ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ РАСТВОРЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА

АННОТАЦИЯ

Представлен комплексный анализ по публикациям в открытой печати и по патентным исследованиям используемых способов очистки сточных вод от растворенных соединений фосфора.

Ключевые слова: фосфор, эвтрофикация, сточные воды, очистные сооружения.

Общая площадь водной поверхности в Республике Татарстан составляет 4,4 тыс. кв. километров, или 6,4 процента от площади территории Республики Татарстан. Крупные водные артерии представлены Волгой, Камой, а также их притоками - Вяткой и Белой. На территории республики насчитывается 73 бассейна основных притоков Куйбышевского и Нижнекамского водохранилищ. Общая гидрографическая сеть с учетом мелких и пересыхающих водных объектов включает 4100 водотоков общей протяженностью более 20000 километров, из них 3700 - малые реки. Насчитывается 5210 рек разного порядка с постоянным течением. На территории Республики Татарстан насчитывается 8073 озер.

С 2016 по 2019 год ежегодный забор воды составлял порядка 770 млн м³ (из поверхностных источников - 620 млн м³) в совокупности на хозяйственно-бытовые, производственные и сельскохозяйственные нужды, при этом использовано всего 670 млн м³. [1]

В настоящее время с развитием городского хозяйства и промышленного производства увеличивается техногенная нагрузка на водные ресурсы. С увеличением объемов промышленности и роста городского населения актуальной проблемой является загрязнение водоемов избыточным количеством биогенных элементов, поступающих в составе сбрасываемых недоочищенных сточных вод в водоемы, что приводит к антропогенной эвтрофикации.

Эвтрофикация является основной причиной ухудшения качества вод поверхностных источников. Резкое повышение биологической активности, происходящее вследствие нарушения баланса питательных веществ, приводит к чрезмерному развитию небольшого количества систематических групп водных организмов (водорослей, особенно зеленых и диатомовых, цианобактерий, водных микромицетов). При этом нарушается снабжение воды кислородом, вследствие чего развиваются анаэробные формы. Все эти процессы приводят к изменению условий окружающей среды, нарушению трофических связей, что в свою очередь, приводит к гибели большей части гидробионтов [2].

Поэтому очистка стоков Республики Татарстан является одной из первоочередных социальных задач. Успешное ее решение во многом связано с Государственными программами, такими как «Охрана окружающей среды».

В Республике Татарстан эксплуатируется 86 очистных сооружений, у которых пропускная способность 1,73 млн м³/сут. Очистные сооружения полной биологической очистки сточных вод эксплуатируются в городах: Казань, Набережные Челны, Нижнекамск, Елабуга, Альметьевск, Бугульма, Зеленодольск, Лениногорск, Чистополь, Заинск, Тетюши, Нурлат, Менделеевск.

Большое количество очистных сооружений Республики Татарстан требуют реконструкции, устройство установок доочистки сточных вод. [2]

В городе Нижнекамск на балансе ПАО «Нижнекамскнефтехим» имеются биологические очистные сооружения (БОС), на которых очищаются не только стоки предприятия, но и стоки с промышленного узла, а также городские коммунальные стоки.

В 2016 году компания приступила к первому этапу реконструкции БОС - модернизации узла механической очистки хозбытовых стоков. Были построены: новая приемная камера хозбытового стока; здание решеток; современные аэрируемые песколовки; смеситель хозбытового и химстока; насосная опорожнения смесителей, электрокабельные эстакады; смонтированы установки обезвреживания парогазовой смеси от здания решеток, песколовок и смесителей (Ятаганы).

В 2019 г. завершен второй этап реконструкции Биологических очистных сооружений (БОС), связанный с модернизацией узла механической очистки химзагрязненных стоков. На втором этапе реконструкции произведена замена физически устаревших сооружений механической очистки (песколовок), построена камера переключения коллекторов химзагрязненных стоков, а также осуществлено включение в технологическую схему дополнительных ступеней очистки. Проектом предусмотрены газоочистные установки биологического действия для обезвреживания газовой фазы с преараторов и отстойников, в результате чего эффективность очистки достигает 95%.

В результате реконструкции узлов механической очистки БОС значительно улучшилось значение таких показателей, как: химическое поглощение кислорода (на 18%), биологическое поглощение кислорода (на 40%), концентрация фосфатов (на 22%), сухого остатка (на 20%), марганца (на 40%), иона аммония, цинка, хрома, алюминия (более, чем на 60%).

В 2019 г. Компанией проведены строительно-монтажные работы по прокладке нового внеплощадочного коллектора водоотведения промливневых стоков. С вводом в работу данного коллектора обеспечено увеличение пропускной способности и надежности системы транспортировки стоков к сооружениям очистки, а также снижение воздействия на окружающую среду [3].

Нами был проведен анализ методов и способов очистки сточных вод от растворенных соединений фосфора. Фосфор входит в состав фосфатов, которые интенсивно используются в составе моющих средств и стиральных порошков.

Фосфаты находят широкое применение в пищевой промышленности и в процессах водоподготовки. В состав сельскохозяйственных удобрений входят фосфатные минералы; фосфаты также являются следствием разложения остатков растений и животных. Фосфаты могут попадать в водоемы самыми различными путями, в частности, с бытовыми и промышленными стоками, и конечно же, вымываться с сельскохозяйственных угодий. Анализ содержания фосфатов – важная составляющая комплексного контроля состава природных и питьевых вод.

Хорошая растворимость фосфорорганических соединений в воде обуславливает несомненную опасность для окружающей среды и человеческого организма. Это обусловлено способностью фосфорорганических соединений химически связывать и инактивировать биологические катализаторы различных реакций в организме [4].

Фосфорорганические соединения обладают кумулятивными свойствами в живых организмах, что еще больше усиливает их токсическое воздействие на окружающую среду.

Фосфор в сточных водах может присутствовать в различных состояниях: растворенном, коллоидном и взвешенном. Фосфор является необходимым элементом для жизнедеятельности, однако его избыток приводит к ускорению эвтрофикации водоемов. Поэтому перед нами была поставлена задача изучить возможные и эффективные методы и способы очистки сточных вод от фосфора.

Биологический метод для удаления фосфора предполагает искусственное создание различных зон, которые по степени обеспеченности кислородом подразделяются на три основные: аэробные, аноксидная и анаэробная. [5] Этот метод основан на помещении фосфоропоглощающих бактерий в строгую анаэробную и аноксидную зоны, где они испытывают стресс, а после в аэробной зоне бактерии начинают интенсивно поглощаться фосфор из сточных вод. Данный методом мало эффективен. Эффект очистки сточной воды от фосфора биологическим методом достигает лишь 30-40%.

К физико-химическим методам очистки сточных вод от фосфатов относится метод коагуляции. Коагуляция, как правило, происходит под воздействием веществ, именуемых коагулянтами. [6] При введении коагулянтов в воду они обволакивают взвешенные частицы, полностью меняя их поверхностные свойства и нейтрализуя их заряд. Поэтому происходит их слипание в крупные агломераты, имеющие большую скорость осаждения. Коагулянты не только вызывают укрупнение частиц загрязнений, но и образуют, гидролизуясь, малорастворимые продукты, способные объединяться в крупные хлопья. Коагуляцией могут удаляться не только коллоидные, но и частично растворенные загрязнения. Это важное свойство коагулянтов расширяет практическую ценность метода.

Наиболее широко используется в качестве коагулянта сульфат алюминия, который, как правило, поставляется промышленностью в очищенном виде Al₂(SO₄)₃ · 18Н₂O с содержанием активной части Al₂O₃ 9-14%. Другим коагулянтом, применение которого ограничивается возможностями его производства, является хлорид железа FeCl₃ 6H₂О.

Удаление фосфора химическими и физико-химическими способами в настоящее время ограничено. Эти методы имеют ряд недостатков: высокая стоимость реагентов, необходимых для реализации этих методов; вторичные загрязнения, образующиеся после применения коагулянта.

Адсорбционный метод. Данный способ основан на поглощении соединений фосфора поверхностью сорбента. В качестве сырья для изготовления сорбента могут выступать следующие вещества: гранулированная окись алюминия, активированная окись алюминия и сульфат алюминия, гидратированная диоксидом титана, а также активированные оксиды III и IV групп металлов Периодической системы элементов, нанесенные на волокнистый материал. Установлено, что эффективность извлечения фосфора в этом процессе может быть достаточно высокой и в некоторых случаях доходить до 100%. [7]

Способ извлечения фосфатов в магнитном поле. Метод основан на связывании реагентом фосфатов в нерастворимые соединения. Следующим этапом является введение магнитного материала и работа с магнитным полем, в результате образуется фосфатосодержащий осадок. В разработках немецких ученых предлагается применять для осаждения известь, соли железа или алюминия, а в качестве магнитного материала – порошок тонко измельчённого Fe₂O₃. При использовании железных и медных стружек в качестве реагента то образованный осадок отделяется в магнитном поле. Эффективность использования данного метода достигает до 100%.

Также применяется комбинированные методы очистки сточной воды от фосфатов.  Одним из таких методов является биолого-химическая очистка.

Биолого-химическая очистка представляет собой сочетание реагентной обработки с биологической очисткой сточных вод, осуществляемое в единых сооружениях биологической очистки.

В процессе биолого-химической очистки глубокое удаление фосфора происходит главным образом путем снижения концентрации фосфатов в результате химического взаимодействия реагента с ионами РО₄^3-  с образованием нерастворимых соединений, выпадающих в осадок и выводимых из системы с избыточным илом, а также частично в результате сорбции сложных и нерастворимых форм фосфора хлопьями гидроокисей.

Технологические схемы с введением реагента перед аэротенками обеспечивают удаление общего фосфора до 80 - 85 %.

Список литературы:

1. Постановление от 28 декабря 2013 года N 1083 Об утверждении Государственной программы "Охрана окружающей среды, воспроизводство и использование природных ресурсов Республики Татарстан"
2. Постановление от 30 июля 2019 года N 635 Об утверждении Региональной программы по строительству и реконструкции (модернизации) очистных сооружений централизованных систем водоотведения в Республике Татарстан на 2019 - 2024 годы https://docs.cntd.ru/document/561465881
3. Официальный сайт ПАО «Нижнекамскнефтехим» www.nknh.ru
4. Родионов А.И., Аль Махмуд Ахмед и др. Сорбционная очистка сточных вод от соединений фосфора // Моск. хим.-технол.ин-т — М., 1985.
5. Жмур Н.С интенсификация процессов удаления соединений азота и фосфора из сточных вод  // М.2001 – 96с
6. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М. Наука, 1977. С.355
7. Способы удаления фосфора из сточных вод // Аррхитектура водных технологий. Профессиональные решения: сайт.- URL:http://watertec.ru