Загрязнение водных объектов – одна из наиболее актуальных экологических проблем современности. В числе разнообразных загрязняющих элементов особое значение имеют азот и фосфор, которые, попадая в сточные воды, оказывают пагубное влияние на экологическую обстановку и здоровье людей. В данной статье мы детально изучим источники поступления азота и фосфора в сточные воды, их негативное воздействие, способы определения концентрации этих элементов, а также современные технологии очистки сточных вод от азота и методы удаления фосфора.

Фосфор и азот в сточных водах могут появляться из различных источников, как естественного, так и антропогенного характера. Понимание природы этих источников необходимо для разработки результативных стратегий очистки сточных вод.

• Хозяйственно-бытовые стоки 

Содержат значительное количество азота и фосфора, поступающих из моющих средств, стиральных порошков, пищевых отходов и продуктов жизнедеятельности человека.

• Промышленные сточные воды

Многие промышленные предприятия, в особенности предприятия пищевой, химической и сельскохозяйственной индустрии, осуществляют сброс сточных вод, содержащих повышенные концентрации азота и фосфора. Это могут быть отходы производства удобрений, животноводческих комплексов, предприятий, занимающихся переработкой мясной и молочной продукции.

• Сельскохозяйственные стоки

Применение минеральных удобрений в сельском хозяйстве приводит к тому, что часть азота и фосфора вымывается с полей дождевой и талой водой, попадая в водные объекты. Значимым источником загрязнения также являются стоки с животноводческих ферм.

Таким образом, источники азота и фосфора в сточных водах достаточно разнообразны, и для эффективной очистки необходимо учитывать все возможные пути попадания этих веществ в водные объекты.

Превышение содержания соединений азота и фосфора в водных объектах приводит к серьезным экологическим последствиям.

• Эвтрофикация водоемов

Переизбыток азота и фосфора приводит к стимуляции интенсивного роста водорослей и иных водных растений, т.к. данные соединения являются питательными веществами. Этот процесс, известный как эвтрофикация, приводит к значительному ухудшению качества воды, уменьшению содержания кислорода, гибели рыб и других обитателей водоемов.

• Загрязнение питьевой воды

Нитраты, образующиеся в результате окисления соединений азота, способны проникать в источники питьевой воды и представлять опасность для здоровья человека, особенно для детей младшего возраста. Высокая концентрация нитратов может провоцировать метгемоглобинемию – заболевание, при котором кровь теряет способность переносить кислород.

• Токсическое воздействие на водные организмы

Аммиак, являющийся одной из форм азота, оказывает токсичное воздействие на рыб и других водных животных. Даже небольшие концентрации аммиака способны вызывать стресс у рыб, снижать их сопротивляемость болезням и приводить к их гибели.

• Нарушение экологического равновесия

Избыток питательных веществ способен нарушить естественный баланс в водных экосистемах, вызывая изменения в видовом составе и структуре сообществ водных организмов.

• «Цветение» воды

Активное размножение сине-зеленых водорослей (цианобактерий) вызывает "цветение" воды, что сопровождается ухудшением ее органолептических показателей, образованием токсичных веществ и появлением неприятных запахов.

Следовательно, контроль за концентрацией азота и фосфора в сточных водах и их результативная очистка являются важными задачами для защиты водных ресурсов и обеспечения экологической безопасности.

Анализ содержания фосфора в сточных водах – важный этап мониторинга качества воды и оценки эффективности функционирования очистных сооружений. Существует несколько методов определения концентрации фосфора, каждый из которых характеризуется своими достоинствами и недостатками.

• Фотометрические методы

Наиболее часто применяемые методы анализа фосфора, основанные на измерении интенсивности окраски растворов, образующихся при взаимодействии фосфатов с определенными реагентами. К таким методам относятся:

Метод с молибдатом аммония - наиболее распространенный метод, основанный на формировании окрашенного комплекса между фосфатами и молибдатом аммония в кислой среде. Интенсивность окраски прямо пропорциональна концентрации фосфора.

Метод с аскорбиновой кислотой представляет собой модификацию метода с молибдатом аммония, в которой аскорбиновая кислота используется для восстановления молибденовокислого комплекса. Этот метод обладает большей чувствительностью и позволяет определять низкие концентрации фосфора.

• Ионная хроматография

Метод, позволяющий разделять и определять различные формы фосфора, такие как ортофосфаты, полифосфаты и органические фосфаты.

• Спектральные методы

Методы, основанные на измерении спектров поглощения или эмиссии фосфора. К ним относятся атомно-абсорбционная спектрометрия и масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS).

Выбор конкретного метода анализа фосфора в сточных водах определяется требуемой точностью, чувствительностью и наличием необходимого оборудования.

Определение концентрации азота в сточных водах является обязательным условием для контроля качества очистки и предотвращения загрязнения водных объектов. В стоках возможно содержание различных форм азота:

• Аммонийный азот (NH4+-N): продукт разложения органических веществ, часто обнаруживается в хозяйственно-бытовых и промышленных сточных водах.
• Нитритный азот (NO2--N): промежуточный продукт в процессе нитрификации – окисления аммиака до нитратов.
• Нитратный азот (NO3--N): конечный продукт нитрификации, может поступать в водные объекты с сельскохозяйственных полей и из других источников.
• Органический азот: азот, входящий в состав органических молекул, таких как белки, аминокислоты и мочевина.
• Общий азот в сточных водах: суммарное содержание всех форм азота, включая аммонийный, нитритный, нитратный и органический азот.

Для анализа азота в сточных водах применяются различные методы. Колориметрические методы основаны на измерении интенсивности окраски растворов, образующихся при взаимодействии различных форм азота с определенными реагентами. Метод с реактивом Несслера используется для определения аммонийного азота. Метод с грис-реактивом используется для определения нитритного азота. Метод с сульфаниловой кислотой определяет нитратный азот. Титрометрические методы онованы на измерении объема титранта, необходимого для реакции с определяемым веществом. Метод Кьельдаля используется для определения общего азота после предварительного перевода всех форм азота в аммонийную форму. Ионная хроматография позволяет разделять и определять различные формы азота. Спектральные методы используются для определения общего азота и отдельных форм азота.

При выборе метода анализа необходимо учитывать требуемую точность, чувствительность и наличие необходимого оборудования. Для определения общего азота в сточных водах часто применяется комбинация методов, включающая предварительное окисление всех форм азота до нитратов с последующим определением нитратов.

Удаление фосфора из сточных вод является важной ступенью в очистке стоков, направленной на предотвращение эвтрофикации природных водоемов. Существуют различные методы очистки сточных вод от фосфора, которые можно классифицировать на химические, биологические и физико-химические.

Химическое удаление фосфора: Основано на добавлении в стоки реагентов, которые связывают фосфаты в нерастворимые соединения, выпадающие в осадок. Наиболее часто используются соли железа (хлорид железа, сульфат железа) и соли алюминия (сульфат алюминия, полиалюминий хлорид). Образовавшийся осадок удаляется из воды путем отстаивания или фильтрации.

Биологическое удаление фосфора: Основано на использовании способности определенных микроорганизмов накапливать фосфор в своей биомассе. Этот процесс осуществляется в специальных биореакторах, где создаются условия, благоприятные для развития фосфор-аккумулирующих микроорганизмов. После насыщения биомассы фосфором избыточный ил удаляется из системы.

Физико-химические методы: Включают в себя различные методы, сочетающие физические и химические принципы.

Адсорбция: Использование адсорбентов, таких как активированный уголь или специальные смолы, для извлечения фосфатов из сточной воды.

Обратный осмос и нанофильтрация: Мембранные методы, позволяющие удалять из воды практически все растворенные вещества, включая фосфаты.

Выбор конкретного метода удаления фосфора из сточных вод зависит от концентрации фосфора в исходной воде, требуемой степени очистки, экономических факторов и наличия необходимого оборудования. Часто применяется комбинация различных методов для достижения максимальной эффективности.

Удаление азота из сточных вод – важная задача, направленная на снижение негативного воздействия соединений азота на окружающую среду. Существуют различные методы удаления азота из сточных вод, основанные на различных физико-химических и биологических принципах.

Биологические методы удаления азота:

Самый оптимальный и эффективный способ, основанный на использовании микроорганизмов для преобразования различных форм азота. Процесс состоит из двух основных этапов:

• Нитрификация: Окисление аммонийного азота до нитритов и затем до нитратов нитрифицирующими бактериями. Этот процесс требует наличия кислорода.
• Денитрификация: Восстановление нитратов до газообразного азота денитрифицирующими бактериями в анаэробных условиях (отсутствие кислорода). Для осуществления этого процесса необходимо наличие источника углерода (например, метанола или уксусной кислоты).

Физико-химические методы:

• Аммиачная дистилляция: Удаление аммиака из сточной воды путем нагревания и повышения pH. Выделившийся аммиак улавливается и используется для производства удобрений или других продуктов.
• Обратный осмос и нанофильтрация: Мембранные методы, позволяющие удалять из воды все растворенные вещества, включая соединения азота.
• Ионный обмен: Использование специальных ионообменных смол для извлечения аммония из сточной воды.

Химические методы:

• Химическое окисление: Окисление аммиака до газообразного азота с использованием сильных окислителей, таких как хлор или озон. Этот метод может быть эффективен для удаления высоких концентраций аммиака, но требует осторожного применения из-за образования токсичных побочных продуктов.

Выбор конкретного способа очистки сточных вод от азота зависит от концентрации азота в исходной воде, требуемой степени очистки, экономических факторов и наличия необходимого оборудования. Наиболее часто применяется комбинация биологических и физико-химических методов для достижения максимальной эффективности. Например, после биологической очистки может применяться обратный осмос для доочистки воды от остаточных соединений азота.

Для физико-химического метода очистки широко применяют современное оборудование: Флотационную установку HYDRO F. Оборудование является: Высокоэффективным, Экономичным, Компактным – занимает меньше места по сравнению с отстойниками. Более подробно об этом оборудование можно узнать тут: ”Флотационные установки HYDRO F“

В заключение, проблема загрязнения сточных вод азотом и фосфором требует комплексного подхода, включающего в себя выявление источников загрязнения, мониторинг концентрации этих веществ в воде и применение эффективных методов очистки. Внедрение современных технологий очистки стоков позволит сократить негативное воздействие на окружающую среду и обеспечить устойчивое развитие водных ресурсов.