Фосфор является одним из ключевых элементов, необходимых для жизнедеятельности всех живых организмов. В природе он присутствует в различных формах, включая органические и неорганические соединения. В сточных водах фосфор может присутствовать в виде фосфатов, ортофосфатов и других соединений. Понимание содержания фосфора в сточных водах, а также его допустимых норм, имеет критическое значение для охраны окружающей среды и здоровья человека.
Фосфор – химический элемент, относящийся к пниктогенам. Он является одним из самых распространенных элементов в земной коре, занимая до 1% ее общей массы. Из-за значительной химической активности его нельзя встретить в свободном виде. При этом элемент образует огромное количество различных минералов, в том числе апатита и фосфорита. Также фосфор считается неотъемлемой частью фосфолипидов – важных биологических соединений. Содержась в животных тканях, белках, а также АТФ и ДНК, он считается жизненно важным элементом.
В обычных условиях фосфор находится в виде аллотропных модификаций разных видов – на текущий момент все формы не установлены. К самым распространенным относится три разновидности: белый, черный и красный. Они отличаются цветом, плотностью и показателями химической активности. Ученые называют их основными, так как остальные модификации представляют собой смесь вышеперечисленных.
Особенности фосфора
Говоря о биологической роли соединений фосфора, нельзя не отметить его присутствие в клетках в виде различных кислот. Так, кости человека и зубная эмаль состоят из гидроксилапатита. Для полноценного регулирования соединений требуется наличие определенного уровня витамина D и гормонов.
Если в организме наблюдается недостаточный уровень фосфора, это может вызывать заболевания костей. Суточная норма фосфора зависит от рода занятий и возраста. Так, для детей и подростков она составляет 1,5-2,5 г, для взрослых – 1,0-2,0 г. В случае активных занятий спортом и других видов физических нагрузок необходимая норма возрастает в 1,5-2 раза.
Сфера применения фосфора
Как важный биогенный элемент, фосфор широко используется в различных сферах. Одним из самых популярных направлений считается изготовление удобрений для агропромышленного комплекса. Это связано со способностью фосфора стимулировать рост и плодоношение большинства сельскохозяйственных культур. В этом он схож с калием и азотом.
Также соединения фосфора задействуют в пищевой промышленности, используя для получения подкислителей, загустителей и консервантов. Их применяют и в быту – так, соединения входят в состав активных веществ, добавляемых в моющие средства и стиральные порошки.
Общий фосфор в сточных водах
В рамках изучения особенностей сточных вод рано или поздно встретится понятие общего фосфора. Это концентрация элементарного фосфора и его соединений органического и неорганического типа. К ним относятся гидролизуемые фосфаты и ортофосфаты. Наибольшие трудности при организации систем очистки воды вызывают фосфаты – соли фосфорных кислот. ПДК общего фосфора в сточных водах составляет 12 мг/дм3.
Фосфор общий (или суммарный фосфор) в сточных водах включает все формы фосфора, присутствующие в воде: растворенные и взвешенные, органические и неорганические. Наиболее распространенными формами являются ортофосфаты, фосфаты и органические соединения фосфора. Ортофосфаты являются наиболее легко усваиваемыми формами фосфора для водных организмов и растений.
Откуда берется фосфор в сточных водах?
В большинстве случаев фосфор попадает в воду антропогенным путем. Несмотря на это, небольшой объем элемента и его соединений находится в водоемах в виде части биологического цикла, а фосфин – одно из соединений – служит биологическим маркером. В сточных водах фосфор оказывается преимущественно из-за деятельности предприятий химической, пищевой и сельскохозяйственной промышленности.
Допустимое содержание и нормы
Допустимое содержание фосфора в сточных водах регулируется различными нормативными актами и стандартами, которые могут варьироваться в зависимости от страны и региона. В большинстве случаев нормы устанавливаются для предотвращения эвтрофикации водоемов — процесса, при котором избыточное количество питательных веществ, таких как фосфор и азот, приводит к быстрому росту водорослей и ухудшению качества воды.
В России, например, предельно допустимая концентрация (ПДК) общего фосфора в сточных водах для сброса в водоемы хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения составляет 0,5 мг/л. Для водоемов рыбохозяйственного значения ПДК составляет 0,2 мг/л.
Особенности определения фосфора в сточных водах
Любому анализу предшествует отбор образцов. Этот процесс подразумевает выполнение всех процедур в соответствии с ГОСТом, в связи с чего его лучше доверить профессионалам. Особенно это касается сточных вод. Объем образца для проведения исследований должен составлять по меньшей мере 250 см3. Емкости, используемые для сбора и хранения воды, нельзя обрабатывать синтетически средствами, в составе которых находятся ортофосфаты или полифосфаты. Это вызовет искажение результатов из-за повышения содержания соединений.
Анализ воды должен быть проведен не позже чем спустя 6 часов после отбора образца. В случае, если испытание не удастся провести в день взятия пробы, его необходимо законсервировать путем добавления хлороформа в объеме 3-4 см3 на каждые 1000 см3 воды. Далее пробу помещают в особые условия с температурой не выше +8 °C. В таком состоянии образец можно хранить в течение 3 суток. Перед проведением анализа пробу необходимо тщательно взболтать.
Чтобы добиться наибольшей точности, измерения должны осуществляться при комнатной температуре. Приготовление растворов выполняется в соответствии с требуемым объемом и соблюдением правильного соотношения. Количество аликвот и массы навесок регентов регламентировано настоящим стандартом и также вычисляется в см3 или дм3.
Методы анализа сточных вод
Существует несколько методов определения фосфора в сточных водах. Все они делятся на две категории: грубые и точные. Выбор зависит от направления исследования и данных, которые должны быть получены после его завершения.
- К грубым методам относится колориметрический анализ, который регламентируется ГОСТом 18309-2014. Он подразумевает гидролиз полифосфатов для получения ортофосфатов. Впоследствии они образуют соединения с молибденом, окрашиваясь в синий цвет. На следующем этапе раствор обследуется фотометрическим методом. Для снижения влияния на результат железа и нитритов раствор разбавляется дополнительными реактивами. Это в свою очередь снижает точность исследования.
- Среди точных методов выделяется спектрофотометрическое исследование с применением электронных приборов. Он занимает заметно меньше времени, чем колориметрический, и при этом позволяет добиться результатов, отражающих реальную картину практически на 100%. Особенность метода заключается в отслеживании изменений в прохождении света через взятый образец при разной длине волны. Собранная информация сопоставляется, вследствие чего получаются данные о градации спектров. Это очень удобный способ, не требующий использования реактивов и большого количества времени.
Для проведения анализов по вышеперечисленным методам могут использоваться разные виды оборудования. К ним относятся фотометры, спектрофотомеры, фотометрические анализаторы и другие устройства, которые позволяют оценить плотность раствора в разном диапазоне волн при погрешности измерений не выше 2%. Благодаря возможностям современного оборудования с помощью данных методов можно эффективно определять фосфаты в сточной воде при массовой концентрации от 0,01 до 1000 мг/дм3.
Методы очистки сточных вод от фосфора
Определив повышенное содержание фосфора и его соединений в сточных водах, потребуется ряд шагов, направленных на постепенное устранение и выведение элемента. Для этого существует несколько методов. Они в свою очередь делятся на три категории, что обусловлено особенностями применяемых инструментов: физико-химические, биологические и комбинированные.
Физико-химические методы очистки
Чтобы очистить воду от фосфатов, часто применяют физико-химические методы. Они подразумевают фильтрацию, позволяющую удалить взвешенные вещества. После проведения фильтрования в воду добавляются коагулянты, созданные на основе сульфата алюминия или хлорида железа. Иногда их совмещают с флокулянтом. Это способствует образованию коллоидных фосфатов, которые впоследствии переходят в состояние осадка.
Вода с осажденными фосфатами отстаивается или проходит через очистку флотацией. На данном этапе можно рассчитывать на удаление до 90% фосфатов. Применение электрохимической очистки ускоряет процесс обработки воды, так как газы, выделяющиеся во время электролиза, помогают хлопьям оксидов металлов оказываться на поверхности воды, откуда они удаляются. Но с учетом дороговизны этот метод используется не так часто.
Биологические методы
Биологические способы очистки сточных вод подразумевают применение активного ила, в котором содержится большое количество аэробных и анаэробных микроорганизмов. Их отличает способность задействовать загрязняющий воду фосфор во время метаболизма. В рамках биологической очистки из сточных вод одновременно удаляется фосфор и азот, что связано с их участием в процессе обмена веществ живых организмов.
Метод основан на введении активного ила и питательного субстрата в сточные воды, которые предварительно помещаются в специальные резервуары. Субстрат требуется для создания наилучших условий для бактерий, принимающих непосредственное участие в процессе дефосфоризации. В виде субстрата используются жирные кислоты с летучими свойствами, а в роли основной питательной среды выступает уксусная, а в некоторых случая пропионовая кислота.
Когда бактерии начинают потреблять органические кислоты без привлечения кислорода, полифосфаты разлагаются до состояния фосфатов. Реакция объясняется тем, что бактериям для поддержания жизнедеятельности требуется энергия, которая и поступает от распада указанных соединений. После этого в анаэробных условиях начитают размножаться бактерии и водоросли – в рамках этого процесса свободные фосфаты применяются для синтеза. Благодаря этому они превращаются в биомассу, которая на финальном этапе отделяется от очищенной воды.
Комбинированные методы
К комбинированным методам очистки сточных вод относится сочетание физико-химических и биологических процессов. В случае с фосфором химическая коагуляция дополнительно усиливается биологической очисткой, что способствует более тщательной обработке и очистке. Однако, при использовании таких методов необходимо учитывать ряд нюансов.
Так, применение извести и коагулянтов с целью очистки от фосфора, может привести к повышению показателя рН, что в свою очередь вызывает гибель микроорганизмов. Для борьбы с этим явлением можно использовать карбонизацию, то есть насыщение воды углекислым газом. Во время контакта с водой он образует угольную кислоту, при помощи которой можно снизить уровень рН до допустимого.
Анализ сточных вод в лаборатории «НОРТЕСТ»
В крупных городах и промышленных центрах регулярно создаются и модернизируются сточные водоочистные сооружения, что делается с учетом постоянно растущего объем сточных вод. Однако, во многих случаях превышение допустимой концентрации фосфора и других элементов еще наблюдается. Для того, чтобы своевременно выявить факт нарушения, для проверки воды потребуются услуги квалифицированной лаборатории, которая способна провести независимую экспертизу, обеспечив высокую точность исследований.
К таким лабораториям относится АНО «Испытательный центр «НОРТЕСТ», базирующийся в Москве. Помимо клиентов из столицы, мы также готовы помочь компаниям и потребителям из Московской области. Весь процесс, начиная от отбора образцов с последующим проведением анализов и выдачей результатов, осуществляется с соблюдением нормативов и требований. Полученный результат указывает на процентное содержание соединений фосфора и может быть использован в качестве основания для оптимизации работы систем водоочистки в области расположения сточных вод.