Фосфор участвует в обменных процессах человеческого организма, содержится в костях и зубах. Считается, что для поддержания жизнедеятельности взрослому человеку требуется 700 мг фосфора в сутки. Норма для детей и спортсменов ещё выше. Организм усваивает это вещество из пищи и воды.
Проблема в том, что при передозировке фосфор превращается в яд. Избыточное поступление этого элемента в организм приводит к тяжёлым заболеваниям. Если промышленные или бытовые стоки с повышенной концентрацией фосфора попадут в водоём, начинается эвтрофикация – бурный рост водорослей, приводящий к помутнению воды, резкому снижению количества кислорода, гибели рыбы. Из-за высокой концентрации фосфора в котловой воде может произойти авария. Поэтому очистка сточных вод от фосфора – одна из основных задач, которые необходимо решить в целях обеспечения экологической безопасности.
Что такое фосфор в сточных водах?
Соединения фосфора широко используются в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, производстве бытовой химии. Этот химический элемент имеет свойство умягчать воду, поэтому его соединения добавляют в средства бытовой химии: порошки и гели для стирки, мытья посуды, чистки поверхностей.
Поскольку фосфор стимулирует развитие растений, на его основе производят минеральные удобрения. При первом же дожде некоторое количество фосфора смешивается с подземными водами, оказывается в водоёмах. Значительное количество этого элемента содержится в отходах ферм. В пищевой промышленности фосфор применяется как консервант для полуфабрикатов. Он содержится в разрыхлителях для теста, пищевых добавках, способствующих однородности фарша в колбасных изделиях.
В результате огромное количество фосфора попадает в сточные воды. Основными источниками служат стоки:
- бытовые (моющие средства);
- промышленные (покрытия, лаки);
- сельскохозяйственные (удобрения, отходы животноводства).
Виды фосфора в сточных водах
В природе чистый фосфор практически не встречается. В своей жизнедеятельности человек использует соединения этого вещества – фосфаты.
В сточных водах могут содержаться следующие соединения фосфора:
- органические фосфаты, получаемые в результате естественных биологических процессов (в частности, разложения отмерших организмов);
- полифосфаты – соединения с молекулами цепочечного типа (содержатся в моющих средствах);
- ортофосфаты (также их называют реактивным фосфором) – соединения ортофосфорной кислоты.
Влияние фосфора на экосистему водоемов
Фосфор стимулирует развитие не только наземных растений, но и водорослей. Кроме того, фосфор участвует в метаболизме многочисленных видов фитопланктона, обитающих в воде. Поэтому в водоёмах всегда содержится некоторое количество фосфора, необходимое для поддержания нормального баланса экосистемы.
Опасность для экосистемы водоёма возникает в том случае, если очистка от фосфора сточных вод по какой-либо причине не происходит. В результате стоки с повышенной концентрацией фосфорсодержащих веществ попадают в водоём. Особенно опасны ортофосфаты, поскольку они легко усваиваются водорослями. Для водорослей наступает «золотая пора». Они ускоренно разрастаются, их масса в кратчайшие сроки увеличивается в несколько раз.
Подводные обитатели, обычно питающиеся водорослями, просто не успевают потребить такое количество пищи. Водоросли заполоняют всё больший объём. Начинается «цветение» водоёма. Вода становится мутной, приобретает гнилостный запах, ухудшается видимость, снижается концентрация кислорода. Гибнут рыбы и другие подводные обитатели. При их разложении в воду выделяется дополнительное количество фосфора. В итоге вода становится отравленной, непригодной ни для живых организмов, ни для хозяйственных нужд. Даже купание в таком водоёме может вызвать сыпь, другие кожные заболевания. Приходится принимать специальные меры для очистки водоёма, затем восстанавливать экосистему.
Определение наличия фосфора в сточных водах
В документах часто употребляется термин «фосфор общий в сточных водах». Что это такое? Общим фосфором называют суммарную концентрацию в пробе воды всех фосфорсодержащих соединений (органически, ортофосфатов, полифосфатов). При расчёте показателя учитывают растворённые и взвешенные вещества. Общий фосфор измеряется в мг/л.
Разработаны нормы ПДК (предельно допустимой концентрации) фосфатов для разных типов воды. К примеру, ПДК фосфатов для питьевой воды составляет 3,5 мг/л, для водопроводной – 0,4, для рыбохозяйств – 0,2.
Чтобы правильно выбрать технологию очистки, необходимо определить концентрацию соединений фосфора в сточных водах. Для этого существует несколько методов. Два основных метода измерения концентрации фосфора фосфатов в сточной воде:
- колориметрический (по ГОСТу 18309-2014) – довольно грубый. Путём гидролиза из полифосфатов получают ортофосфаты. В пробу добавляют реагент – молибдат аммония. В результате химической реакции образуется молибденовая синь. Раствор исследуют методом фотометрии. Однако в растворе содержатся нитриты и железо. Чтобы они не влияли на результаты исследования, добавляют реагенты. Это снижает точность анализа;
- спектрофотометрический – очень точный. Исследование проводится с помощью электронных приборов. Через пробу пропускают пучки света с разной длиной волны, а затем анализируют результаты.
Преимущества удаления фосфора из сточных вод
Недопустимо сливать не очищенные от фосфатов стоки в водоёмы, откуда берётся вода для бытовых или промышленных нужд. Вред для водоёмов мы уже подробно рассмотрели. Такую воду нельзя пить, поскольку она горчит. Однако плохой вкус – не главная проблема. Если в организм человека поступает избыточное количество фосфора, начинает вымываться кальций из костных структур. Возникают заболевания опорно-двигательного аппарата (остеопороз), сердечно-сосудистой системы, почек. Животных также нельзя поить водой с избытком фосфора.
Удаление фосфора из сточных вод обеспечивает следующие преимущества:
- получение питьевой воды, не опасной для здоровья человека и животных;
- поддержание баланса экосистем водоёмов;
- возможность безубыточной работы рыбохозяйств;
- использование чистой воды для полива растений;
- предотвращение преждевременной поломки котлов и другого промышленного оборудования, использующего воду;
- продление срока службы бытовой техники.
Методы удаления фосфора из сточных вод
В зависимости от конструкции очистных сооружений, применяются разнообразные методы очистки сточных вод:
- механические – с их помощью можно удалять осадок и взвешенные частицы. Применяются отстаивание, фильтрация, магнитная сепарация. С помощью механических методов можно очистить воду на 20–30 %;
- химические (коагуляция) – удаление фосфатов при помощи реагентов с последующей фильтрацией. Наиболее часто в качестве реагентов используются известь, сернокислый алюминий, соли трёхвалентного железа. В результате взаимодействия реагентов с растворёнными в воде ортофосфатами выпадает осадок. Технология позволяет удалять до 90 % фосфатов;
- физико-химические. Химическая коагуляция сочетается с удалением осадка одним из механических методов. Также к физико-химическим методам относятся сорбция: сорбенты поглощают загрязнения. Ещё один метод – ионный обмен, при котором используются специальные смолы, притягивающие фосфат-ионы. Сорбенты и смолы необходимо периодически очищать или менять, что удорожает применение сорбции и ионного обмена.
- электрохимические (электрокоагуляция) – с помощью стальных или алюминиевых электродов. При прохождении электрического тока они выделяют ионы, которые вступают в реакции с фосфатами. В результате образуются нерастворимые соли. Побочный продукт реакции – гидроксиды металлов, образующие хлопья, которые притягивают мельчайшие частицы фосфатов. Параллельно происходит процесс электрофлотации: на катоде образуются пузырьки водорода, притягивающие частицы фосфатов. Поверхность наполненного стоками резервуара покрывает пена. Осадок и пену удаляют механическими способами;
- биологические – с использованием микроорганизмов, чей метаболизм включает фосфор. Биологические методы применяются в септиках, где в камере с активным илом бактерии эффективно расщепляют фосфорсодержащие органические вещества. По мере эксплуатации септика масса активного ила увеличивается. При чистке септиков удаляют отработавшую часть активного ила, который служит отличным удобрением. В новейших моделях септиков сточные воды очищаются до 90–95 %. Правда, бактерии гибнут при контакте с токсичными веществами. Поэтому метод подходит не для всех категорий стоков. Для пользователей септиков есть ограничения по применению бытовой химии, в частности, хлорсодержащих продуктов.
Современные тенденции в области удаления фосфора из сточных вод
Современные учёные, разрабатывающие методы очистки стоков от фосфора, приоритетными считают следующие задачи:
- обеспечение максимальной эффективности очистных сооружений. Чем меньше содержание фосфора в сточной воде, прошедшей очистку, тем меньший вред наносится окружающей среде. Перспективными считаются электрохимические методы. Они позволяют устранять растворимые и нерастворимые фосфаты. При этом не требуется хранить на складах токсичные реагенты;
- создание как можно более щадящих технологий. Всё большее распространение получают методы биологической очистки. Их применяют в септиках, рассчитанных как на один дом, так и на целый посёлок. Очищенную биологическими методами воду можно сразу же использовать для полива или хозяйственных нужд.
Для тонкой очистки сточных вод применяют метод обратного осмоса. Стоки под давлением пропускают через специальную мембрану, которая задерживает молекулы загрязнений (по размерам они больше молекул воды). Этот метод довольно дорогой, поэтому его применяют после нескольких этапов очистки, когда в воде остаётся минимум загрязнений. Зато вода, очищенная методом обратного осмоса, пригодна для питья.
По мере роста городов и улучшения бытовых сельских жителей требуются всё более мощные и эффективные очистные сооружения. Задача такого оборудования – сохранить экосистему, обеспечить здоровье людей. Поэтому с каждым годом технологии очистки сточных вод становятся всё более совершенными. Станции биоочистки устанавливаются для обслуживания городских микрорайонов. Нередко системы обратного осмоса монтируются для обеспечения питьевой водой жителей целого микрорайона.
