Инновационное использование побочных продуктов отходов в качестве питательных средств для удаления СПИДа в очистных сооружениях

Понимание удаления питательных веществ в очистных сооружениях

Установки водоочистки сталкиваются с постоянными проблемами в удалении избытка питательных веществ из сточных вод, прежде чем они снова войдут в естественные водные системы. Азот и фосфорные соединения, будучи необходимыми для жизни в контролируемых количествах, становятся опасными загрязнителями при высоких концентрациях. Когда эти питательные вещества достигают озер, рек и прибрежных вод, они питают взрывной рост водорослей, который истощает растворенный кислород, блокирует солнечный свет и создает мертвые зоны, где водная жизнь не может выжить. Процесс эвтрофикации наносит ущерб экосистемам, угрожает поставкам питьевой воды и ежегодно стоит миллиарды долларов в восстановлении окружающей среды и теряет рекреационную ценность.

Поэтому удаление питательных веществ стало критическим нормативным требованием для очистных сооружений во всем мире. Агентство по охране окружающей среды США определяет загрязнение питательными веществами как одну из самых распространенных и дорогостоящих экологических проблем в стране, в то время как Рамочная директива Европейского союза по воде устанавливает строгие ограничения на сбросы азота и фосфора. Для удовлетворения этих стандартов требуются эффективные, надежные и все более доступные технологии обработки.

Основная проблема заключается в химии этих питательных веществ. Азот появляется в сточных водах в виде аммиака, нитратов и органических соединений азота, каждый из которых требует различных путей очистки. Фосфор существует в основном в виде ортофосфата, который может быть удален путем химического осаждения или биологического поглощения. Оба подхода имеют ограничения, особенно в отношении стоимости, потребления химических веществ и образования вторичных потоков отходов. Это создало сильные стимулы для поиска альтернативных методов, которые являются эффективными и устойчивыми.

Ограничения традиционных подходов к удалению питательных веществ

Обычные технологии удаления питательных веществ хорошо служили очистным сооружениям в течение десятилетий, но они несут значительное операционное и экологическое бремя, которое все труднее оправдать в эпоху ужесточения бюджетов и мандатов в области устойчивого развития.

Химические осадки с использованием солей металлов, таких как квасцы или хлорид железа, эффективны для удаления фосфора, но они потребляют большое количество химических веществ и производят значительные объемы химического осадка. Этот осадок должен обезвоживаться и утилизироваться, часто за значительные средства. Стоимость солей металлов также резко возросла в последние годы, оказывая давление на производственные бюджеты. Кроме того, содержание алюминия и железа в осадке может осложнить полезные варианты повторного использования, такие как применение земли.

Биологические процессы удаления питательных веществ (BNR) используют специализированные бактерии для преобразования азота в безвредный газ азота посредством нитрификации и денитрификации, в то время как фосфор-аккумулирующие организмы включают фосфор в свою биомассу. Эти системы являются операционно сложными, требующими тщательного контроля растворенного кислорода, источников углерода, времени удержания твердых веществ и температуры. Растения BNR также чувствительны к ударным нагрузкам и токсическим расстройствам, и они могут испытывать ухудшение производительности в холодные месячники. Требования к энергии для аэрации сами по себе могут составлять 50-70 процентов от общего потребления электроэнергии на заводе.

Оба подхода порождают потоки отходов, требующие дальнейшего управления. Химический исланд и биологические отходы, активированные илом, должны быть стабилизированы, обезвожены и транспортированы на места захоронения или в пункты полезного использования. Углеродный след обычного удаления питательных веществ, особенно от химического производства и потребления энергии, является существенным. Эти ограничения побудили исследователей и операторов исследовать альтернативные материалы, которые могут выполнять удаление питательных веществ по более низкой цене, с уменьшенным воздействием на окружающую среду и в идеале при одновременном решении другой проблемы отходов.

Побочные продукты отходов как питательные средства для удаления СПИДа

Концепция использования побочных продуктов отходов для удаления питательных веществ превращает две проблемы в одно решение. Отрасли генерируют огромное количество твердых остатков, которые требуют удаления, часто на свалках или в водохранилищах. Одновременно водоочистные сооружения нуждаются в материалах, которые могут адсорбировать, осаждать или биологически усиливать удаление питательных веществ. Соответствуя этим потребностям, операторы могут обеспечить недорогие или даже бесплатные среды обработки при отводе промышленных отходов от удаления. Следующие побочные продукты показали особую перспективу в исследованиях и полномасштабных приложениях.

Летать Эш

Летучая зола — это мелкодисперсные остатки твердых частиц, улавливаемые из потоков дымовых газов при сжигании угля для производства электроэнергии. Мировое производство превышает 750 млн. метрических тонн в год, при этом только около половины из них эффективно повторно используются в производстве бетона, дорожном строительстве или других приложениях. Остальная часть поступает на свалки или в пруды золы, где она представляет экологические риски от выщелачивания тяжелых металлов и беглых выбросов пыли.

Значение летучей золы для удаления питательных веществ обусловлено её химическим составом и физическими свойствами. Высокое содержание глинозема, кремнезема, оксидов железа и оксидов кальция обеспечивает реактивные поверхности для адсорбции фосфора. Кальций в муховой золе может осаждать фосфор в виде минералов фосфата кальция, в то время как соединения алюминия и железа образуют фосфатные комплексы, которые являются высокостабильными. Пористая структура частиц муховой золы также обеспечивает значительную площадь поверхности для адсорбции, с типичными значениями в пределах от 0,5 до 5 квадратных метров на грамм.

Исследования продемонстрировали способность удаления фосфора от 10 до 50 миллиграммов на грамм мухи, в зависимости от состава золы и условий раствора. Щелочная муха с высоким содержанием кальция, как правило, лучше всего работает, поскольку они одновременно повышают рН и обеспечивают ионы кальция для осадков. Кислотная муха требует корректировки рН для достижения оптимальной производительности, но все еще может быть эффективной после соответствующего кондиционирования. Модифицированные материалы мухи, полученные путем химической обработки или термической активации, могут достигать еще более высоких мощностей удаления и более быстрой кинетики.

Несколько экспериментальных исследований подтвердили наличие фильтров муховой золы для полировки вторичных стоков на муниципальных установках по очистке сточных вод. На объекте в Огайо более двух лет действовала система фильтрации муховой золы, которая позволила добиться среднего удаления фосфора на 85 процентов при стоимости, существенно ниже химической осадки. Отработанная муховая зола, обогащенная фосфором, также была оценена как удобрение с медленным высвобождением, закрывая цикл восстановления питательных веществ, который идеально соответствует принципам круговой экономики.

Биокар

Биочар — богатый углеродом твердый остаток, образующийся при нагревании биомассы в среде с ограниченным кислородом посредством пиролиза. Производственное сырье включает сельскохозяйственные остатки, такие как кукурузный покров, рисовая шелуха и ореховые раковины, а также отходы лесного хозяйства, обрезку городских дворов и даже навозы животных. Преобразование этих потоков отходов в биоуголь предотвращает выбросы метана от разложения при производстве стабильного углеродного материала, который может сохраняться в окружающей среде на протяжении веков.

Эффективность биохара для удаления питательных веществ сильно зависит от отбора сырья и условий пиролиза. Высокотемпературные биочары (700-900 градусов по Цельсию) развивают большую площадь поверхности и пористость, при этом значения достигают 300-500 квадратных метров на грамм для оптимизированных материалов. Эти биочары эффективно адсорбируют органические соединения и аммиак, но могут демонстрировать ограниченную адсорбцию фосфора, если не модифицировать. Низкотемпературные биочары (350-500 градусов по Цельсию) сохраняют больше функциональных групп кислорода на своих поверхностях, включая карбоксиловые и гидроксильные группы, которые могут связывать ионы фосфата посредством обмена лигандов и электростатических взаимодействий.

Инженерные биоугольные материалы представляют собой захватывающий рубеж в этой области. Физическая активация паром или углекислым газом при высоких температурах может удвоить или утроить площадь поверхности. Химическая активация с использованием гидроксида калия, фосфорной кислоты или хлорида цинка вводит специфические функциональные группы, которые усиливают связывание питательных веществ. Загрузка биоугольного материала магнием, кальцием или железом посредством предварительной обработки создает материалы, которые осаждают фосфор в качестве стабильных минеральных фаз, достигая в некоторых исследованиях мощности удаления, превышающие 100 миллиграммов на грамм.

Заметное применение включает в себя включение биоуголь в построенные водно-болотные угодья и системы очистки ливневых вод. Биоуголь обеспечивает субстрат с высокой площадью поверхности для роста микробной биопленки при одновременном адсорбировании питательных веществ. Обработка водно-болотных угодий в Дании, модернизированная с использованием почвы с биоугольным покрытием, достигла 90-процентного удаления фосфора за три года эксплуатации по сравнению с 40 процентами в обычных водно-болотных угодьях. Биоуголь также улучшил удержание воды, уменьшил засорение и поддержал разнообразное микробное сообщество, которое улучшило удаление азота посредством сопряженной нитрификации-денитрификации.

Лаймовый шлам

Осадок извести, также называемый осадком известковой смягчающей или осадковой установки, образуется при использовании извести для смягчения жесткой воды. Процесс удаляет кальций и магний, вызывая их в виде карбоната кальция и гидроксида магния, производя суспензию, содержащую 10-30 процентов твердых веществ по весу. Типичная установка очистки воды среднего размера производит несколько тысяч тонн этого осадка ежегодно, а затраты на утилизацию представляют собой значительные эксплуатационные расходы.

Высокое содержание кальция в известковом осадке делает его идеальным для осадков фосфора. При добавлении в сточные воды кальций в осадке реагирует с ионами фосфата с образованием гидроксиапатита и других минералов фосфата кальция, которые легко оседают из раствора. Осадок также обеспечивает щелочность, которая буферизирует pH, поддерживая условия, благоприятные для осадков. Многие известковые осадки содержат остаточный магний, алюминий или железо из процесса очистки воды от источника, что может дополнительно усилить удаление фосфора через механизмы совместного осаждения.

В ходе исследований сообщалось об эффективности удаления фосфора на 70-95 процентов с использованием добавок известкового осадка, производительность которых зависит от дозировки, условий смешивания и концентрации фосфора в сточных водах. Оптимальный диапазон pH для осадков фосфата кальция составляет от 9 до 11, что может быть достигнуто при правильном дозировании. Одним из преимуществ осадка извести по сравнению с коммерческими известковыми продуктами является размер мелких частиц, что обеспечивает кинетику быстрой реакции и устраняет необходимость шлифования или измельчения перед использованием.

Несколько водохозяйственных предприятий на Среднем Западе США внедрили программы утилизации известкового осадка. Департамент водоснабжения Канзас-Сити разработал программу, которая направляет известковый осадок от очистки питьевой воды на соседнюю установку по удалению фосфора. Программа снизила химические затраты на установке по очистке сточных вод на 30 процентов, одновременно устраняя затраты на осадок на станции по очистке воды. Этот тип синергии внутри полезности иллюстрирует операционные и финансовые выгоды, которые может принести использование побочных продуктов отходов.

Стальной шлак

Сталелитейный шлак является побочным продуктом сталеплавильного производства, производимого при примесях в железной руде, объединяемых с потоками, такими как известь или доломит, для образования расплавленного материала, который плавает поверх стали. шлак отслаивается и охлаждается, в результате чего получается плотный, кристаллический материал, богатый кальцием, магнием, железом и оксидами алюминия. Мировое производство стального шлака превышает 300 миллионов тонн в год, при этом коэффициенты использования широко варьируются в зависимости от страны. В то время как большая часть этого материала используется в дорожном строительстве и производстве цемента, значительные количества все еще идут на свалки.

Химический состав стального шлака делает его высокореактивным для удаления питательных веществ. Свободные оксид кальция и оксид магния в шлаке медленно растворяются в воде, высвобождая ионы кальция и магния, которые осаждают фосфат. Процесс дополнительно усиливается высоким рН, генерируемым этими оксидами, который может превышать 11 в системах шлаковой воды. Окись железа в шлаке также способствует связыванию фосфата через поверхностные механизмы комплексации и обмена лигандов.

Широко изучены фильтры на основе стального шлака для удаления фосфора из стока ливневых вод, сельскохозяйственного дренажа и муниципальных сточных вод. Долгосрочное исследование на очистной станции в Пенсильвании показало, что фильтры шлака удаляли 80-90 процентов поступающего фосфора в течение пятилетнего периода, при этом скорость удаления составляла 10-15 граммов фосфора на килограмм шлака. Фильтры не требовали химического добавления или ввода энергии за пределы насосной системы, необходимой для перемещения воды через носители, что делало их привлекательными для пассивных применений очистки.

Фильтры из стального шлака были особенно успешными для обработки сельскохозяйственного стока, который несет высокие нагрузки фосфора от применения удобрений. Служба сельскохозяйственных исследований USDA оценила системы фильтров шлака для дренажных плиточных розеток, демонстрируя последовательные улучшения производительности по сравнению с обычной практикой. Насыщенные шлаковые среды также поддерживают микробные сообщества, которые способствуют удалению азота, обеспечивая многофункциональный подход к обработке в одном единичном процессе.

Другие возникающие побочные материалы

Красная грязь, едкие отходы, образующиеся при производстве глинозема из боксита, содержат высокие концентрации оксидов железа и алюминия, которые эффективно связывают фосфат. Исследования продемонстрировали способность к удалению, превышающую 50 миллиграммов на грамм в оптимизированных условиях, хотя высокая щелочность и содержание следов металлов требуют тщательного управления.

Праховая зола от сжигания биомассы содержит оксиды кальция, калия и магния, которые осаждают фосфаты и повышают рН. Она была оценена для обработки сельскохозяйственного дренажа и может применяться либо в качестве фильтрующей среды, либо в качестве прямой добавки к притокам системы обработки.

Отходы строительства и сноса , включая измельченный бетон и кирпич, обеспечивают щелочные источники кальция, которые могут удалять фосфор. Эти материалы широко доступны по низкой цене и имеют преимущество предварительной обработки до согласованных размеров частиц, подходящих для применения в фильтрах.

Отстоявшиеся отложений из гаваней и водных путей могут быть переработаны в легкие агрегаты, которые служат в качестве адсорбционной среды фосфора.Тепловая обработка при высоких температурах превращает отложения в керамический материал с умеренной адсорбционной способностью, а также уничтожает органические загрязнители и патогены.

Механизмы удаления питательных веществ с использованием отходов побочных продуктов

Понимание основных механизмов, с помощью которых отходы выводят питательные вещества, имеет важное значение для оптимизации проектирования системы и прогнозирования долгосрочной эффективности. В этих системах обработки действуют три основных механизма, часто одновременно.

Процессы адсорбции

Адсорбция предполагает прикрепление ионов питательных веществ к поверхности побочного материала посредством физических или химических взаимодействий. Физическая адсорбция является результатом сил ван-дер-Ваальса и электростатического притяжения, в то время как химическая адсорбция включает образование ковалентных связей между питательными веществами и поверхностными функциональными группами. Высокие поверхностные области материалов, таких как биоуголь и активированная летучая зола, обеспечивают обильные участки для этих взаимодействий.

Адсорбция фосфата обычно включает обмен лиганда с поверхностными гидроксильными группами на оксидах металлов. Поверхности оксида железа и алюминия, распространенные в муховой золе, стальном шлаке и красной грязи, образуют внутрисферные комплексы с фосфатом, которые являются высокостабильными и устойчивыми к десорбции. Это сильное связывание означает, что отработанные среды могут потребовать обработки для регенерации, но также гарантирует, что захваченный фосфор не легко высвобождается обратно в обработанную воду.

Адсорбция аммония происходит в первую очередь через катионный обмен, где положительно заряженные ионы аммония заменяют другие катионы на отрицательно заряженных поверхностях. Поверхности биочара, богатые кислородными функциональными группами, глиняными минералами и цеолитными фазами в золе мухи способствуют этой способности. Адсорбция аммония обычно обратима, и изменения в химии воды могут вызвать высвобождение, если не управлять должным образом.

Реакции осадков

Осадки предполагают образование твердых минеральных фаз при сочетании ионов питательных веществ с контрионами, выделяемыми из побочного материала. Высокое содержание кальция в известковом иле, стальном шлаке и древесной золе приводит к осаждению минералов фосфата кальция, включая дигидрат дигидрата диоксида диксида диксида (брашит) и гидроксиапатит. Эти минералы термодинамически стабильны в типичных условиях окружающей среды и представляют собой постоянный путь удаления.

Ионы магния из стального шлака и некоторых биоугольных материалов могут осаждать фосфат в виде струвита (фосфат магния аммония), когда присутствует достаточное количество аммония. Струвит является ценным удобрением с медленным высвобождением, и его преднамеренное образование все чаще признается в качестве стратегии восстановления питательных веществ, а не просто процесса удаления. Несколько коммерческих систем восстановления питательных веществ основаны на контролируемых осадках струвитов с использованием источников магния, которые могут поставляться из побочных продуктов отходов.

щелочные условия, создаваемые многими побочными продуктами отходов, также способствуют осаждению карбонатных минералов, которые могут включать фосфат через совместное осаждение. Образование кальцита, обусловленное кальцием и щелочностью из шлака или известкового осадка, поглощает фосфат из раствора даже при относительно низких концентрациях кальция. Этот механизм обеспечивает дополнительный путь удаления, который работает в течение длительных периодов времени, поскольку побочный продукт медленно растворяется.

Биологическое улучшение

Многие побочные продукты отходов обеспечивают идеальные субстраты для микробных сообществ, которые выполняют биологическое удаление питательных веществ. Пористая структура биоугольного слоя и грубая текстура поверхности муховой золы и шлака обеспечивают обширную площадь поверхности для колонизации биопленки. Содержание органического углерода в биоугольном материале может служить электронным донором для денитрификации бактерий, усиливая удаление азота без необходимости добавления внешнего источника углерода.

Биоуголь, в частности, обогащает микробные сообщества более высоким разнообразием и метаболической активностью по сравнению с инертными средами. Электронная шатллинговая способность биочара, связанная с его хиноновой и гидрохиноновой функциональными группами, облегчает перенос электронов между микроорганизмами и их средой. Это может ускорить темпы денитрификации и повысить общую эффективность биологического удаления азота.

Стабильная среда, созданная в среде фильтров побочных продуктов, также защищает микроорганизмы от гидравлических ударных нагрузок и колебаний температуры. Эта устойчивость особенно ценна для небольших систем обработки и децентрализованных приложений, где оперативный надзор ограничен. Сочетание физико-химического удаления через адсорбцию и осадки с биологическим удалением через микробную активность создает надежный, многобарьерный подход к управлению питательными веществами.

Преимущества использования отходов для удаления питательных веществ

Интеграция побочных продуктов отходов в операции по очистке воды обеспечивает преимущества, которые распространяются на экологические, экономические и эксплуатационные аспекты.

Отвлечение отходов и снижение воздействия на окружающую среду.] Каждая тонна летучей золы, биоуголь или шлак, используемые в водоочистке, представляет собой тонну, которая не поступает на свалку или в водоем для хранения. Это снижает требования к землепользованию, предотвращает потенциальное загрязнение грунтовых вод от мест захоронения и предотвращает выбросы парниковых газов, связанные с разложением или сжиганием отходов. Иерархия управления отходами EPA определяет полезное использование в качестве предпочтительного варианта по сравнению с удалением, а приложения для очистки воды представляют собой высокоценный выход для материалов, которые в противном случае могли бы считаться отходами.