автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии очистки городских сточных вод с использованием сорбента на основе избыточного активного ила

На правах рукописи

ВОЙТЮК АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОРБЕНТА НА ОСНОВЕ ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы

охраны водных ресурсов 05.23.19 - Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АПР 2015

005568009

Волгоград-2015

005568009

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно - строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

кандидат технических наук

Ведущая организация

Москвичева Елена Викторовна

Андреев Сергей Юрьевич ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», профессор кафедры «Водоснабжение, водоотведение и гидротехника»

Стёпкина Юлия Андреевна

Технический директор ООО Компания по защите природы «Экотор» (г. Волгоград)

Энгельсский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Защита состоится 09 июня 2015 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (корп. Б, ауд. 203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «//» апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юрьев Юрий Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время, одной из актуальных проблем, стоящих перед человечеством, является проблема сохранения водных ресурсов и их рационального использования. Значительный объем пресных вод попадает в разряд сточных.

Бытовые и промышленные стоки транспортируются на городские канализационные очистные сооружения, где традиционно используется двухступенчатая система очистки - механическая и биологическая. При всех достоинствах биологической очистки, на сегодняшний день, она не в состоянии обеспечить очистку до требований природоохранного законодательства, так как, зачастую, концентрация большинства загрязнителей в поступающих сточных водах существенно превышает определенный концентрационный уровень, что отрицательно влияет на жизнедеятельность микроорганизмов и, соответственно, на эффективность процесса. Лидирующее место в перечне загрязнителей после очистки принадлежит соединениям цинка, никеля, меди.

Как показали результаты анализа российских и зарубежных технологий, огромные объемы поступающих на биологическую очистку городских сточных вод затруднительно очищать до нормативных показателей. Требуется доочистка, что отражается на стоимостных характеристиках рассматриваемого производства.

Не менее важной проблемой является обработка и утилизация в процессе эксплуатации биологических станций очистки иловых осадков.

На основе обозначенного очевидна целесообразность совершенствования стандартной технологической схемы очистки городских сточных вод.

Представленная работа посвящена разработке и внедрению технологии обработки сточных вод перед биологической очисткой, с целью устранения, отравляющего активный ил, токсичного порога-избытка ионов цинка, меди и никеля на основе селективной сорбции материалом из отработанного активного ила, что подтверждает её актуальность.

Работа выполнена в рамках международной программы ЮНЕСКО «Человек и биосфера»; водной стратегии долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 г. N 1662-р.; долгосрочной областной целевой программы «Чистая вода» на 2009-2020 г. г. и плана научно - исследовательских работ кафедры «Водоснабжение и водоотведение» ВолгГАСУ.

Степень разработанности проблемы. В настоящее время отсутствуют экологически безопасные и экономически обоснованные технологии по извлечению из большого объема сточных вод солей тяжелых металлов, а также не предложен эффективный способ переработки отработанного активного ила в качестве сырья для получения сорбента.

Предлагаемый в диссертации метод положительно отличается от известных аналогов, прежде всего, по стоимостным и технологическим характеристикам.

Цель работы - совершенствование технологии очистки городских сточных вод, повышение экологической безопасности городских канализационных очистных сооружений.

Поставленная цель предопределила постановку следующих задач:

- анализ российского и зарубежного опыта по методам удаления ионов цинка, меди, и никеля из городских сточных вод, позволивший сформулировать схему экспериментального поиска по разработке экономичной, надежной в эксплуатации технологии предварительной очистки сточных вод до биологической очистки на основе сорбции;

- исследование адсорбционных свойств илового осадка, определение факторов активации его поверхности;

- расчет параметров технологической схемы предочистки;

- расчет фильтрационного сегмента и изготовление пилотной установки;

- определение области применения отработанного сорбента.

Основная идея работы состоит в повышении эффективности очистки

городских сточных вод, за счет разработки технологических решений предварительной подготовки стоков сорбционным методом, с применением сорбента на основе избыточного активного ила перед следующим этапом -биологической очистки.

Методы исследования. В работе для решения поставленных задач проводились как теоретические, так и экспериментальные исследования на модельных и реальных растворах в лабораторных и промышленных условиях на пилотной установке по стандартным методикам.

Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждена экспериментальными исследованиями, проведенными по стандартным методикам с применением приборов и оборудования, обеспечивающих точность и надежность получаемых результатов.

Научная новизна работы:

- установлена целесообразность использования избыточного активного ила как сырья для сорбента (площадь удельной поверхности 650 - 905 м2/г, что сопоставимо с активным углем);

- впервые, на основе изучения продуктов взаимодействия активного ила и ионов 1п - Си+3 - №+2, доказана необходимость извлечения их из сточных вод перед биологическим циклом очистки;

- теоретически обоснованно и подтверждено экспериментально, что наибольшая эффективность избирательного селективного действия сорбента по отношению к ионам Ъа2 - Си+2 - №+2 достигается, если величина химического сродства, будет увеличена путем активации, в частности электрохимической (вероятно, величины редокс-потенциала активного ила и потенциалов ионизации рассматриваемых - с! металлов становятся сопоставимыми);

- определены условия электрогенерации: постоянный катодный ток (плотность 0,02А/дм2, срк= - 250 мВ), время воздействия рассчитывается для конкретной площади катода;

- произведен расчет, определены материалы и оптимальные размеры фильтрационного сегмента (для Ус „=300000 м3/сут);

- обоснованы, выявлены условия применения отработанного сорбента: для рекультивации почв, загрязненных нефтепродуктами.

Практическая и теоретическая значимость работы:

- впервые разработана технология предварительной подготовки сточных вод перед биологической очисткой на основе сорбционного метода извлечения ионов тяжелых металлов, где сорбентом является отход биологической очистки. Предлагаемая технология не требует строительства капитальных сооружений и дополнительных площадей;

- изготовлена пилотная установка распределительного канала аэротенка для отработки технологии извлечения ионов рассматриваемых металлов в исходных сточных водах перед этапом биологической очистки в лабораторных и производственных условиях;

- разработаны рекомендации размещения фильтрационного сегмента в распределительном канале аэротенка;

- разработаны рекомендации по использованию отработанного сорбента для рекультивации нефтезагрязненных почв.

Реализация работы. Разработанная технология с предложенными фильтрационными сегментами рекомендована к внедрению на очистных сооружениях ряда предприятий г. Волгограда (ЗАО «ВМК «Красный Октябрь», ВОАО «Химпром», ООО «Волгастройресурс»),

Материал диссертационной работы используются в учебном процессе подготовки студентов ФГБОУ ВПО «ВолгГАСУ» по специальности «Водоснабжение и водоотведение», а также для выполнения проектной работы на тему: «Разработка технологии переработки осадков хозяйственно-бытовых сточных вод», представленной на образовательном окружном форуме «Волга 2013» в секции межрегиональной выставки инновационных проектов (сокращенно - «ВИП»), проводимая при содействии совета директоров крупнейших предприятий Волгограда.

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач диссертационных исследований, проведение экспериментальной части работы, а также в обработке полученных результатов и написании выводов.

На защиту выносятся:

- результаты исследований, доказывающих низкую эффективность очистки городских сточных вод от ионов тяжелых металлов при использовании стандартной технологии;

- способ получения сорбента на основе избыточного активного ила;

- технологическая схема и параметры проведения предварительной подготовки городских сточных вод сорбционным методом перед этапом биологической очистки;

- инженерное решение по применению отработанного фильтрующего материла на основе избыточного активного ила для рекультивации нефтезагрязненных почв.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, межрегиональных научных конференциях, форумах, круглых столах и выставках: (I, II) Международном научном форуме молодых ученых, студентов и школьников «Потенциал интеллектуально одаренной молодежи - развития Каспия» (Астрахань, 2012, 2014); (XIV, XV, XVI, XIX) Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2009, 2010, 2011, 2014); Межрегиональной специализированной выставке «Металлообработка. Машиностроение. Сварка. Энергетика. Электротехника. Энергоснабжение. Автоматизация. Приборостроение. (Волгоград, 2010, 2011, 2012, 2014); I Волгоградском молодежном инновационном конвенте в рамках XI специализированной промышленно-технической выставке «Технофорум» (Волгоград, 2010); Окружном молодежном образовательном форуме «Волга 2013» (Болготад' 2013). н

Публикации. Общее количество научных публикаций 22. Материалы диссертации достаточно полно изложены в 12 опубликованных печатных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях и 1 патенте.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения 4 глав, общих выводов, списка литературы, списка сокращений и приложений. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 30 рисунков, 3 приложения и список литературы, включающего 170 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена степень разработанности проблемы, сформулирована цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость, представлены основные положения, которые выносятся на защиту, а также сведения об апробации результатов работы.

В первой главе проведен обзор, существующих и используемых в практике методов интенсификации технологии очистки городских сточных вод, загрязненных ионами тяжелых металлов.

Существенный вклад в решение вопроса совершенствования современных методов и сооружений очистки городских сточных вод внесли работы многих ученых: Л.В. Гандуриной, И.В.Зыковой, Д.С. Орлова, В.Н. Швецова, В.И. Кичигина, С.Ю. Андреева, Н.С. Серпокрылова, В.И. Аксенова, Б. Н. Фрога, З.БПуег, Э. \Vierzba и многих других.

При очистке городских сточных вод традиционно используется двухступенчатая система очистки - механическая и биологическая. При всех достоинствах биологической очистки, на сегодняшний день, она не в состоянии

обеспечить очистку до требований природоохранного законодательства, так как, зачастую, концентрация большинства загрязнителей в поступающих сточных водах существенно превышает определенный концентрационный уровень, что отрицательно влияет на жизнедеятельность микроорганизмов и, соответственно, на эффективность процесса. Лидирующее место в перечне загрязнителей после очистки городских сточных вод принадлежит соединениям цинка, никеля, меди.

Как показали результаты анализа российских и зарубежных технологий, огромные объемы поступающих на биологическую очистку городских сточных вод затруднительно очищать до нормативных показателей. Требуется введение дополнительных мощностей, что отражается на стоимостных характеристиках рассматриваемого производства.

Не менее важной проблемой является обработка и утилизация в процессе эксплуатации биологических станций очистки иловых осадков.

На основе обозначенного очевидна целесообразность совершенствования стандартной технологии очистки городских сточных вод.

Анализ литературных источников показал, что наиболее перспективным в решении обозначенной проблемы является сорбционный метод очистки сточных вод, позволяющий с минимальными затратами при максимальном экологическом и технологическом эффектах решить задачу. Исходя из сказанного сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены характеристика и состав объектов исследования, представлены экспериментальные установки, описаны методики проведения экспериментов, расчет основных параметров технологии и статистическая обработка накопленных результатов.

Изучение процесса предварительной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (ИТМ) сорбционным методом проводилось в лабораторных условиях на пилотной установке с использованием реальных и модельных растворов: 2п804, N¿804, Си304

Применялись ГОСТированные методики по определению: фракционного состава, прочности и плотности материала, состава водных сред.

В работе использовались методики расчета определения оптимальных технологических параметров процесса очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов: обменной емкости сорбента в статических и динамических условиях, скорость фильтрации, влияние температуры, рН среды. Для определения достоверности результатов исследований применялся метод вариационной диагностики, с критерием Стьюдента.

В третьей главе определены и обоснованы направления исследований и изложены результаты.

Исследования проводились в двух направлениях.

Первое заключало в себе: определение сорбционных свойств избыточного активного ила; исследование причин, усиливающих селективность сорбента по отношению к ионам металлов Ъл2 - Си+2 - №+2. Для этого изучали химическое сродство молекул сорбционного материала и ионов -загрязнителей, их потенциалы ионизации (сродство к электрону), редокс -

потенциал Eh активного ила; влияние на хемсорбцию температуры, pH среды, скорости перемешивания, размера фракции сорбента. Проведен расчет фильтрационного сегмента, разработан сорбент и определяли его свойства. Составлены рекомендаций по технологической схеме.

Второе направление - утилизация и переработка отработанного сорбента.

Исследование химического состава избыточного активного ила после сооружений биологической очистки выявило его неэффективную работу, а. именно, процентное соотношение ИТМ не эквивалентно массе активного ила. Рабочий ресурс изначального активного ила не исчерпан. Проведенные исследования показали, что ионы меди, цинка, никеля и ряда других тяжелых металлов, являющихся d - элементами снижают процесс жизнедеятельности активного ила, выступая в роли токсикантов.

Данные вещества представляют особую угрозу для организмов по причине их устойчивости и липофильности, обусловливающей их обширный период полувыделения. Токсикологические свойства ИТМ характеризуются образованием сульфидов и хелатов с биологически активными веществами, в особенности, с ферментами.

Исследование состава сточных вод, поступающих на городские канализационные очистные сооружения (ГКОС), за период 2011 - 2014 гг. (таблица 1), показало преобладание металлов соединений цинка, никеля, меди в 24 - 42 раза больше по сравнению с соединениями других тяжелых металлов.

Именно поэтому, был проведен поиск и эксперимент по выявлению условий, позволяющих решить обозначенную проблему.

Таблица 1 - Усредненная концентрация ИТМ в сточных водах до и после биологической очистки на ГКОС г. Волгоград (о. Голодный) за период 20112014 г.г. (Данные приведены для стандартной технологической схемы очистки)

№ п/п Наименование вещества До очистки, мг/дм3 После биологической очистки, мг/дм3 ПДКрыблО» мг/дм3 Превышение ПДК, раз

1 Железо общее 0,422 0.193 0,1 1,93

_ 2 1 Цинк '' 0.6842 0,4192 0,01 41,92

3 j Медь 0.0316 0,0261 0,001 : 26.1

4 ] Никель 0,178 0,1557 0.005 3S.15

5 Хром общий 0,0067 0,0039 0.0053 0

6 Марганец 0,134 0,044 0,01 4,4

7 Алюминий 0,223 0,021 0.019 1,1

При получении экспериментальных данных по способности микроорганизмов извлекать из водной фазы ИТМ, использовалась, смесь активного ила и воды. Для того чтобы определить его способность поглощать ИТМ из водной фазы в течение определенного промежутка времени, применялись растворы солей тяжелых металлов различной концентрации. Отличительными характеристиками модельных растворов от сточных вод

являются: сравнительно меньшая масса твердой фазы и отсутствие многокомпонентных загрязнителей.

Опытным путем доказано, что активный ил «перерабатывает» обозначенные ионы, если их концентрация не превышает определенный концентрационный порог (в реальных условиях их содержание в 40 - 42 раза превышает его).

Определена скорость поглощения ионов обозначенных металлов активным илом при разной концентрации, температуре и рН среды. Анализ полученных данных, представленных в таблице 2, показал, что их поглощение микроорганизмами активного ила происходит в основном поверхностью клетки за счет физико-химического взаимодействия. Возникла идея повлиять на эти процессы отработанным (избыточным) активным илом. Потребовалось изучить сорбционные свойства илового осадка, химическую активность принадлежащих ему органических фрагментов, и далее, определить факторы, усиливающие его селективность к ионам Тп - Си - № .

Таблица 2 - Скорость поглощения ИТМ активным илом, распределение ионов по фазам. (1=20 °С; рН= 6,5 - 7)

Jft u/п Ион металла t,4ae Концентрация, мг/л Распределение ИТМ, %

Твердая фаза Водная фаза

Активный ил

1 Zn12 0,25 0,1/0,5/1 39,2/36,8/30,8 60,8/63,2/69,2 !

l 56.4/52,3/41,5 43,6 / 47,7 / 58.5 .

2 84.7 / 77,9 / 62,8 11,3/22.1 '37,2

4 Ni+2 0,25 0,1 /0,25/0,5 40,0/38,2/31,1 60,0/61,8/68,9

l 58,7/55,6/45,5 /41,3 / 44,4 / 54,5

2 88,3 / 78,1 / 54,0 11,7/21,9/46,0

7 Cu+2 0,25 0,05/0,1/0,15 59,5/48,2/31,3 40,5/51,8/68,7

l 73,1 /59,9/44,1 26.9/40.! /55.9

2 86,8/77,8/58,6 13,27 22.2/41,4

В результате предварительных исследований установлена целесообразность использования избыточного активного ила (илового осадка) как сорбирующего агента. Впервые, на основе полученных результатов, предложено использовать биологически живую субстанцию (избыточный активный ил) в качестве сорбционного материала. Иловый субстрат имеет большую удельную площадь поверхности (650 - 900 м /г) - фактор, определяющий качество адсорбента и обеспечивающий высокую адсорбционную емкость при удовлетворительной доступности сорбата к материалу. Площадь удельной поверхности илового осадка определяли по известной методике архангельских ученых (О.Г. Авакова, К.Г. Боголыцын, С. Г. Дмитреенко).

Руководствуясь данными, полученными в результате исследований, а, именно, выявив селективность активного ила к ионам таких металлов как Zn

Ni+2 и Cu+2, также учитывая тот факт, что избыточный активный ил полученный в процессе биологической очистки, является отходом, создание нового сорбционного материала на его основе подходит для решения поставленной цели.

Определенные экспериментально значения удельной поверхности избыточного активного ила (0,9 ±0,1 м2/г) были сопоставлены с данными (1,4±0,1 м/г) для микрокристаллической целлюлозы, являющейся одним из наиболее распространенных сорбентов. Как видно избыточный активный ил обладает достаточно развитой удельной поверхностью, что позволяет считать его адекватной целлюлозе и активированному углю.

Исследования показали, что избыточный активный ил обладает широким спектром адсорбционной активности, поскольку большинство загрязнителей задерживается на его поверхности.

Энергия образующихся связей, сродство поверхности адсорбента к ионам обозначенных металлов - важнейший фактор, влияющий на адсорбционную емкость. Механизм их образования весьма сложен и раскрыт не полностью. Действующие силы - результат сложения физических и химических сил. Проведя анализ величин потенциалов ионизации, сродства к электрону, строение электронных оболочек ионов металлов и значение редокс -потенциала активного ила сделан вывод о необходимости электрохимической активации (электрогенерирования) илового субстрата: катодное восстановление биологического объекта при потенциале равном Eh (редокс потенциал штамма Pseudomonas Eh= - 240 - 260 мВ). Электрогенерирование позволяет «насытить» электронами молекулы избыточного активного ила, сделать их практически нуклеофилами, а ионы цинка, никеля, меди - стремясь достроить свои d - оболочки (электрофилы) с легкостью вступают с органическими фрагментами во взаимодействие, образуя комплексы.

После электрогенерирования становится возможным процесс избирательного поглощения - хемосорбции на основе образования комплексов, что подтверждают результаты анализа. Ионы цинка, никеля и меди являясь d - элементами, выступают в роли комплексообразователей. Они образуют с ферментативными органическими компонентами (лигандами) комплексные ионы, константа нестойкости которых зависит от степени химического сродства взаимодействующих частиц. Величины энергий образующихся химических связей (координационных) определяются потенциалами ионизации (Е„) цинка, никеля и меди, или сродством к электрону, и редокс - потенциалом органического сорбента.

Анализ химического состава веществ, содержащихся в избыточном активном иле, взятом за основу сорбционного материала, показал, что после электрогенерирования избыточного активного ила степень извлечения ионов Zn Ni и Си , выше, нежели в активном иле, хотя оба образца были подвержены катодной обработке (таблица 3).

Таблица 3 - Степень извлечения исследуемых ионов металлов активным илом в %.

п/п .■: Активный ил . , -'Ш ' (трехкомпонентный .•■'"■ ■ . раствор) '

1 Свежий 48,7 22,5 28,4 49,5

2 Отработанный (избыточный) 60.3 32,8 80,1 56,2

3 Свежий после катодной обработки 55,52 25,65 32,38 56,43

4 Отработанный после катодной обработки 68,74 37,39 91,31 64,3

В отработанном активном иле содержатся комплексы переходных металлов, которые после электрообработки выполняют, вероятно, функцию катализаторов.

Образующиеся в активном иле комплексные ионы, отличающиеся исключительно большой прочностью и практически недиссоциирующие в растворе на ион металла и соответствующий лиганд. Происходит быстрое и прочное связывание ионов металлов с помощью подходящего фермента электрогенерированного избыточного активного ила.

На основе данных анализа сделан вывод о том, что в данной системе образуются комплексные ионы, на примере цинка [7л\ (Ь )4] , где Ь° - органический лиганд.

Доказательством того, что Ь - органические лиганды, является тот факт, что анализируемые комплексные ионы экстрагируются из раствора органическими растворителями, не смешивающимися с водой (в данном эксперименте - диэтиловый эфир).

Руководствуясь основными требованиями к материалам, применяемым при очистке сточных вод, в качестве сорбента был предложен: сорбционный материал на основе избыточного активного ила и диатомита - природного ионообменного материала, используемого в промышленности, для очистки

сточных вод от ИТМ.

Главной задачей переработки избыточного активного ила являлось получение нового сорбционного материала, без разрушения структуры гидробионтов, входящих в его состав, что позволило увеличить селективность извлечения к рассматриваемым металлам. В рамках исследования защищен патент на изобретение, которое относится к способам получения сорбента для очистки городских сточных вод, а, в частности, к области биотехнологии, конкретно к получению органоминеральных сорбентов на основе избыточного активного ила, которые могут быть использованы для селективного извлечения из стоков ИТМ.

Способ получения сорбента: влагонасьиценный избыточный активный ил 85 - 90% с исходной влажностью 65 - 70% смешивается с диатомитом 12 - 16 % и портландцементом 8-12 % от массы. Полученная масса пропускалась через сито с диаметром отверстий 3 мм. Гранулы сушатся при комнатной температуре в течение 12 часов.

Продукт представляет собой механически твердые гранулы. Помимо заданных свойств полученного сорбционного материала (механическая прочность, пористость, удельная поверхность, химическая природа поверхности) (таблица 4) на процессы сорбции влияют технологические факторы и характеристики очищаемого раствора.

Таблица 4 - Физико-химические характеристики сорбента

Компонентный состав, % масс. ' ' ' ' ' ' . ' . V Плотность, г/дм3 Размер фракции, мм Мехам и чес -кая прочность, %

1 г 3 4 5 6 7 8 9

Избыточным активный ил SiÛ2 КегО, СаО АЬО, N,0 112 3-5 63,8

69,5 23,7 1,2 2,1 0,8 2,7

Определив, физико-химические характеристики сорбента по ГОСТированным методикам, и экспериментально исследовав его сорбционную емкость, которая составляет: 0,51 мг/г, 0,32 мг/г и 0,08 мг/г для цинка, никеля и меди соответственно, далее исследовали влияние на процесс сорбции площади удельной поверхности сорбционного материала, температуры раствора и рН среды.

Влияние площади удельной поверхности сорбционного материала.

Изотермы сорбции ионов никеля и цинка, получены сорбционным материалом размером гранул от 3 до 7мм из модельных растворов с концентрациями для Zn - 1 мг/л и КГ - 0,5 мг/л соответственно, приведены на рисунках 1 и 2. Расход сорбционного материала составил 350 мг/л.

350

300

250

s

200

В

'■О 150

с

- < 100

50

Î - * ' , '}

1 : ~....

, / .г Л ' *Ar1 " - 1

шш riu.i ; * ■ е yi".. j

L

вЩ

300 250

-Змм 1 200 5 мм | 150

CL

7 мм 8

5 100

50

0 0,25 0,5 0,75 1 Равновесная концентрация ионов цинка растворе, мг/л

3 мм 5 мм 7 мм

0

0 0,25 0,5 0,75 1 Равновесная концентрация ионов цинка в растворе, мг/л

Рисунок 1 - Изотермы сорбции

ионов цинка сорбционным материалом различной фракции

Рисунок 2 - Изотермы сорбции

ионов никеля сорбционным материалом различной фракции

Проанализировав полученные данные, видно, что максимальные значения адсорбции цинка и никеля достигнуты, при использовании фракции Змм. Это указывают на то, что с увеличением удельной поверхности сорбционного материала его сорбционные свойства возрастают. Однако, использование фракции менее Змм не рационально, так как частицы близки по своей структуре к порошковым сорбентам, при использовании в динамических условиях будут уноситься потоком сточных вод, а также, при контакте с взвешенными веществами, потребуется более частая регенерация. Поэтому рекомендуется фракция 3—7 мм.

Влияние температуры и рН среды. Повышение температуры, как правило, ускоряет реакцию и изменяет константу скорости. Так как, сорбция -процесс обратимый, то влияние температуры на величины констант скоростей прямой и обратной реакций не одинаково, поэтому изменение температуры среды оказывает прямое воздействие на адсорбцию из раствора. Исследовалось влияние температур от +3 до +35°С. Эксперимент проводился на модельных растворах солей цинка и никеля С=0,5 мг/л, при массе сорбционного материала - 1 г/л с размером гранул 3 мм.

На рисунке 3 приведено влияние температуры на сорбционную способность сорбционного материала на основе избыточного активного ила.

Рисунок 3 - Зависимость адсорбционной способности исследуемого материал от температуры модельных растворов

Определено, что при температуре 15-20 °С адсорбция ионов тяжелых металлов повышается по сравнению с диапазоном 5-15 С (рис 6). Максимальное извлечение ИТМ с помощью получаемого сорбционного материала происходит при температурах 15-30 °С. Однако, учитывая климатические условия, и сезонность, необходимо помнить, что на ГКОС не всегда получится использовать сорбционный материал в благоприятных температурных условиях.

Проанализировав результаты, можно с уверенностью утверждать, что извлечение ионов 7.п ' №+2 и Си-2 из водной фазы, наиболее полно при высоких значениях среды рН: при рН раствора 4 - 4,5 поглощение ионов составило 15,5 мг/г, а при рН 9 - 9,5 = 27,1 мг/г; понижение сорбционной способности в

кислой среде, указывает на то, что часть сорбдионного материала расходуется при нейтрализации раствора. При контакте с сорбентом подщелачивается вода, что оказывает позитивное влияние на адсорбцию ионов тяжелых металлов из раствора. Увеличение рН среды способствует увеличению сорбционной ёмкости.

Дальнейший процессе изучения характеристик сорбента проводился с использованием трехкомпонентных растворов. Это исследование было обусловлено тем, что в процессе сорбции из трехкомпонентной среды, между двумя или более ионами возникает конкуренция, которая возрастает при перенасыщении адсорбента, что требовалось учесть в реальных условиях

При описании полученных экспериментальных изотерм использовалась уравнение Ленгмюра (формула 1):

А =

Ат ■К СР (1+ К + СР)'

(1)

где Ат - величина предельной сорбционной ёмкости мг/г; К - константа сорбционного равновесия Ленгмюра; Ср - равновесная концентрация ионов металлов, мг - ион/л;

Изотермы сорбции представлены на рисунке 4.

о о.М

••57

ш

I

—♦......(Щ

—Ш—Си (И; —&—N1(11)

......... линейная (т (II}}

— • • Линейная (Си ¿11»

— - — Линейнгя (М|(|1п

_______-¡г.д.-] ; |

V и.4 ия I

Концентрация металлов в фильтрате, мг-ион/л

Рисунок 4 - Изотермы сорбции ионов 2п2', и Си24 в статических условиях из трехкомпонентного раствора (20°С, Ь=2 ч, рН=6,5)

Оценка экспериментальных данных производилась с помощью вычисления коэффициента избирательности (селективности) сорбента по отношению к ионам , Кг+, Си2+. При сравнении коэффициентов получена следующая зависимость: Си2+ < №"2 < 2п'2. Определенная зависимость указывает на то, что в процессе сорбции почти все «свободные места» занимают ионы более активных металлов, оставляя в растворе те ионы, к которым сорбент обладает меньшей селективностью. Введение дополнительной

порции сорбента в этот раствор приводит к адсорбции ионов менее активных металлов.

Следующая серия опытов проводилась для определения динамической или рабочей емкости сорбента (количество ионов, поглощенных сорбентом при фильтровании раствора через его слой до проскока) (таблица 5).

Таблица 5 - Характеристики работы фильтра с сорбентом на основе избыточного активного ила

Соль металла Исходные концентрации, мг/л ДК, мг/л Объем фильтрата до проскока, л Масса загрязнителя, пропущенная с фильтратом, ■ ■.'.'■ мг.. ■ ■ Масса сорбента, г ДОЕл, мг/г

] 2 3 4 5 6 7

гп304 0,1 /0,5/1 0,01 148 81,4 112 0,11

N¡804 0,1 /0,25/0,5 0,005 123 37 0,04

СиЭ04 0,05/0,1 /0,15 0,001 115,1 11,5 0,012

Эксперименты в динамических условиях выполнялись в соответствии с ГОСТ 20255.2 - 89. Раствор фильтровали через загрузку колонки со скоростью 6,5 - 7,2 м/ч с расходом 15,6 - 17,28 л/сут. сверху вниз. Через каждые 12 часов в пробах фильтрата измеряли концентрацию исследуемых металлов. Таким образом, полученные экспериментальные данные (таблица 5) позволили построить изотермы динамической сорбции ионов Тгг , Т\г" и Си2+ (рисунок 5).

е.; о.< о.е I

Когшснт ргаяя металла в фол»трате мг л

Рисунок 5 - Изотермы динамической сорбции ионов 7.п2', №2' и Си'

Проведенные в статических и динамических условиях эксперименты, позволили получить кривые величин динамической сорбционной емкости для рассматриваемых металлов, и использовать их далее для расчета фильтрационного сегмента с полученным сорбентом.

Для внедрения разработки в конкретных производственных условиях на существующих очистных сооружениях г. Волгограда (рисунок 6, 7), предложено использовать распределительный канал аэротенка (2), в который вода поступает из первичного горизонтального отстойника (1).

1 - первичный горизонтальный отстойник; 2 - распределительный канал аэротенка (предполагаемое место установки фильтрационной перегородки); 3 - аэротенк.

Рисунок 6 - Размещение предлагаемого фильтрационной перегородки на городских канализационных очистных сооружениях г. Волгограда

Размеры распределительного канала: длина - 148 м; ширина -2 м; глубина - 5,08 м (рабочий уровень воды - 3,7 м). По длине этого канала располагаются разработанные фильтрационные сегменты (150 штук), пройдя через которые вода поступает в аэротенк (3) см.

Рисунок 7 - Усовершенствованная схема очистки сточных вод на городских канализационных очистных сооружениях г. Волгограда

В лабораторных условиях исследования проводились на пилотной установке, имитирующей распределительный канал аэротенка (рисунок 8)

Рисунок 8 - Пилотная установка распределительного канала аэротенка

Для полученного сорбента был изготовлен фильтрационный сегмент, конструкционные элементы которого представлены на рисунке 9.

Предлагаемая конструкция фильтрационного сегмента представляет собой камеру прямоугольного сечения со стальными ребрами жесткости из уголка. Стенки камеры выполнены из сетки (размер ячейки 0,25*0,25мм.). Размеры фильтрационного сегмента: длина - 3,0 м; ширина - 2,95 м; толщина -0,12 м; дополнительные параметры: высота слоя загрузки - 2,5 - 3 м; гидравлическая нагрузка- 6,53 л/м2.

2950

1- монтажные петли для обеспечения погрузочно-разгрузочных работ

Рисунок 9 - Конструкция фильтрационного сегмента

Для фиксации и замены фильтрационных сегментов, в канале устанавливаются направляющие рейки из швеллера №14 (3) (рисунок 10). Над каналом размещается кран-балка для погрузочно-разгрузочных работ.

1 - распределительный канал аэротенка; 2 - закладные детали для монтажа направляющих реек; 3 - направляющие рейки; 4 - фильтрационный сегмент.

Рисунок 10 - Схема размещения фильтрационных сегментов в распределительном канале аэротенка

Предлагаемое конструктивное решение - универсально (таблица 6).

Таблица 6 - Показатели эффективности очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (7лг\ Си2+, №2')

№ п/п Показатель гп2+ Си2+

1 С, (ПДК), мг/л 0,01 0,001 0,005

2 Со Исходная концентрация веществ, мг/л 0,6842 0,0316 0.178

3 Съём металлов, г/м"1 0,26 0,0054 0,02

4 Количество изъятого металла в сутки, г/сут 78000 1620 6000

5 Предельная динамическая сорбционная ёмкость мг/г 0.11 0,012 0,04

6 Суточное расчетное количество загрузки т 1680

7 Время защитного действия фильтра, сут 16 | 10 | 12,5

Разработанный фильтрационный сегмент можно использовать для радиальных отстойников, а также для удаления других загрязнителей на стадии предочистки, проведя корректировку конструктивных размеров и параметров электрохимической активации с учетом новых условий.

^ Четвертая глава посвящена разработке рекомендаций утилизации отработанного сорбента для рекультивации нефтезагрязненных почв; произведена оценка предотвращенного экологического ущерба от загрязнения окружающей среды и экономической эффективности предложенных инженерно - технических решений.

Результаты экспериментов показывают, что отработанный сорбционный материал может быть использован при рекультивации и восстановлении сильноэродированных и загрязненных нефтепродуктами почв.

Для этого необходимо определить в подготовленном отработанном сорбционном материале содержание биогенных элементов для питания растений и приоритетных токсикантов. Провести микробиологический анализ для определения наличия микроорганизмов. Затем отработанный сорбционный материал разместить на нефтезагрязненных почвах в количестве 25-30 т/га в пересчете на сухое вещество. Для улучшения аэрации почвы и перемешивании с нефтезагрязненным слоем, провести рыхление со снижением

гравиометрической плотности на 10-30%. Весной произвести засевание площади семенами горчицы сарептской. Производить постоянный контроль процесса разрушения нефтепродуктов и приоритетных токсикантов отработанного сорбционного материала, почвообразования и озеленения, путем анализа проб с рекультивируемого земельного участка.

Рассчитана величина предотвращенного экологического ущерба водным ресурсам, которая составляет 33 081 203 рублей. Проведенный экономический анализ производства сорбционного материала в количестве 704 т в год показал, что себестоимость 1 кг сорбента составит 3,8 руб. При отпускной цене = 5 руб/кг, срок окупаемости капитальных затрат не превышает 1,5 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе представлено новое практическое направление по усовершенствованию технологий очистки городских сточных вод и повышению экологической безопасности городских канализационных очистных сооружений. За основу инженерных решений взят сорбционный процесс, в котором сорбционный материал впервые получен из избыточного активного ила.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ российского и зарубежного опыта по методам удаления ионов цинка, меди, и никеля из городских сточных вод, позволивший сформулировать схему экспериментального поиска экономичной, надежной в эксплуатации технологии предварительной очистки сточных вод до биологического цикла.

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность очистки подаваемых на биологическую очистку сточных вод от ионов цинка, никеля, меди сорбционным методом.

3. Предложена, испытана в производственных условиях и внедрена новая экологически безопасная технология удаления ионов цинка никеля, меди. Реализация стадии предварительной очистки сточных вод от обозначенных загрязнителей позволяет очистить воду до нормативных требований с минимальными затратами.

4. Предложено использовать отход биологической очистки -избыточный активный ил в качестве сырья для получения селективного сорбента и установлен оптимальный состав сорбционного материала: 85-90% избыточный активный ил, 12-16% диатомит и 8-12% портландцемент (патент №2542259 Российская Федерация, МПК B01J 20/10).

5. Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что на сорбционную емкость и избирательность предлагаемого сорбента по обозначенным загрязнителям влияет предварительная электрохимическая активация сорбционного материала (плотность катодного тока 0,02-0,023 А/дм , время обработки - 10 мин).

6. Произведен расчет, определены оптимальные размеры фильтрационного сегмента и материал для его изготовления.

7. Выявлены возможные варианты размещения фильтрационного сегмента в распределительном канале аэротенка.

8. Разработана и изготовлена пилотная установка распределительного канала аэротенка для отработки технологии извлечения ионов рассматриваемых металлов в исходных сточных водах перед этапом биологической очистки.

9. Разработаны рекомендации по применению отработанного сорбента для восстановления биологических свойств почв, загрязненных нефтепродуктами. Технико-экономические показатели от внедрения предлагаемого метода предварительной очистки сточных вод от ионов цинка, меди и никеля перед биологическом циклом на примере ряда предприятий г.' Волгограда, подтверждает эколого-экономическую эффективность и рентабельность инженерного решения со сроком окупаемости капитальных вложений 1,5 года. Ориентировочная величина предотвращенного экологического ущерба составит 33, 081 млн. руб. в год.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и

изданиях, определенных ВАК РФ по направлению «Строительство»

1. Войтюк, А. А. Способ повышения надежности функционирования водного хозяйства [Электронный ресурс] / А. А. Войтюк [и др.] // Интернет-вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Политемат. - 2013. - Вып. 2 (27). - Режим доступа: www.vestnik.vgasu.ru

2. Войтюк, А. А. Предотвращение биологического обрастания металлических конструкций в системах водного хозяйства [Текст] / А. А. Войтюк [и др.] // Вести. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2013. - Вып. 34 (53). - С. 107-113.

3. Войтюк, А. А. Совершенствование методов эксплуатации канализационных трубопроводов [Электронный ресурс] / А. А. Войтюк [и др.] // Интернет-вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Политемат. - 2013. - Вып. 2(27). -Режим доступа: www.vestnik.vgasu.ru

Патент РФ на изобретение

4. Пат. 2542259 Российская Федерация, МПК B01J 20/10. Способ получения сорбента [Текст] / Войтюк А. А., Москвичева Е. В., Сахарова А А -№ 2013146300/05; заявл. 16.10.2013; опубл. 03.12.2014, Бюл. № 5

Отраслевые издания и материалы конференций

5. Вонтюк, А. А. Повышение энергоэффективности работы сооружений биологической очистки [Текст] / А. А. Войлок // Энергоснабжение и энергоэффективность: межрегион. Форум: сб. докл. и выступлений форума, Волгоград, 2014,15-17 апр. - Волгоград, 2014. - С. 98-101.

6. Войтюк, А. А. Совершенствование систем биологической очистки сточных вод [Текст] / А. А. Войтюк [и др.] // Потенциал интеллектуально одаренной молодежи - развитию науки и образования: материалы III Междунар. науч. форума молодых учен., студентов и школьников, г. Астрахань, 21-25 мая 2014 г. - Астрахань : ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2014. - Ч. 1.-С. 290-291.

7. Войтюк, А. А. Исследование возможности улучшения качества окружающей среды за счет снижения выброса тяжелых металлов в водные объекты [Текст] / А. А. Войтюк, С. В. Федин, М. А. Дудина // Актуальные проблемы строительства, ЖКХ и техносферной безопасности: материалы Всерос. науч.-техн. конф. молодых исследователей (с междунар. участием), Волгоград, 21-26 апр. 2014 г. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2014. - С. 71-73.

8. Войтюк, А. А. Получение комбинированного сорбционного материала на основе осадков сточных вод [Текст] / А. А. Войтюк, Ю. И. Лазарев // Научный потенциал регионов на службу модернизации: межвуз. сб. науч. ст. - Астрахань: Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2012. - N 2 (3). - С. 108110.

9. Войтюк, А. А. Исследование альтернативных способов утилизации осадков сточных вод [Текст] / А. А. Войтюк, Д. К. Хатулев, Е. В. Москвичева // Водные ресурсы Волги: история, настоящее и будущее, проблемы управления: материалы второй межрегион, науч. практ. конф. - Астрахань: Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2012. - С. 249-251.

10. Вонтюк, А. А. Анализ процесса сжигания осадков сточных вод как наиболее эффективного способа их утилизации [Текст] / А. А. Войтюк, Д. И. Журкин, Е. С. Никитин // Водные ресурсы Волги: история, настоящее и будущее, проблемы управления: материалы второй межрегион, науч. практ. конф. - Астрахань: Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2012. - С. 265-267.

11. Войтюк, А. А. Исследование влияния удельного расхода воды, гидравлического сопротивления фильтрующего слоя на процесс фильтрования через смешанный реагент [Текст] / А. А. Войтюк [и др.] // Альманах-2013. -Волгоград: [Изд-во ВолГУ], 2013. - Юбил. вып. - С. 10-13.

12. Войтюк, А. А. Исследование процессов переработки и утилизации осадков сточных вод [Текст] / А. А. Войтюк, С. С. Евлантьев // Научный потенциал регионов на службу модернизации: межвуз. сб. науч. ст. -Астрахань: Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2012. - N 2 (3). - С. 106-108.

ВОЙТЮК АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОРБЕНТА НА ОСНОВЕ ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы

охраны водных ресурсов 05.23.19 - Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 02.04.2015 г. Заказ № 28 Тираж 100 экз. Печ.л. 1,0 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Волгоградский государственный архитектурно-сгрош-ельньш университет 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1. Отдел оперативной полиграфии