Фосфаты в воде

Фосфаты являются неорганическими соединениями элемента фосфора, а именно солями, образующимися при вступлении в реакции ортофосфорной кислоты H ₃PO ₄ (её также называют фосфорной) с различными металлами, к примеру, железом, алюминием, калием.

Молекулы фосфорной кислоты имеют особую структуру, благодаря которой образуются разнообразные фосфаты, различающиеся по строению, составу, степени растворимости в воде, термической стабильности. Так, к растворимым относят дигидрофосфаты и гидрофосфаты. Растворимость фосфатов хуже.

Полезная информация! Полифосфаты в разных условиях имеют способность изменять свои свойства, такие как стабильность при нагревании, степень растворимости. Это соединения, являющиеся макроэргическими линейными полимерами ортофосфорной кислоты.

Как появляются фосфаты в воде? Есть разные источники загрязнения:

• Сельское хозяйство. Для активного роста, нормального развития, обильного плодоношения некоторых окультуренных растений используют фосфорные удобрения. Из почвы фосфат-ионы проникают в грунтовые воды, а также частично осадками вымываются в близлежащие водоёмы.
• Полифосфаты, ортофосфаты есть в природе в некоторых фосфатных породах, таких как фосфориты, апатиты. Из них соединения частично вымываются, выветриваются, проникая в подземные воды, а также в наземные водоёмы.
• Промышленность: пищевая, химическая, металлургическая. В данных сферах широко применяются соединения фосфора, например, полифосфаты в приготовлении продуктов питания (колбас, газированных напитков, сыров, выпечки), для производства бытовых моющих и чистящих средств, а также продукции для умягчения чрезмерно жёсткой воды, для получения удобрений, для выпуска флюсов, фреонов и пассиваторов, для обработки металлов. Стоки промышленных предприятий обычно поступают в водоёмы, и если отходы не проходят должную обработку, то они сильно загрязняют природные водные источники.
• Антропогенный фактор, под которым скрывается повседневная деятельность человека – активное применение бытовой химии (стиральных порошков, жидкостей для мытья посуды), употребление фосфорсодержащих продуктов.
• Образование в естественной природной среде. Кислород, фосфор и азот являются биогенными элементами, которые участвуют в биологических циклах. Такие вещества имеют важное значение, так как служат участниками процессов энергетического обмена. В окружающую среду фосфор попадает при разложении растений, автолизе остатков животных, рыб.

В природной воде концентрации фосфатов могут изменяться со сменой времён года. Также содержание зависит от вида водоёма. Так, в морских водах в межсезонье количество соединений снижается, а летом и зимой растёт. В пресных водоёмах всё происходит иначе. Летом и весной концентрации ниже, а вот осенью и зимой они повышаются.

Если в водном источнике уровень кислотности pH более 6,5, это указывает на то, что количество растворённых ионов НРО ₄ ^-2 составляет порядка 90%. И данная форма неорганического фосфора является основной.

Какова норма количества фосфатов в воде? Предельно допустимые концентрации, то есть ПДК зависят от целей использования водных ресурсов. Рассмотрим несколько случаев с указанием максимального количества в мг/дм ³, то есть миллиграммах на литр:

• Допускаемое нормативами содержание фосфатов в объектах питьевого, бытового и хозяйственного водопользования составляет в перерасчёте на фосфат-ион 3,5 мг/л. Такая вода пригодна для питья, пищевых производств. Содержание фосфора в перерасчёте на данный химический элемент не может быть выше 1,1.
• ПДК в воде водопроводной – 0,4.
• Максимальные концентрации фосфатов в природной воде зависят от вида водоёма. Если он эвтрофный, например, мелкий пруд с высокой концентрацией органики, то для него норма – 0,2 мг/л в пересчёте на фосфор. Для мезотрофных водоёмов, к которым относятся озёра со средним содержанием питательных растворённых веществ, ПДК – 0,15 миллиграммов на литр. Максимум для олиготрофного типа водоёмов с низкой концентрацией органики составляет 0,04.
• ПДК фосфатов для рыбохозяйственных водоёмов – 0,2.
• В обратной воде, очищенной после применения в хозяйственных или бытовых целях и предназначенной для повторного использования, фосфатов должно содержаться не более 0,03.
• Общий фосфор в сточных водах до их очистки должен присутствовать в концентрации не выше 12 миллиграммов на литр.

Определение фосфора и его соединений требует лабораторного анализа. Даже если ПДК фосфатов в питьевой воде выше норм, это может оставаться незаметным. Органолептические свойства при наличии данных веществ практически не меняются. Но даже если вода внешне чиста и на вкус нормальна, изучить её состав необходимо.

Фосфор и его соединения, содержащиеся в воде, можно обнаружить в ходе специальных исследований проб, которые проводятся способами, основанными на связях фосфатов с кислотами и щелочами, а также на растворимости веществ в аммиачных растворах и водной среде. Используют такие методы анализа:

• Колориметрический. Его суть – процесс гидролиза полифосфатов. Они в результате такой реакции образуют ортофосфаты, а затем при дальнейшей обработке формируют соединения с молибденом, имеющие синий оттенок. Данный окрашенный раствор изучают – измеряют длину волны. Но при таком методе точность снижается при наличии в воде силикатов, нитритов, железа. Для нейтрализации их воздействия применяют дополнительные реактивы или разбавляют раствор. Колориметрия отнимает много времени и сил, она трудоёмкая и затратная.
• Спектрофотометрический. Исследование проводят с помощью электронных приборов, которые отслеживают изменения прохождения световых потоков через образцы. Анализы по такой методике проводятся быстрее, чем при колориметрии, а реагенты для них не нужны.

Могут ли фосфаты в воде причинять вред? Если их концентрации находятся в пределах норм, а сами соединения имеют природное происхождение, то они способны приносить пользу. Пример – активация процесса эвтрофикации естественных наземных водоёмов, в результате которого системы водооборота подвергаются биологическому обрастанию, обогащению питательными веществами и минералами.

Полезны фосфаты и для человека. Вообще, в нашем организме около 1,16% фосфора. Он есть в составе костных тканей, мембран клеток, нуклеиновых кислот (РНК, ДНК), эфиров глюкозы. Фосфаты органического типа участвуют в ферментных реакциях, в поддержании стабильного pH крови, образовании некоторых соединений (АДФ, АТФ), биохимических процессах, метаболизме, переносе энергии, сокращении мышц, биосинтезе.

Органические природные соединения фосфора способны организмом самостоятельно выводиться при их избытке. Но искусственные, синтетические фосфаты в питьевой воде могут быть вредны. Их негативное влияние на организм способно приводить к таким последствиям:

• Кальцификация кровеносных сосудов и клапанов вен. Такой процесс способен со временем вызывать сердечно-сосудистые заболевания, нарушать кровоснабжение тканей, повышать риски инфаркта миокарда.
• Патологии почек, например, почечная хроническая или острая недостаточность, которая приводит к образованию отёков, нарушает обменные процессы, а в тяжёлых случаях становится причиной летального исхода.
• Вымывания из костных тканей кальция. Из-за этого уменьшается плотность костей, увеличиваются риски их переломов.
• Ускорение процессов старения организма из-за нарушенного обмена веществ.
• Возникновение дерматологических заболеваний. Они сопровождаются сухостью кожи, её покраснением, раздражением.
• Изменение состава, свойств крови: её кислотности, уровня гемоглобина, сыворотки, содержания белка.
• Изменения кислотно-щелочного нормального баланса, водно-солевого обмена.

При очень высоких концентрациях фосфора в воде возможны отравления, сопровождающиеся такими симптомами, как мышечные судороги и спазмы, нарушения дыхания, усиление выделения слюны, пота и бронхиальной слизи, резкое снижение артериального давления, потеря сознания, паралич конечностей, рвота и диарея.

Вредны синтетические фосфаты и для водоёмов. В них вещества вызывают бурную, чрезмерную эвтрофикацию с неконтролируемым разрастанием водорослей и размножением цианобактерий. Они уменьшают содержание кислорода в воде, провоцируя гибель обитателей прудов и озёр, изменение экосистемы.

Вода с фосфатами причиняет вред и нагревательному, отопительному оборудованию. Она снижает качество и прочность сварных швов корпусов, влияет на пластичность металлов, запускает формирование трещин, делает сталь хрупкой, а также провоцирует появление осадка или налёта.

Как решить проблему загрязнения воды фосфатами? Существуют разные методы очистки:

• Обратный осмос. Обратноосмотические фильтры – это оборудование с особой мембраной, обладающей полупроницаемой структурой с мельчайшими порами. Через них могут проходить только молекулы воды. А больше 99% примесей задерживается и направляется в канализацию.
• Ионный обмен. В ионообменных фильтрах используется смола – ионит, замещающий частицы сульфатов или иных соединений ионами водорода, натрия. Такое замещение нормализует состав воды.
• Сорбционные фильтры. В качестве фильтрующего материала зачастую применяют активированный уголь в картриджах или в виде загрузок. Он поглощает фосфаты, органику, некоторые другие вещества.
• Комплексные установки. Они популярны в последние дни и могут включать комплекс модулей: грубой предварительной механической очистки, ионного обмена или обратного осмоса, финишной тонкой фильтрации, иногда минерализации.
• Физико-химическая очистка. Она обычно применяется для переработки больших объёмов сточных вод и включает несколько этапов. Сначала осуществляется фильтрация для выведения взвешенных мелких частиц, далее вводятся коагулянты, иногда флокулянты. Такие вещества связывают фосфаты, переводят их в коллоидную форму и осаждают. После коагуляции применяется флотация или механическая очистка. Другой вариант физико-химической обработки – электрохимический, основанный на использовании электродов и тока.
• Биологическая обработка. Она предполагает внедрение в стоки активного ила, в котором находятся анаэробные и аэробные бактерии, использующие для своей жизнедеятельности фосфаты. Такие микроорганизмы, находящиеся в питательном субстрате, потребляют фосфорные соединения. Последние переходят в биомассу, которая выделяется из основного объёма воды.
• Комбинированные методы. Они могут включать последовательность процессов, например, химическую коагуляцию, биологическую очистку, механическую фильтрацию.

Очистка от обнаруженных фосфатов – непростая задача, требующая ответственного подхода. В последние годы качеству воды уделяется особое внимание, поэтому разрабатываются новые методы, а старые совершенствуются.

Чтобы сделать верный выбор методики водоочистки, важно учесть несколько главных факторов: область использования (хозяйство, питьевое водоснабжение, промышленность), необходимое качество очищенной воды, сложность обслуживания оборудования, его производительность и другие моменты. Если вы не можете определиться, возможно воспользоваться помощью специалистов.