Очистка воды от органического азота

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКОГО АЗОТА
Для понимания процессов, проистекающих в стоках, необходимо правильно
классифицировать фазово-дисперсные состояния веществ, загрязняющих сточную воду,
после чего способы и методы их отделения становятся очевидными.
Одним из наиболее трудно отделяемых загрязнений является органический азот,
который образует в сточной воде достаточно сложную систему равновесий.
В базовую воду хозяйственно-питьевого назначения органический азот
первоначально попадает в виде веществ, имеющих аминогруппы NH2. Данные вещества
называются аминами и в общем виде обозначаются NH2R. Одним из названных веществ
является карбамид (NH2)2CO или мочевина. На примере взаимодействия данного
органического соединения и хозяйственно-питьевой воды покажем, как образуется аминоаммонийная равновесная система.
Итак, карбамид частично диссоциирует в базовой воде с образованием
растворенных аммиака и углекислого газа:
(NH2)2CO + H2O кд 
 2NH3 + CO2 (1)
Аммиак, полученный в результате данной химической реакции, также подвергается
частичной диссоциации с образованием ионов аммония и гидроксильных групп OH-:
+
NH3• H2O кд 
 NH 4 + OH
Углекислый газ, в свою очередь, реагирует с водой и образует угольную кислоту,
которая частично диссоциирует на бикарбонаты и карбонаты:
CO2 + H2O 
 H2CO3
H2CO3
кд1 
H+ + HCO-3
HCO-3
кд2 
2H+ + CO2-3


Отметим, что коэффициент первой ступени диссоциации угольной кислоты (Кд1)
много больше коэффициента диссоциации аммиака (Кд), а последний много больше
коэффициента второй ступени диссоциации названной кислоты, поэтому химическая
реакция (1) может быть записана в следующем виде:
(NH2)2CO → NH3 + NH+4 + HCO-3 + H+ + OHНа основании выше изложенного, амино - аммонийная равновесная система в
общем виде отображается следующим образом:

+
NH2R 
 NH3  NH 4 (2)
То есть, в сточной воде одновременно присутствуют молекулярно-растворенные
вещества, имеющие аминогруппы (амины), молекулярно растворенный аммиак и азот
аммонийный в ионной форме. Сумма концентраций данных загрязнений характеризует
общее количество органического азота в сточной воде. Равновесное соотношение между
концентрациями аминов, аммиака и ионов аммония целиком и полностью зависит от рН
базовой воды, а самое главное от ее собственного щелочного резерва (щелочности – Щ).
Другими словами, соотношение между концентрациями аминов, аммиака и ионов
аммония определяется индивидуальными особенностями базовой воды хозяйственнопитьевого назначения и является специфичным для каждого конкретного объекта.
В целом:
- Если рН>7, Щ>2,5 (мг-Экв/л), то основная концентрация азота органического
приходится на долю аминов и аммиака, концентрация ионов аммония при этом
незначительна;
- Если 6≤рН<7, Щ<1,5 (мг-Экв/л), то основную концентрацию азота органического
составляют амины и ионы аммония, концентрация аммиака при этом незначительна;
- Если рН≤6, а Щ отсутствует, то азот содержится в основном в виде ионов
аммония.
Хозяйственно-питьевая вода, например, в Башкортостане отличается высоким
значением рН (8-8,5) и значительным щелочным запасом (3,5-4,5 мг-Экв/л), поэтому в
хозяйственно-бытовых стоках органический азот содержится, в основном, в виде
молекулярно растворенных аминов и аммиака. При этом концентрация ионов аммония не
превышает 0,5-2 (мг/л).
В процессе очистки с помощью сорбционных фильтров из стоков извлекаются
аммиак и молекулярно растворенные вещества, содержащие амино - группы. Следует
отметить, что степень извлечения с помощью активированного угля аммиака, также как и
любого другого растворенного газа, значительно выше, чем аминов. Поэтому равновесие,
отображенное в выражении (2) после обработки стока на сорбционном фильтре
нарушается, т.к. аммиак полностью отделяется от воды, амины частично остаются в
растворенном состоянии, а концентрация ионов аммония не изменяется.
На основании вышеизложенного, амино-аммонийная равновесная система после очистки
стока методом сорбции отображается следующим образом:
NH2R 
NH+4 (3)

В течении длительного времени амины, концентрация которых значительно
снижена на сорбционном фильтре, переходят в форму растворенного аммиака, который в
свою очередь диссоциирует с образованием ионов аммония и гидроксильных групп ОН -, в
результате чего показатель рН воды увеличивается. Данный процесс, т.е. трансформация
аминов малой концентрации (до 2 мг/л) в аммиак, а затем в аммоний-ион, может быть
значительно ускорен путем интенсивного перемешивания воды, что и происходит в
трубопроводе значительной длины. Поэтому неудивительно, что концентрации аммония
перед транспортировкой по длинному трубопроводу и после нее значительно отличаются
и при этом рН воды после трубопровода увеличивается.
Во избежание данного негативного явления необходимо оценить эффективность
очистки молекулярно-растворенных аминов методом сорбции. Для этого следует
определить скорость фильтрации (  ф) на сорбционном фильтре:
 ф = 0,785Q/dф2 (м/час), где Q (м3/час) – количество воды, проходящей через
сорбционный фильтр; dф – диаметр сорбционного фильтра.
При этом  ф = 10-12 (м/час) – при очистке аминов с помощью импортного
активированного угля из скорлупы кокосового ореха, например, марки 207С.
 ф = 5-6 (м/час) – при очистке аминов с помощью березового активированного угля,
например, марки БАУ.
Если скорость фильтрации превышает названные значения, то полного
извлечения аминов из стока не наблюдается и в этом случае, проистекает вышеуказанный
эффект их трансформации в аммиак, затем в ионы аммония с увеличением рН воды.
Для полного извлечения органического азота, после сорбционного фильтра
необходимо использовать дополнительный фильтр со специализированной Ккатионитовой загрузкой марки «ФЛ», предназначенной для селективного удаления
ионов аммония из сточной воды, вне зависимости от ее жесткости. Другими словами,
загрузка «ФЛ» извлекает из стока ионы аммония, замещая его ионами калия, при
этом концентрации ионов кальция и магния не изменяются.