Zařízení pro odstraňování sloučenin fosforu z vody

Za normálních podmínek existuje fosfor ve formě modifikací různých typů – v současné době nebyly všechny formy stanoveny. Nejběžnější jsou tři varianty: bílá, černá a červená. Liší se barvou, hustotou a chemickou aktivitou. Vědci je nazývají hlavními, protože zbývající modifikace jsou směsí výše uvedených.

Vlastnosti fosforu

Když už mluvíme o biologické úloze sloučenin fosforu, nelze si nevšimnout jejich přítomnosti v buňkách ve formě různých kyselin. Lidské kosti a zubní sklovina se tedy skládají z hydroxyapatitu. K úplné regulaci sloučenin jsou zapotřebí určité hladiny vitaminu D a hormonů.

Pokud má tělo nedostatečnou hladinu fosforu, může to způsobit onemocnění kostí. Denní norma fosforu závisí na druhu aktivity a věku. Pro děti a dospívající je to tedy 1,5–2,5 g, pro dospělé 1,0–2,0 g. V případě aktivního sportu a jiných druhů fyzické aktivity se požadovaná norma zvyšuje 1,5–2krát.

Odkud pochází fosfor v odpadních vodách?

Ve většině případů se fosfor dostává do vody antropogenní cestou. Přesto se malé množství prvku a jeho sloučenin nachází ve vodních útvarech jako součást biologického cyklu a fosfin, jedna ze sloučenin, slouží jako biologický marker. Fosfor se v odpadních vodách objevuje především díky činnosti chemických, potravinářských a zemědělských podniků.

Fosfor může být v přírodních i odpadních vodách přítomen v různých formách. V rozpuštěném stavu (někdy označovaném jako kapalná fáze analyzované vody) může být ve formě kyseliny ortofosforečné (H3PO4) a její anionty ve formě meta-, pyro- a polyfosfátů. Ty se používají k prevenci tvorby vodního kamene a jsou také součástí detergentů. Kromě toho existují různé organofosfátové sloučeniny – nukleové kyseliny, nukleoproteiny, fosfolipidy atd., které mohou být také přítomny ve vodě, protože jsou produkty životně důležité činnosti nebo rozkladu živočišných a rostlinných organismů. Mezi organofosfátové sloučeniny se řadí i některé pesticidy.

Rozsah použití fosforu

Fosfor je jako důležitá živina široce používán v různých oblastech. Jednou z nejoblíbenějších oblastí je výroba hnojiv pro zemědělský sektor. To je způsobeno schopností fosforu stimulovat růst a plodnost většiny zemědělských plodin. V tomto je podobný draslíku a dusíku.

Sloučeniny fosforu se také používají v potravinářském průmyslu, používají se k výrobě okyselovacích látek, zahušťovadel a konzervačních látek. Používají se i v běžném životě – sloučeniny jsou například součástí účinných látek přidávaných do pracích prostředků a pracích prášků.

Celkový fosfor v odpadních vodách

Při studiu charakteristik odpadních vod se dříve či později setkáme s pojmem celkového fosforu. Jedná se o koncentraci elementárního fosforu a jeho organických a anorganických sloučenin. Patří mezi ně hydrolyzovatelné fosfáty a ortofosfáty. Největší obtíže při organizaci systémů čištění vody způsobují fosfáty – soli kyselin fosforečných.

Fosfor se může nacházet: v nerozpuštěném stavu, ve formě špatně rozpustných fosfátů suspendovaných ve vodě, včetně přírodních minerálů, bílkovin, organických sloučenin obsahujících fosfor, zbytků mrtvých organismů atd. Fosfor v pevné fázi se v přírodních nádržích obvykle nachází v sedimentech na dně, ale někdy se může vyskytovat i v odpadních a znečištěných přírodních vodách.

Hlavní rozdíl je mezi fosfátem a ortofosfátem:

Fosfáty — jedná se o přírodní minerály. Tyto minerály se těží za účelem získání fosforu, který je potřebný k výrobě hnojiv. Jsou to soli nebo estery kyseliny fosforečné.

Ortofosfát — je jakákoli sůl nebo ester kyseliny ortofosforečné. Nazývá se také obecný fosfátový anion, protože ortofosfát je nejjednodušší z fosfátové řady. Skládá se pouze z jedné fosfátové jednotky. Nazývá se také monofosfát. Ostatní členové fosfátové řady mají dvě nebo více fosfátových jednotek. Hlavní rozdíl mezi fosfátem a ortofosfátem spočívá v tom, že fosfát je jakákoli sloučenina složená z fosfátových jednotek, zatímco ortofosfát se skládá z jediné fosfátové jednotky.

Způsoby čištění odpadních vod od fosforu

Odpadní voda vstupující do čistíren odpadních vod má několik zdrojů nasycení fosforem: odtok z obytných budov a průmyslových podniků, kalová voda ze zahušťovadel přebytečného aktivovaného kalu nebo kalová voda ze zahušťovadel kombinovaného zahušťování surového kalu a přebytečného aktivovaného kalu, kalová voda ze zahušťovadel promytého kalu v schématech s metanovými nádržemi a vakuovými filtry, jakož i kalová voda z kalových ložisek, odstředivý fugát (kapalina odváděná do kanalizace během odstředivé sedimentace) a filtrát z kalolisů. Jsou uvedeny výhody a nevýhody známých metod odstraňování fosforu. Je uvedeno srovnávací hodnocení činidel používaných pro odstraňování fosforu a jsou uvedeny nezbytné podmínky pro úspěšný průběh procesu krystalizace.

Po stanovení zvýšeného obsahu fosforu a jeho sloučenin v odpadních vodách bude zapotřebí řada kroků zaměřených na postupnou eliminaci a odstranění prvku. Na to existuje několik metod. Ty jsou zase rozděleny do tří kategorií, což je určeno vlastnostmi použitých nástrojů: fyzikálně-chemické, biologické a kombinované.

K extrakci fosforu z vody lze použít mechanické, fyzikálně-chemické, elektrochemické, chemické a biologické metody, jakož i jejich kombinace. Mechanická metoda čištění dokáže odstranit fosfor přítomný ve vodě ve formě suspendovaných částic. Částice kalu obsahující fosfor se z odpadních vod oddělují v usazovacích nádržích různých konstrukcí, stejně jako v hydrocyklonech. K čištění odpadních vod od fosforu lze použít metody založené na oxidaci suspendovaných a rozpuštěných částic fosforu atmosférickým kyslíkem, chlorem nebo jinými oxidačními činidly.

Dále se voda neutralizuje vápenným mlékem se sedimentací suspendovaných látek. Účinnost procesu usazování je však nízká: od 60 % do 80 % za 2 hodiny, 90 % za 4 hodiny. Reagenční metoda se nejčastěji používá k odstranění fluorofosfátů jejich izolací ve formě nerozpustných solí vápníku, železa a hliníku, které představují jemně dispergovaný koloidní sediment fosfátu.

Pro odstranění ortofosfátů se navrhuje schéma čištění fosforového kalu, které zahrnuje usazovací nádrž (usazování po dobu 1 hodiny) a dva postupně instalované tlakové hydrocyklony, což zajišťuje (80-85)% vyčištění. Pro intenzifikaci procesu sedimentace částic fosforu se používají koagulanty (Al2(SO4)3, FeCl2) a flokulanty (polyakrylamid). Použití koagulantů umožňuje zvýšit čisticí účinek na 98 % a flokulanty zvyšují produktivitu přibližně 2krát. Výsledný fosforový kal, obsahující 10 % až 30 % fosforu, se odesílá ke spalování nebo do destilační (odpařovací) jednotky. Současně chemické činidlo interaguje s alkáliemi obsaženými ve vodě a vytváří sediment velkých vloček. Tento sediment způsobuje koagulaci jemně dispergovaného koloidního fosfátu a suspendovaných látek a také adsorbuje některé organické sloučeniny obsahující fosfor. Jako činidla se používají soli dvojmocných a trojmocných kovů, nejčastěji hliníku a železa, méně často vápna.

V odpadních vodách se fosfor vyskytuje ve formě ortofosfátů, polyfosfátů a organických sloučenin obsahujících fosfor. V biologicky čištěných odpadních vodách je fosfor přítomen převážně ve formě ortofosfátů. K extrakci fosforu z odpadních vod lze použít fyzikálně-chemické, chemické a biologické metody, jakož i kombinace těchto metod.

Nejrozšířenější metodou je reagenční metoda čištění odpadních vod od ortofosfátů jejich oddělením ve formě nerozpustných solí vápníku, železa a hliníku.

V praxi jsou nutné dávky činidla přesahující stebiometrickou dávku. V závislosti na požadovaném stupni čištění odpadních vod od ortofosfátů lze v různých stupních čištění použít přibližné dávky síranu hlinitého (tabulka 32.1).

Pro srážení fosforu lze také použít soli dvojmocného železa Fe2 a trojmocného železa Fe3. Potřebná dávka Fe3 převyšuje stechiometrickou dávku 1,3–1,5krát.

Úplnost srážení fosfátů závisí na hodnotě pH. Při použití činidel se pH odpadní vody snižuje v důsledku částečné neutralizace volných alkálií. Při použití Fe3 pro srážení fosfátů by optimální hodnota pH měla být 4,5–5. Dostatečně vysoký stupeň odstranění fosforu však lze zajistit při vyšším pH. Při použití Fe2 je optimální hodnota pH 7–8. Při použití použitých mořicích roztoků je nutné přidat vápno nebo hydroxid sodný, aby se zabránilo okyselení odpadní vody.

Pro čištění odpadních vod od fosforu se spotřebuje vápno v množství 150–400 mg/l, přepočteno na CaO. Dávka vápna je v tomto případě určena potřebou udržovat pH v rozmezí 10,5–11.

U odpadních vod různého složení je nutné provést zkušební koagulaci, aby se upřesnila dávka činidla, které plní dvě funkce – chemické srážení fosforu a odstraňování koloidů všech typů z vody v důsledku koagulace. Proces odstraňování fosforu vyžaduje také zavedení flokulantů (například PAA) do odpadní vody, které destabilizují výsledný koloidní systém. Dávka flokulantu je 0,5-1 mg/l.

Reagencie lze přivádět před primární usazovací nádrže, do provzdušňovacích nádrží (nejvhodnější) nebo v terciární fázi čištění.

Účinek odstranění fosforu v primárních usazovacích nádržích bez koagulace je 8-10 %. Při přidání koagulantu a flokulantu se účinek odstranění fosforu zvyšuje na 70-80 %, suspendovaných látek z 40-50 na 60-75 %, hodnota BSK se snižuje z 25-40 na 40-60 % a celková hmotnost kalu se zvyšuje o 24 %. Při zavádění činidel ve fázi mechanického čištění se snižuje zatížení zařízení sekundárního čištění (aerační nádrže) BSK a suspendovanými látkami. Před primárními usazovacími nádržemi nebo lapači písku se činidla zavádějí intenzivním mícháním ve speciálně navržených nádobách nebo pomocí stávajících konstrukcí, které zajišťují vysokou turbulenci, jako je Parshalova miska.

Vzhledem k tomu, že ne veškerý fosfor v odpadních vodách je ve formě ortofosfátů, tj. ve snadno srážející se formě, zůstávají rozpuštěné organické sloučeniny obsahující fosfor ve vodě i při zavádění činidel ve fázi mechanického čištění. Při zavádění činidel ve fázi biologického čištění se fosfor odstraňuje v důsledku tvorby jeho nerozpustných sloučenin, mikrobiální asimilace fosforu a jeho následného srážení spolu s přebytečným aktivovaným kalem. Maximální účinek odstranění fosforu touto metodou je 90–95 %. Bez ohledu na kolísání koncentrace fosforu na vstupu je redukční efekt stabilní. Fe2 se přivádí před provzdušňovací nádrž, což vyžaduje částečné zvýšení intenzity provzdušňování; Al13 se obvykle přivádí na konci provzdušňovací nádrže nebo do proudu kalové směsi vstupující do sekundárních usazovacích nádrží; Fe3 lze přivádět na začátek nebo na konec provzdušňovací nádrže. Při zavádění činidel ve fázi biologického čištění se objem přebytečného kalu mírně zvětší, který se lépe odvodňuje a zhutňuje. Po biologickém čištění je fosfor v odpadních vodách pouze ve formě ortofosfátů, což umožňuje jeho odstranění v terciárních čistírnách o 90 %. To vyžaduje menší dávky činidel (ve srovnání s primárními usazovacími nádržemi a provzdušňovacími nádržemi asi o 20–30 %), ale provoz zařízení se stává složitějším. V terciární fázi čištění lze k oddělení koagulačních produktů použít flotační zařízení, čističe a filtry.

Při čištění biologicky čištěných odpadních vod vápnem by se měl sediment odstraňovat v dočišťovačích, před nimiž se instalují reakční komory a flokulační nádrže. Při použití síranu hlinitého a síranu železnatého lze k zachycení sedimentu použít filtry a flotátory. Vyššího čisticího účinku od nerozpustných sloučenin fosforu se dosahuje v bublinových flotátorech.