Фосфор фосфатов в сточной воде: Фосфаты в воде — методы очистки

Фосфаты в воде — методы очистки

Что такое фосфаты?

Фосфатами называется класс солей, полученный в результате химической реакции фосфорной кислоты с другими химическими элементами. 
Фосфор необходим всему живому на земле, в том числе и людям, как один из элементов жизнедеятельности.
Однако опасность представляет чрезмерное и неправильное потребление соединений фосфатов. Их основное применение — фосфорные удобрения и большинство видов бытовой химии, также натриевые соли полифосфатов используются для умягчения воды, чтобы уберечь оборудование и трубы от образования накипи.

Источники фосфатов

Фосфаты РО₄^3- существуют в трех формах: ортофосфат, метафосфат (или полифосфат Р₂О₅) и органически связанный фосфат, каждое соединение содержит фосфор в различной химической структуре.

• Ортофосфаты, применяемые на сельскохозяйственных землях в качестве удобрений. Они попадают в поверхностные воды во время дождей или таяния снега.  
• Полифосфаты используются в стиральных порошках и синтетических моющих средствах. В воде они превращаются в ортофосфат и доступны для поглощения растениями. 
• Органический фосфат — это фосфат, который связан в растительной ткани, твердых отходах или другом органическом материале. После разложения этот фосфат может быть превращен в ортофосфат.

Фосфат присутствует в чистых водоёмах в очень незначительных количествах. Это важный элемент для жизни растений, но когда его слишком много в воде, он может ускорить эвтрофикацию рек и озер (сокращение растворенного кислорода в водоемах, вызванное эффектом цветения водорослей). Повышенное содержание фосфатов в воде является следствием ее загрязнения. Естественные незагрязненные водоемы имеют концентрацию фосфатов менее 0,1 мг/л, а иногда даже менее 0,03 мг/л. Концентрация фосфатов в воде свыше 0,3 мг/л указывает на явную загрязненность. 
Фосфор попадает в воду как в городских, так и в сельскохозяйственных условиях.

Ортофосфатные формы образуются в результате естественных процессов, но основные источники подвержены влиянию человека. В последние годы одними из наиболее опасных загрязнителей воды стали соединения фосфора, попадающие в водные экосистемы со сточными водами городов, промышленных производств и сельскохозяйственными минеральными удобрениями.

1. В реки сбрасываются коммунальные стоки (содержащие моющие средства и органические отходы). Даже после механической и биологической очистки воды в очистительных установках большое количество фосфатов попадает в воду. По некоторым данным до 75% от общего количества сбрасываемого фосфора в водоемы вносят коммунальные стоки.
2. Другим источником фосфатов являются различные промышленные отходы с химического производства, переработки овощей и фруктов, целлюлозно-бумажной промышленности и др. Вклад промышленной группы стоков в общее количество сбрасываемого фосфора достигает 20%.
3. Фосфор является распространенным компонентом сельскохозяйственных удобрений. В свою очередь зерновыми культурами кормят сельскохозяйственных животных, которые дают богатый фосфатами навоз. Внесение химических удобрений в почву, уже насыщенную фосфатами, и внесение чрезмерного количества навоза приводит к стоку фосфатов во время сильных дождей и загрязнению близлежащих источников воды.

Влияние фосфатов на человеческий организм

Фосфор необходим и для человека, так как он входит в состав всех тканей организма, участвует во всех видах обмена веществ, важен для нормальной работы сердца, мышц, мозга, нервной системы и других органов. Большая часть фосфора содержится в костной ткани в виде фосфорнокислого кальция, а наиболее интенсивный обмен соединений фосфора происходит в мышцах, предоставляя энергию для мышечных сокращений. Потребность человека в фосфоре составляет в среднем 0,9 г в сутки. В организм фосфор поступает с пищей. Содержание фосфора регулируется работой органов эндокринной системы — гипофиза, щитовидной и поджелудочной желез. При протекании различных заболеваний может наблюдаться накопление фосфора в организме, что может повлиять на правильное функционирование почек, нервной системы и опорно-двигательного аппарата.

Помимо внутреннего воздействия было выявлено отрицательное влияние на организм человека моющих и чистящих средств, содержащих фосфаты. Нарушая кислотно-щелочное равновесие защитного слоя клеток, они могут спровоцировать дерматологические заболевания. Помимо этого при контакте с кожей фосфаты проникают непосредственно в кровь. Вследствие этого нарушаются функции печени, почек, мышц, что приводит, в свою очередь к тяжелым отравлениям, нарушению обменных процессов, обострению хронических заболеваний и другим неприятным последствиям.

Важно также понимать, что фосфаты вводятся в состав стиральных порошков и мыла для снижения влияния жесткости воды на пенообразование. При этом полифосфаты способствуют накоплению поверхностно-активных веществ (ПАВ) между волокнами ткани и в них. Даже многократное полоскание горячей водой после стирки не освобождает волокна полностью от химикатов, особенно это касается шерстяных и хлопковых тканей. Отсюда следует, что мы носим на себе и спим в среде, содержащей негативно влияющие на здоровье химические вещества.

Вредное воздействие фосфатов на окружающую среду

Фосфор важен для жизни животных и растений. И сам по себе фосфор как элемент нельзя назвать опасным или вредным. Проблема заключается в чрезмерном количестве фосфора. 
Превышение фосфатов в сточных водах представляет серьезную угрозу для окружающей среды. Попадая в водоемы, фосфаты питают сине-зеленые водоросли, чем способствуют их активному росту. Цветение воды — экологическая катастрофа, ставшая уже привычным явлением. Чрезмерно разрастаясь сине-зеленые водоросли препятствуют поступлению в воду кислорода и солнечного света. Когда водоросли умирают, в воду выделяется в больших количествах метан, аммиак, сероводород, в результате чего гибнут рыбы, раки и другие обитатели водоемов. 

За последние десять лет содержание фосфатов в сточных водах, поступающих в Днепр, выросло втрое — с 8 до 22 мг/л воды, тогда как в западных странах их количество не превышает 1 мг/л. Вследствие этого «цветут» и погибают Днепр и Днестр, другие водоемы. Коммунальные службы для подготовки питьевой воды берут воду из окружающих рек и водохранилищ, естественно, чем больше загрязнена в них вода, тем сложней получить из них качественную питьевую воду соответствующую санитарным нормам.

Очистка воды от фосфатов

Учитывая высокую гигиеническую и экологическую опасность фосфатов, мировое сообщество установило очень жесткие требования к их содержанию в сточных водах, питьевой воде и продуктах питания. Так, Директивы ЕС 98/83/ЕС и 75/440/ЕС устанавливают предельно допустимую концентрацию (ПДК) фосфатов в водах, предназначенных для питьевых нужд, на уровне 0,7 мг/л, в то время как действующим в Украине ДСанПиН 2.2.4-171-10 предусмотрено гранично допустимое значение 3,5 мг/л. Согласно Директиве 76/160/ЕС, содержание фосфатов в поверхностных водах культурно-хозяйственного и рекреационного назначения не должно превышать 0,2 мг/л, а в Украине, согласно ДСанПиН 4630-88, предельно допустимая концентрация фосфатов в водах аналогичного назначения — до 3,5 мг/л.

На сегодняшний день более чем в пятидесяти странах мира введены законодательные ограничения или полный запрет на применение фосфатных стиральных порошков. 

В быту полифосфаты предназначены для связывания солей жесткости, которые не только образуют накипь на нагревательных элементах, но и уменьшают пенообразование. Существенно уменьшить или даже исключить полностью содержание фосфатов в бытовых моющих средствах можно, используя для стирок и мытья умягченную воду, то есть очищенную от ионов жесткости. Системы умягчения воды на основе ионообменной смолы замещают ионы кальция и магния ионами натрия, которые не влияют на свойства ПАВ и не образуют твердых соединений, осаждающихся на нагревательных элементах. Умягчая бытовую воду в доме или квартире, вы сэкономите на стиральном порошке, мыле, шампуне, моющих средствах, а также на электроэнергии, затрачиваемой на нагревание воды в чайнике, стиральной и посудомоечной машине, бойлере, а главное — внесете свой вклад в охрану и защиту окружающей среды!

Больше о фильтрах для умягчении воды можно узнать у наших специалистов по телефонам:

• (044) 247-94-00,
• (063) 247-94-00,
• (067) 247-97-00,
• (095) 277-25-00

или напишите нам на почту [email protected]

откуда берутся, методика определения, очистка и удаление

Автоматический анализатор общего фосфора и ортофосфатов в потоке воды, стоков и канализации

• Внесены в гос. реестр средств измерений РФ
• Автоматическая передача данных по GSM

• Автоматическая очистка датчика
• Не нужны реагенты для работы

ПЕРЕЙТИ К ВЫБОРУ АНАЛИЗАТОРА

Фосфор и его соединения в сточных водах

Фосфор, как и азот, является биогенным элементом, поэтому его присутствие в водоёмах наблюдается даже в случае отсутствия сброса сточных вод. Однако, этот элемент находит широкое применение человеком, поэтому его концентрация в сточных водах столь высока. Фосфор может присутствовать в воде в виде нерастворимых и растворимых соединений.

Важное свойство фосфора (при условии достаточного наличия в воде азота) – эвтрофикация (стимуляция роста водорослей). Благодаря этому свойству происходит биологическое обрастание систем водооборота.

Общий фосфор

Общим фосфором в контексте изучения сточных вод принято называть общую концентрацию элементарного фосфора и всех его соединений, как органических, так и неорганических. Принято выделять следующие классы фосфорсодержащих загрязнений в сточных водах:

• Ортофосфаты.
• Фосфаты гидролизуемые.
• Органические соединения фосфора.
• Элементарный фосфор.

Для водоочистки наибольшую проблему представляют соли фосфорных кислот – фосфаты.

Фосфаты

Фосфатами называются соли ортофосфорной кислоты H₃PO₄. При этом следует отметить, что из-за строения молекулы данной кислоты, может образовываться ряд фосфатов различного состава и строения. К примеру, растворимые соли щелочных металлов натрия (Na) и калия (K) могут быть представлены как трёхзамещёнными ортофосфатами (Na₃PO₄, K₃PO₄), так и одно- и двузамещёнными (NaH₂PO₄, KH₂PO₄; Na₂HPO₄, K₂HPO₄).

Отдельно стоит упомянуть, что при дегидратации одно- и двузамещённых ортофосфатов происходит образование линейных или кольцевых полимерных фосфатов, отвечающих общей формуле M_n+2P_nO_3n+1. Ключевая особенность полифосфатов –способность радикально изменять свойства (растворимость, термостабильность и т.д.).

Польза и вред фосфатов

Фосфор – важный биогенный элемент. Благодаря этому, фосфор и его соединения нашли широкое применение в самых различных областях жизни человека. Одно из важнейших мест применения этого элемента – производство удобрений для агропромышленности, поскольку фосфор, наряду с калием и азотом, стимулируют рост и плодоношение многих сельскохозяйственных культур. Помимо производства удобрений, соединения фосфора используют в пищевой промышленности: в качестве подкислителей (например, в газированных напитках), загустителей (в хлебопекарном деле), консервантов для масел и замороженных овощей. Бытовое применение соединений фосфора также весьма обширно, поскольку они входят в состав поверхностно-активных веществ для моющих средств и стиральных порошков.

Тем не менее, избыток фосфора может причинять вред человеку и природе. Прямых доказательств вреда фосфатов, содержащихся в стиральных порошках и другой бытовой химии нет, есть опосредованное губительное влияние на среду обитания человека. Например, запуск процессов эвтрофикации водоёмов, куда происходит сброс сточных вод. Совершенно иначе обстоят дела с некоторыми другими соединениями фосфора (в основном органическими). Широко известны боевые отравляющие вещества зоман, зарин, фосфин, новичок, VX. Все эти БОВ имеют в основе фосфор, оказывают нервнопаралитическое воздействие. Отметим, что некоторые инсектициды, применяемые в сельскохозяйственной промышленности, генетически происходят от БОВ. Разумеется, современные разработки в области инсектицидов делают их неопасными для человека.

Откуда берутся в воде?

Фосфаты и другие соединения фосфора попадают в воду в основном антропогенным путём. Небольшие количества этого элемента и его соединений присутствуют в водоёмах как часть биологического цикла. Интересно, что одно из соединений фосфора (фосфин) – это биологический маркер, присутствие которого в атмосфере других планет говорит о возможном наличие жизни.

Промышленность

Химическая, сельскохозяйственная и пищевая промышленность являются основными источниками фосфора и его соединений в сточных водах. Способы применения не ограничиваются сферой производства удобрений, бытовой и пищевой химией. В тяжёлой промышленности соединения фосфора применяются в качестве фреонов, флюсов, пассиваторов, гидрожидкостей.

Бытовой сектор

Бытовой сектор – основной источник фосфатов в сточных водах. Продукция бытовой химии содержит в своём составе фосфорорганические соединения и фосфаты в качестве поверхностно-активных веществ, регуляторов кислотности, смягчителей воды.

Считается, что фосфаты вредны для экологии и здоровья человека. Поэтому их содержание в составе бытовой химии пытаются уменьшить. Пример борьбы с антропогенными причинами повышения концентрации фосфатов в сточных водах – постепенный ввод ограничений в ряде стран Европейского союза на их содержание в стиральных порошках. В данный момент допустимая норма – 0,3-0,5г на один цикл стирки.

Неантропогенные причины

Несмотря на то, что основной источник фосфора – «человеческий фактор», это не означает, что он единственный. Большинство живых организмов так или иначе использует фосфор и его соединения в своей биохимии. Например, для млекопитающих фосфор играет важнейшую роль, поскольку он необходим для существования энергетического обмена при помощи аденозинтрифосфата (АТФ). В 1941 году Фриц Лапман открыл, что именно этот нуклеозидтрифосфат является основным переносчиком энергии в клетке. Таким образом, фосфор необходим для существования высокоорганизованных форм жизни.

Фосфор выделяется в окружающую воду во время процесса автолиза трупов животных и рыб, при разложении растительной биомассы. Затем этот фосфор вновь поступает в живые клетки, участвуя в замкнутом биологическом цикле. Можно сделать вывод, что влияние неантропогенных факторов на концетрацию фосфатов в водах достаточно низкое, поскольку эта система находится в равновесии.

Нормы и ПДК

В природоохранной сфере

В нашей стране нормы содержания фосфора и его соединений в водоёмах регулируются в соответствии с ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования», постановлении Правительства РФ от 29. 07.2013 N 644 (ред. от 22.05.2020) «Об утверждении правил холодного водоснабжения и водоотведения и о внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации» и ряде другой нормативно-технической документации. В общем случае, ПДК зависит от типа водоёма и составляет примерно следующие величины:

• Для объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования: от 0,0001 мг/л для элементарного красного фосфора до 3,5 мг/л (некоторые нерастворимые фосфаты).
• Для объектов рыбохозяйственного значения: от 0,0001 мг/л до 0,1 мг/л (некоторые органические соединения фосфора).

Моющие средства

Роспотребнадзор с 2017 года подготовил изменения в нормативы евразийского экономического союза, которые обязывают производителей бытовой химии снижать количество фосфатов в своей продукции до 1% по массе. Вызваны такие меры во многом тем, что сброс стоков, загрязнённых синтетическими моющими средствами, в водоёмы вызывает неконтролируемый бурный рост сине-зелёных водорослей и цианобактерий.  Последние нарушают природное состояние водоёмов, приводя к исчезновению тех или иных видов водорослей и живых существ.

Методики определения в сточных водах

Существует достаточно широкий перечень методов определения фосфатов в сточных водах. Условно их можно поделить на две группы – простые и сложные. Первые, к сожалению, неточны. Вторые – сложны в применении. В связи с этим, выбор конкретной методики обусловлен целесообразностью:

• Необходимая точность измерений.
• Требования к квалификации оператора.
• Желательная скорость получения результатов измерения.

Исходя из этого, методики определения можно разделить на точные и грубые.

Грубые

К грубым методикам измерения относится органолептический колориметрический анализ проб воды. Данный способ измерения и требования к условиям его проведения регламентируются по ГОСТ 18309-2014 «Вода. Методы определения фосфорсодержащих веществ».

Особенность данного метода состоит в гидролизе полифосфатов с целью их превращения в ортофосфаты, с дальнейшим образованием окрашенных в синий цвет комплексных соединений с молибденом. Затем полученный раствор фотометрически исследуют при длине волны от 690 до 720 нм. Отметим, что определению фосфатов таким способом мешают железо, нитриты и растворимые силикаты. Их влияние нивелируют разбавлением или введением дополнительных реактивов, однако, это снижает точность исследования.

Ход исследования состоит из таких стадий:

• Отбор проб воды в соответствии с ГОСТ 17.1.5.05-85 «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков»
• Подготовка посуды для удаления следов окрашенного комплекса от прошлых испытаний путём ополаскивания растворами NaOH или NaHCO₃
• Приготовлении ряда рабочих растворов (KH₂PO₃ различной концентрации, раствор молибдата аммония (NH₄)₂MoO₄, 37%-й раствор серной кислоты, 13,6%-й раствор соляной кислоты, раствор SnCl₂)
• Введение растворов молибдата аммония и двухлористого олова в пробу
• Фотометрический анализ пробы на приборе

Для проведения исследований с помощью колориметрического анализа требуется достаточно много времени, опыт работы в лаборатории. Высокие трудозатраты снижают целесообразность применения этого метода.

Точные

На сегодняшний день наиболее точные значения концентрации фосфатов и других соединений фосфора даёт спектрофотометрический метод анализа с использованием электронных приборов. В современном мире спектрофотометрия перестала требовать высокой квалификации оператора прибора, поскольку современная электроника позволяет проводить анализ практически без участия человека. Сущность метода состоит в измерении изменений прохождения света через образец при различной длине волны, сопоставления данных и получения данных о градации спектров образца. Этот метод весьма удобен, поскольку не требует реактивов. Анализ происходит быстро и точно. Это как раз то, что нужно, чтобы обеспечить контроль состава сточных вод.

Очистка, доочистка, удаление фосфатов

Физико-химические способы

Как и со многими другими загрязняющими сточными воды веществами, для очистки вод от фосфатов применяются физико-химические методы. Сточную воду подвергают фильтрованию с целью удаления взвешенных веществ. Благодаря этому из воды удаляют часть фосфатных соединений. Затем в воду, подвергаемую очистке, вводятся коагулянты на основе сульфата алюминия, оксихлорида алюминия или хлорида железа, иногда совместно с флокулянтом – полиакриламидом. Это помогает образованию коллоидных фосфатов, их совместному осаждению с коагулянтами. Потом, вода с уже осаждёнными фосфатами подвергается отстаиванию или очистке флотацией. На этом этапе удаляется до 90% фосфатов. Источником коагулянтов могут служить специальные железные или алюминиевые аноды. В случае электрохимической очистки процесс происходит быстрее, поскольку выделяющиеся при электролизе газы помогают хлопьям оксидов и гидроксидов металлов подыматься на поверхность воды, где они удаляются. Однако, этот метод дорогой в эксплуатации, из-за чего его редко используют.

Биологические способы

Биологическим методом очистки сточной воды называется использование активного ила, содержащего в себе ряд аэробных и анаэробных микроорганизмов, способных использовать загрязняющие фосфаты в своём метаболизме. Как правило, при биологической очистке идёт процесс одновременного удаления из сточных вод фосфора и азота, поскольку оба этих элемента играют важную роль в процессах обмена веществ живых организмов.

Специфика метода заключается во введении в специальных резервуарах (аэротенках и метантенках) в сточные воды активного ила и питательного субстрата для него. Питательный субстрат необходим для создания оптимальных условий для тех бактерий, которые активно участвуют в процессе дефосфоризации. В качестве этого субстрата часто используют низкомолекулярные летучие жирные кислоты, а основной питательной средой выступают уксусная и пропионовая кислоты. В процессе бескислородного потребления бактериями органических кислот полифосфаты начинают разлагаться (до фосфатов). Бактерии используют энергию распада этих соединений в качестве топлива для поддержания процессов жизнедеятельности. Затем уже в аэробных условиях начинается размножение бактерий и водорослей, во время которого свободные фосфаты используются для синтеза АТФ бактериями. Таким образом, фосфаты из воды попадают в биомассу, которая затем отделяется от уже очищенной воды.

Комбинированные

Комбинированным методом очистки сточных вод называется процесс, в котором после химической коагуляции, вода подвергается дополнительно процессу биологической очистки. Использование комбинированного метода весьма выгодно, поскольку происходит более полная и тщательная очистка воды. Однако, существуют нюансы.

Например, введение коагулянтов и извести в фильтруемую воду достаточно сильно повышает показатель рН воды, что губительно для микроорганизмов. Чтобы бороться с этим явлением, воду подвергают карбонизации – насыщают её углекислым газом. Углекислый газ, проходя сквозь воду, образует угольную кислоту, которая помогает снизить рН до допустимых значений.

После прохождения двух этапов очистки, вода фильтруется, из неё удаляются нерастворимые осадки, активный ил, проводится её исследование на соответствие требованиям. После этого очищенная вода отправляется в сброс.

Извлечение фосфора из осадков стоков

Из осадка сточных вод можно выделять фосфорсодержащие соединения. Для такого выделения используют методы кристаллизации и магнитного удаления.

Кристаллизацией называется процесс роста кристаллов различных фосфатов (как поли- так и орто-) в растворе на затравочных центрах. В качестве последних часто используют фосфорсодержащие минералы, либо костяной уголь, шлак доменных печей и др. После выращивания кристаллов удовлетворительного размера и массы, они удаляются из раствора.

Для магнитной очистки фосфаты связывают в нерастворимые формы, вводя соответствующие реагенты (например, хлорид кальция), а затем выделяют их из массы при помощи магнитного металла.

Важно заметить, что мировая добыча фосфора весьма ограничена, поэтому достаточно остро встаёт вопрос переработки остатков сточных вод, зачастую содержащих этот ценный элемент. Ранее считалось, что присутствие тяжёлых металлов и других опасных загрязняющих веществ делает невозможным отделение чистого фосфора от других компонентов осадков стоков, однако, современные исследования приводят к возможности использования диоксида углерода в газообразной или сверхкритической форме для извлечения фосфора и отделения его от других соединений. Более подробно про этот метод можно прочитать в патенте RU 2 531 815 C2.

Автоматический анализатор общего фосфора и ортофосфатов в потоке воды, стоков и канализации

• Внесены в гос.реестр средств измерений РФ
• Автоматическая передача данных по GSM

• Автоматическая очистка датчика
• Не нужны реагенты для работы

ПЕРЕЙТИ К ВЫБОРУ АНАЛИЗАТОРА

Удаление фосфора из сточных вод

Контроль выбросов фосфора с муниципальных и промышленных очистных сооружений является ключевым фактором в предотвращении эвтрофикации поверхностных вод. Фосфор является одним из основных питательных веществ, способствующих усилению эвтрофикации озер и природных вод. Его присутствие вызывает множество проблем с качеством воды, включая увеличение затрат на очистку, снижение рекреационной и природоохранной ценности водохранилищ, потерю скота и возможное летальное воздействие токсинов водорослей на питьевую воду.

Удаление фосфатов в настоящее время в основном достигается за счет химического осаждения, что является дорогостоящим и приводит к увеличению объема ила до 40%. Альтернативой является биологическое удаление фосфатов (BPR).

Коммунальные сточные воды могут содержать от 5 до 20 мг/л общего фосфора, из которых 1-5 мг/л приходится на органические, а остальное на неорганические. Индивидуальный вклад имеет тенденцию к увеличению, поскольку фосфор является одним из основных компонентов синтетических моющих средств. Индивидуальный вклад фосфора колеблется от 0,65 до 4,80 г на человека в день, в среднем около 2,18 г. Обычные формы фосфора, обнаруженные в водных растворах, включают:

• Ортофосфаты: доступны для биологического метаболизма без дальнейшего распада
• Полифосфаты: молекулы с 2 или более атомами фосфора, кислорода и, в некоторых случаях, атомов водорода объединяются в сложную молекулу. Обычно полифосфаты подвергаются гидролизу и возвращаются в ортофосфатные формы. Обычно этот процесс протекает довольно медленно.

Обычно вторичная очистка может удалить только 1-2 мг/л, поэтому большой избыток фосфора попадает в конечные стоки, вызывая эвтрофикацию поверхностных вод. Новое законодательство требует, чтобы максимальная концентрация фосфора в сбросах в чувствительную воду составляла 2 мг/л.

Удаление фосфора из сточных вод включает включение фосфата в TSS и последующее удаление из этих твердых веществ. Фосфор может быть включен либо в твердые биологические вещества (например, микроорганизмы), либо в химические осадки.

Осаждение фосфатов

Химическое осаждение используется для удаления неорганических форм фосфатов путем добавления коагулянта и смешивания сточных вод и коагулянта. Наиболее часто используемыми многовалентными ионами металлов являются кальций, алюминий и железо.

Кальций:

обычно добавляется в виде извести Ca(OH) ₂ . Он реагирует с естественной щелочностью сточных вод с образованием карбоната кальция, который в первую очередь отвечает за улучшение удаления SS.

Ca(HCO ₃ ) ₂ + Ca(OH) ₂ à 2CaCO ₃ ↓+ 2H ₂ O

Как Значение pH сточных вод увеличивается примерно до 10, избыток ионов кальция затем прореагируйте с фосфатом, чтобы осадить в гидроксиапатите:

10 Ca ²⁺ + 6 PO ₄ ^3- + 2 OH ^– ↔ Ca ₁₀ (PO ₄ )*6 (OH) ₂ ↓

Поскольку реакция между известью и щелочностью сточных вод требуемое количество, как правило, не зависит от количества присутствующего фосфата. Это будет зависеть в первую очередь от щелочности сточных вод. Требуемая доза извести может приблизительно в 1,5 раза превышать щелочность CaCO ₃ . Может потребоваться нейтрализация для снижения pH перед последующей обработкой или утилизацией. Рекарбонизация диоксидом углерода (CO ₂ ) используется для снижения значения pH.

Алюминий и железо:

Квасцы или гидратированный сульфат алюминия широко используются для осаждения фосфатов и фосфатов алюминия (AlPO ₄ ). Основная реакция:

Al ³⁺ + H _n PO ₄ ^3-n ↔ AlPO ₄ + nH 9004 3 +

Эта реакция обманчиво проста и должна учитываться при в свете многих конкурирующих реакций и связанных с ними констант равновесия и эффектов щелочности, pH, микроэлементов, обнаруженных в сточных водах. Требуемая дозировка зависит от необходимого удаления фосфора. Эффективность коагуляции падает по мере уменьшения концентрации фосфора. На практике 80-9Степень удаления 0% достигается при дозировках коагулянта от 50 до 200 мг/л. Дозировки обычно устанавливаются на основе лабораторных испытаний, а иногда и полномасштабных испытаний, особенно если используются полимеры. Алюминиевые коагулянты могут неблагоприятно воздействовать на микробную популяцию в активном иле, особенно на простейших и коловраток, при нормах дозировки выше 150 мг/л. Однако это не оказывает существенного влияния ни на удаление БПК, ни на удаление взвешенных веществ, так как осветляющая функция простейших и коловраток в значительной степени компенсируется усиленным удалением взвешенных веществ путем химического осаждения.

Хлорид или сульфат железа и сульфат железа, также известные как медь, широко используются для удаления фосфора, хотя фактические реакции до конца не изучены. Основная реакция:

Fe ³⁺ + H _n PO ₄ ^3-n ↔ FePO ₄ + nH 9004 3 +

Ионы трехвалентного железа соединяются с образованием фосфата трехвалентного железа. Они медленно реагируют с естественной щелочностью, поэтому обычно добавляют коагулянт, такой как известь, для повышения pH, чтобы усилить коагуляцию.

Стратегии

Основные процессы удаления фосфатов (см. рис. ниже):

1. Очистка неочищенных/первичных сточных вод

2. Очистка конечных стоков биологических предприятий (доосаждение)

3. Лечение, современное вторичная биологическая реакция (соосаждение).

Первый процесс включен в общую категорию процессов химического осаждения. Фосфор удаляется с 9Эффективность 0%, а конечная концентрация фосфора ниже 0,5 мг/л. Дозировка химикатов для удаления фосфора такая же, как и доза, необходимая для удаления БПК и SS, при котором используется основная часть этих химикатов. Как упоминалось выше, потребление извести зависит от щелочности сточных вод: только 10% подаваемой извести используется в реакции удаления фосфора. Оставшееся количество реагирует с щелочностью воды, с ее умягчением. Для определения необходимого количества извести можно использовать диаграммы: например, известь, используемая для достижения рН 11, в 2-2,5 раза превышает щелочность воды.

Доосаждение представляет собой стандартную очистку вторичных стоков, обычно с использованием только металлических реагентов. Это процесс, который обеспечивает максимальную эффективность удаления фосфора. Эффективность может достигать 95%, а концентрация фосфора в сточных водах может быть ниже 0,5 мг/л. Доосаждение дает также хорошее удаление ВВ, ускользнувших от окончательного осаждения вторичного процесса. Его преимущество также заключается в том, что в определенной степени гарантируется эффективность очистки, даже если биологический процесс по какой-либо причине неэффективен. Химическое действие сильнее, так как предшествующая биологическая обработка переводит часть органических фосфатов в ортофосфаты. Недостатками являются высокие затраты на очистные сооружения (большие пруды и смесительные устройства), а иногда и слишком разбавленные стоки. При использовании солей трехвалентного железа также существует риск наличия некоторого количества железа в сточных водах с остаточным окрашиванием. Дозировка ионов металлов составляет около 1,5-2,5 иона на каждый ион фосфора (в среднем около 10-30 г/м3 воды).

Процесс соосаждения особенно подходит для установок активного ила, где химикаты подаются непосредственно в аэротенк или перед ним. Непрерывная рециркуляция ила в сочетании с процессом коагуляции-флокуляции и адсорбции за счет активного ила позволяет снизить потребление химикатов. Кроме того, затраты на установку ниже, так как нет необходимости в больших прудах-отстойниках. В этом процессе добавляются только железо и алюминий, известь добавляется только для коррекции pH. Более низкие затраты и большая простота контрастируют с более низкой эффективностью удаления фосфора, чем при доосаждении (ниже 85%). Концентрация фосфора в конечных стоках составляет около 1 мг/л. Еще одним недостатком является то, что биологический и химический ил смешиваются, поэтому их нельзя использовать отдельно на следующих стадиях. Для смешанного ила требуются отстойники большего размера, чем для активного ила.

Биологические процессы

За последние 20 лет для биологического удаления фосфора использовалось несколько конфигураций биологических суспензионных процессов роста. Наиболее важные показаны на следующем рисунке.

Основными преимуществами биологического удаления фосфора являются снижение затрат на химикаты и меньшее образование ила по сравнению с химическим осаждением.

При биологическом удалении фосфора фосфор в поступающих сточных водах включается в клеточную биомассу, которая впоследствии удаляется из процесса в результате потери ила. Конфигурация реактора обеспечивает аккумулирующим фосфор организмам (ПАО) конкурентное преимущество перед другими бактериями. Поэтому ПАО рекомендуется выращивать и потреблять фосфор. Конфигурация реактора состоит из анаэробного резервуара и резервуара с активированным илом. Время пребывания в анаэробном резервуаре составляет от 0,50 до 1,00 часов, и его содержимое перемешивается для обеспечения контакта с возвратным активным илом и входящими сточными водами.

В анаэробной зоне : В анаэробных условиях ПАО ассимилируют продукты ферментации (т.е. летучие жирные кислоты) в продукты хранения внутри клеток с сопутствующим высвобождением фосфора из хранящихся полифосфатов. Ацетат получают путем ферментации bsCOD, который представляет собой растворенный разлагаемый органический материал, легко усваиваемый биомассой. Используя энергию, доступную из накопленных полифосфатов, ПАО ассимилируют ацетат и производят внутриклеточные продукты хранения полигидроксибутирата (ПГБ). Одновременно с поглощением ацетата происходит выделение ортофосфатов, а также катионов магния, калия, кальция. Содержание ПГБ в ПАО увеличивается по мере уменьшения содержания полифосфата.

В аэробной зоне : энергия вырабатывается за счет окисления продуктов хранения и увеличивается запас полифосфатов в клетке. Сохраненный PHB метаболизируется, обеспечивая энергию окисления и углерод для роста новых клеток. Некоторое количество гликогена образуется в результате метаболизма ПОБ. Энергия, высвобождаемая при окислении ПОБ, используется для образования полифосфатных связей в клетках. Растворимый ортофосфат удаляется из раствора и включается в состав полифосфатов внутри бактериальной клетки. Использование ПОБ также усиливает рост клеток, и эта новая биомасса с высоким содержанием полифосфатов отвечает за удаление фосфора. Поскольку часть биомассы выбрасывается, накопленный фосфор удаляется из реактора биологической очистки для окончательной утилизации вместе с отходами.

Количество фосфора, удаленного при биологическом хранении, можно оценить по количеству bsCOD, присутствующему в поступающих сточных водах. Лучшая производительность систем BPR достигается, когда ацетат bsCOD доступен с постоянной скоростью.

Источники:

§ «Технология очистки сточных вод», Metcalf & Eddy, International Edition, 2003 г. Gray, Elsevier, 2005

§ «Depurazione acque», Луиджи Мазотти, Calderini, 2005

Удаление фосфора при очистке сточных вод: обзор

. 1988;49(3):183-233.

doi: 10.1016/0269-7491(88)-6.

С Йомен ¹ , Т. Стивенсон, Дж. Н. Лестер, Р. Перри

принадлежность

• ¹ Инженерная лаборатория общественного здравоохранения, факультет гражданского строительства, Имперский колледж, Лондон SW7 2BU, Великобритания.

• PMID: 15092663
• DOI: 10.1016/0269-7491(88)-6

С. Йоман и соавт. Загрязнение окружающей среды. 1988.

. 1988;49(3):183-233.

дои: 10.1016/0269-7491(88)-6.

Авторы

С Йомен ¹ , Т. Стивенсон, Дж. Н. Лестер, Р. Перри

принадлежность

• ¹ Инженерная лаборатория общественного здравоохранения, факультет гражданского строительства, Имперский колледж, Лондон SW7 2BU, Великобритания.

• PMID: 15092663
• DOI: 10.1016/0269-7491(88)-6

Абстрактный

Удаление фосфора из сточных вод может быть достигнуто либо химическим удалением, либо усовершенствованной биологической очисткой, либо их комбинацией. Химическое удаление фосфора включает добавление солей кальция, железа и алюминия для достижения осаждения фосфора с помощью различных механизмов, которые обсуждаются. Кроме того, влияние условий эксплуатации, особенно характеристик сточных вод; производство шлама по качеству и количеству; оптимизация использования и повторного использования химикатов; пункты химической добавки, совмещенные с биологической очисткой; также рассматриваются альтернативные химические/физические способы обработки и примеры полномасштабного применения. Биологическое удаление фосфора зависит от поглощения фосфора сверх нормальных метаболических потребностей бактерий и предлагается в качестве альтернативы химической обработке. Рассмотрены ранние разработки и предполагаемые механизмы удаления; они включают естественное химическое осаждение, усиленное биологическое удаление или их комбинацию. Характер удаления избыточного биологического фосфора на очистных сооружениях с активным илом оценивается с учетом различных рабочих параметров, бактериологии и схем технологического процесса.

Похожие статьи

• Биотехнология удаления фосфора при очистке сточных вод.

  Йоман С., Стивенсон Т., Лестер Дж. Н., Перри Р. Йоман С. и др. Биотехнология Adv. 1986;4(1):13-26. doi: 10.1016/0734-9750(86)

  -0. Биотехнология Adv. 1986 год. PMID: 14545372

• Избыточное образование ила и затраты, связанные с удалением фосфора.

  Пол Э., Лаваль М.Л., Сперандио М. Пол Э. и др. Экологические технологии. 2001 ноябрь; 22 (11): 1363-71. дои: 10.1080/09593332208618195. Экологические технологии. 2001. PMID: 11804358

• Обзор анаэробного реактора с восходящим потоком воздуха.

  Бал А.С., Дхагат Н.Н. Бал А.С. и соавт. Индийская компания J Environ Health. 2001 г., апрель; 43 (2): 1–82. Индийская компания J Environ Health. 2001. PMID: 12397675 Обзор.

• Технико-экономическое сравнение процессов химического осаждения и ионного обмена для удаления фосфора из сточных вод.

  Кьявола А., Бонджиролами С., Ди Франческо Г. Чиавола А. и др. Технологии водных наук. 2020 апр;81(7):1329-1335. doi: 10.2166/wst.2020.023. Технологии водных наук. 2020. PMID: 32616685

• Минимизация питательных веществ в целлюлозно-бумажной промышленности: обзор.

  Слэйд А.Х., Эллис Р.Дж., Ванден Хевел М., Статридж Т.Р. Слэйд А. Х. и соавт. Технологии водных наук. 2004;50(3):111-22. Технологии водных наук. 2004. PMID: 15461405 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Функционализация каолинита для удаления фосфатов из городских сточных вод.

  Carbinatti C, da Conceição FT, Moruzzi RB, Menegário AA. Карбинатти С. и др. МетодыX. 2021 18 июня; 8:101423. doi: 10.1016/j.mex.2021.101423. Электронная коллекция 2021. МетодыX. 2021. PMID: 34430318 Бесплатная статья ЧВК.

• Эффективность фиторемедиации водно-болотных угодий с плавающей очисткой гранулированным осадком шахтных вод для синтетической очистки сточных вод.

  Абед С.Н., Альмуктар С. А., Шольц М. Абед С.Н. и соавт. J Environment Health Sci Eng. 2019 18 апреля; 17 (2): 581-608. doi: 10.1007/s40201-019-00372-z. Электронная коллекция 2019 декабрь. J Environment Health Sci Eng. 2019. PMID: 32030136 Бесплатная статья ЧВК.

• Биоуголь, модифицированный полиэтиленимином, для повышенной адсорбции фосфатов.

  Ли Т., Тонг З., Гао Б., Ли Ю.С., Смит А., Баябиль Х.К. Ли Т и др. Environ Sci Pollut Res Int. 2020 март; 27 (7): 7420-7429. doi: 10.1007/s11356-019-07053-2. Epub 2019 28 декабря. Environ Sci Pollut Res Int. 2020. PMID: 31884531

• Влияние лактата на микробное сообщество и эффективность процесса системы EBPR.

  Рубио-Ринкон Ф.Дж., Уэллс Л.