مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف فسفات (PO₄³⁻) از آب و فاضلاب به دلیل نقش آن در ایجاد اوتریفیکاسیون (رشد بی‌رویه جلبک‌ها) و اختلال در اکوسیستم‌های آبی، از اهمیت بالایی برخوردار است. فسفات معمولاً در فاضلاب‌های کشاورزی (ناشی از کودهای شیمیایی)، صنایع غذایی و شوینده‌ها یافت می‌شود. در ادامه روش‌های سنتی و نوین حذف فسفات، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی ارائه می‌شود:

روش‌های سنتی حذف فسفات:

1. ته‌نشینی شیمیایی (Chemical Precipitation):

   • استفاده از نمک‌های فلزی مانند آلومینیوم سولفات (Al₂(SO₄)₃)، کلرید آهن (FeCl₃) یا آهک (Ca(OH)₂) برای تشکیل فسفات‌های نامحلول.

   • فرمول واکنش:

     ↓Al3++PO43−​→AlPO4​↓
   • ↓Fe3++PO43−​→FePO4​
   • ↓3Ca2++2PO43−​→Ca3​(PO4​)2

   • مزایا: ساده و کم‌هزینه.

   • معایب: تولید لجن سمی و نیاز به دفع ایمن.

2. جذب سطحی (Adsorption):

   • استفاده از جاذب‌هایی مانند اکتیو آلومینا (Al₂O₃)، زئولیت‌ها یا رس‌های اصلاح‌شده.

   • فرمول جذب:

     PO4 3−​+Adsorbent→PO4​−Adsorbent

   • مزایا: مناسب برای غلظت‌های پایین.

   • معایب: ظرفیت جذب محدود و نیاز به احیای جاذب.

3. تصفیه بیولوژیکی (Biological Removal):

   • استفاده از باکتری‌های تجمع‌دهنده فسفات (PAOs) در فرآیندهای هوازی/بی‌هوازی (EBPR).

   • مکانیسم: ذخیره فسفات در سلول‌های میکروبی تحت شرایط بی‌هوازی و آزادسازی در شرایط هوازی.

   • مزایا: سازگار با محیط زیست.

   • معایب: نیاز به کنترل دقیق شرایط عملیاتی (دما، pH، زمان ماند).

روش‌های نوین حذف فسفات:

1. نانو جاذب‌های انتخابی (Selective Nanoadsorbents):

   • استفاده از نانوذرات اکسید آهن (Fe₃O₄)، بیوچار اصلاح‌شده یا کامپوزیت‌های پلیمری برای جذب فسفات.

   • مکانیسم: جذب از طریق بار سطحی مثبت و تشکیل پیوندهای شیمیایی.

   • مزایا: ظرفیت جذب بالا (تا ۱۵۰ mg/g) و امکان بازیابی جاذب با میدان مغناطیسی.

2. الکتروکواگولاسیون (Electrocoagulation):

   • استفاده از الکترودهای آلومینیوم یا آهن و جریان الکتریکی برای تولید هیدروکسیدهای فلزی که فسفات را جذب می‌کنند.

   • فرمول واکنش:

     -Al→Al3++3e
   • ↓Al3++PO43−​+OH−→Al(OH)3​⋅PO4​

   • مزایا: کاهش همزمان چند آلاینده و کاهش لجن.

3. فناوری غشایی (Membrane Technology):

   • نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO):

     • جداسازی فسفات بر اساس اندازه و بار الکتریکی.

     • بازده: ۹۰–۹۸٪ حذف فسفات.

   • مزایا: عدم نیاز به مواد شیمیایی.

   • معایب: هزینه بالای انرژی و گرفتگی غشاها.

4. استخراج زیستی (Bioextraction):

   • استفاده از گیاهان آبزی (مانند عدسک آبی یا نی) برای جذب فسفات از آب.

   • مزایا: سازگاری کامل با محیط زیست و امکان استفاده از زیست‌توده به عنوان کود.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • ته‌نشینی شیمیایی: pH ~۵–۶ برای Al³⁺ و Fe³⁺، pH ~۱۰–۱۲ برای Ca²⁺.

  • جذب سطحی: pH ~۶–۸ برای اکتیو آلومینا.

• نسبت مولی مواد شیمیایی:

  • نسبت مولی Al:PO ₄ ≈ ۱.۵:۱ برای رسوب بهینه.

• زمان تماس: ۳۰–۹۰ دقیقه برای جذب سطحی.

• ولتاژ در الکتروکواگولاسیون: ۱۰–۳۰ ولت.

فرمول‌های کلیدی:

• محصول انحلال (Ksp) برای فسفات‌ها:

  Ksp​(AlPO4​)=9.8×10−21
• Ksp​(FePO4​)=1.3×10−22

• بازده حذف:

  
  بازده (%)=((Cf/​Ci​​)-1)×100

ساخت و اجرا:

1. طراحی سیستم:

   • برای فاضلاب شهری: ترکیب تصفیه بیولوژیکی (EBPR) با ته‌نشینی شیمیایی.

   • برای فاضلاب صنعتی: استفاده از الکتروکواگولاسیون یا نانوفیلتراسیون.

2. مواد و تجهیزات:

   • مواد شیمیایی (Al₂(SO₄)₃، FeCl₃)، الکترودهای آلومینیوم/آهن، غشاهای نانوفیلتراسیون، نانوذرات Fe₃O₄.

3. نصب و راه‌اندازی:

   • ساخت راکتورهای ته‌نشینی، سلول‌های الکتروشیمیایی یا سیستم‌های غشایی.

   • نصب پمپ‌ها، سنسورهای pH و کنترلرهای جریان.

4. نگهداری:

   • دفع ایمن لجن‌های حاوی فسفات، احیای جاذب‌ها و تمیزکاری غشاها.

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند ته‌نشینی شیمیایی و جذب سطحی به دلیل سادگی و هزینه پایین، همچنان در صنعت استفاده می‌شوند. اما روش‌های نوین مانند نانو جاذب‌ها، الکتروکواگولاسیون و فناوری غشایی به دلیل بازده بالا و سازگاری با محیط زیست، برای سیستم‌های پیشرفته توصیه می‌شوند. انتخاب روش نهایی باید بر اساس غلظت فسفات، هزینه و مقررات زیست‌محیطی انجام شود. بهینه‌سازی پارامترهایی مانند pH، زمان تماس و دوز جاذب، نقش کلیدی در افزایش بازده و کاهش هزینه‌ها دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب