שיטות ועקרונות נפוצים להסרת זרחן במערכות לטיפול בשפכים

זרחן-האשם מאחורי המים "השמנה"

אם חנקן אמוניה הוא "הרעל" של מקווי מים, אז זרחן הוא "הדשן". הפרשת זרחן מוגזמת לגופי מים גורמת לאצות לגדול ללא שליטה, מה שמוביל לאאוטרופיקציה ובסופו של דבר הופכים את המים ל"דייסה ירוקה". זו הסיבה שהסטנדרטים הסביבתיים עבור זרחן כולל נעשים מחמירים יותר ויותר (תקן Class A: 0.5 מ"ג/ליטר).

אז איך בדיוק מסירים זרחן ממערכות טיהור שפכים?

ישנן שלוש שיטות עיקריות: סילוק זרחן כימי, סילוק זרחן ביולוגי וכמה טכנולוגיות עזר.

1.1 עקרונות יסוד
הליבה של סילוק זרחן כימי היא המרת חלקיקים והסרת בוצת ספיחה. על ידי הוספת כימיקלים לשפכים, פוספטים מסיסים מומרים לחלקיקים בלתי מסיסים, אשר נספגים לאחר מכן על ידי בוצה פעילה ומוסרים באמצעות פינוי בוצה.

תהליך זה כולל למעשה שני שלבים:

המרת חלקיקים: יוני פוספט מומסים (PO43-) מגיבים עם יוני מתכת ויוצרים חלקיקי פוספט בלתי מסיסים.

ספיחה ופינוי בוצה: חלקיקים דקים נצמדים זה לזה או נספגים על ידי בוצה פעילה, ומפחיתים את סך הזרחן באמצעות סילוק בוצה.

הערה: יש אנשים המאמינים שהעיקרון של סילוק זרחן הוא הוספת סוכני מלח מתכת למי שפכים, מה שגורם לפוספט מסיס להפוך לחלקיקים בלתי מסיסים, אשר לאחר מכן משקעים ונפלטים. זה שונה מנקודת המבט המוצגת במאמר זה.

1.2 סוכנים ועקרונות תגובה נפוצים

הליבה של סילוק זרחן מלח ברזל/אלומיניום היא התגובה של יוני מתכת עם פוספט ליצירת מלחים מסיסים בקושי, המתאימים לתנאים ניטרליים וחומציים. הסרת זרחן סיד, לעומת זאת, מסתמכת על סביבת pH גבוה ליצירת משקעי סידן פוספט, אך היא דורשת pH גבוה ולאחר מכן התאמת pH, וגם מייצרת כמות גדולה של בוצה.

1.3 שלוש שיטות מינון
ניתן לחלק סילוק זרחן כימי לשלוש קטגוריות בהתאם למיקום המינון. אני ממליץ באופן אישי על הסרת-זרחן, המאפשרת שליטה עצמאית והתאמה קלה.

2.1 נגן ליבה: אורגניזמים צוברים פוליפוספטים (PAO)

השחקנים העיקריים בסילוק זרחן ביולוגי הם סוג מיוחד של חיידקים -אורגניזמים צוברים פולי-פוספטים (PAOs). יש להם יכולת יוצאת דופן: בתנאים אירוביים, הם יכולים לספוג זרחן ממי שפכים בכמויות מופרזות, וכתוצאה מכך רמות זרחן בתאים שלהם גבוהות פי כמה מאשר חיידקים רגילים.

2.2 מחזור שני-שלבי-שחרור זרחן אנאירובי, ספיגת זרחן אירובי

תהליך הסרת הזרחן של PAOs דורש סביבה אנאירובית ואירובית מתחלפת:

שלב 1: שחרור זרחן אנאירובי

בתנאים אנאירוביים ללא חמצן מומס או חמצן מולקולרי, PAOs מייצרים פולי-פוספטים בתוך התאים שלהם לאורתופוספטים, ומשחררים אותם למים.

האנרגיה המשתחררת משמשת לספיגת חומצות שומן נדיפות (VFAs) במים, ומסנתזת את תרכובת אחסון מקור הפחמן התוך תאית PHB.

בשלב זה, ריכוז הזרחן במים למעשה עולה-אל תיבהל, זאת כדי להתכונן ל"צריכה" עוד יותר מאוחר יותר.

שלב 2: ספיגת זרחן אירובי

בכניסה לסביבה אירובית, חיידקים המצטברים-פוליפוספטים (PABs) מפרקים PHB מאוחסן בתוך התאים שלהם כדי להשיג אנרגיה.

הם סופגים באופן מוגזם אורתופוספטים מסיסים מהמים, ומאחסנים אותם כפוליפוספטים בתוך התאים שלהם.

כמות הזרחן הנספגת עולה בהרבה על הכמות המשתחררת בשלב האנאירובי.

שלב שלישי: סילוק בוצה ופינוי זרחן

הבוצה העשירה בזרחן המתקבלת-נפלטה כבוצה עודפת, ובכך מוציאה לחלוטין את הזרחן מהמים.

מנקודת מבט אנרגטית, PPBs משחררים זרחן להשגת אנרגיה על ידי ספיגת חומר אורגני בתנאים אנאירוביים, ומפרקים חומר אורגני לקבלת אנרגיה על ידי ספיגת זרחן בתנאים אירוביים, ויוצרים מחזור אנרגיה שלם.

2.3 תהליכי סילוק זרחן ביולוגי מהזרם המרכזי

תהליך A²/O הוא כיום תהליך הסרת חנקן וזרחן הנפוץ ביותר בו-זמנית. ניטריפיקציה מתרחשת בשלב האירובי, דניטריפיקציה בשלב האנוקסי, ושחרור זרחן בשלב האנאירובי, כאשר שלושת סוגי החיידקים פועלים בצורה סינרגטית. עם זאת, יש לו חסרון מובנה: חנקות בבוצה המוחזרת יכולים להיכנס לאזור האנאירובי, ולהשפיע על יעילות סילוק הזרחן. כדי להתמודד עם זה, פותחו תהליכים מתוקנים כגון תהליך UCT ו-A²/O הפוך.

2.4 גורמים המשפיעים על סילוק זרחן ביולוגי

יש להקדיש תשומת לב מיוחדת להשפעת ה-pH: כאשר ה-pH יורד בפתאומיות, ריכוז הזרחן יעלה בחדות באזורים אנאירוביים וגם באזור אירובי. שחרור זרחן זה שנגרם כתוצאה מירידת ה-pH הוא "הרסני"-לא רק לא יעיל, אלא גם מוביל לירידה ביכולת ספיגת הזרחן האירובית שלאחר מכן.

2.5 השוואה כלכלית של שני תהליכי סילוק זרחן שונים

סילוק זרחן ביולוגי דורש מקורות פחמן. עבור חלק ממתקני טיהור שפכים החסרים מקורות פחמן, פינוי זרחן כימי זול יותר מפינוי זרחן ביולוגי מבחינה כלכלית. עם זאת, היתרון של סילוק זרחן ביולוגי הוא בכך שהוא מייצר פחות בוצה ואינו דורש כימיקלים חיצוניים.

3.1 סילוק זרחן ביצות בנוי
שיטה זו משתמשת בתהליכים מרובים כגון ספיגת צמחי ביצות, ספיחת מצע וטרנספורמציה מיקרוביאלית להסרה סינרגטית של זרחן. היתרונות שלו הם עלות נמוכה, יעילות גבוהה וידידותיות-לסביבה; החסרונות שלו הם דרישות שטח גדולות והשפעה עונתית.

3.2 שיטת אלקטרוליזה פנימית של פתיתי ברזל
במיכל החמצה מותקנת שכבת אריזה של גרוטאות ברזל. גרוטאות הברזל עוברות אלקטרוליזה פנימית בסביבה חומצית, מייצרת Fe²⁺, אשר מתחמצן ל Fe³⁺ במהלך האוורור שלאחר מכן, ויוצר משקעים עם יוני פוספט. שיטה זו היא בעלות-נמוכה ואינה דורשת שינויים בתהליך הקיים, אך יש צורך בתחזוקה שוטפת של שטיפה לאחור.

קולחים הדורשים Class A (0.5 מ"ג/ליטר): שיטות ביולוגיות לבדן לא צפויות לעמוד בעקביות בתקן; הסרת זרחן כימית מומלצת כתוספת. עם זאת, הרחקת זרחן מצריכה גיל בוצה נמוך, בעוד שהדיניטריפיקציה דורשת גיל בוצה גבוה, יוצר קונפליקט ומקשה על השליטה (זה סחר-).

שפכים ממקור פחמן נמוך-: סילוק זרחן ביולוגי הוא יקר; הסרת זרחן כימית מומלצת כחלופה.