Формы фосфорных загрязнителей в сточных водах и подходящие стратегии удаления

После долгих поисков я действительно не знал, о чем написать. Оглядываясь назад на свои предыдущие статьи, я понял, что не затронул фосфор, так что это сегодняшняя тема. Фосфор является распространенным загрязнителем сточных вод, который в основном делится на две категории: «органический фосфор и неорганический фосфор». С этим показателем хорошо знакомы работники природоохранной отрасли. Фосфор кажется простым, но в некоторых сточных водах с ним все же могут возникнуть проблемы.

Фосфор присутствует в сточных водах в виде органического и неорганического фосфора. Неорганический фосфор подразделяется на ортофосфат и метафосфат. Окончательное удаление фосфора требует перевода в ортофосфат.

Ортофосфат (неорганический фосфор): например, PO₄³⁻, HPO₄²⁻. Наиболее распространенная форма, она имеет хорошую растворимость и может напрямую использоваться организмами. Его можно удалить непосредственно физико-химическими методами.

Метафосфат (неорганический фосфор): например, пирофосфат, триполифосфат (из моющих средств), который постепенно гидролизуется в ортофосфат в воде.

Органический фосфор: например, пестициды и фосфокреатин. Большинство из них содержится в органических загрязнителях, и их необходимо сначала гидролизовать до ортофосфата, прежде чем их можно будет эффективно удалить.

Путь удаления фосфора обычно включает сначала его преобразование в ортофосфат, а затем рассмотрение биологических или химических методов удаления. Биологическое удаление фосфора имеет ограниченную эффективность, обычно ограничивается фосфором в бытовых сточных водах, а когда концентрация слишком высока, его необходимо дополнить химическим удалением фосфора. Химическое удаление фосфора является лучшим методом, но он не подходит для использования в процессах с активным илом, поскольку агенты удаления фосфора могут отрицательно влиять на рост микроорганизмов.

В основе превращения органического фосфора в неорганический фосфор (ортофосфат) лежит процесс минерализации, по сути, разрыв органических функциональных групп с окислением фосфора до PO₄³⁻. Этот процесс не имеет единого фиксированного уравнения; в зависимости от условий реакции она в основном делится на следующие три типичных пути:

① Биодеградация (наиболее распространенная): катализируемая фосфатазами (например, щелочной фосфатазой), связи C-O-P или C-P органического фосфора разрываются. Возьмем в качестве примера моноэфиры фосфатов:

R-O-PO₃²⁻ + H₂O → R-OH + HPO₄²⁻ (или PO₄³⁻)

Характеристики: Нормальная температура и давление, экологичный и экономичный. Муниципальные сточные воды в основном используют этот метод, но скорость реакции зависит от микробной активности и температуры.

② Метод химического окисления (промышленная глубокая очистка): добавление сильного окислителя (например, реагента Фентона·ОН) для полного окисления органофосфатов. Возьмем в качестве примера фосфорорганические пестициды (такие как малатион):

(C₁₀H₁₉O₆PS₂) + 21·OH → 10CO₂ + 14H₂O + SO₄²⁻ + H₂PO₄⁻

Характеристики: Быстрая реакция и тщательная минерализация. Подходит для промышленных сточных вод с плохой биоразлагаемостью, но эксплуатационные расходы относительно высоки.

③ Высоко-сжигание при высоких температурах (шлама/твердых отходов). Нагревание в условиях, богатых кислородом-, непосредственно преобразует органический фосфор в стабильный неорганический фосфатный остаток, часто фиксируемый в золе в виде метафосфата или пирофосфата. Подходит для опасных отходов,-содержащих фосфор-с высокой концентрацией.

При фактической очистке сточных вод подавляющее большинство преобразований «органического фосфора в неорганический фосфор» основано на биологическом ферментативном-катализируемом гидролизе. В реакции всегда участвует H₂O, а конечным продуктом почти всегда является ортофосфат (PO₄³⁻ или HPO₄²⁻), что является необходимым условием для последующего химического удаления фосфора (добавление солей алюминия/железа) для осаждения и удаления фосфора.

Принцип: используя свойства организмов,-накапливающих полифосфаты (ПАО), которые выделяют фосфор в анаэробной зоне и чрезмерно поглощают фосфор в аэробной зоне, фосфор окончательно удаляется путем сброса-богатого фосфором ила.

Основные процессы: A²/O (анаэробные-бескислородные-аэробные) и его варианты (например, окислительные канавы, SBR). Этот процесс позволяет одновременно удалять азот и фосфор, достигая общей степени удаления фосфора примерно 60%.

Ядро: экономически-эффективно и способно перерабатывать органофосфаты (преобразовывая их в ортофосфат перед абсорбцией), но ему не хватает стабильности, когда концентрации сточных вод чрезвычайно строгие (например,<0.5 mg/L).

Принцип: Добавление солей алюминия (например, сульфата алюминия) или солей железа (например, хлорида железа) вступает в реакцию с ионами фосфата с образованием нерастворимых осадков (например, AlPO₄, FePO₄).

Оптимальный pH: соли алюминия примерно 6-7, соли железа примерно 5-5,5; необходим тщательный контроль.

Стратегия: Обычно добавляется на этапе глубокой очистки после резервуара биологической очистки или добавляется вместе с ним в определенное время для обеспечения стабильного соответствия качеству воды.

Для сточных вод с высокой-концентрацией или упорными промышленными фосфорорганическими сточными водами для предварительной очистки на входе требуется предварительное окисление (например, процесс Фентона); при необходимости метафосфат необходимо преобразовать в ортофосфат путем глубокого окисления для дальнейшего удаления.