Инновационные способы удаления фосфатов из сточных вод

INNOVATIVE METHODS OF REMOVING PHOSPHATES FROM WASTEWATER WATERS

Ilia Chenskij

graduate student, Department of Water Supply and Wastewater, Academy of Civil Engineering and Architecture of DSTU, Russia, Rostov-on-Don

Sergey Rybnikov

graduate student, Department of Water Supply and Wastewater, Academy of Civil Engineering and Architecture of DSTU, Russia, Rostov-on-Don

Аннотация. В ходе последнего десятилетия среди научного сообщества ведутся неустанные работы, связанные с поисками наилучших способов удаления фосфатов из сточных вод. Научная статья представляет новую инновационную методику водоочистки фосфор-образующих соединений, способную найти повсеместное распространение.

Abstract. During the last decade, the scientific community с has been working tirelessly to find the best ways to remove phosphates from wastewater. The scientific article presents a new innovative method for water purification of phosphorus-forming compounds, which can find widespread distribution.

Ключевые слова: водоочистка; загрязнения; фосфаты; гальваника.

Keywords: water treatment; pollution; phosphates; electroplating.

Сегодня в силу развивающегося техногенного производства вода, задействуемая для изготовления различной продукции, подвергается загрязнениям, изменяющим ее химические свойства и состав. На ряду с этим ужесточаются предельно допустимые концентрации (ПДК) очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоемы. Изменения затронули также и фосфор-содержащие вещества, содержащиеся в очищенных хозяйственно – бытовых сточных водах.

Рисунок.1. Показатели ПДК для городских сточных вод водоемов рыбохозяйственного назначения

Так, текущее значение составляет 0,2 мг/л и связано с предотвращением эффекта эвтрофикации водных объектов.

Наибольшее применение на сегодняшний день, направленных на удаление фосфор-содержащих элементов, находят 2 метода: биологический и химический соответственно.

В основе биологического метода удаления, находится технология очистки активным илом, содержащим значительное число фосфорпоглощающих бактерий.

При создании на канализационных очистных сооружениях специальных условий (в аэротенках), например, перемещении активного ила в аэробную зону после выдерживания в анаэробной и аноксидной зонах, данные бактерии начинают интенсивно поглощать фосфор из сточной воды. По окончании аэробной зоны часть иловой смеси вместе с накопленными соединениями фосфора удаляется, концентрация фосфора в сточной воде понижается. Данный повсеместное применение на станциях очистки сточных вод, так как предполагает удаление соединений фосфора наряду с удалением азотных и органических соединений методами нитри-денитрификации. Невзирая на множественные достоинства технолии биологического удаления фосфора множественные научные исследования демонстрируют, что данный метод способствует снижению концентрации фосфора в хозяйственно-бытовых водах до значений 1,0–1,2 мг/л. Для биологического метода данные значения предельны и обусловлены свойствами ила [1].

На основании этого можно заключить, что достижение нормативной концентрации фосфора, равной 0,2 мг/л в очищенном стоке воды, и регламентируемой ПДК не представляется возможным.

Достичь соответствующей  концентрации  фосфор-содержащих веществ возможно  при задействовании химического значения способе удаления, основанном на взаимодействии эти фосфатов, содержащихся в сточных водах, и солей алюминия или железа, которые вводят в сточные воды в виде реагентов. Осаждение фосфатов при этом предполагает использование реагентов – FeCl3, FeSO4 и Al2(SO4)3 и происходит следующим образом.

С хлоридом железа (III):

С сульфатом железа (II) (зеленая соль):

C сульфатом алюминия реакция протекает так же, как с трехвалентным железом:

Наиболее значимым условием реализации химического удаления фосфора является определение точки ввода реагента и типа, применяемого вещества.

Вопреки достижению концентрации фосфора в очищенных сточных водах в размере 0,2 мг/л химический способ существенно усложняет технологический процесс очистки сточной воды и удорожает эксплуатацию оборудования.

С этой целью применяются решительные меры, направленные на поиски новых способов очистки сточных вод от фосфатов.

Одним из таковых является биогальванический метод очистки, разработанный и запатентованный Мосводоканал НИИ проектом (патент РФ № 2075202). Способ, основанный на использовании биокоррозии, совмещает биологическое и химическое удаление фосфора. При этом поставщиком реагентов для осаждения фосфора является биологический процесс, вызывающий коррозию металла.

Природа устройства биогальванического способа удаления фосфатов из сточной воды заключается в следующем. В иловую смесь, находящуюся в аэротенке, помещают инертный загрузочный материал, армированный металлом. Загрузочный материал в ходе работы оборудования обрастает биопленкой активного ила, где в процессе жизнедеятельности бактерий, окисляя загрязнения  сточных вод, продуцируют кислые продукты, выделяя их во внешнюю среду. На границе контакта биопленки и сточной воды образуется локальная зона с активной кислой средой. В результате электрохимической реакции в локальной изоне, на границе биопленка–металл, образуется разность потенциалов и выделяются ионы металла, полностью связывая некоторые анионы. В результате  растворения металла в локальной зоне вода обогащается соответствующими ионами (катионами), вступающими в химические реакции с некоторыми содержащимися в воде анионами (PO43–, S2– и др.). В результате этих химических превращений образуются нерастворимые в воде соли, выпадающие в осадок. Попадая в нейтральную среду, избыток ионов металлов образует нерастворимый гидрат окиси, который способствует осуществлению процесса коагуляции. При достижении низких значений рН, т. е. при высокой концентрации водородных ионов, растворы интенсивно разрушают сталь. При значениях рН более 9 процесс коррозии замедляется. В кислой среде (при рН = 5) ион РО43– вступает в реакцию с трехвалентным железом, исходом которого является образующийся FеРО4. Фосфорнокислое железо, нерастворимое в воде, переходя из кислой среды в нейтральную или щелочную, выпадает в осадок. Наряду с солевыми коагулянтами при биогальваническом способе очищаемая вода не обогащается сульфатами и хлоридами, а образующийся осадок сорбируется активным илом. При этом наблюдается снижение илового индекса и уменьшение выноса взвешенных веществ из вторичного отстойника. Дополнительными исследованиями установлено, что при использовании биогальванического метода удаления фосфатов окислительная способность биохимических процессов в аэротенке возрастает в 2–3 раза. Это способствует не только осуществлению глубокой очистки сточных вод от биогенных элементов, но и значительному к сокращению объема аэрационных сооружений. Вместе с избыточным илом осажденный фосфор выводится из системы биологической очистки сточных вод на сооружения обработки осадков [2].

По результату описанного следует, что биологический метод позволяет удалить ограниченное количество фосфора с избыточным активным илом (примерно 1,5% его массы по сухому веществу). Таким образом, невозможно достичь нормативной концентрации фосфора в очищенной ссточной воде 0,2 мг/л. Описанный метод биогальванического удаления фосфора при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод является альтернативой реагентному способу и предполагает использование гальванического эффекта, возникающего вследствие погружения в аэротенк инертной загрузки, армированной металлической проволокой. При этом реагент для осаждения фосфора образуется при биологическом процессе, вызывающем коррозию металла.

Разработанные технологические решения с использованием биогальванического метода воплощаются в проектах канализационных очистных сооружений с целью интенсификации биохимических процессов и удаления соединений фосфора из сточных вод.