Общее содержание фосфора является важным показателем качества воды, оказывающим значительное влияние на экологическую среду водоемов и здоровье человека. Общий фосфор — одно из питательных веществ, необходимых для роста растений и водорослей, но если его концентрация в воде слишком высока, это приводит к эвтрофикации водоема, ускоряет размножение водорослей и бактерий, вызывает цветение водорослей и серьезно влияет на экологическую среду водоема. В некоторых случаях, например, в питьевой воде и воде бассейнов, высокий уровень общего фосфора может нанести вред здоровью человека, особенно младенцам и беременным женщинам.
Источники общего фосфора в воде
(1) Сельскохозяйственное загрязнение
Загрязнение окружающей среды в сельском хозяйстве в основном обусловлено интенсивным использованием химических удобрений, а фосфор из химических удобрений попадает в водоемы с дождевой водой или сельскохозяйственным орошением. Обычно растениям усваивается только 10-25% удобрения, а оставшиеся 75-90% остаются в почве. Согласно результатам предыдущих исследований, 24-71% фосфора в воде поступает из сельскохозяйственных удобрений, поэтому загрязнение воды фосфором в основном происходит из-за миграции фосфора из почвы в воду. По статистике, коэффициент использования фосфатных удобрений обычно составляет всего 10-20%. Чрезмерное использование фосфатных удобрений не только приводит к растрате ресурсов, но и вызывает загрязнение водных ресурсов избыточным количеством фосфатных удобрений через поверхностный сток.
(2) бытовые сточные воды
Бытовые сточные воды включают в себя сточные воды общественных зданий, бытовые сточные воды жилых домов и промышленные сточные воды, сбрасываемые в канализацию. Основным источником фосфора в бытовых сточных водах является использование фосфорсодержащих моющих средств, человеческие экскременты и бытовой мусор. В моющих средствах в основном используются фосфат натрия и полифосфат натрия, и фосфор из моющих средств попадает в водоемы вместе со сточными водами.
(3) Промышленные сточные воды
Промышленные сточные воды являются одним из основных факторов, вызывающих избыток фосфора в водоемах. Промышленные сточные воды характеризуются высокой концентрацией загрязняющих веществ, большим количеством различных загрязняющих веществ, трудностью разложения и сложным составом. Прямой сброс промышленных сточных вод без очистки окажет огромное негативное воздействие на водоемы, окружающую среду и здоровье населения.
Метод удаления фосфора из сточных вод
(1) Электролиз
В процессе электролиза вредные вещества в сточных водах подвергаются восстановительной и окислительной реакциям на отрицательном и положительном полюсах соответственно, превращаясь в безвредные вещества, что позволяет достичь цели очистки воды. Электролиз обладает преимуществами высокой эффективности, простоты оборудования, легкости эксплуатации, высокой эффективности удаления примесей и возможности промышленного производства оборудования; он не требует добавления коагулянтов, чистящих средств и других химикатов, не оказывает негативного воздействия на окружающую среду и одновременно снижает затраты. При этом образуется небольшое количество осадка. Однако метод электролиза требует потребления электроэнергии и стальных материалов, имеет высокие эксплуатационные расходы, сложен в обслуживании и управлении, а проблема комплексного использования осадка требует дальнейших исследований и решений.
(2) Электродиализ
При методе электродиализа под действием внешнего электрического поля анионы и катионы в водном растворе перемещаются к аноду и катоду соответственно, в результате чего концентрация ионов в середине электрода значительно снижается, а концентрация ионов вблизи электрода увеличивается. Если в середине электрода добавить ионообменную мембрану, можно достичь разделения и концентрирования. Разница между электродиализом и электролизом заключается в том, что, хотя напряжение электродиализа высокое, ток невелик, что не позволяет поддерживать необходимую непрерывную окислительно-восстановительную реакцию, тогда как электролиз работает наоборот. Технология электродиализа имеет преимущества в том, что не требует использования каких-либо химикатов, имеет простое оборудование и процесс сборки, а также удобна в эксплуатации. Однако существуют и некоторые недостатки, ограничивающие ее широкое применение, такие как высокое энергопотребление, высокие требования к предварительной обработке исходной воды и низкая стабильность результатов обработки.
(3) Метод адсорбции
Адсорбционный метод — это метод, при котором определенные загрязняющие вещества в воде адсорбируются и удерживаются пористыми твердыми частицами (адсорбентами) для удаления загрязняющих веществ из воды. Как правило, адсорбционный метод делится на три этапа. Во-первых, адсорбент полностью контактирует со сточными водами, обеспечивая адсорбцию загрязняющих веществ; во-вторых, происходит разделение адсорбента и сточных вод; в-третьих, происходит регенерация или обновление адсорбента. Помимо широко используемого активированного угля в качестве адсорбента, в водоочистке также широко применяется адсорбция на основе синтетических макропористых адсорбционных смол. Адсорбционный метод обладает преимуществами простоты эксплуатации, хорошего эффекта очистки и быстроты обработки. Однако он дорог, а эффект насыщения адсорбции снижается. При использовании адсорбции на смоле требуется анализ после насыщения адсорбции, а анализ сточных вод представляет собой сложную задачу.
(4) Метод ионного обмена
Метод ионного обмена основан на процессе ионного обмена, при котором ионы в воде обмениваются на фосфор в твердых веществах, а фосфор удаляется с помощью анионообменной смолы, что позволяет быстро удалять фосфор и обеспечивает высокую эффективность его удаления. Однако анионообменная смола имеет недостатки, такие как легкое отравление и сложность регенерации.
(5) Метод кристаллизации
Удаление фосфора методом кристаллизации заключается в добавлении в сточные воды вещества, сходного по поверхности и структуре с нерастворимым фосфатом, разрушении метастабильного состояния ионов в сточных водах и осаждении кристаллов фосфата на поверхности кристаллизационного агента в качестве зародышей кристаллов, после чего происходит отделение и удаление фосфора. В качестве кристаллизационных агентов могут использоваться кальцийсодержащие минеральные материалы, такие как фосфатная порода, костный уголь, шлак и др., среди которых фосфатная порода и костный уголь являются наиболее эффективными. Это позволяет экономить площадь и упрощает контроль, но предъявляет высокие требования к pH и определенной концентрации ионов кальция.
(6) Искусственное водно-болотное угодье
Искусственные водно-болотные угодья для удаления фосфора сочетают в себе преимущества биологического удаления фосфора, химического осаждения фосфора и адсорбционного удаления фосфора. Они снижают содержание фосфора за счет биологического поглощения и усвоения, а также адсорбции субстрата. Удаление фосфора происходит главным образом за счет адсорбции фосфора субстратом.
В заключение, описанные выше методы позволяют удобно и быстро удалять фосфор из сточных вод, но все они имеют определенные недостатки. При использовании одного из методов в чистом виде могут возникнуть дополнительные проблемы на практике. Вышеуказанные методы больше подходят для предварительной или углубленной очистки сточных вод от фосфора, а в сочетании с биологическим удалением фосфора могут обеспечить лучшие результаты.
Метод определения общего фосфора
1. Молибден-сурьмяная антиспектрофотометрия: Принцип анализа и определения с помощью молибден-сурьмяной антиспектрофотометрии заключается в следующем: в кислых условиях фосфор в образцах воды может реагировать с молибденовой кислотой и тартратом калия сурьмы в виде ионов, образуя кислые комплексы молибдена. Поликислота, а это вещество может быть восстановлено восстановителем аскорбиновой кислотой с образованием синего комплекса, который мы называем молибденовой синью. При использовании этого метода для анализа образцов воды следует применять различные методы разложения в зависимости от степени загрязнения воды. Разложение персульфатом калия обычно предназначено для образцов воды с низкой степенью загрязнения, а если образец воды сильно загрязнен, то обычно наблюдается низкое содержание кислорода, высокое содержание солей металлов и органических веществ. В этом случае необходимо использовать более сильное окисляющее реагентное разложение. Благодаря постоянным улучшениям и усовершенствованиям, использование этого метода для определения содержания фосфора в пробах воды позволяет не только сократить время мониторинга, но и обладает высокой точностью, хорошей чувствительностью и низким пределом обнаружения. По результатам всестороннего сравнения, это лучший метод определения.
2. Метод восстановления хлорида железа(II): Смешайте образец воды с серной кислотой и нагрейте до кипения, затем добавьте хлорид железа(II) и серную кислоту для восстановления общего фосфора до фосфат-ионов. Затем используйте молибдат аммония для проведения цветной реакции, а затем с помощью колориметрии или спектрофотометрии измерьте поглощение для расчета концентрации общего фосфора.
3. Высокотемпературное разложение-спектрофотометрия: Образец воды разлагается при высокой температуре для преобразования общего фосфора в неорганические ионы фосфора. Затем используется кислый раствор дихромата калия для восстановления фосфат-иона и дихромата калия в кислых условиях для образования Cr(III) и фосфата. Измеряется значение поглощения Cr(III), а содержание фосфора рассчитывается по стандартной калибровочной кривой.
4. Метод атомно-флуоресцентного анализа: общий фосфор в образце воды сначала преобразуется в неорганическую форму фосфора, а затем анализируется с помощью атомно-флуоресцентного анализатора для определения его содержания.
5. Газовая хроматография: Общее содержание фосфора в образце воды разделяется и определяется методом газовой хроматографии. Образец воды сначала обрабатывали для экстракции фосфатных ионов, затем в качестве растворителя для предколоночной дериватизации использовали смесь ацетонитрила и воды (9:1), и, наконец, общее содержание фосфора определяли методом газовой хроматографии.
6. Изотермическая турбидиметрия: общее содержание фосфора в образце воды преобразуется в фосфатные ионы, затем добавляются буферный раствор и реагент молибдованадофосфорной кислоты (MVPA) для образования желтого комплекса, измеряется значение абсорбции с помощью колориметра, после чего используется калибровочная кривая для расчета общего содержания фосфора.
Дата публикации: 06.07.2023
