Очистка сточных вод от фосфатов

Среди наиболее оптимальных методов очистки сточных вод от фосфатов следует отметить:

• химический (использование реагентов);
• физико-химический (совместное использование реагентов и физических явлений);
• биологический (переработка фосфатов с помощью микроорганизмов);
• комбинированные.

Использование реагентов

Сущность метода применения реагентов заключается во взаимодействии фосфатов с ионами реагентов с образованием нерастворимого осадка в виде солей ортофосфорной кислоты. Наиболее часто используются соли трехвалентного железа (FeSO₄ или FeCl₃), Al₂(SO₄)₃, известь. Реагенты вводят как на стадии механической очистки, так и при биологической очистке стоков.

Взаимодействие ортофосфата с сернокислым алюминием происходит по следующему уравнению:

При использовании железного купороса двухвалентное железо предварительно окисляется до трехвалентного, затем уже происходит осаждение фосфатов. Процесс реакции идет по следующим уравнениям:

Реакции осаждения показывают, что стехиометрическое соотношение равно единице, поскольку взаимодействие происходит между одним ионом фосфора и одним ионом трехвалентного металла.

Кроме осаждения фосфата, реагенты гидролизуются с образованием монокомплексов. Сернокислый алюминий образует Al(OH)₂⁻, Al₂(OH)₂⁴⁺, а хлорид железа - Fe(OH)²⁺, Fe(OH)⁻. Реакции гидролиза можно выразить общими уравнениями:

Соотношение полученных веществ напрямую зависит от рН и общего ионного состава сточных вод.

Соединения фосфора, не участвующие в реакции, а также СПАВ, адсорбируются на хлопьях образовавшихся гидроксидов, которые выступают в качестве коагулянтов.

При использовании извести в качестве коагулянта уравнения реакции следующие:

Применение извести выводит из очищаемого раствора как ортофосфаты, так и полифосфаты. Ортофосфат взаимодействует с ионами кальция с образованием оксиапатита и осаждается. Полифосфаты, в свою очередь, адсорбируются на частицах оксиапатита и вместе с ним удаляются из раствора.

Осаждение идет тем эффективней, чем выше рН. При рН выше 9,6 ортофосфат по большей части седиментирует. При рН меньше 9,6 фосфат-ионы адсорбируются на карбонате кальция. Но добавление извести на стадии доочистки перед биологической не рекомендуется, так как известь не только приводит к повышению рН, но и значительно снижает содержание фосфора, что, в свою очередь, вызывает вспухание активного ила, повышенное пенообразование и вынос активного ила из отстойников.

Физико-химические методы

Среди физико-химических методов следует выделить:

• адсорбция на природных и синтетических загрузках;
• флокуляция с применением реагентов: Al₂(SO₄)₃, Al₂(OH)₅Cl или FeCl₃, с внесением флокулянта – ПАА ((C₃H₅NO)_n);
• осаждение в отстойниках с применением коагулянтов в виде железных или алюминиевых анодов (электрохимический метод);
• удаление в магнитном поле;
• кристаллизация на фильтрах или во взвешенном поле.

При адсорбции твердое вещество (сорбент) поглощает на поверхности частицы или ионы фосфора (ионный обмен). В качестве сорбентов для извлечения фосфора из сточных вод используются как природные минеральные материалы, так и искусственные:

• доломит;
• цеолит;
• гранулированная окись алюминия;
• активированные оксиды некоторых металлов.

Недостатком метода адсорбции является дополнительная подготовка сточных вод перед поступлением на очистку, так как наличие в стоках прочих загрязнителей в виде взвешенных и растворенных веществ снижает сорбционную способность сорбентов.

Хороший эффект дает электрофлотация, - почти полное удаление фосфора из стоков. В качестве коагулянтов используют железные или алюминиевые электроды. Недостатком является высокие экономические затраты.

Удаление фосфатов в магнитном поле происходит после образования нерастворимых соединений при взаимодействии ортофосфатов и реагентов и последующего воздействия на них магнитного поля. При действии магнитного поля осадок, содержащий фосфаты, отделяется и удаляется из стоков. Седиментационным реагентом может служить известь, соли Al или Fe, а для создания магнитного поля используется порошок трехвалентного железа.

Для использования метода кристаллизации создают центры кристаллизации, на которых растут кристаллы фосфора. Образовавшийся кристалл затем выводится из системы. Центры кристаллизации образуются с помощью Ca₃(PO₄)₂, костяного угля, доменного шлака. Принцип заключается в связывании фосфат-ионов с ионами кальция с образованием оксиапатита. Кристаллизация осуществляется как на фильтрах, так во взвешенном поле. Метод, однако, не получил большого распространения из-за слабого образования зародышей кристаллов фосфора.

Физико-химические методы очистки сточных вод от фосфатов высокозатратны и сложны в эксплуатации, поэтому применяются при невозможности применения других методов очистки.

Биологические

Фосфор является биогенным элементом и используется в жизнедеятельности микроорганизмов. На этом основан биологический метод очистки стоков от фосфатов.

Процесс биологической очистки сточных вод от фосфатов проходит в два этапа:

1. Бескислородный. Осуществляется в метантенках с помощью анаэробных микроорганизмов. Для поддержания процесса жизнедеятельности бактерий дополнительно вводят питательный субстрат, в качестве которого выступают низкомолекулярные жирные кислоты, а также CH₃COOH и C₃H₆O₂. В результате жизнедеятельности микроорганизмов и потребления ими питательного субстрата фосфор высвобождается в раствор.
2. Кислородный. Осуществляется в аэротенках. Полифосфаты и ортофосфаты участвуют в метаболизме микроорганизмов и затем выводятся из системы вместе с активным илом. Оставшиеся полифосфаты при этом сорбируются на хлопьях активного ила. Растворенный органический фосфор минерализуется в ортофосфаты определенными видами бактерий (рис. 1).

Среди преимуществ биологической очистки сточных вод от фосфатов следует выделить:

• низкие затраты, благодаря отсутствию необходимости в дополнительных реагентах;
• низкая концентрация солей с очищенных стоках;
• отсутствие в осадках тяжелых металлов и добавочного осадка;
• эффективный процесс нитрификации.

Недостатками же является необходимость сооружения дополнительного анаэробного биореактора и некоторый риск вспухания активного ила при нарушении технологического процесса, особенно в зимнее время.

Комбинированные

Чаще всего при очистке сточных вод от фосфатов комбинируют химические и биологические методы, то есть после химической коагуляции происходит процесс биологической очистки. В этом случае качество очистки от фосфатов достигает 90 - 95 % от нормативов.

Но при применении комбинированных методов необходимо уделять внимание на введение реагентов, особенно извести, перед биологической очисткой, так как это повышает рН раствора сточных вод. Для снижения кислотности через очищаемую воду пропускают углекислый газ. Таким образом проводят процесс карбонизации с образованием угольной кислоты, которая снижает рН до необходимых значений.

Заключение

При проектировании технологической схемы очистки фосфатсодержащих сточных вод необходимо использовать химические методы очистки с применением реагентов, так как именно с их помощью может быть достигнуто эффективное удаление фосфатных загрязнений. На стадии биологической очистки реагенты применяют после тщательного расчета и проведения испытаний, чтобы исключить негативные последствия для микробиоты активного ила и связанные с этим дополнительные затраты.