Atık sulardan fosforun uzaklaştırılması: Demir (III) klorürün rolü

Fosfor, canlılar için vazgeçilmez bir elementtir; ancak su kütlelerine aşırı miktarda karışması, bu kütlelerin dengesini bozar. Bu nedenle, belediye ve endüstriyel atık su arıtma tesisleri, atık suyu deşarj etmeden önce fosforu azaltmakla yükümlüdür. Bunu sağlamak için en yaygın kullanılan yöntemlerden biri, demir tuzları ile kimyasal çökeltmedir ve bu tuzların en bilineni demir (III) klorürdür (bilimsel adıyla Iron(III) Chloride veya Ferric Chloride).

Bu makale, operatörlerin ve mühendislerin çekerlik testleri öncesinde ilave işlemini anlamalarına ve dozajı hesaplamalarına yardımcı olmak amacıyla, demir (III) klorür ile fosfor gideriminin çalışma mantığını ele almaktadır. Maddenin kendisinin özellikleri ve alüminyum sülfat ile karşılaştırılması ise sitede ayrı iki makalede ele alınmaktadır.

Fosfor Neden Düzenlenir?

Ötrofikasyon (Eutrophication), suyun besin maddeleriyle, özellikle azot ve fosfor bileşikleriyle zenginleşmesidir; bu durum, yosunların ve su bitkilerinin hızla büyümesine neden olarak sudaki canlıların dengesini ve su kalitesini bozar. Yoğun yosun çiçeklenmeleri, suda yaşayan canlılar için mevcut besin ve yaşam alanlarının azalmasına yol açar. Yosunlar öldüğünde ve çürüdüğünde çözünmüş oksijen seviyesi düşer ve bu da balıkların ölümüne neden olabilir.

Bu nedenle mevzuat, fosfor deşarjına sınırlamalar getirir. Bu sınırların bir örneği olarak, Avrupa Kentsel Atık Su Arıtma Direktifi (91/271/EEC), çürümelere karşı hassas bölgelere yapılan deşarjlar için yerel duruma göre aşağıdakilerden birini veya her ikisini birden şart koşmaktadır: 10.000 ila 100.000 nüfus eşdeğerine hizmet veren arıtma tesisleri için toplam fosfor konsantrasyonunun en fazla 2 mg/l olması ve 100.000'den fazla nüfus eşdeğerine hizmet veren tesisler için ise 1 mg/litre'dir; ya da en az %80'lik bir azaltma oranı. Sınırlar ülkeden ülkeye ve su yolundan su yoluna farklılık gösterir; bu nedenle bulunduğunuz yerde geçerli olan deşarj iznine başvurunuz.

Demir (III) klorür fosforu nasıl giderir?

Burada etkili olan, demir (III) iyonudur. Demir (II) kullanılırsa, ancak demir (III) olarak oksitlendikten sonra etkili olur. Reaksiyonun basitleştirilmiş şekli şöyle özetlenebilir: Demir (III) iyonu, fosfat (çözünmüş ortofosfat) ile birleşerek az çözünür demir (III) fosfat FePO₄ oluşturur ve bu bileşik çökeltme veya süzme yoluyla ayrıştırılır. Bu formül, her mol demirin bir mol fosforu uzaklaştırdığını varsayar.

Ancak gerçekte durum daha karmaşıktır. Demir (III) iyonu aynı zamanda suyla ayrışarak demir (III) hidroksit çökeltisi oluşturur ve bu ayrışma, demir (III) fosfat oluşumuyla rekabet eder. Bu çökelti, adsorpsiyon ve buna eşlik eden çöktürme yoluyla fosfatı tutar. Çalışmalar, farklı koşullar altında hangi yolun baskın olduğu konusunda farklılık gösterse de, eklenen demirin her iki reaksiyon arasında dağıldığı ve düşük bir kalıntı fosfor seviyesine ulaşmak için teorik olarak hesaplanandan daha fazla demir gerektiği konusunda hemfikirdir. Bu konuya molar oran bölümünde tekrar değineceğiz.

Nereye eklenir? Üç ana nokta

Her zaman en iyi tek bir aşama yoktur ve bazı tesisler birden fazla aşamayı birleştirir. Seçim, istenen sınır değerine, mevcut ünitelere, aktif çamurun hassasiyetine ve çamurun işlenme yöntemine bağlıdır.

Demir-Fosfor Oranı (Fe:P)

Dozaj genellikle, uzaklaştırılması istenen demir ile fosfor arasındaki molar oran olarak ifade edilir:

• Teorik olarak her mol fosfor için bir mol demir (1:1), yani her gram fosfor için yaklaşık 1,8 gram demir (atom kütlelerine göre hesaplandığında: Fe = 55,845 ve P = 30,974).
• Pratik olarak, ikincil suda kalan fosfor 0,5 mg/litrenin üzerinde olduğunda mol oranı genellikle 1 ile 3 arasında değişir; bazı kaynaklar, sonradan ilave edilecek miktar için her mol fosfor başına yaklaşık 1,5 ila 2,5 mol değerini belirtir.
• Hedef değer ne kadar düşükse, oran o kadar artar. Çok düşük bir kalıntı fosfor seviyesine ulaşmak, teorik hesaplamadan çok daha yüksek dozlar gerektirir ve sonradan arıtma işlemini zorunlu kılabilir.

Açıklayıcı bir hesap örneği, doz önerisi değildir: 4 mg/L fosforu (ortofosfat formunda) 1,5 molar oranında gidermek için yaklaşık 10,8 mg/L demir gereklidir. Egy Chem Hub'ın %40 konsantrasyonlu demir (III) klorür çözeltisindeki demir içeriği ağırlıkça %13 ile %14 arasında olduğundan, bu da her metreküp için yaklaşık 77 ila 83 gram çözeltiye karşılık gelir. Ancak gerçek doz, deneme testine bağlıdır; çünkü optimal doz, fosfat konsantrasyonu, pH değeri ve suyun bileşimine göre değişir.

Hesaplama için sağlam bir temel oluşturmak amacıyla:

• Giderilmesi gereken fosfor türünü belirleyin: çözünmüş ortofosfat mı, yoksa partikül halindekiler de dahil olmak üzere toplam fosfor mu?
• Karşılaştırmada tek bir birim kullanın: kg demir, kg susuz FeCl₃ veya kg çözelti.
• FeCl₃ formülü susuz bileşiğe aittir; ticari ürün ise sulu bir çözeltidir ve teknik veri sayfasında belirtilen demir içeriğine göre hesaplanır.

Alkalinite ve pH

Demir (III) klorür, çözündüğünde suyun alkalinitesini tüketir ve yayınlanan değer, her 1 mg/L susuz FeCl₃ için yaklaşık 0,92 ile 0,93 mg/L (CaCO₃ olarak) arasında değişir. Ekvivalan hesaplamasına göre bu, her 1 mg/L demir için yaklaşık 2,7 mg/L (CaCO₃ olarak) değerine eşittir. Önceki örnekte (10,8 mg/L demir) bu, yaklaşık 29 mg/L alkali tüketimi anlamına gelir; bu rakam, hesaplamaya dayalı yaklaşık bir sınır olarak kabul edilir.

Bunun tesisteki önemi:

• Eşzamanlı ilavede, biyoreaktördeki pH değeri mikroorganizmaların tolere edemeyeceği kadar düşebilir; bu nedenle, alkaliyi telafi etmek amacıyla sodyum bikarbonat ilavesi ile bazı laboratuvar çalışmaları yapılmıştır.
• Ham suyun alkali derecesinin düşük olması durumunda, telafi maliyeti (kireç, soda veya bikarbonat) toplam maliyetin bir parçası olarak değerlendirilmelidir; sadece çözeltinin fiyatı dikkate alınmamalıdır.
• pH değeri, ilave edildikten hemen sonra ve biyoreaktörde izlenir ve telafinin gerekli olup olmadığı kavanozda belirlenir.

İlave Etkinin Çamur Üzerindeki Etkisi

Her türlü kimyasal fosfor çökeltme işlemi çamur miktarını artırır. İlave edilen demir, çözünmeyen hidroksit ve fosfatlara dönüşür ve çamurda birikir. Teorik üst sınırı hesaplamak için: Her 1 mg demir, en uç durumda yaklaşık 1,9 mg demir (III) hidroksit verir (kuru ağırlık olarak hesaplanır); bu kütle, bağlı su hesaba katılmadan önce üretilen çamur kütlesine eklenir.

Kaynaklar, gereğinden fazla dozajın hem maliyeti hem de çamur miktarını artırdığını belirtmektedir. Demir'in çamurun susuzlaştırılabilirliği üzerindeki etkisine gelince, mevcut kaynaklar genel bir kural üzerinde mutabık değildir. Bu nedenle, bu etki, ilave noktası belirlenmeden önce tesisin kendi çamurunda ölçülmelidir.

Biyolojik Arıtma ile Kısa Karşılaştırma

Fosforun Güçlendirilmiş Biyolojik Arıtması (EBPR), fosfat bileşiklerini biriktiren ve ortamları anerobik ile aerobik koşullar arasında değişen organizmalara dayanır. Anaerobik bölgede, uçucu yağ asitleri gibi kolayca tüketilebilen bir karbon kaynağına ihtiyaç duyarlar ve diğer organizmalar bu karbon için onlarla rekabet eder. Bu nedenle performansları, atık su bileşimi ve işletme koşullarından etkilenir.

Kimyasal çökeltme ise hızlı bir işlem olması ve biyolojik sürecin değiştirilmesini gerektirmemesi ile öne çıkar; işletmeci, dozu ayarlayarak sonucu kontrol eder. Buna karşılık, tesis sürekli olarak kimyasal maddelere harcama yapar ve daha fazla çamur üretir. Bu nedenle birçok tesis her iki yöntemi birleştirir: fosforun büyük bir kısmının biyolojik olarak giderilmesi ve istenen seviyeye ulaşmak için bir arıtma veya destek aşaması olarak kimyasal arıtma. İki seçenek arasındaki tercih, sermaye ve işletme maliyetleri ile her tesisin koşullarına bağlıdır.

İşletme Uyarıları

1. Gerçek su üzerinde yapılan dozaj testi, optimum dozajı ve ilave noktasını belirlemenin temelidir ve su bileşimi değiştiğinde tekrarlanmalıdır.
2. Enjeksiyon noktasında hızlı karıştırma: Laboratuvar çalışmaları, fosfat içeren suya doğrudan eklenen demirin, önceden hazırlanmış demir (III) hidroksitten daha etkili bir şekilde fosfatı giderdiğini göstermektedir; bu nedenle enjeksiyon noktası, çözeltinin suda hızla dağılacağı şekilde tasarlanmalıdır.
3. Aşırı dozlamadan kaçınılması: Maliyet ve çamuru artırır; izin belgesinde belirtilmişse, atık sudaki kalan demir sınırlarının gözden geçirilmesi gerekir.
4. Malzemeler ve kullanım: Çözelti asidiktir ve metaller üzerinde şiddetli aşındırıcı etkiye sahiptir. Tanklarda, pompalarda ve enjeksiyon hatlarında uygun metal olmayan veya astarlı malzemeler kullanılmalıdır. Güvenlik Bilgi Formu (SDS), ürünün metaller, alkali maddeler ve indirgeyici maddelerle birlikte depolanmaması gerektiğini ve alüminyum ve çinko gibi metallerle temas ettiğinde büyük miktarda hidrojen oluşabileceğini belirtir.
5. Güvenlik: Egy Chem Hub'ın %40 konsantrasyonlu demir (III) klorür çözeltisinin Güvenlik Bilgi Formu (SDS) Sürüm 2'de, bu maddenin metaller için aşındırıcı olabileceği (H290), yutulması halinde zararlı (H302), cilde ciddi yanıklar ve göze zarar veren (H314) ve göze ciddi zarar veren (H318) olarak sınıflandırılmıştır. Kullanım öncesinde eldiven, göz ve yüz koruyucusu ile koruyucu giysi giyilmesi ve Güvenlik Bilgi Formuna başvurulması gerekmektedir.

Egy Chem Hub'dan %40 Konsantrasyonlu Demir (III) Klorür Çözeltisi

Egy Chem Hub, %40 konsantrasyonlu demir (III) klorür çözeltisi (Ferric Chloride Solution 40%, ticari adı ECH-FR4014) tedarik etmektedir. Bu ürün, içme suyu, proses suyu ve atık su arıtımında pıhtılaştırıcı olarak kullanılan kırmızımsı kahverengi bir sulu çözeltidir. Teknik Veri Sayfası (TDS) aşağıdaki özellikleri göstermektedir:

• Ağırlıkça %40 (±%2) konsantrasyon, yani 400 g/kg; bu, 1,42 özgül ağırlıkta yaklaşık 568 g/litreye eşittir.
• Demir içeriği %13 ila %14, ferrik demir içeriği %1'e kadar ve serbest asitlik %1'e kadardır.
• 20 °C'de özgül ağırlığı 1,42 (±0,02) olup, suda tamamen çözünür.
• Optimum dozaj, test enjeksiyonu ile belirlenir; konsantre olarak veya seyreltildikten sonra enjekte edilebilir.

280 kg kapasiteli HDPE varillerde ve 1.400 kg kapasiteli IBC tanklarında paketlenir; ayrıca dökme olarak da temin edilebilir. Menşei Mısır'dır, raf ömrü 12 aydır ve minimum sipariş miktarı bir varil (280 kg)dır. Ürün, içme suyu arıtımında pıhtılaştırma ve flokülasyon uygulamaları için NSF/ANSI/CAN 60 standardına uygun olarak NSF'ye kayıtlı bir tesiste üretilmektedir. NSF listesinde kayıtlı maksimum kullanım birimi, içme suyu uygulamaları için FeCl₃ bazında hesaplanan 100 mg/litredir (Egy Chem Hub verilerine göre) ve bu değer, deşarj dozlarının belirlenmesinde esas alınmaz. TDS ve SDS belgeleri talep üzerine temin edilebilir.

İletişim

%40 konsantrasyonlu demir (III) klorür çözeltisi için fiyat teklifi veya teknik özellikler talep etmek üzere Egy Chem Hub ekibiyle iletişime geçin ve suyunuzla ilgili elinizdeki verileri ekleyin: Fosfor seviyesi ve formu, alkalinite, önerilen ilave noktası ve istenen deşarj sınırı.