7.2.3. Очистка городских сточных вод от соединений фосфора.
В городских сточных водах фосфор находится как в растворенном, так и в нерастворенном виде, в основном, в виде фосфатов в составе органических и минеральных соединений. В нерастворенном виде содержится примерно 10% всего фосфора, он почти весь задерживается в первичных отстойниках. Нерастворенный фосфор инертен для биохимического процесса, поэтому, если он и попадает в водоем, то не загрязняет воду, а захоранивается в донных осадках. В растворенном виде находится примерно 90% всего фосфора. Минеральный растворенный фосфор – это, в основном, фосфорная кислота и ее соли. Подгруппы (PO4)3- могут объединяться в комплексы: полифосфаты -PO3-О-PO3-О- или метафосфаты HnPnO3n. Наличие минерального растворенного фосфора обусловлено применением в быту синтетических моющих средств. Органический фосфор в городских сточных водах находится в составе продуктов жизнедеятельности человека. Он входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов и других сложных органических соединений. В их составе фосфор присутствует в виде анионов фосфорной кислоты.
В настоящее время разработаны методы извлечения фосфора: реагентный и биологический.
Сущность реагентного метода состоит в переводе фосфатов из растворенной формы в нерастворимые соли. Для этого в сточные воды добавляют коагулянты. В качестве коагулянта чаще всего применяется сульфат железа. В очистной цепочке стадия реагентной обработки находится после биологической очистки: полной и глубокой. Состав блока коагуляции обычный: реагентное хозяйство для приготовления и дозирования растворов коагулянтов, смеситель, камеры хлопьеобразования, отстойники. Для более глубокой очистки в схему могут быть дополнительно включены зернистые фильтры, напорные или самотечные. Регентная обработка недорога, сооружения просты в эксплуатации. Однако применение реагентов в процессе очистки влечет за собой вторичное загрязнение сточных вод сульфат-ионами. Это основной недостаток метода. Схема очистки сточных вод с реагентным извлечением соединений фосфора представлена на рис.7.6.
Более чистым с точки зрения экологии является другой метод извлечения фосфора – биологический. Его сущность состоит в следующем. Определенные группы бактерий активного ила способны накапливать в своих клетках растворенные формы фосфора, накапливать их в запас, для будущего потребления. Эти бактерии способны накапливать фосфора больше, чем нужно для построения тела клетки и энергетических потребностей. Фосфорудаляющие бактерии отличаются от других микроорганизмов тем, что накопление фосфора в их клетках составляет значительную часть – 1-3% от массы сухого вещества клетки. Накопление фосфора бактериями происходит в аэробных условиях. В анаэробной зоне идет обратный процесс, т.е. выделение бактериями фосфора в воду. При этом, чем больше накапливается фосфора в клетках в аэробной зоне, тем больше перейдет в воду в анаэробной зоне; и наоборот, чем больше фосфора выделится в анаэробной зоне, тем больше его будет поглощено в аэробной. Очень важным с точки зрения технологии удаления фосфора является тот факт, что количество фосфора, поглощаемого илом, всегда больше количества фосфора, выделяемого бактериями в воду.
График изменения концентрации фосфора в сточных водах в процессе их обработки в зонах с разными кислородными режимами представлен на рис. 7.7.
Схема очистки сточных вод с реагентным извлечением соединений фосфора.
А – блок биологической очистки для удаления органических примесей и соединений азота; Б – блок реагентной обработки для извлечения соединений фосфора.
Рис. 7.6.
График изменения концентрации фосфора в сточных водах в процессе их обработки в зонах с разными кислородными режимами
Рис. 7.7
Для удаления фосфора смесь сточных вод и ила помещается попеременно в зоны с противоположными кислородными режимами. Сначала в жестких анаэробных условиях, которые являются для микроорганизмов стрессовыми, фосфорудаляющий ил потребляет преимущественно органические, т.е. углеродсодержащие, примеси. На их усвоение нужна энергия, она берется за счет расщепления внутриклеточных соединений фосфора. Продукты расщепления – фосфаты – выделяются в воду. Затем сточные воды поступают в зону избытка кислорода. Здесь фосфорудаляющие микроорганизмы поглощают преимущественно соединения фосфора. Поскольку в клетках дефицит фосфора, то поглощение идет сверх нормативного, требуемого уровня. Органические соединения поглощаются мало – они и так в организме в избытке. Расщепляются органические соединения, накопленные в клетках ранее, а энергия расщепления используется на усвоение фосфора.
Важно поддерживать в анаэробной зоне достаточное количество органических примесей и обеспечивать полное отсутствие кислорода. Иначе стресса для микроорганизмов не получится и впоследствии в аэробной зоне не добиться интенсивного изъятия фосфора. Поэтому в анаэробной зоне схемы 7.5 выделяют две подзоны:
- облигатную (строгую) анаэробную; здесь свободный кислород практически отсутствует, только очень небольшое количество химически связанного кислорода находится в составе органических соединений;
- факультативную (нестрогую) анаэробную, или аноксидную; в этой зоне есть небольшое количество кислорода в составе нитритов и нитратов, а также свободный кислород, полученный при их расщеплении. Схема биологической очистки сточных вод от органических соединений, от азота и фосфора представлена на рис.7.8
Схема биологической очистки сточных вод от
органических соединений, от азота и фосфора.
Рис.7.8
Названия отдельных зон схемы и иллюстрации процессов, протекающих в этих зонах, представлены в таблице 7.1.
Процессы, происходящие в отдельных зонах схемы 7.8:
Таблица 7.1
-
Наименование зоны,
проходящие процессы
Иллюстрация
I – первичный отстойник
Извлечение нерастворенных органических примесей
II – облигатная анаэробная зона; здесь происходит аммонизация органического азота и выделение фосфатов в воду
III – аноксидная зона; здесь идет процесс денитрификации и завершается аммонизация
IV – аэробная зона (аэротенк);
в ней проходит несколько процессов:
окисление органических (углеродсодержащих) примесей, нитрификация, поглощение илом фосфора, а также отдув свободного азота в атмосферу
V – вторичный отстойник
Отделение сточных вод от ила
В настоящее время учеными предпринимаются попытки составить кинетические уравнения рассматриваемого процесса, а пока необходимый объем различных зон принимается на основе экспериментальных научных исследований. Приблизительное распределение общего времени Т обработки сточных вод в различных условиях таково: в аэробной зоне - (0,6-0,7)Т; в аноксидной зоне - (0,15-0,25)Т; в анаэробной зоне - (0,1-0,15)Т.
Несмотря на все достоинства схемы, сохраняется проблема обезвреживания иловой воды из блока обработки осадка. Одной из задач обработки является уничтожение ила. Поэтому все сооружения блока работают в режимах, которые являются для микроорганизмов стрессовыми. В илоуплотнителях стресс создается недостатком кислорода, поскольку это анаэробная зона; в аэробных стабилизаторах стресс обусловлен недостатком питания; в сбраживателях – обоими этими факторами. В таких условиях ил выбрасывает из клеток ранее накопленный фосфор. Поэтому после обезвоживания осадка весь фосфор оказывается в иловой воде. Из-за высокой концентрации фосфатов подавать эту воду в основной цикл очистки, то есть в приемную камеру очистной станции, нельзя. Возможна очистка иловой воды от фосфатов и других примесей реагентными методами, например, обработкой сульфатом железа. Тем не менее, применение реагентов влечет за собой вторичное загрязнение воды, что нежелательно с экологической точки зрения.