автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Технология обезвреживания и утилизации ценных компонентов осадков городских сточных вод

1 ц да да

На правах рукописи

ТОРУНОВА МАРИНА НИКОЛАЕВНА

ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ЦЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ ОСАДКОВ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД

Специальность 05.14.16 - «Технические средства и методы защиты окружающей среды в машиностроении» Специ&тьноеть 05 Р 03 - <<'Технология электрохимических процессов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза, 1998

Работа выполнена на кафедре "Инженерная экология и охрана труда" Нижегородского государственного технического университета

Научный руководитель - кандидат химических наук,

профессор Тншков К.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Ветошкин А.Г.

- доктор технических наук, профессор Флеров В.Н.

Ведущее предприятие - ОАО «ГАЗ»

г. Н. Новгород

Защита диссертации состоится "ЛЛ " йСКОл^/ия 1998 г. в часов в зале заседаний (1 корпус) на заседании диссертационного совета К 063.18.04 в Пензенском государственном университете (440017, г. Пенза, ул. Красная, д.40).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан 1998 г

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент //, , Мальцева Г.Н.

о/иа^Щ ^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Неблагоприятная экологическая ситуация во многих городах России заставляет обратить особое внимание на технологии уменьшающие вредное воздействие на окружающую среду. Наличие городских очистных сооружений позволяет существенно сократить массу загрязняющих веществ, сбрасываемых в водоемы. На Нижегородскую станцию аэрации поступает около 1 млн. м5 в сутки промышленных и хозяйственно-бытовых сметанных сточных вод. Сточные воды, поступающие на очистные предприятия, содержат весьма разнообразные по составу загрязнения минерального (песок, глинистые частицы, масла, кислоты, щелочи, соли, ионы тяжелых металлов (ИТМ) и т п.), органического (бытовые отходы, фекалии, растительные масла, нефтепродукты, волосы, волокна растений и т.п.) и бактериального (микроорганизмы, дрожжевые и плесневелые грибы, водоросли.и т.п.) происхождения в виде растворов, коллоидов, плавающих и взвешенных веществ. Осадки сточных вод (ОСВ) - это суспензии, выделяемые из сточных вод в процессе их механической, биологической или физико-химической очистки. При этом в осадки переходят и все вышеперечисленные компоненты сточных вод.

Большие объемы осадков после очистных сооружений, наличие в них токсичных веществ и болезнетворных бактерий вызывает необходимость в специальной обработке и захоронении осадков сточных вод, с целью предотвращения неконтролируемых загрязнений окружающей среды Это требует больших материальных затрат и значительных земельных площадей для складирования осадка. Нижеюродская станция аэрации занимает только под такие поля аэрации свыше 155 га

С другой стороны осадки сточных вод содержат и целый ряд ценных компонентов как органического, так и неорганического происхождения Опыт показывает, что повторное вовлечение отходов очистных сооружений в промышленный и сельскохозяйственный оборот позволяет расширить сырьевую базу страны и на этой основе увеличить масштабы производства. Кроме того, утилизация отходов позволит частично заменить первичное сырье, эффективнее использовать природные богатства. Наличие органической составляющей в осадке (до 40%) делает возможным использование ОСВ в качестве удобрения в сельском хозяйстве (по удобрительной ценности осадок сравним с ор! аническим удобрением). Применение ОСВ ограничивается значительным содержание ИТМ в них (табл.1). При выращивании сельскохозяйственных культур на почвах с добавлением ОСВ эти ионы металлов могут попасть в организм

Таблица 1

Содержание некоторых неорганических компонентов в городских ___сточных водах и осадках сточных вод__

Токсич- Городские пдк После очистки: Количе Абсолют

ные ком- сточные хоз-пит. и механи биологи ство пере- ное

поненты воды, культ- ческой, ческой, шедших в значение.

мг/л быт. мг/л мг/л ОСВ, мг/л кг/млн.м1

водополь- сточной сточной

зования, воды воды

мг/л

. 1 2 4 5 6 7 8

Медь 0,085 1.0 0.078 0.007 0.071 71

Цинк 0.476 1.0 0.288 0.075 0.213 213

Никель 0.133 0.1 0.035 0.017 0.018 18

Железо 4.1 0.3 3.0 0.53 2.47 2470

Хром(3*) 0.076 0.5 0.47 - 0.047 47

Кадмий 0.035 0.001 0.035 0.002 0.033 33

Свинец 0.01 0.03 0.008 0.007 0.001 1

Сульфаты 165 500.0 165 137 28 28000

Хлориды 107 350.0 107 97 10 10000

человека и вызвать различные осложнения. Норма внесения необработанных ОСВ Нижегородской станции аэрации по заключению Нижегородской станции химизации не превышает 3.5 тонны (абс.сух.вес) на гектар при условии использования I раз в 10 лет на одном и том же месте.

Это количество ОСВ не влияет на урожайность сельскохозяйственных культур, не восстанавливает плодородие почвы, существенные результаты можно ожидать только при внесении в почву не менее 20 т/га ежегодно. Для введения такого количества осадка необходимо разработать технологию обеззараживания их, включающую: выделение ионов тяжелых металлов (ИТМ) и уничтожение болезнетворных микроорганизмов. Большие • объемы, бактериальная зараженность, наличие органических веществ, способных быстро загнивать с выделением неприятных запахов, а также неоднородность состава и свойств осадков осложняют их обработку и непосредственное использование в сельском хозяйстве.

Цель работы. Исходя из выше изложенного, в работе были поставлены следующие задачи:

1)Создание комплексной, экономически выгодной, экологически безопасной технологической схемы по обеззараживанию и утилизации ценных компонентов ОСВ Нижегородской станции аэрации, включающей:

- обеззараживание и очищение ОСВ от болезнетворных микроорганизмов и бактерий,

- выделение метачлов как в чистом виде, так и в их соединениях для повторного использования в народном хозяйстве.

2)Выбор методов извлечения ценных компонентов, обеспечивающих наибольшую степень очистки ОСВ и регенерацию растворов обработки ОСВ.

3)Изучение механизма и кинетики отдельных стадий технологических процессов обезвреживания осадка и утилизации ценных компонентов ОСВ.

4)Создание математических моделей и оптимизация отдельных сзадий технологической схемы

Научная новизна работы. Предложена комплексная технологическая схема обезвреживания и утилизации ОСВ (защищена положительным решением о выдаче патента на изобретение по заявке № 961 13570/25 (019727) от 13 августа 1997 г., приоритет от 5 июля 1996 г.), которая позволила уменьшить загрязнение окружающей среды и сократить площади, занимаемые под загрязненные ОСВ, улучшить экологическую обстановку бассейна реки Волги.

Впервые определены физико-химические параметры ОСВ Нижегородской станции аэрации, определены качественный и количественный состав ионов металлов; количество нефтепродуктов; фракционный состав ОСВ и т.п.

Впервые изучены закономерности извлечения ионов металлов из ОСВ с одновременным его обеззараживанием от болезнетворных микроорганизмов сернокислотными растворами с оптимизацией режимов процесса выщелачивания.

Впервые дана сравнительная характеристика различных методов (ионообменные, химические и элекгрохимическис) извлечения ионов металлов из сернокислых растворов обработки ОСВ с оптимизацией режимов отдельных процессов. Наиболее подробно изучен процесс электрохимического извлечения ионов меди из растворов обезвреживания ОСВ. Найдены: лимитирующая (диффузионная) стадия процесса; эквивалентная электрическая схема границы медный электрод-раствор обработки ОСВ.

Впервые изучены кинетические закономерности процесса обезмеживания растворов обработки ОСВ методом контактного обмена ионов меди с железной основой (процесс цементации), протекающего по электрохимическому механизму. Выбраны оптимальные режимы процесса.

Впервые применен метод электрофлотации извлечения И'ГМ к растворам обработки ОСВ. Составлена математическая модель данного процесса и найдены оптимальные режимы его проведения.

Практическое значение работы. Разработанный технологический процесс извлечения ценных компонентов из ОСВ может быть применен на станциях биологической очистки сточных вод (станциях аэрации), очищающих совместно бытовые и промышленные сточные воды. Предварительный расчет экономической эффективности показал, что реализация ценных компонентов ОСВ и снижение платы за землепользование превысят основные и дополнительные затраты на проведение всего технологического процесса. Внедрение комплексной технологической схемы обезвреживания и утилизации ОСВ на примере Нижегородской станции аэрации позволит получить прибыль свыше 3 тыс. рублей при переработке 1 тонны осадка сточных вод (абсолютно сухой вес), или около 860 тыс. рублей в год (цены 1998 года)

На'защиту выносятся:

].Способ обезвреживания и утилизации осадка сточных вод (получено положительное решение о выдачи патента на изобретение по заявка № 96113570/25 (019727) от 13 августа 1997 г. (приоритет от 5 июля 1996 г.)) включающий в себя обработку ОСВ сернокислотным раствором и последующую нейтрализацию обработанного ОСВ аммиачным раствором.

2.Технологическая схема утилизации раствора обезвреживания ОСВ, включающая выделение гуминовых препаратов, медного порошка, гидроксидов тяжелых металлов.

3.Экспериментальные данные исследования физико-химических свойств ОСВ и растворов обработки ОСВ, кинетические закономерности изученных отдельных стадий предложенной технологической схемы.

4,Математические модели оптимизации и моделирования отдельных стадий обезвреживания и утилизации ценных компонентов ОСВ.

5.Сравнительный анализ отдельных методов извлечения ИТМ из растворов обработки осадков городских сточных вод.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на межгосударственной научно-технической конференции «Малоотходные и энергосберегающие технологии в системе водного хозяйства» (г. Пенза, 1995 г.), международных научно-практических конференциях: «Современные методы очистки сточных вод и утилизации осадков» (г. Пенза, 1996 г.), «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования» (г. Пенза, 1996 г.), «Проблемы охраны окружающей среды от промышленных, бытовых, биологических и медицинских отходов; отсадков сточных вод» (г. Пенза, 1997 г.),

«Почва, отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля» (г. Пенза, 1998 г.);' «Анодная электрохимическая обработка металлов» (г. Иваново, 1997 г.); на Первой и Второй Нижегородских сессиях молодых ученых (г. Выкса, 1996 г., г. Дзержинск, 1997 г); научно-практическом семинаре «Экологические проблемы региона- в условиях конверсии» (г. Ковров, 1996 г.); на заседании НТС МосводоканалНИИпроекта (г. Москва, 1998 г).

Публикации. По результатам выполненных исследований на технологический процесс очистки ОС В получено положительное решение о выдачи патента на изобретение по заявка № 96113570/25 (019727) ог 13 августа 1997 г. (приоритет от 5 июля 1996 г.), опубликовано 12 рабо!

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, описания методик эксперимента, экспериментальной части, общих выводов, списка литературы (130 наименований), приложений; изложена на 148 страницах машинописного текста; содержит 22 таблицы, 26 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность избранной темы, формируется цель работы и ее практическая значимость.

В литературном обзоре проведена подборка и дана сравнительная характеристика существующих методов: обезвреживания и утилизации осадков городских сточных вод; извлечения ионов металлов из разбавленных растворов. Из литературного обзора сделаны выводы.

- наиболее предпочтительно использовать осадки городских сточных вод в сельском хозяйстве в качестве удобрении;

- обезвреживание целесообразно проводить подкислением осадка растворами с переводом соединений металлов в растворенную форму;

- выделение ИТМ из растворов обработки ОСВ следует проводить комбинацией методов.

Методика эксперимента. Содержится описание методик процессов' обезвреживания осадков сточных вод; извлечения ценных компонентов осадков из растворов обезвреживания ОСВ; определения содержания общего углерода в осадке; «дыхания» почвы; коррозии электродов. Размеры фракций ОСВ определялись на микроскопе МИМ 7 при 2400 кратном увеличении Анализ твердых и жидких проб на содержание в них ИТМ проводился на атомно-абсорбционном спектрофотометре типа «Сатурн» Определение массовой концентрации нефтепродуктов в ОСВ и растворов обработки ОСВ проводили на приборе АН-1. Условная вязкость растворов измерялась в вискозиметре типа ВУ. Для определения

удельной электропроводности растворов применялся кондуктометр «Кондуктометр № 5721» с кондуктометрическим датчиком «WE» погружного типа из графита. Определение степени извлечения ИТМ из РООСВ проводили также косвенно рН-метрическим титрованием на иономере РН-150. Данные pH и кондуктометрического титрования обрабатывались на ЭВМ с применением программы «ПЛОТТЕР». Потенциометрические измерения проводили на потенциометре Р363-1. Кинетика электродных процессов исследовалась посредством анализа „поляризационных кривых, снятых на потенциостате П-5848 в потенциостатическом и потенциодинамическом режимах в стандартной трехэлектродной ячейке марки ЯСЭ-2. Экспериментальные данные приведены по отношению к нормальному водородному электроду. Импеданс электродной системы измерялся с использованием моста переменного тока Р-5021. Обработка результатов производилась графически и графоаналитически с использованием ЭВМ. Для оценки погрешностей опытов и определения оптимальных режимов отдельных стадий технологической схемы с помощью планирования полнофакторного эксперимента также применяли ЭВМ.

Экспериментальная часть состоит из трех разделов.

1 .Обоснование выбора метода обезвреживания и утилизации осадков сточных вод

Выбор метода обезвреживания и обработки ОСВ в каждом конкретном случае должен производиться на основании технико-экономических расчетов с учетом специфических свойств осадка. Для извлечения металлов из ОСВ используют различные методы. Были исследованы методы химического обезвреживания и термоутилизации ОС]В. Наиболее реальным признано подкисление осадка с переводом ионов металлов в растворенную форму с последующим разделением фаз и возможной утилизацией ОСВ.

2. Исследование процессов обезвреживания токсичных компонентов осадков сточных вод

При использовании предлагаемой схемы обезвреживания осадков сточных вод (рис.1) изменяются не только физико-химические, но и агрохимические параметры осадка ОСВ (табл.2).

Рис.1 Технологическая схема обезвреживания и утилизации ценных компонентов осадков городских сточных вод

Таблица 2

Характеристика осадков сточных вол_____

Характеристика До обработки После обработки ПДК в почве

Теплотворная способность, кДж/кг 12300 -18000 16000 -23000

Концентрация нефтепродуктов, г/кг 12.12 18.60

% содержание гумуса, % абс.с.в. 2.66 2.6

Дыхание почвы, мг С02/дм2 час 5.7 8.9

Концентрация по металлам % абс. сухой вес Fe 4.7 0.4 -

Zn 0.2 0.004 0.010

Ni 0.019 0.0015 0.0085

Си 0.054 0.009 0.005

Cd 0.033 отс. 0.0003

Cr 0.049 отс. 0.01

Pb 0.018 0.009 0.009

При обработке ОСВ сернокислотным раствором ([НтБО^] -50 г/л) в раствор обработки ОСВ (РООСВ) переходят ионы металлов, органическая компонента (гуминовый препарат) с одновременным обеззараживанием осадка.

Этот процесс был оптимизирован с применением ЭВМ и математическая модель процесса описывается уравнением (1).

У = 0.8028 - ) .2 ]0-4[Н2504] - 4.5 ]0"2-т -- 6.8-10- 7.3-Ю"5 [Н2804]т + г.З-т-4-^ (1)

В качестве критерия оптимизации была выбрана суммарная остаточная концентрация металлов в осадке (У), а за технологические факторы процесса: концентрация Ь^БО,! ([Н^БО^), время процесса выщелачивания (т) и температура реакционной среды (Ч). Наиболее значительным по значимости фактором, влияющим на остаточную суммарную концентрацию металлов в ОСВ является время выдержки осадка в реакционной среде. Второй по значимости факгор - температура процесса - влияние его почти на порядок ниже, чем времени; наименьшее влияние оказывает концентрация серной кислоты. Все факторы имеют отрицательные коэффициенты, что указывает на то, что с их увеличением суммарная остаточная концентрация ИТМ в ОСВ уменьшается. Математическая модель (1) не имеет экстремумов, а с ростом факторов ее функция монотонно уменьшается. Поэтому следует выбирать оптимальный режим процесса выщелачивания ИТМ из ОСВ исходя из допустимых ограничений: концентрация Н2504 - 45+60 г/л;

температура реакционной среды - 45-гбО "С; время обработки осадка ~ 2 часа; рН реакционном среды I.

Однократная обработка не позволяет полностью извлечь ионы металлов п г ОС В. Для более полного выщелачивания металлов применялась повторная обработка очищенного ОСВ свежим сернокислотным раствором (табл.3).

Таблица 3

Зависимость концентрации ионов металлов в РООСВ

от кратности обработки осадка серной кислотой_

№№ Концентрация ИТМ в РООСВ, мг/л

обрабатывающих

растворов Си:* Ре 7л* IV'

1 раствор 98 4100 60 300 122 '2.2 • '20

2 раствор 45.0 1200 40 250 108 2.0" 9.2

3 раствор 20.0 900 20 40 79 1.0 1.0

Для экономии кислого раствора последовательно обрабатывали одной порцией раствора несколько навесок осадка с корректировкой рН раствора (табл. 4).

Таблица 4

Зависимость конце» фании ИТМ В РООСВ от количества ______обрабатываемых навесок осадка, мг/л.

Раствор после обработки Ре - N1^ Сг1+ СсР РЬ2+ гп2' Сн2+ Са2+ Ми ме К+

1 навески ОСВ 2000 35 100 3.1 2.0 80 50 500 37 116 30

2 навесок ОСВ 2500 68 124 5.0 2.4 97 67 276 43 125 34

4 навесок ОСВ 3500 143 335 13 4.4 172 205 132 150 375 50

5 навесок ОСВ 4000 153 421 14 4.8 187 250 156 165 380 61

Последующая нейтрализация ОСВ позволяет использовать очищенный и обеззараженный осадок (ООСВ) в качестве почвоулучшителя.

3. Исследование механизма извлечения ценных компонентов из растворов обработки осадков сточных вод: 3.1. Исследование физико-химических параметров растворов обработки осадков сточных вод

Вязкость растворов обработки ОСВ составляет 1.013-1.024 мПа-с. Снижение удельной электропроводности в реальном растворе (9.4 -12.6 См'м"1) по сравнению с моделируемым, не содержащим органическую компоненту (15.0-16.1 Смм"1) можно объяснить тем, что органическая компонента участвует в процессе комплексообразования с ионами металлов. Наличие комплексообразователя в РООСВ можно подтвердить потенциометрическими исследованиями. Если в моделируемом растворе потенциал медного электрода имел значение +0.170 В, то в рабочем растворе - +0.158 В (н.в.э.). Наличие органической компоненты в растворе значительно (примерно в 10 раз) увеличивает скорость коррозии (растворения) меди.

На кривой рН-метрического титрования РООСВ (рис 2) можно выделить две площадки: первая соответствует области образования гуматов металлов рН = 1.8+2.3; вторая- рН гидратообразования - 3.8+11. На кривой зависимости электропроводности от рН раствора (рис.3) можно выделить четыре области:

1) I область (рН = 0+1.8) - резкое снижение электропроводности с повышением рН раствора обусловлено нейтрализацией свободной кислоты.

2) II область (рН = 1.8+2.3) соответствует границам выпадения гуматов тяжелых металлов в осадок.

3) Дальнейшее повышение рН раствора oi 2.3 до 9.0 (III область) вызывает выделение в осадок гидроксидов ИТМ. В этой области можно заметить ступени выпадения гидроксидов отдельных металлов, соответствующие рН их гидратообразования.

4) IV область, где наблюдается рост электропроводности раствора с повышением рН больше 9.0, характеризуется появлением избыточных ионов ОН" в растворе.

Проведенные исследования физико-химических характеристик показали, что при обеззараживании ОСВ в раствор переходит органическая компонента осадка, которая является

комплексообразователем. Это может затруднить последующую утилизацию ценных компонентов ОСВ.

Рис 2. Кривые рН-метрического титрования раствором ЫаОН (50 г/л): 1 - РООСВ, 2 - моделируемого раствора.

«

1 -г -.....- • - - - 1 - - - - т----- - — I - - ■ ■ г .....

0 2 4 6 8 10 12 РН

Рис 3. Зависимость электропроводности раствора от рН РООСВ

3.2. Исследование методов очистки растворов обработки осадков сточных вод (ионообменные материалы, химические и электрохимические способы).

Их сравнительные характеристики.

Простой сброс РООСВ, содержащего ИТМ (табл.5) и органические вещества, экономически невыгоден и экологически опасен, поэтому нами было опробовано несколько методов извлечения ценных компонентов из кислых растворов обработки осадка: электрохимическое и химическое извлечение металлов, применение различных ионообменных материалов.

Детально рассмотрен процесс электрохимического выделения меди (реакция 2):

Си2+ +2е Сии (2)

как имеющей наиболее ' положительный потенциал. Хронопотенциометрические кривые при плотностях тока больше предельного выявили диффузионные затруднения процесса осаждения меди. Коэффициент диффузии разряжающихся ионов меди равен 1.37-10" 5 см2/сек и близок к табличному значению 0.45-10"? см2/сек. Проведенные имнедансные исследования позволили уточнить эквивалентные электрические схемы электрод-раствор в РООСВ и РООСВ без гуматов и определить их параметры; высказать предположения о механизме процесса восстановления ионов меди из РООСВ: процесс восстановления свободных ионов меди протекает со значительно большей скоростью, чем ионов меди связанных, в комплекс гуминовыми кислотами. Последние .вначале адсорбируются на электроде (присутствует импеданс Варбурга), а затем только разряжаются.

Исследования кинетики и механизма процесса извлечения меди показали, что процесс протекает с диффузионным контролем, выход по току чистой меди не велик 6-10 %; в проточном электролизере он увеличивается и достигает 70 %, но процесс требует затрат электроэнергии, скорость протока электролита должна быть достаточно велика, что не обеспечивает полного извлечения ионов меди из РООСВ. Извлечение меди прямым электролизом экономически не выгодно.

Проведенные исследования с ионообменными материалами (табл.5) (природный и искусственный цеолит, активированные угли, ионообменные смолы КУ2-8 и КУ1) показали, что наиболее эффективно проводить очистку с помощью ионообменной смолы КУ2-8, так как она лучше других поглощает ионы металлов, подкисляет раствор, имеет максимальную производительность (10 мл/мин). Но отработанную ионообменную смолу необходимо, регенерировать; она не

Различные методы обработки растворов обезвреживания осадков сточных вод

Таблица 5

Раствор pH раствора 1 Lioi ность, кг/дм"' Оптическая плотность (530 нм), доли Концентрация ионов металлов, мг/л

Zn № Си Cd Cr Fe

1 Исходный 0.95 1.095 0.460 1850 180 293 78 560 6300

2 Обработка ионообменной 0.20 1.063 0.273 560 37 73 14 224 3400

смолой КУ2-8

3 Обработка ионообменной 0 90 1.077 0.354 1350 90 200 39 250 490

смолой КУ1

4 Обработка 0 80 1.093 0.223 1850 175 280 78 200 6000

активированным углем

5 Обработка природным 0.55 1.087 0.315 1800 175 260 78 400 5500

цеолитом

6 Обработка искусственным 1 00 1.107 0.442 1600 150 260 70 170 6900

цеолитом

7 Электролиз меди 3.4 - - 1850 180 89 78 560 6300

8 Цементация при рН=1 2.2 1 106 0.195 2000 250 1 72 363 34500

9 Раствор после осаждения 2 5 - 0.120 1760 178 270 71 550 6230

гу матов

10 + 1 [ементация при рН=2.5 3.3 - 0.098 450 57 отс. 18 60 5670

11 + Раствор после 8-9 - 0.054 10 отс. отс. отс. 0.42 9

электродиализатора

полностью поглощает ионы металлов (степень извлечения максимум 0.7) и не выделяет гуминовые препараты.

3.3. Исследование кинетики процесса обезмеживания растворов обработки осадков сточных вод.

Методом контактного обмена ионов меди с железной основой (цементацией) в РООСВ наблюдается практически полное выделение ее из раствора (табл.5). Недостатком является значительное протравливание железной основы (рН=1) и переход в раствор большого количества ионов железа до 20 г/л. Травление железа можно уменьшить, повысив рН раствора.

Исходя из физико-химических параметров (рН-метрия и кондуктометрия) (рис. 2, 3) и анализа вышеперечисленных методов, можно сделать вывод, о целесообразности предварительной нейтрализации РООСВ до рН=1.8-г2.5 негашеной известью с целью выделения ценного сельскохозяйственного продукта - гуматов (рис. 1). В дальнейшем их необходимо доочистить от ИТМ переводом гуматов в растворимое состояние и выделением гидроксидов металлов. Очищенный раствор гуматов можно использовать как в качестве ценного удобрения, так и раскислителя почв.

Раствор обработки ОСВ после выделения гуматов, содержащий значительные количества ионов меди (400-500 мг/л) подвергался цементации, заключающейся в том, что на железе происходит восстановление ионов меди (И) по реакции (3):

Си2+ + Ре° -> Си0 + Ре2+ (3)

Данный процесс протекал по электрохимическому механизму. Движущей силой процесса являлась разность потенциалов между потенциалом железа и потенциалом меди в данном растворе. Эта разность потенциалов велика и составляла 0,6 В, что позволило выделить ионы меди (II) из РООСВ практически полностью, со степенью извлечения"98-99% (табл.6).

Процесс цементации меди из РООСВ за счет блокировки поверхности железа медным порошком и гидроксидами железа (III) (рН раствора - 3.5) замедлялся. С целью удаления медного порошка целесообразно проводить процесс цементации во вращающемся барабане, заполненным железными шариками. Медный порошок стирался с поверхности шаров и ссыпался в бункер вместе с гидроксидом железа. Для очистки медного порошка от гидроксидов Ре проводилась промывка сернокислотным раствором с растворением последних. Полученный раствор можно использовать, например, в сельском хозяйстве в качестве антисептического средства.

3.4. Определение оптимальных режимов работы электролизеров для извлечения металлов из растворов обработки осадков сточных вод Раствор РООСВ, уже очищенный от гуматов и меди (рис. 1) поступал на дальнейшую обработку в электролизер - электрофлотатор с катодом из стали Х18Н9 и свинцовым анодом, разделенных анионитовой мембраной МА-40. Очищаемый раствор подавался в узкое катодное пространство снизу, а в анодную камеру - разбавленный раствор'серной кислоты, скоростью циркуляции которого можно регулировать температурный режим процесса. В процессе электролиза на катоде происходил разряд ионов водорода по реакции (4)

2 Н+ - 2е -> Н2° (4)

и повышался рН католита до значений гидратообразования ИТМ:

Ме""+п01Г->Ме(0Н)„4 (5)

которые с потоком католита выносились из электрофлотатора и отфильтровывались. На инертном аноде происходило разложение воды по уравнению (6):

2 Н20 - 4е ->• 02 + 4 Н" (6)

и наработка серной кислоты. При достижении концентрации {НгБО^ «50 г/л она возвращалась в технологический процесс на обработку ОСВ. Эффективность работы электролизера зависит от токовой нагрузки на электролизер, скорости протока раствора (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость степени извлечения ИТМ (О) из РООСВ от режима электролиза" скорости протока католита (Упр) и токовой нагрузки на электролизер (1)

Для выбора оптимальных режимов было проведено планирование эксперимента. За критерий оптимизации была выбрана суммарная остаточная концентрация ИТМ в растворе или степень очистки раствора от них (С), а варьируемые параметры: скорость протока очищаемого раствора (У,ф) и токовая нагрузка на электролизер (I). Было показано, что повышением токовой нагрузки и уменьшением скорости протока степень извлечения ИТМ возрастает, однако, удельный расход электроэнергии при этом может сильно возрасти; электролит в электролизере нагревается за счет выделения джоулевого тепла. Поэтому необходимо увеличивать V,,,, электролита и снижать токовую нагрузку на электролизер. Были выбраны оптимальные режимы работы электролизера: скорость протока раствора 20-50 мл/час, сила тока 0.8-1.0 А. Для процесса электродиализа была составлена математическая модель

(V:

' I 1 / Ч 10""'-КГ"1'

С = Г?—с-'0-0--5--™

пр н н

где С- суммарная остаточная концентрация ИТМ в растворе или степень очистки раствора от них, мг/л; Р - число Фарадея;

• Упр - скорость протока очищаемого раствора, мл/ч; 1 - токовая нагрузка на электролизер, А;

Си - начальная суммарная концентрация ИТМ в растворе, мг/л; I - число переноса ионов водорода в данном растворе; рН| - начальное рН раствора; рНг - рН образования гидроксидов металлов. Модель выраженная уравнением (7) позволяет теоретически рассчитать степень извлечения ионов металлов в зависимости от технологических параметров процесса. На степень извлечения влияют обратно пропорционально: скорость протока раствора, начальная концентрация металлов, прямо пропорционально: сила тока, рН гидратообразования и число переноса ионов водорода. Степень превращения, рассчитанная по модели и полученная опытным путем имеет достаточно хорошую сходимость.

На основании проведенных исследований и была предложена технологическая схема обезвреживания и утилизации ценных компонентов осадков городских сточных вод (рис.1). ОСВ многократно обрабатывался сернокислотным раствором с целью его обеззараживания и перевода ионов металлов в раствор. Кислый осадок нейтрализовался раствором аммиака и использовался как почвоулучшитель. Раствор обработки ОСВ доводился известковым молоком до рН = 2.5 с выделением гуминовых препаратов, которые в дальнейшем очищались от

ИТМ и могли быть использованы как почвоулучшитель. РООСВ (рН=2.5) направлялся на цементацию с выделением медного порошка. ' Для растворения гидроксидов ИТМ медный порошок Промывался слабым сернокислотным раствором. Обезмеженный раствор направлялся в электрофлотатор, в котором проходило выделение ИТМ в виде гидроксидов, которые в дальнейшем высушивались и размельчались. В зависимости от количественного и качественного состава ОСВ относительно ИТМ технологическая схема может упрощаться.

ВЫВОДЫ

I Предложен способ обработки ОСВ с целью обеззараживания от болезнетворных микроорганизмов и извлечения ионов тяжелых металлов, заключающийся в обработке ОСВ разбавленным раствором серной кислоты. Выбран оптимальный режим проведения процесса.

2. Показано, что растворы обработки осадков сточных вод (РООСВ) содержат не только ИТМ, но и органические компоненты осадков, дающие комплексы с ионами металлов.

3. Методами потенциометрического и кондуктометрического титрования найдены области выделения гуматов и гидроксидов металлов. Проведенные исследования позволили выделить отдельно гуматы металлов из РООСВ, очистить их от ИТМ и использовать в виде ценного сельхозпродукта.

4. Изучены процессы выделения ИТМ из РООСВ различными методами: сорбционными, электрохимическими и химическими. Дана их сравнительная характеристика Выбраны и проанализированы методы извлечения ценных компонентов, обеспечивающие наибольшую степень очистки РООСВ и регенерацию серной кислоты.

5. Показано, что вначале из РООСВ можно извлечь ионы меди (II) Изучена кинетика процесса катодного осаждения меди из РООСВ. Показано, что процесс контролируется диффузионной стадией. Для ускорения процесса осаждения меди предложено проводить катодное осаждение меди при интенсивном перемешивании. Установлена эквивалентная электрическая схема границы медный электрод -РООСВ, включающая импеданс Варбурга. сопротивление переноса электрона через ДЭС и емкость адсорбции ионов меди (II). На основании данной схемы предложен механизм процесса катодного осаждения ионов меди (II) из РООСВ.

6. Проведении исследования с ионообменными материалами (природный и искусственный цеолит, активированные угли, ионообменные смолы КУ-2-8 и КУ1). Показано, чго наиболее эффективно проводить очистку с помощью ионообменной смолы КУ-2-8.

7. Показана возможность селективного извлечения меди в виде порошка из РООСВ методом контактного обмена («цементацией») на железной основе со степенью извлечения меди 98-99 %. Процесс цементации целесообразно проводить при интенсивном перемешивании, уменьшающем диффузионные затруднения процесса.

8. Заключительную очистку от ИТМ предложено проводить методом электрофлотации в электролизере с разделенными анодным и катодным пространствами анионитовой мембраной марки МА-40. Составлена математическая модель данного процесса и выбраны

., оптимальные режимы работы электрофлотатора.

9. Предложена комплексная технологическая схема обезвреживания и утилизации ОСВ, позволяющая снизить загрязнение окружающей среды и полностью использовать все ценные компоненты ОСВ:

- очищенный и обеззараженный ОСВ, как почвоулучшитель;

- гуминовые препараты, как почвоулучшитель и раскислитель почв,

- чистый медный порошок;

- антисептический раствор Fe2(SO,j)i;

- гидроксиды металлов, используемые для производства пигментов.

10.Предварительный расчет экономической эффективности показал, что реализация ценных компонентов ОСВ и снижение платы за землепользование превысят основные и дополнительные затраты на проведение всего технологического процесса. Внедрение комплексной технологической схемы обезвреживания и утилизации ОСВ на примере Нижегородской станции аэрации позволит получить прибыль около 3 тыс. рублей при переработке 1 тонны осадка сточных вод (абсолютно сухой вес), или 860 тыс. рублей год (цены 1998 года).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах:

1. Гольденберг Г.Л, Варцова Т.В., Торунова М.Н. и др. Физико-химические параметры иловых осадков очистных сооружений.// Тезисы докл. межгосударственной научно-технической конференции "Малоотходные и энергосберегающие технологии в системе водного хозяйства". - Пенза. - 1995. С. 10-11.

2. Торунова М.Н., Тишков К.Н., Торунова В.И. и др. Утилизация твердых отходов гальванических производств.// Тезисы докл. межгосударственной научно-технической конференции "Малоотходные и энергосберегающие технологии в системе водного хозяйства". - Пенза. - 1995. С. 28-29.

3. Торунова М.Н., Элькинд K.M., Тишков К.Н. и др. Утилизация осадков сточных вод станций биологической очистки.// Материалы научно-

практического семинара "Экологические проблемы региона в условиях конверсии". -Ковров. - 1996. С. 8.

4. Торунова М.Н., Элькинд K.M., Тишков К.Н. Утилизация осадков сточных вод городских очистных сооружений.// Тезисы докл. международной научно-практической конференции «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования». -Пенза. - 1996. С. 112-115.

5. Торунова М.Н., Исаев В.В., Федорова Е.А, и др. Выбор оптимальных условий обработки осадков сточных вод и исследование кинетики извлечения меди из растворов обезвреживания. // Тезисы докл. международной научно-практической конференции «Проблемы охраны окружающей среды от промышленных, бытовых, биологических и медицинских отходов, осадков сточных вод». - Пенза. - 1997. С. 134-136.

6. Торунова М.Н. Технология обезвреживания и утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений.// Тезисы докладов 1 Нижегородской научной сессии молодых ученых. -Выкса, Нижегород. обл. - 1996. С. 123.

7. Торунова М.Н., Тишков К.Н. Исследование механизма извлечения ценных компонентов из растворов обработки осадков сточных вод.// Тезисы докладов 2 Нижегородской научной сессии молодых ученых. -Дзержинск, Нижегород. обл. - 1996. С. 132.

8 Торунова М.Н., Бакаев В В., Исаев В.В. и др. Локальная схема очистки гальванических стоков. Ж. "Мониторинг", №4, 1997, г. С.Петербург.

9. Торунова М.Н., Федорова Е.А., Бакаев В.В. и др. Анализ загрязнения водных объектов гальваническими стоками.// Ж. "Мониторинг", № 3, 1997г., г. С.Петербург.

10 Торунова МП,, Исаев В.В., Федорова Е А. и др. Локальная схема очистки кислых гальванических стоков.// Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы химии и химической технологии (ХИМИЯ-97)". - Иваново. -

1997 - с 14-16

I 1. Торунова М.Н., Исаев В.В., Бакаев В.В. и др Технология обезвреживания и утилизации ценных компонентов осадков городских сточных вод.// Тезисы Международной конференции "Почва, отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля". - Пенза. -

1998 - С 132-135.

12. Торунова М.Н., Исаев В.В., Бакаев В.В. и др Обезвреживание и утилизация осадков сточных вод городских очистных сооружений.// Журнал "Экология и промышленность России". - № 8, - 1998,- С. 15-19.

21 /оCL^

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ТОРУНОВА МАРИНА НИКОЛАЕВНА

ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ЦЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ ОСАДКОВ ГОРОДСКИХ

СТОЧНЫХ вод

Специальность 05.14 16 - «Технические средства и методы защиты окружающей среды в машиностроении» Специальность 05.17.03 - «Технология электрохимических

процессов»

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.х.н., профессор К.Н. Тишков

Н. Новгород, 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Л ИГЕРАТУPJ1Ы Й ОБЗОР 6 ЕЕ Актуальность проблемы очистки осадков сточных вод (ОСВ)

городских очистных сооружений

1.1.1. Источники образования сточных вод

1.1.2. Очистка сточных вод станциями биологической очистки 8 Е ЕЗ. Ценность и опасность осадков сточных вод 11

1.2. Существующие методы обезвреживания и утилизации осадков

сточных вод. Их сравнительная характеристика. 18

1.2.1. Утилизация осадков сточных вод .

1.2.2. Обезвреживание осадков сточных вод . 24

ЕЗ. Существующие методы извлечения ионовмечайШ^з разбавленных

' • к < '.»"■

растворов. Механизмы процессов. Их сравни iелытая'характеристика. 31

ЕЗ. I. Реагентные методы очистки гальванических стоков 32

1.3.2. Электрохимические методы 36

1.3.3. Мембранные методы 51

1.3.4. Сорбционные методы 52

1.3.5. Биохимические и другие методы очистки сточных вод. 55 1.4. Выводы к литературному обзору 59

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 62 2.Е Методы исследования физико-химических и бактериологических

свойств осадков сточных вод очистных сооружений

2.2. Методика процесса обезвреживания осадков сточных вод 66

2.3. Исследование свойств растворов обработки осадков сточных вод 67

2.4. Исследование кинетики и механизма процессов извлечения ценных

компонентов из растворов обработки осадков сточных вод 70

2.5. Статистическая обработка результатов и планирование эксперимента

с использованием ЭВМ 73

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 77

3.1. Обоснование выбора метода обезвреживания и утилизации осадков сточных вод

3.2. Исследование процессов обезвреживания токсичных компонентов осадков сточных вод 84

3.3. Исследование механизма извлечения ценных компонентов из

растворов обработки осадков сточных вод: 95

3.3.1. Исследование физико-химических параметров растворов обработки осадков сточных вод.

3.3.2. Исследование методов очистки растворов обработки осадков

сточных вод (ионообменные материалы, химические и электрохимические способы). Их сравнительные характеристики. 100

3.3.3. Исследование кинетики процесса обезмеживания растворов обработки осадков сточных вод. 111

3.3.4. Определение оптимальных режимов работы электролизеров для извлечения металлов из растворов обработки осадков сточных вод 116

ВЫВОДЫ 135

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 138

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 149

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 158

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важных проблем при очистке сточных вод на станциях аэрации является утилизация осадков, образующихся после аэробной биологической обработки ,гак называемых осадков сточных вод городских очистных сооружений. Не находящие применения осадки сточных вод скапливаются на иловых полях станций аэрации или же поступают в отвалы. Большие объемы осадков, неприятный запах, присутствие болезнетворных бактерий, яиц гельминтов и токсичных веществ - все это, наряду с отсутствием доступных методов их переработки и использования, создает опасность загрязнения окружающей среды.

Вместе с тем осадки сточных вод, содержащие большое количество органических веществ и питательных элементов, легко переходящих в доступные для растений формы, могут служить ценным сырьем для получения органических удобрений. Возможно использование осадков сточных вод и в других целях, например, в строительных работах и т.д. Однако прямое использование осадков сточных вод в хозяйственных целях не представляется возможным из-за неразработанности экологически безопасных технологий их обезвреживания, наличия в них токсичных компонентов, и в первую очередь ионов тяжелых металлов (ИТМ).

В микродозах ИТМ полезны для растений, однако при высоком содержании они не только могут замедлить их развитие, но и в опасных концентрациях по пищевым цепям поступать в организм человека.

Использование необезвреженных осадков сточных вод в строительных работах также экологически опасно, т.к. возможно при этом вымывание ИТМ с атмосферными осадками и загрязнение почв, водоемов и других составляющих биогеоценозов. С другой стороны, ионы тяжелых и цветных металлов в составе осадков - это потенциально ценное сырье и возможно их промышленное использование.

Поэтому необходимо проведение теоретических исследований с целью разработки экологически безопасных и экономичных технологий обезвреживания и утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений.

Автор выносит на защиту :

1 .Способ обезвреживания и утилизации осадка сточных вод (получено положительное решение о выдачи патента на изобретение но заявка № 96113570/25 (019727) от 13 августа 1997 г. (приоритет от 5 июля 1996 г.)) включающий в себя обработку ОСВ сернокислотным раствором и последующую нейтрализацию обработанного ОСВ аммиачным раствором.

2.Технологическую схему утилизации раствора обезвреживания ОСВ, включающую выделение гуминовых препаратов, медного порошка, гидроксидов тяжелых металлов.

3.Экспериментальные данные исследования физико-химических свойств ОСВ и растворов обработки ОСВ, кинетические закономерности изученных отдельных стадий предложенной технологической схемы.

4.Математические модели оптимизации и моделирования отдельных стадий обезвреживания и утилизации ценных компонентов ОСВ.

5.Сравнительный анализ отдельных методов извлечения ИТМ из растворов обработки осадков городских сточных вод.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ЕЕ Актуальность проблемы очистки осадков сточных вод (ОСВ) городских очистных сооружений ЕЕ I. Источники образования сточных вод

Неблагоприятная экологическая ситуация заставляет обратить особое внимание на технологи ^уменьшающие вредное воздействие на окружающую среду. Основными источниками загрязнения и засорения водоемов являются недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям воды, которые в основном проявляются в изменении физических свойств воды, в частности, появление неприятных запахов, привкусов и т.п.; в изменении химического состава воды, в частности, появление в ней вредных веществ, в наличии плавающих веществ на поверхности воды и образование отложений на дне водоемов [13]. Наличие городских очистных сооружений позволяет существенно сократить массу загрязняющих веществ, сбрасываемых в водоемы. Например, завод «Этна» г. Н. Новгород, не имевший до последнего времени своих очистных сооружений, сбрасывал значительное количество своих гальванических стоков в реку Ржавка. Превышение ПДК металлов в реке составляло: по цинку до 1313 ПДК, по железу - 1050 , по меди 650, по хрому до 50. В донных отложениях реки Ржавки установлено самое высокое содержание таких металлов, как хром, медь, цинк, свинец, никель (4-6].Загрязненные воды, подлежащие удалению с территории населенных мест и промышленных предприятий, так называемые сточные воды, классифицируются по происхождению на хозяйственно-бытовые, промышленные и атмосферные (ливневые). В зависимости от степени загрязнения сточные воды могут быть спущены в водоем непосредственно или после их очистки (механической, химической, биологической) [7].

Рост населения, расширение старых и возникновение новых городов значительно увеличили поступление бытовых стоков во внутренние водоемы. Бытовые сточные воды представляют собой неустойчивую полидисперсную систему, частицы которой по своим размерам колеблются от мелко- до высокодисперсных. Эти стоки имеют относительно постоянный состав загрязнений. Происхождение их связано с жизнедеятельностью человека. Все эти загрязнения в основном являются органическими веществами растительного и животного происхождения. К неорганическим загрязнениям относятся: песок, глина, частицы руды, шлака, мела, минеральные соли и т.д. Бытовые сточные воды содержат [8] различные микроорганизмы: бактерии, дрожжевые и плесневелые грибки, мелкие водоросли, яйца гельминтов, вирусы и т.п. Эти воды являются эпидемиологически опасными для человека и животных, т.к. в своем составе наряду с сапрофитными содержат патогенные (болезнетворные) микроорганизмы. В результате снижается способность вод к насыщению кислородом, парализуется деятельность бактерий, минерализующих органические вещества.

Атмосферные, или ливИевые, воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков. К ним кроме дождевых вод относятся воды, образующиеся от таяния снега, поливки улиц, фонтанов и дренажей. Эти стоки загрязнены органическими и минеральными веществами, содержащимися в атмосфере, на предметах и грунте, с которыми они соприкасаются.

В сточных водах обычно содержится около 60% веществ органического происхождения, к этой же категории органических относятся и биологические (бактерии, вирусы, грибы, водоросли), загрязнения в коммунально-бытовых, медико-санитарных водах и отходах кожевенных предприятий и предприятий по обработке шерсти [8].

Производственные сточные воды загрязнены в основном отходами и сбросами производства. Количественный и качественный состав их

разнообразен и зависит от отрасли промышленности и характера технологических процессов; их делят на две основные группы: содержащие неорганические примеси, в том числе и токсичные, и содержащие яды [8].

К первой группе относятся сточные воды содовых, сульфатных, азотнотуковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд, гальванических участков и цехов, в которых содержатся щелочи, кислоты, ионы тяжелых металлов (ИТМ) и др. Сточные воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.

Сточные воды второй группы сбрасывают нефтеперерабатывающие, нефтехимические заводы, предприятия органического синтеза и т.д. В стоках содержатся разные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вредоносное действие сточных вод этой группы заключается главным образом в окислительных процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода, увеличивается биохимическая потребность в нем, ухудшаются органолептические показатели воды.

1.1.2. Очистка сточных вод станциями биологической очистки

В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно-бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.

Очистка сточных вод - это обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические [9]. Применение того или иного метода в каждом конкретном

случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками различных конструкций, а поверхностные загрязнения -нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75 % нерастворимых примесей, а из промышленных до 95 %, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве [9].

Химический метод [10] заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95 % и растворимых до 25 %.

При физико-химическом методе обработки [9] из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества. Чаще всего из физико-химических методов применяются коагуляция, флокуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находят также электрохимические методы. Они заключаются в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов и других неорганических веществ. Такая очистка эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.

Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, ультрафиолетового излучения, озона, ионообменных смол и высокого давления [10]; хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.

Среди методов очистки сточных вод широко используется биологический метод [11], основанный на использовании закономерностей

биохимического и физиологического самоочищения рек и водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэрогенки.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализирующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслииающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические методы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.). Биологический метод дает хорошие результаты при очистке коммунально-бытовых и промышленных стоков, особенно при больших объемах сточных вод.

На Нижегородскую станцию аэрации поступает около 1 млн. м3 в сутки смешанных сточных вод: промышленных и хозяйственно-бытовых [12]. Сточные воды, поступающие на предприятие по их очистке, содержат весьма разнообразные по составу загрязнения минерального (песок, глинистые

частицы, масла, кислоты, щелочи, соли, ионы металлов и т.н.), органического (бытовые отходы, фекалии, растительные масла, нефтепродукты, волосы, волокна растений и т.п.) и бактериального (микроорганизмы, дрожжевые и плесневелые грибы, водоросли и т.п.) происхождения в виде растворов, коллоидов, плавающих и взвешенных веществ.

На Нижегородской станции аэрации осуществляется полная биологическая очистка сточных вод, которая включает в себя следующие основные этапы: механическая очистка, биологическая очистка, доочистка (хлорирование), обработка осадков.

1.1.3. Ценность и опасность осадков сточных вод

Осадки городских сточных вод (ОГСВ или просто ОСВ) - это суспензии, выделяемые из сточных вод в процессе их механической, биологической или физико-химической (реагентной) очистки. При этом в осадки переходят и все вышеперечисленные токсичные компоненты сточных вод. Большие объемы осадков после очистных сооружений, наличие в них токсичных веществ и болезнетворных бактерий вызывает необходимость в специальной обработке и захоронении осадков сточных вод, с целью предотвращения неконтролируемых загрязнений окружающей среды. Это требует больших затрат и больших площадей для складирования осадка при отсутствии свободных земельных участков вокруг больших городов. Нижегородская станция аэрации занимает только под такие поля свыше 155 га [12]. С другой стороны, осадки сточных вод содержат и целый ряд ценных компонентов как органического, так и неорганического происхождения. Опыт показывает, что повторное вовлечение отходов очистных сооружений в промышленный и сельскохозяйственный оборот позволяет расширить сырьевую базу страны и на этой основе увеличить масштабы производства. Кроме того, утилизация отходов позволит частично заменить первичное

сырье, эффективнее и�