Химическое удаление фосфора
Химическое удаление фосфора — это метод очистки сточных вод, при котором фосфор удаляется с помощью солей алюминия (например, квасцов или хлорида полиалюминия), железа (например, хлорида железа ) или кальция (например, извести). Фосфатные формы выпадают в осадок вместе с ионами металлов и удаляются вместе с осадком в сепарационной установке ( отстойнике , флотационном резервуаре и т.п.). [1]
Обработка сульфатом алюминия для снижения содержания фосфора в озерах
[ редактировать ]Одним из методов восстановления эвтрофикации является применение сульфата алюминия , соли, обычно используемой в процессе коагуляции при очистке питьевой воды . Сульфат алюминия, или «квасцы», как его обычно называют, оказался эффективным инструментом управления озером за счет снижения фосфорной нагрузки. [2]
Впервые квасцы были применены в 1968 году на озере в Швеции. [2] Его первое применение на американском озере последовало в 1970 году. [3] Сегодня квасцы используются с большей эффективностью и пониманием. В ходе крупномасштабного исследования 114 озер контролировались на предмет эффективности квасцов по снижению фосфора. Во всех озерах квасцы эффективно снижали содержание фосфора в течение 11 лет. Хотя продолжительность жизни была разной (21 год в глубоких озерах и 5,7 года в мелких озерах), результаты отражают эффективность квасцов в контроле фосфора в озерах. [4]
Механизм
[ редактировать ]Лечение квасцами начинается с добавления в водоем соли сульфата алюминия. После добавления соль растворяется и диссоциирует, привнося в воду ионы Al(III). Ионы алюминия участвуют в ряде реакций гидролиза , образуя различные формы алюминия в разных диапазонах pH . По мере добавления большего количества сульфата алюминия pH воды снижается. При более высоких значениях pH растворимые соединения Al(OH) 4 − присутствует. нерастворимый гидроксид алюминия (Al(OH) 3 В нейтральном диапазоне pH (6-8) образуется ). При дальнейшем уменьшении pH ион Al(III) остается. [2]
Поддержание оптимального pH важно для удаления фосфора из воды. Фосфор наиболее эффективно удаляется в нейтральном диапазоне pH, когда присутствует нерастворимый гидроксид алюминия. Этот гидроксид действует как кислота Льюиса . [5] создание среды флокуляции, аналогичной традиционной очистке сточных вод. Нерастворимые Al(OH) 3 хлопья адсорбируют фосфор, а также другие его частицы, и удаляют их из толщи воды. По мере продолжения адсорбции хлопьев хлопья становятся больше и в конечном итоге оседают на дно толщи воды в осадке. Образующийся слой гидроксида алюминия, покрывающий дно озера, дополнительно блокирует диффузию фосфора из отложений в толщу воды, дополнительно регулируя внутреннюю нагрузку фосфора. [4]
Выполнение
[ редактировать ]Для большинства обработок квасцами соль сульфата алюминия наносится на субстрат на дне озера, в гиполимнионе . [6] Затем квасцы снижают уровень фосфора, инактивируя фосфор, выделяемый из озерных отложений, тем самым контролируя содержание фосфора во всей толще воды. Этот фосфор, поступающий из озерных отложений, известен как «внутренне загруженный» фосфор, в отличие от «внешне загруженного» фосфора, поставляемого из источников за пределами озера, таких как стоки . [7]
Хотя квасцы обычно наносятся на гиполимнион, уменьшая фосфор повсеместно в озере, его также можно наносить на эпилимнион или локально на точечные источники . [8] Этот метод обработки квасцами аналогичен использованию квасцов при традиционной очистке воды и более эффективен для снижения внешнего содержания фосфора, чем универсальное применение квасцов для гиполимниона. При нанесении на эпилимнион лодки с подвесным мотором отправляются на озеро, несущее сульфат алюминия. После определения необходимой дозировки и места нанесения сульфат алюминия добавляют на поверхность озера вблизи следа лодочного мотора. Это обеспечивает достаточное перемешивание сульфата алюминия внутри эпилимниона. [9]
Необходимая дозировка квасцов определяется множеством параметров. изменения pH, уровня растворенного кислорода , содержания металлов в озерных отложениях и размера озера. Важно учитывать [10] Дозировка квасцов рассчитывается учеными и инженерами для повышения эффективности.
Ограничения
[ редактировать ]Обработка квасцами менее эффективна в глубоких озерах, а также в озерах со значительной внешней нагрузкой фосфором. [7] В глубоких озерах инактивация фосфора не распространяется по всей толще воды, как в более мелких озерах, за счет локализации гидроксида алюминия в гиполимнионе. Более того, фосфор, нагруженный извне, часто медленно диффундирует вниз с поверхности озера, ограничивая его взаимодействие с гидроксидом алюминия внутри гиполимниона и позволяя фосфору накапливаться выше в толще воды. [8] Таким образом, обработка квасцами наиболее эффективно применяется к мелководным озерам с преимущественно внутренним содержанием фосфора. Единственным исключением являются точечные источники фосфора, нагруженного извне, которые можно эффективно регулировать путем прямого внесения сульфата алюминия в источник. [8]
Еще одним физическим свойством, которое следует учитывать, является способность озера противостоять перемешиванию в толще воды. Было обнаружено, что озера с более высоким индексом Осгуда, параметром, используемым для определения количества перемешивания a, которое происходит в озере из-за ветра, приводят к более эффективной обработке квасцов. Другим параметром является отношение площади водораздела к площади зеркала озера. Озера с более низким соотношением водосбора к площади озера имели большую продолжительность жизни после обработки. Эти озера, как правило, связаны с более длительным временем пребывания и, как правило, подвержены влиянию внутреннего фосфора, который способствует успешному лечению. [4] Независимо от стратегии применения, для большинства озер часто требуется повторная обработка квасцами каждые 5–15 лет. [8] Необходимость повторного лечения требует постоянного контроля и мониторинга фосфора для обеспечения оптимальной эффективности.
Биологические последствия – еще одно важное соображение при лечении квасцами. Обработки повышают прозрачность воды, что коррелирует с увеличением роста растений на большей глубине озера. [8] Увеличение роста растений в озерах меняет характер субстрата , что иногда является фактором биоразнообразия. Озера, в которых обитает донная рыба, такая как карп, как правило, имеют меньший успех в удалении фосфора. Эти виды кормятся в озерных отложениях, что нарушает хлопья гидроксида алюминия, связывающие фосфор со дном озера. [4] Дополнительную озабоченность вызывает то, что соли алюминия могут закислять озера, делая их потенциально токсичными для водных организмов. [7] Однако дозировка сульфата алюминия, используемая для обработки озер, часто недостаточно высока, чтобы вызвать значительную токсичность для рыб, хотя в обработанных озерах наблюдалось снижение численности водорослей и беспозвоночных. Дозировка квасцов также недостаточна, чтобы вызвать токсичность у человека, и часто аналогична дозам квасцов, используемых при традиционной очистке питьевой воды. [8] Для снижения негативных биологических эффектов принятый предел концентрации растворенного алюминия в водоеме составляет 50 мкг Al/л, а pH следует ограничить диапазоном 5,5–9. [2]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сточные воды: очистка и повторное использование (4-е изд.). МакГроу-Хилл. 2003. с. 501. ИСБН 0070418780 .
- ^ Jump up to: а б с д Кеннеди, Роберт Х.; Кук, Г. Деннис (июнь 1982 г.). «Контроль озерного фосфора с помощью сульфата алюминия: определение дозы и методы применения» . Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 18 (3): 389–395. дои : 10.1111/j.1752-1688.1982.tb00005.x . ISSN 1093-474X .
- ^ Гаррисон, Пол Дж.; Кнауэр, Дуглас Р. (январь 1984 г.). «Долгосрочная оценка трех озер, обработанных квасцами» . Управление озерами и водохранилищами . 1 (1): 513–517. дои : 10.1080/07438148409354568 . ISSN 1040-2381 .
- ^ Jump up to: а б с д Мартин, Хузер, Брайан Дж. Эгемос, Сара Харпер, Харви Хапфер, Майкл Дженсен, Хеннинг Пилигрим, Кейт М. Райтцель, Каспер Райдин, Эмиль Футтер (2016). Долговечность и эффективность добавления алюминия для уменьшения выделения фосфора в отложениях и восстановления качества воды в озере . Уппсальский университет, Лимнологи. OCLC 1233676585 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «Алюминиевый коагулянт — обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 15 марта 2022 г.
- ^ Кук, Дж. Д., Хит, RT, Кеннеди, Р. Х. и МакКомос, MR (1982). Изменение трофического состояния озера и внутреннего выделения фосфора после применения сульфата алюминия 1. Журнал JAWRA Американской ассоциации водных ресурсов , 18 (4), стр. 699-705.
- ^ Jump up to: а б с Кук, Дж.Д., Уэлч, Э.Б., Мартин, А.Б., Фулмер, Д.Г., Хайд, Дж.Б., и Шрив, Дж.Д. (1993). Эффективность солей Al, Ca и Fe для контроля внутренней нагрузки фосфором в мелких и глубоких озерах. Гидробиология , 253 (1), 323-335.
- ^ Jump up to: а б с д и ж «Североамериканское общество управления озерами (NALMS)» . Североамериканское общество управления озерами (NALMS) . Проверено 12 апреля 2022 г.
- ^ Ри, Уильям Р. (март 1963 г.). «Аварийная обработка квасцами открытых водоёмов» . Журнал – Американская ассоциация водопроводных предприятий . 55 (3): 275–281. дои : 10.1002/j.1551-8833.1963.tb01028.x . ISSN 0003-150X .
- ^ Рыдин, Эмиль; Уэлч, Юджин Б. (октябрь 1998 г.). «Доза алюминия, необходимая для инактивации фосфатов в озерных отложениях» . Исследования воды . 32 (10): 2969–2976. дои : 10.1016/s0043-1354(98)00055-4 . ISSN 0043-1354 .