Удаление фосфора из сточных вод: роль хлорида железа (III)

Фосфор — незаменимый элемент для живых организмов, однако попадание его избыточных количеств в водоемы нарушает их баланс. Поэтому станции очистки сточных вод — как муниципальные, так и промышленные — обязаны снижать содержание фосфора перед сбросом. Одним из наиболее широко используемых методов для достижения этой цели является химическое осаждение с помощью солей железа, и наиболее известной из этих солей является хлорид железа (III) (научное название — хлорид железа(III), Iron(III) Chloride или Ferric Chloride).

В данной статье рассматривается принцип работы процесса удаления фосфора с помощью хлорида железа (III), чтобы помочь операторам и инженерам понять процесс добавления вещества перед проведением испытаний на осаждение и определением дозировки. Что касается свойств самого вещества и его сравнения с квасцами, то этому посвящены две отдельные статьи на сайте.

Почему необходимо регулировать содержание фосфора?

Эвтрофикация — это обогащение воды питательными веществами, в особенности соединениями азота и фосфора, что приводит к ускоренному росту водорослей и водных растений, нарушающему баланс водных организмов и ухудшающему качество воды. Густые водорослевые цветения приводят к сокращению запасов пищи и среды обитания для водных организмов. Когда водоросли погибают и разлагаются, уровень растворенного кислорода снижается, что может привести к гибели рыб.

Поэтому законодательство устанавливает ограничения на сброс фосфора. В качестве примера таких ограничений можно привести Директиву ЕС об очистке городских сточных вод (91/271/EEC), которая для сброса в зоны, чувствительные к анаэробному разложению, предписывает выполнение одного из следующих требований или обоих в зависимости от местных условий: максимальная концентрация общего фосфора — 2 мг/л для станций, обслуживающих от 10 000 до 100 000 эквивалентов населения, и 1 мг/литр — для станций с обслуживанием более 100 000 эквивалентов населения, либо коэффициент снижения не менее 80 %. Пределы варьируются от страны к стране и от водоприемника к водоприемнику, поэтому следует обращаться к действующему разрешению на сброс в вашем регионе.

Как хлорид железа (III) удаляет фосфор?

Активным веществом здесь является ион железа (III). Если используется железо (II), оно становится эффективным только после окисления до железа (III). Упрощённая схема реакции сводится к тому, что ион железа (III) соединяется с фосфатом (растворённым ортофосфатом), образуя малорастворимый фосфат железа (III) FePO₄, который отделяется путем осаждения или фильтрации. Эта формула предполагает, что каждый моль железа удаляет один моль фосфора.

Однако реальность сложнее. Ион железа (III) одновременно гидролизуется с образованием осадка гидроксида железа (III), и этот процесс конкурирует с образованием фосфата железа (III). Эти осадки улавливают фосфат путем адсорбции и сопутствующего осаждения. Исследования расходятся во мнениях относительно того, какой из этих путей преобладает в различных условиях, но сходятся в том, что добавленное железо распределяется между обеими реакциями, и что для достижения низкого уровня остаточного фосфора требуется больше железа, чем рассчитано теоретически. Мы вернёмся к этому вопросу в разделе о молярных соотношениях.

Где добавлять? Три основных момента

Не существует варианта, который был бы оптимальным во всех случаях, и некоторые станции сочетают несколько вариантов. Выбор зависит от требуемого предела, имеющихся установок, чувствительности активного ила и метода обращения с илом.

Соотношение железа к фосфору (Fe:P)

Дозировка обычно выражается в виде мольного соотношения между железом и фосфором, подлежащим удалению:

• Теоретически — один моль железа на один моль фосфора (1:1), то есть примерно 1,8 грамма железа на каждый грамм фосфора (исходя из атомных масс: Fe = 55,845 и P = 30,974).
• На практике мольное соотношение обычно колеблется от 1 до 3, когда остаточный фосфор во вторичной воде превышает 0,5 мг/л, а в некоторых источниках для последующего добавления указывается значение от 1,5 до 2,5 молей на каждый моль фосфора.
• Чем ниже целевой показатель, тем выше соотношение. Достижение очень низкого уровня остаточного фосфора требует доз, значительно превышающих теоретические расчёты, и может потребовать последующей фильтрации.

Пример расчёта для наглядности, а не рекомендация по дозировке: для удаления 4 мг/л фосфора (в виде ортофосфата) с мольным соотношением 1,5 требуется около 10,8 мг/л железа. Поскольку содержание железа в 40%-ном растворе хлорида железа (III) от Egy Chem Hub составляет от 13 до 14% по массе, это соответствует примерно 77–83 граммам раствора на кубический метр. Фактическая доза зависит от результатов полевых испытаний, поскольку оптимальная доза меняется в зависимости от концентрации фосфата, значения pH и состава воды.

Для получения надёжной основы для расчёта:

• Определите форму фосфора, которую необходимо удалить: растворённый ортофосфат или общий фосфор, включая частицы.
• Используйте для сравнения одну единицу измерения: кг железа, кг безводного FeCl₃ или кг раствора.
• Формула FeCl₃ относится к безводной форме соединения, тогда как коммерческий продукт представляет собой водный раствор, поэтому его содержание железа следует принимать из указанного в техническом паспорте.

Щелочность и pH

Хлорид железа (III) поглощает щелочность воды при распаде, и опубликованное значение колеблется от примерно 0,92 до 0,93 мг/л (в пересчете на CaCO₃) на каждый 1 мг/л безводного FeCl₃. По эквивалентному расчёту это соответствует примерно 2,7 мг/л (в пересчёте на CaCO₃) на каждый 1 мг/л железа. В приведенном выше примере (10,8 мг/л железа) это означает потребление щелочи в количестве около 29 мг/л, что является приблизительным расчетным значением.

Значение этого для станции:

• При одновременном добавлении рН в биологическом резервуаре может снизиться до уровня, недопустимого для микроорганизмов, поэтому были проведены некоторые лабораторные исследования с добавлением бикарбоната натрия для компенсации щелочности.
• Низкая щелочность сырой воды требует учета затрат на её компенсацию (известь, сода или бикарбонат) в общей стоимости, а не только стоимости самого раствора.
• рН контролируется непосредственно после момента добавления и в биологическом резервуаре, и в пробирке определяется, требуется ли компенсация.

Влияние добавления на осадок

Любое химическое осаждение фосфора увеличивает количество осадка. Добавленное железо превращается в нерастворимый гидроксид и фосфат, которые накапливаются в осадке. Для расчета теоретического верхнего предела: каждый 1 мг железа в крайнем случае даёт около 1,9 мг гидроксида железа (III) (в сухом весе), и эта масса добавляется к объёму образовавшегося осадка до учёта связанной с ним воды.

В литературе отмечается, что превышение необходимой дозы приводит к одновременному увеличению как затрат, так и количества осадка. Что касается влияния железа на способность осадка к обезвоживанию, то в имеющихся источниках нет единого мнения. Поэтому это влияние измеряется на осадке самой станции перед определением точки добавления.

Краткое сравнение с биологическим удалением

Усиленное биологическое удаление фосфора (EBPR) основано на микроорганизмах, в которых накапливаются фосфатные соединения, а их среда обитания чередует анаэробные и аэробные условия. В анаэробной зоне им требуется легкоусвояемый источник углерода, такой как летучие жирные кислоты, за который с ними конкурируют другие организмы. Поэтому их эффективность зависит от состава сточных вод и условий эксплуатации.

Что касается химического осаждения, то оно отличается быстрой реализацией и не требует корректировки биологического процесса, а оператор контролирует результат путем регулирования дозировки. В свою очередь, станция постоянно несет расходы на химикаты и производит больше осадка. Поэтому многие станции сочетают оба метода: биологическое удаление значительной части фосфора и химическое осаждение в качестве этапа доочистки или поддержки для достижения требуемого уровня. Выбор между этими двумя вариантами зависит от капитальных и эксплуатационных затрат, а также от условий конкретной станции.

Эксплуатационные рекомендации

1. Тестирование дозировки на реальной воде является основой для определения оптимальной дозы и точки добавления и должно повторяться при изменении состава воды.
2. Быстрое перемешивание в точке впрыска: лабораторные исследования показывают, что железо, добавленное непосредственно в воду, содержащую фосфаты, более эффективно удаляет их, чем предварительно подготовленный гидроксид железа (III), поэтому точка впрыска проектируется таким образом, чтобы раствор быстро рассеивался в воде.
3. Избегайте передозировки: это увеличивает затраты и объём осадка, а также требует пересмотра предельных значений остаточного содержания железа в сточных водах, если такие значения указаны в разрешении.
4. Материалы и обращение: раствор является кислотным и сильно коррозионным по отношению к металлам. В резервуарах, насосах и линиях впрыска следует использовать неметаллические материалы или соответствующие футеровки. В паспорте безопасности указано, что запрещается хранить раствор вместе с металлами, щелочами и восстановителями, а также что при контакте с такими металлами, как алюминий и цинк, возможно образование больших количеств водорода.
5. Безопасность: Версия 2 паспорта безопасности (SDS) для 40%-ного раствора хлорида железа (III) от компании Egy Chem Hub классифицирует данное вещество как потенциально коррозионное по отношению к металлам (H290), опасным при проглатывании (H302), вызывающим сильные ожоги кожи и повреждение глаз (H314), а также вызывающим серьёзное повреждение глаз (H318). Перед работой с веществом необходимо надеть перчатки, средства защиты глаз и лица, а также защитную одежду и ознакомиться с паспортом безопасности.

Раствор хлорида железа (III) концентрацией 40 % от компании Egy Chem Hub

Компания Egy Chem Hub поставляет раствор хлорида железа (III) концентрацией 40 % (Ferric Chloride Solution 40 %, торговое название ECH-FR4014), представляющий собой красновато-коричневый водный раствор, используемый в качестве коагулянта при очистке питьевой, технологической и сточной воды. В техническом паспорте (TDS) указаны следующие характеристики:

• Концентрация до 40 % (±2 %) по массе, то есть 400 г/кг, что соответствует примерно 568 г/л при удельной плотности 1,42.
• Содержание железа — от 13 до 14 %, двухвалентного железа — до 1 %, свободной кислотности — до 1 %.
• Удельная плотность — 1,42 (±0,02) при 20 °C; полностью растворяется в воде.
• Оптимальная доза определяется путем пробного введения; препарат можно вводить в концентрированном виде или после разбавления.

Упаковывается в бочки из HDPE вместимостью 280 кг и контейнеры IBC вместимостью 1 400 кг, а также поставляется навалом. Страна-производитель — Египет, срок хранения — 12 месяцев, минимальный объем заказа — одна бочка (280 кг). Продукт производится на предприятии, зарегистрированном в NSF в соответствии со стандартом NSF/ANSI/CAN 60 для использования в качестве коагулянта и флокулянта при очистке питьевой воды. Максимальная доза использования, зарегистрированная в списке NSF, составляет 100 мг/л, рассчитанная на основе FeCl₃ (согласно данным Egy Chem Hub) для применения в питьевой воде; она не используется для определения доз сброса. Листы TDS и SDS предоставляются по запросу.

Контакты

Чтобы запросить ценовое предложение или технические характеристики раствора хлорида железа (III) концентрацией 40 %, свяжитесь с командой Egy Chem Hub и приложите имеющиеся у вас данные о вашей воде: уровень и форма фосфора, щелочность, рекомендуемая точка добавления и требуемый предел сброса.