I. Introducción
Después de buscar durante mucho tiempo, realmente no sabía sobre qué escribir. Al revisar mis artículos anteriores, me di cuenta de que no había cubierto el fósforo, así que ese es el tema de hoy. El fósforo es un contaminante común en las aguas residuales y se divide principalmente en dos categorías: "fósforo orgánico y fósforo inorgánico". Quienes trabajan en la industria de la protección del medio ambiente están bastante familiarizados con este indicador. El fósforo parece simple, pero aún así puede resultar complicado en algunas aguas residuales.
II. Formas y características del fósforo
El fósforo existe en las aguas residuales en forma de fósforo orgánico e inorgánico. El fósforo inorgánico se divide a su vez en ortofosfato y metafosfato. La eliminación final del fósforo requiere la conversión a ortofosfato.
Ortofosfato (fósforo inorgánico): como PO₄³⁻, HPO₄²⁻. Es la forma más común, tiene buena solubilidad y puede ser utilizada directamente por los organismos. Se puede eliminar directamente mediante métodos fisicoquímicos.
Metafosfato (fósforo inorgánico): como pirofosfato, tripolifosfato (de detergentes), que se hidroliza gradualmente en ortofosfato en agua.
Fósforo orgánico: como pesticidas y fosfocreatina. La mayoría se encuentran en contaminantes orgánicos y primero deben hidrolizarse en ortofosfato antes de que puedan eliminarse eficazmente.
III. Estrategias de eliminación de fósforo
La vía de eliminación del fósforo generalmente implica primero convertirlo en ortofosfato y luego considerar métodos de eliminación biológicos o químicos. La eliminación biológica de fósforo tiene una eficacia limitada, generalmente limitada al fósforo en las aguas residuales domésticas, y cuando la concentración es demasiado alta, es necesario complementarla con la eliminación química de fósforo. La eliminación química de fósforo es el mejor método, pero no es adecuado para su uso en procesos de lodos activados, ya que los agentes de eliminación de fósforo pueden afectar negativamente al crecimiento de microorganismos.
El núcleo de la conversión de fósforo orgánico en fósforo inorgánico (ortofosfato) es el proceso de mineralización, esencialmente la ruptura de grupos funcionales orgánicos, donde el fósforo se oxida a PO₄³⁻. Este proceso no tiene una única ecuación fija; Dependiendo de las condiciones de reacción, se divide principalmente en las siguientes tres vías típicas:
① Biodegradación (la más común): catalizada por fosfatasas (como la fosfatasa alcalina), se rompen los enlaces C-O-P o C-P del fósforo orgánico. Tomando como ejemplo los monoésteres de fosfato:
R-O-PO₃²⁻ + H₂O → R-OH + HPO₄²⁻ (o PO₄³⁻)
Características: Temperatura y presión normales, ecológicas y económicas. Las aguas residuales municipales dependen principalmente de este método, pero la velocidad de reacción depende de la actividad microbiana y la temperatura.
② Método de oxidación química (tratamiento industrial profundo): agregar un oxidante fuerte (como el reactivo de Fenton·OH) para oxidar completamente los organofosforados. Tomando como ejemplo los pesticidas organofosforados (como el malatión):
(C₁₀H₁₉O₆PS₂) + 21·OH → 10CO₂ + 14H₂O + SO₄²⁻ + H₂PO₄⁻
Características: Rápida reacción y mineralización completa. Adecuado para aguas residuales industriales con poca biodegradabilidad, pero el costo operativo es relativamente alto.
③ Incineración a alta-temperatura (lodos/residuos sólidos): calentar en condiciones ricas en oxígeno-convierte directamente el fósforo orgánico en residuos de fosfato inorgánico estable, a menudo fijados en las cenizas como metafosfato o pirofosfato. Adecuado para residuos peligrosos que contienen alta-concentración de fósforo-.
En el tratamiento de aguas residuales real, la gran mayoría de la conversión de "fósforo orgánico a fósforo inorgánico" se basa en la hidrólisis catalizada por enzimas biológicas-. La reacción siempre involucra H₂O, y el producto final casi siempre es ortofosfato (PO₄³⁻ o HPO₄²⁻), que es un requisito previo para la posterior eliminación química del fósforo (adición de sales de aluminio/hierro) para precipitar y eliminar el fósforo.
IV. Eliminación biológica de fósforo
Principio: Utilizando las características de los organismos acumuladores de polifosfato-(PAO), que liberan fósforo en la zona anaeróbica y absorben fósforo excesivamente en la zona aeróbica, el fósforo finalmente se elimina mediante la descarga de lodos ricos en fósforo-.
Procesos principales: A²/O (anaeróbico-anóxico-aeróbico) y sus variantes (como zanjas de oxidación, SBR). Este proceso puede eliminar simultáneamente nitrógeno y fósforo, logrando una tasa de eliminación total de fósforo de aproximadamente el 60%.
Principal: Rentable-eficaz y capaz de tratar organofosforados (convirtiéndolos en ortofosfatos antes de su absorción), pero carece de estabilidad cuando las concentraciones de efluentes son extremadamente estrictas (p. ej.,<0.5 mg/L).
V. Eliminación química de fósforo
Principio: La adición de sales de aluminio (p. ej., sulfato de aluminio) o sales de hierro (p. ej., cloruro férrico) reacciona con iones fosfato para formar precipitados insolubles (p. ej., AlPO₄, FePO₄).
pH óptimo: sales de aluminio aproximadamente 6-7, sales de hierro aproximadamente 5-5,5; es necesario un control cuidadoso.
Estrategia: generalmente se agrega como un paso de tratamiento profundo después del tanque de tratamiento biológico, o se agrega junto con él en momentos específicos para garantizar el cumplimiento estable de la calidad del agua.
Para aguas residuales organofosforadas industriales recalcitrantes o de alta-concentración, se requiere oxidación avanzada (por ejemplo, el proceso Fenton) para el pretratamiento en el extremo aguas arriba; si es necesario, el metafosfato debe convertirse en ortofosfato mediante oxidación avanzada para su posterior eliminación.