4.2.3. Очистка сточных вод от фосфора

Под термином «общий фосфор» понимают все соединения фосфора, содержащиеся в воде: неорганические фосфаты и полифосфаты, органические соединения фосфора (нуклеиновые кислоты, фосфолипиды). В сточных водах фосфор может присутствовать в растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях.

В нерастворимом состоянии фосфор в основном находится на взвешенных частицах в виде труднорастворимых фосфатов и белковых веществ. Нерастворимый фосфор, прочно связанный с другими соединениями, присутствующими в сточных водах, абсолютно инертен для биологического процесса очистки и, поступая в водоем в виде устойчивых минералов подобных ортофосфату кальция, не обогащает его фосфором, а захоранивается в донных осадках.

В процессе биологической очистки в аэротенках при определенных значениях рН и при наличии ионов Са²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺, A1³⁺ происходит процесс изъятия фосфора за счет образования нерастворимых фосфатов.

Основная доля соединений фосфора представлена в виде коллоидной и растворенной форм фосфатов и ортофосфатов и растворенных форм полифосфатов. Фосфаты и полифосфаты гидролизуются в результате биологической очистки в ортофосфаты, а органический фосфор частично переходит в ортофосфаты, частично усваивается активным илом, а частично остается в очищенных водах.

Взвешенные формы соединений фосфора отчасти осаждаются в первичных отстойниках, а в некоторой степени сорбируются на активном иле. Если на очистных сооружениях предусмотрено обезвоживание активного ила, то эти соединения фосфора переходят в надыловую воду, которая подается в первичные отстойники, т. е. снова оказываются в сточной воде.

Биологическое удаление фосфора. Определенные группы бактерий активного ила обладают способностью накапливать в своих клетках (в полифосфатных гранулах, так называемых зернах волютина) растворенные формы фосфора. Эти бактерии способны потреблять фосфора больше, чем его требуется на прирост биомассы и энергетические потребности. Такой способностью обладают представители родов Acinetobacter, Pseudomonas, Aerobacter, Beggiatoa, Aeromonas, Zoogloea ramigera, а также реже встречающиеся Klebsiela, Enterobacter, Mycobacterium и многие другие. От других микроорганизмов активного ила они отличаются тем, что содержание соединений фосфора в них может составлять до 1–3% сухой массы клеток.

Однако если в аэробных условиях аэротенков эти бактерии накапливают фосфор, то в анаэробных условиях вторичных отстойников активно выделяют его в воду. В результате на тех сооружениях, где протекает нитрификация, почти всегда наблюдается увеличение содержания фосфора в очищенной воде после вторичных отстойников. Причем, чем эффективнее нитрификация в аэротенках, тем больше накапливается фосфатов в клетках активного ила и тем больше они его отдадут во вторичных отстойниках.

Это связано с тем, что в анаэробных условиях эти микроорганизмы используют накопленные в гранулах волютина ортофосфаты, полифосфаты и связанный органический фосфор как энергетический резерв, расходуемый на потребление субстрата. Они потребляют простые легкоокисляемые органические субстраты, например, летучие жирные кислоты (среди которых излюбленная – уксусная кислота) и запасают их внутри клетки в виде полигидроксиалканатов (наиболее распространен поли-β-гидроксибутират (ПГБ)), что сопровождается внутриклеточной деградацией накопленных в аэробной стадии соединений фосфора. Энергия деградации фосфатов расходуется на накопление и потребление легкоокисляемой органики, клеточный синтез и транспортный перенос в процессе дыхания в анаэробных условиях. Эти процессы сопровождаются отдачей накопленного клеткой фосфора в воду.

При попадании бактерий в аэробные условия накопленный субстрат в виде полигидроксиалканатов начинает расходоваться как источник углерода на питание и прирост биомассы бактерий. Это сопровождается выделением углекислого газа и воды и повышенным потреблением из окружающей среды фосфатов, которые снова откладываются в клетках в полифосфатных гранулах.

На такой цикличности накопления полифосфатов в клетках бактерий и использования их энергии основана технология глубокого изъятия из сточных вод соединений фосфора. Важным условием для успешного протекания процесса является чередование аэробных и строго анаэробных условий, при которых отсутствует даже химически связанный кислород.

Физико-химическое удаление фосфора. Все методы физико-химического удаления фосфора основаны на переводе растворенных соединений фосфора в нерастворимую форму либо на поглощении их поверхностью сорбента.

Высокой сорбционной способностью по отношению к примесям соединений фосфора обладает доломит, сорбенты на основе окиси алюминия.

На основе шлака доменных печей, минералов, содержащих фосфат кальция, проводят наращивание кристаллов фосфатов с последующим их удалением из сточной воды.

Соли алюминия и железа используют для коагулирования и осаждения коллоидных фосфатов.

Однако все эти методы требуют применения дорогостоящих реагентов и приводят к вторичному загрязнению сточной воды, поэтому их использование ограничено.