% del fósforo total, y generalmente existe en dos formas: H₂PO₄⁻ y HPO₄²⁻, siendo el primero predominante a un pH inferior a 8,3. Los polifosfatos no reaccionan con sales metálicas ni con cal; sin embargo, se convierten en fosfatos durante el tratamiento biológico. El fósforo ligado orgánicamente normalmente constituye una pequeña proporción del fósforo total en el afluente. El fósforo coloidal y en partículas generalmente se puede eliminar durante la separación sólido-líquido; El fósforo orgánico disuelto puede hidrolizarse a ortofosfatos durante el tratamiento (si es biodegradable) y, si no es biodegradable, la planta de tratamiento de aguas residuales no puede eliminarlo.
II. Propiedades de los reactivos y factores que influyen
1. Propiedades de los reactivos
Los reactivos utilizados para la eliminación química del fósforo suelen ser sales metálicas o cal. Las dos sales metálicas más utilizadas son el sulfato de aluminio (comúnmente conocido como alumbre) y el cloruro férrico. También se puede utilizar aluminato de sodio en lugar de sulfato de aluminio, pero su adición suele aumentar significativamente el pH del sistema. Además, también se pueden utilizar diversas formas de cloruro de polialuminio (PAC) para la eliminación del fósforo por precipitación química. El sulfato ferroso y el cloruro ferroso también se utilizan para eliminar el fósforo; Estos agentes se obtienen normalmente como subproductos de los procesos de fabricación de acero (aguas residuales de decapado). La cal se suministra generalmente en forma sólida, incluyendo principalmente cal viva (CaO) y cal hidratada [Ca(OH)₂].
2. Factores que afectan a los reactivos
Además de la dosis, las características de calidad del agua residual, el método de dosificación del reactivo, la ubicación del punto de dosificación del reactivo, el pH de la reacción, el método de floculación y el tiempo de reacción después de la dosificación del reactivo son factores importantes de diseño y operación. Todos estos factores afectan la relación entre la dosis y la eficiencia de eliminación de fósforo.
(1) Mezcla de reactivos
Es necesaria una mezcla suficiente en el punto de dosificación del reactivo para garantizar que los iones metálicos reaccionen con las moléculas de fosfato. La intensidad de la mezcla suele caracterizarse por el gradiente de velocidad G, con unidades de s⁻¹. La mezcla rápida garantiza que los sitios de la superficie de reacción queden expuestos a tiempo y participen en la reacción; sin embargo, bajo una intensidad de mezcla baja, muchos óxidos metálicos pueden generarse primero en ausencia de participación de fosfato, evitando así que sus átomos de oxígeno internos se combinen con el fosfato, lo que resulta en una reducción de la eficiencia de eliminación de fósforo.
En las plantas de tratamiento de aguas residuales reales, las condiciones de mezcla en el punto de dosificación suelen ser malas, con valores de G que generalmente oscilan entre 200 y 300 s⁻¹. En estas condiciones de mezcla de alta-energía, el tiempo de mezcla suele ser de 10 a 30 s. Después de la fase cinética de reacción rápida inicial, el fosfato y el hierro pueden continuar reaccionando a través de un proceso cinético de reacción lento, que puede durar horas o incluso días. Este proceso de eliminación de fósforo controlado por reacción lenta-es particularmente importante para la adición de alumbre o cloruro férrico a los tanques de lodos activados, ya que el tiempo de retención de sólidos (SRT) de dichos sistemas generalmente se mide en días.
(2) Floculación
Después de una mezcla rápida en el punto de dosificación, se requiere una mezcla suave para promover la formación de flóculos que puedan sedimentarse o eliminarse mediante la separación sólido-líquido. Este proceso es crucial para cumplir con el requisito de una baja concentración de fósforo en el efluente. Normalmente, el flujo de aguas residuales dentro de la propia estructura de tratamiento proporciona suficientes condiciones de mezcla para la formación de flóculos, pero si el tiempo de floculación es insuficiente, o si existen condiciones que interrumpen la formación de flóculos (como bombeo, aireación, etc.), el proceso de floculación será limitado.
(3) pH y alcalinidad
La mayor eficiencia de eliminación de fósforo en el tratamiento químico suele producirse dentro del rango de pH de 5,5 a 7,0. Cuando el pH está entre 7 y 10, la eficiencia de eliminación de fósforo disminuye debido a la carga negativa más fuerte en la superficie de los hidróxidos metálicos y a la formación de hidróxidos de hierro solubles. En condiciones de pH más bajo, la solubilidad del precipitante disminuye; mientras que en condiciones de pH extremadamente bajo, la formación de precipitados de hidróxido metálico es limitada. La eficiencia de eliminación de fósforo del sulfato de aluminio y el cloruro férrico muestra tendencias similares en diferentes condiciones de pH.
(4) CODcr y SS
La eficiencia de eliminación de fósforo al agregar sales metálicas en la etapa de tratamiento primario se ve significativamente afectada por las características de las aguas residuales. Existe una clara relación entre el contenido de materia orgánica y la eficiencia de eliminación de fósforo de las sales metálicas. Cuando la DQOcr está en el rango de 300 a 700 mg/L, la eficiencia de eliminación de fosfato disminuye al aumentar la DQOcr. Se obtuvieron resultados similares de estudios sobre sólidos suspendidos totales (SST), es decir, cuanto mayor es la concentración de SST, menor es la eficiencia de eliminación de fósforo.
Además de reducir la eficiencia de eliminación de fósforo en la etapa de tratamiento primario, el alto contenido de materia orgánica también debilita el efecto de eliminación de fósforo de las sales metálicas en los reactores de lodos activados. Los iones de hierro y aluminio pueden reaccionar con materia orgánica como el ácido húmico y el ácido fúlvico para formar complejos insolubles asociados con iones metálicos y sus óxidos minerales, ocupando o bloqueando así los sitios de reacción necesarios para la precipitación de fosfato, lo que lleva a una disminución en la eficiencia de eliminación química de fósforo. Esta es una de las razones por las que en proyectos reales se suele optar por la eliminación post-química del fósforo.
III. Mecanismo de reacción de reactivos y selección de reactivos
A continuación se muestra la reacción del sulfato de aluminio con fósforo.
En presencia de alcalinidad en el agua, a continuación se muestra la reacción del cloruro férrico con el fósforo disuelto y la alcalinidad del bicarbonato en el agua.
Si la alcalinidad del agua es insuficiente, la adición de cloruro férrico formará un precipitado de óxido de hierro hidratado, proporcionando sitios tensioactivos para la reacción del fósforo. El principio básico del mecanismo de eliminación de fósforo de la sal de hierro es que el fosfato y el hierro pueden compartir un átomo de oxígeno y su interacción se puede representar mediante la siguiente fórmula (carga no indicada).
Cuando se agrega cal a las aguas residuales, la cal primero reacciona con la alcalinidad del bicarbonato en el agua para formar carbonato de calcio (CaCO₃). A medida que el pH del sistema aumenta por encima de 10, el exceso de iones de calcio reaccionará con los fosfatos para formar un precipitado de hidroxiapatita [Ca₅(OH)(PO₄)₃], como se muestra a continuación.
Del mecanismo de reacción anterior se puede ver que: (1) las sales de hierro y la cal se ven muy afectadas por la alcalinidad del agua; (2) la eliminación de fósforo y cal produce una gran cantidad de lodos (tanto el hidróxido de magnesio como el carbonato de calcio son lodos). Esta es una de las razones por las que a menudo se eligen sales de aluminio para la eliminación de fósforo en proyectos reales.
IV. Dosificación de productos químicos
La dosis de sales metálicas generalmente se expresa como el número de moles de metal (Me) añadidos por mol de fósforo soluble (Pin) en el afluente. "Dosificación estequiométrica" se refiere a agregar 1,0 mol de metal por cada mol de fósforo eliminado (es decir, Me/Pin=1.0), que se basa estrictamente en la relación molar requerida para que la sal metálica (sal de aluminio o sal de hierro) reaccione con el fósforo para formar un precipitado de fosfato. A medida que aumenta la dosis de sales metálicas, mejora la tasa de eliminación de fósforo y disminuye la concentración de fósforo en el efluente. Sin embargo, cuando la dosis aumenta a un cierto nivel, el efecto de eliminación incremental al aumentar aún más la dosis se debilita gradualmente.
Cuando la dosis de cloruro férrico alcanza Me/Pin=1.5~2,0, puede eliminar entre el 80 % y el 98 % del fósforo soluble. Para lograr concentraciones muy bajas de fósforo total en el efluente (por ejemplo, por debajo de 0,10 mg/L), se requiere una relación de dosificación más alta, con Me/Pin=6~7.
La proporción de dosificación del sulfato de aluminio es similar a la del cloruro férrico, pero la tasa de eliminación es menor, entre 75% y 95%. El uso de PAC o aluminato de sodio para lograr una eficiencia de eliminación de fósforo similar requiere dosis aún mayores.
A partir de la información de dosificación anterior, se puede ver que las sales férricas tienen la mayor eficiencia de eliminación de fósforo, pero como se mencionó anteriormente, las sales férricas se ven muy afectadas por la alcalinidad. El PAC tiene la eficiencia de eliminación de fósforo más baja, incluso menor que el sulfato de aluminio. Esto contradice la opinión de algunos de que el PAC, al ser "polialuminio", debería tener un mayor efecto de eliminación de fósforo que el sulfato de aluminio no polimérico.
Conclusión
La eliminación química de fósforo, como método importante en el tratamiento de aguas residuales, depende no sólo del tipo y la dosis del reactivo, sino también de la calidad del agua residual, el pH, la alcalinidad, la mezcla y las condiciones de floculación. Seleccionar sales metálicas o cal adecuadas, calcular científicamente la dosis y combinar esto con la optimización del proceso puede garantizar una eliminación eficiente del fósforo y, al mismo tiempo, controlar la producción de lodos y los costos operativos. Al comprender los mecanismos de reacción y los factores que influyen en los reactivos, los ingenieros de tratamiento de aguas residuales pueden lograr un control estable del fósforo en los efluentes y aplicar de manera flexible tecnología de eliminación química de fósforo en diferentes etapas de tratamiento, brindando un apoyo sólido para la protección del medio ambiente acuático urbano.