Usuwanie fosforu ze ścieków metodą flotacji powietrzem rozpuszczonym

• 1. Wprowadzenie
• 2. Fosfor w ściekach
• 3. Systemy oczyszczania ścieków zawierających fosfor
• 4. Oczyszczanie ścieków zawierających fosfor metodą flotacji DAF
• 5. Podsumowanie

1. Wprowadzenie

Fosfor jest pierwiastkiem niezbędnym do życia, zarówno dla organizmów prostych, jak i tych o bardziej złożonej budowie. Odgrywa on kluczową rolę w biologii, ponieważ bierze udział w tworzeniu wielu składników komórek, takich jak:

• Błona cytoplazmatyczna, podobnie jak DNA.
• Enzymy zwane transferazami: ADP (adenozynodifosforan) i ATP (adenozynotrifosforan), które mają zdolność magazynowania lub oddawania energii, przechodząc z jednej postaci w drugą.
• Enzymy polifosfatazy-kinazy, które mogą magazynować lub przywracać polifosforany.

Brak fosforu ogranicza wzrost glonów planktonicznych, zwłaszcza niektórych ich rodzajów, takich jak glony „niebiesko-zielone”, które są w stanie wiązać azot atmosferyczny.

Fosfor jest niezbędnym składnikiem odżywczym dla mikroorganizmów rozkładających materię organiczną w ściekach. Jednak fosfor może również powodować eutrofizację, czyli pogorszenie jakości wód powierzchniowych spowodowane nadmiernym rozrostem glonów. W ściekach fosfor występuje w postaci fosforanów, które są związkami o wysokiej reaktywności.

Ponadto zanieczyszczenie fosforem ma poważne konsekwencje gospodarcze, ponieważ utrudnia normalne prowadzenie różnych rodzajów działalności zawodowej, a także powoduje wzrost kosztów uzdatniania wody pitnej.

Dlatego też niezwykle ważne jest podjęcie działań mających na celu ograniczenie zawartości fosforu w naszych ściekach.   

Główne związki fosforu

Związki pierwiastka P	Formuła	Przygotowanie próbki	Kubki testowe	Urządzenie procesowe	Wskazanie wyniku + Zakres zastosowania
Ortoortofosforan	PO43–	Filtruj	LCK049* LCK349* LCK348* LCK350*	PHOSPHAX (metoda wanadowo-molibdenowa)	– OrtoPO₄-P(np. ścieki: kontrola wytrącania się fosforu) – OrtoPO₄ (np. woda pitna i woda kotłowa)
Polifosforany	PO4-PO4-PO4–	Homogenizacja, trawienie
Związki fosforu organicznego	R-PO4	Homogenizacja, trawienie
Całkowita zawartość fosforu (ortofosforan + polifosforany + związki fosforu organicznego)	Fosfor ogółem	Homogenizacja, trawienie	LCK349* LCK348* LCK350*	PHOSPHAX sigma (metoda z użyciem błękitu molibdenowego zgodnie z normą EN 1189)	P ogółem =PO₄-P ogółem (np. ścieki: kontrola wartości granicznej) PO₄ ogółem (np. woda pitna i woda kotłowa)

Ważne: W analizie ścieków stężenie_PO4-P wyraża się zawsze jako zawartość fosforu w postaci fosforanu! Oznacza to, że wynik podaje się jako_PO4-P(współczynnik przeliczeniowy:_PO4-P × 3,07 –_PO4). Wartości graniczne określone w obowiązujących przepisach, np. wartość graniczna na wylocie z oczyszczalni ścieków, są wyrażane w jednostkach P ogółem =_PO4-P ogółem.
*) LCK348, 349 i 350: metoda błękitu molibdenowego zgodnie z normą EN 1189; LCK049: metoda wanadowo-molibdenowa

2. Fosfor w ściekach

Zanieczyszczenieściekówfosforem stanowi poważny problem. Jest to pierwiastek chemiczny niezbędny do życia, ale w nadmiarze może mieć szkodliwe skutki. Może on sprzyjać nadmiernemu rozwojowi glonów, znanemu jakoeutrofizacja. Zjawisko to blokuje dostęp światła słonecznego niezbędnego do wzrostu innych roślin wodnych, a rozkładające się glony zużywają tlen rozpuszczony w wodzie, powodując śmierć ryb i innych organizmów wodnych.                 

Fosfor przedostaje się do ścieków głównie na dwa sposoby:

1. Poprzez bezpośredni zrzut detergentów zawierających fosforany i nawozów
2. Jako naturalna konsekwencja zużycia i erozji gleby.

Jednak problem ten nasila się w oczyszczalniach ścieków, ponieważ często nie są one przystosowane do skutecznego usuwania fosforu, w wyniku czego substancja ta przedostaje się do środowiska w niebezpiecznych ilościach.

Fosfor może zanieczyszczać wody gruntowe i powierzchniowe, które często służą jako źródła wody pitnej. Spożycie wody zanieczyszczonej fosforem może powodować u ludzi problemy zdrowotne, takie jak uszkodzenie nerek i osteoporoza. Fosfor może również gromadzić się w osadach na dnie zbiorników wodnych, skąd w pewnych warunkach może ponownie przedostawać się do wody. Oznacza to, żefosformoże nadal powodować problemy z jakością wody długo po tym, jak został do niej wprowadzony,   

Szacuje się, że około 85% fosforu przedostającego się do środowiska pochodzi z sieci kanalizacyjnej ścieków komunalnych (ARU). Rolnictwo odpowiada za pozostałe 15%, przy czym jego wpływ jest stosunkowo niewielki, ponieważ w przeciwieństwie do azotanów fosfor jest dobrze wchłaniany i magazynowany w glebie. Fosfor występuje w postaci fosforanów w następujących formach:                                                                                      

• Rozpuszczalne ortofosforany: Łatwo ulegają wytrąceniu i mogą pochodzić bezpośrednio ze ścieków lub powstawać w wyniku rozkładu organicznych lub nieorganicznych polifosforanów podczas procesu oczyszczania.

• Polifosforany: Mogą być organiczne lub nieorganiczne. Mogą ulegać rozkładowi do ortofosforanów lub pozostawać w stanie obojętnym.                                                           

Obecność fosforu

Mogą one również występować w roztworze lub w zawiesinie, która w mniejszym lub większym stopniu ulega sedymentacji. Stosunek między tymi różnymi postaciami jest bardzo zmienny i nie można podać zbyt konkretnych danych:

• W surowej ARU ortofosforany mogą stanowić od 15% do 35% całkowitej zawartości fosforanów.
• W przypadku osadzonych ARU odsetek ten wzrasta o 5% do 10%.
• W oczyszczalni ścieków wyposażonej w system oczyszczania wtórnego (biologicznego) zawartość ortofosforanów może sięgać nawet 50%, a nawet 90%.

Jeśli porównamy formy nieorganiczne i organiczne, te ostatnie stanowią około 30%.

Tylko niewielka część fosforanów (głównie pochodzenia organicznego) ulega sedymentacji. Udział ten szacuje się zazwyczaj na 5–15% całości. W pierwszym przybliżeniu można przyjąć, że 10% jest wartością rozsądną.

Obieg fosforu

Obieg fosforu to proces biogeochemiczny zachodzący w ekosystemach, który opisuje sposób przemieszczania się tego pierwiastka.

• Organizmy pobierają ten pierwiastek w postaci fosforanów.
• Zarówno gleba, jak i organizmy żywe (rośliny, zwierzęta i ludzie) oddziałują na siebie, a znaczna część fosforanów przedostaje się również do wód morskich, gdzie jest pobierana przez ptaki, ryby i glony.
• Zawartość fosforu w materii jest niewielka, ale odgrywa on nieodzowną rolę w życiu.
• Cykl biogeochemiczny fosforu obejmuje całą biosferę. Obejmuje on wszystkie ekosystemy, zarówno lądowe, jak i wodne. Cykl ten odpowiada za zaspokajanie najważniejszych potrzeb komórkowych każdego organizmu.

3. Systemy oczyszczania ścieków zawierających fosfor

Proces usuwania fosforu ze ścieków odbywa się zazwyczaj za pomocą metod fizykochemicznych, biologicznych lub ich połączenia.

Istnieje kilka metod usuwania fosforu i jego związków ze ścieków. Oto trzy najczęściej stosowane metody separacji:

• W postaci osadu: Usuwany w procesie wstępnego osadzania.
• W postaci koloidalnej MS: W tym przypadku do jej usunięcia konieczna jest flokulacja, przeprowadzana w sposób naturalny przy użyciu osadu aktywowanego (równoczesna defosfatacja) lub wywołana przez dodanie środków koagulujących i flokulujących (przed lub po defosfatacji).
• Jako rozpuszczalny MS: Do roztworu zawierającego fosfor dodaje się sól glinu, żelaza lub wapnia, tak aby powstał związek nierozpuszczalny (fosforany metali lub związki fosforanowo-wapniowe), co powoduje wytrącenie fosforu w postaci soli. Ponieważ korekta pH nie jest praktyczna, konieczne jest dodanie dawki soli trójwartościowej powyżej teoretycznego stosunku molowego 1/1.

3.1 Oczyszczanie fizykochemiczne

Nierozpuszczalne sole fosforu metali z trudem osiadają, dlatego konieczne jest flokulowanie przy użyciu nadmiaru koagulantu, a także dodanie polimeru organicznego jako środka wspomagającego flokulację. Operacja ta jest również niezbędna do usunięcia związków fosforu występujących w postaci koloidalnej. Najbardziej wydajną technologią jest flotacja z użyciem rozpuszczonego powietrza (DAF), ze względu na niską sedymentowalność utworzonych kłaczków.                                                                 

3.2 Oczyszczanie biologiczne

W procesie tym wykorzystuje się mikroorganizmy zdolne do gromadzenia nadmiaru fosforu. Bakterie te pobierają fosfor obecny w wodzie i wbudowują go w swoje komórki. Gdy bakterie te obumierają i osiadają na dnie, fosfor pozostaje w powstałym osadzie i można go łatwo usunąć.

SIGMADAF dysponuje technologiami umożliwiającymi biologiczne oczyszczanie ścieków zawierających nadmiar fosforu. Technologia MBBR (biologiczne oczyszczanie z wykorzystaniem ruchomych złoży) pozwala na oczyszczanie tych ścieków dzięki zastosowaniu specjalnych wypełniaczy i w odpowiednich warunkach. Technologia ta zapewnia maksymalną wydajność przy minimalnym zapotrzebowaniu na powierzchnię oraz znaczne obniżenie kosztów eksploatacji (energia, gospodarka osadami itp.).

3.3 Metoda łączona

Zazwyczaj jest to najskuteczniejsza metoda. W tym przypadku najpierw przeprowadza się oczyszczanie fizykochemiczne w celu usunięcia znacznej części fosforu, a następnie stosuje się oczyszczanie biologiczne w odniesieniu do pozostałych ilości.

SIGMADAF łączy technologie DAF, MBBR i MBR , aby osiągnąć najlepsze wyniki w oczyszczaniu ścieków o wysokiej zawartości fosforu.

Ostatecznie wybór najodpowiedniejszej metody usuwania fosforu będzie zależał od takich czynników, jak ilość obecnego fosforu, dostępne zasoby oraz obowiązujące przepisy dotyczące ochrony środowiska.

4. Oczyszczanie ścieków zawierających fosfor metodą flotacji z użyciem rozpuszczonego powietrza

Najbardziej odpowiednią metodą oddzielania fosforanów zawieszonych jest flotacja z wykorzystaniem systemów DAF. Wynika to z niskiej gęstości kłaczków powstających po chemicznej obróbce ścieków, którą przeprowadza się przy użyciu specjalnych koagulantów i flokulantów.

SIGMADAF oferuje systemy DAF do oddzielania fosforu i innych zanieczyszczeń. Urządzenia te składają się z układu mieszania w kształcie węża (PFL), a następnie z separatora z rozpuszczonym powietrzem (DAF).

Flokulatory PFL charakteryzują się zasadą działania „procesu liniowego”. Poszczególne procesy zachodzące w tych urządzeniach (koagulacja, flokulacja, demulsyfikacja, strącanie i regulacja pH) przebiegają w ściśle kontrolowanych i dobrze zdefiniowanych warunkach, dzięki czemu ścieki mogą być następnie łatwo oczyszczone w systemie DAF.

Zestaw pływający PFL – DAF

Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza to technologia idealna do skutecznego oddzielania cząstek stałych, olejów, tłuszczów i kłaczków obecnych w ściekach.

Uzdatnione ścieki są pompowane z systemu koagulacji i flokulacji do urządzenia DAF, gdzie dozowane są koagulanty, polielektrolity i środki regulujące pH w celu zapewnienia skutecznego tworzenia kłaczków. W przypadku obecności fosforu rozpuszczalnego można również dodać wapno.

Systemy DAF zostały specjalnie zaprojektowane do oczyszczania ścieków zawierających cząstki o niskiej pływalności, których oddzielenie wymaga dużej powierzchni. Doprowadzane sprężone powietrze jest niezbędne do poprawy pływalności cząstek, gdy na ich gęstość wpływa mieszanina emulsji, olejów i cząstek stałych.

Pompa recyrkulacyjna kieruje część oczyszczonej wody na wylot urządzenia DAF, gdzie znajduje się układ zwiększania ciśnienia/nasycania. Woda poddana recyrkulacji jest sprężana przez pompę do ciśnienia około 6 barów i mieszana z powietrzem. W tych warunkach ciśnieniowych powietrze rozpuszcza się w wodzie.

W urządzeniu DAF dochodzi do obniżenia ciśnienia, co powoduje powstanie mikropęcherzyków powietrza o średnicy od 3 do 50 mikronów, które rozpuszczają się i umożliwiają usuwanie cząstek stałych oraz kłaczków, które nie mają tendencji do unoszenia się na powierzchni. Pęcherzyki szybko przylegają do zawieszonych kłaczków, które unoszą się na powierzchnię, gdzie unoszą się na wodzie, tracąc gęstość pozorna.

Ta mieszanina wody i bąbelków powietrza o obniżonym ciśnieniu jest równomiernie rozprowadzana w komorze wlotowej urządzenia DAF w warunkach przepływu laminarnego. Z kolei cząstki, które wypłynęły na powierzchnię, są kierowane bezpośrednio do systemu odtłuszczania, znajdującego się w górnej części urządzenia, gdzie są usuwane za pomocą systemuskimmerów.

Osad opada do komory osadowej, znajdującej się na dnie urządzenia DAF, a następnie jest usuwany przez system odprowadzania osadu.

Po utworzeniu się piany na powierzchni jest ona mechanicznie usuwana z uzdatnionej wody. Fosforany i inne zanieczyszczenia gromadzą się w piance, co umożliwia ich odzysk lub bezpieczne unieszkodliwienie zgodnie z lokalnymi przepisami.

Oczyszczona woda wypływa z urządzenia DAF poprzez regulowany system odprowadzania nadmiaru cieczy.

Schemat oddzielania fosforanów metodą DAF

5. Podsumowanie

Fosfor obecny w ściekach stanowi poważny problem, który wymaga szczególnej uwagi. Pierwiastek ten, choć niezbędny do życia, w dużych ilościach może powodować szkody w ekosystemach wodnych i przyczyniać się do rozrostu szkodliwych glonów (eutrofizacja).Oczyszczanie ściekówmazatem ogromne znaczenie dla ograniczenia ilości fosforu uwalnianego do środowiska.

W niniejszym artykule omówiono różne techniki stosowane do usuwania fosforu ze ścieków, w tym procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne. Chociaż każda z nich ma swoje zalety i wady, oczywiste jest, że połączenie tych technik zapewnia największą skuteczność w usuwaniu tego zanieczyszczenia.

Podsumowując, oczyszczanie ścieków o podwyższonej zawartości fosforanów za pomocą separatora DAF stanowi skuteczną metodę obniżania stężenia tego zanieczyszczenia, przyczyniając się tym samym do ochrony środowiska i przestrzegania przepisów dotyczących jakości wody.

Właściwe gospodarowanieściekami iich regulacjaodgrywają również kluczową rolę w zapobieganiu zanieczyszczeniom fosforem. W związku z tym ważne jest, aby rządy i odpowiednie organizacje ustanowiły i egzekwowały niezbędne przepisy dotyczące oczyszczania ścieków.

Na koniec warto podkreślić, żekażdy z nas ma do odegrania swoją rolęw ograniczaniu zanieczyszczenia fosforem. Dzięki odpowiedzialnemu stosowaniu produktów zawierających fosfor, takich jak detergenty i nawozy, możemy przyczynić się do zminimalizowania uwalniania tego pierwiastka do środowiska. Dlatego konieczne jest, abyśmy wszyscy uświadomili sobie powagę tego problemu i wspólnie działali na rzecz ochrony naszych cennych zasobów wodnych.

Bibliografia i źródła

Usuwanie fosforu ze ścieków (usal.es)

Fosfor w ściekach: wpływ na środowisko i metody oczyszczania | Instytut Wody

Usuwanie fosforu ze ścieków (usal.es)