Научная статья на тему 'Геоэкологическое решение применения термообработанного пенобетона для иммобилизации ионов тяжелых металлов'

Геоэкологическое решение применения термообработанного пенобетона для иммобилизации ионов тяжелых металлов Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

CC BY
216
73
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ОЧИСТКА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ И ПОЧВ / ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ / РЕАГЕНТЫ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ / PURIFYING THE WATER BODIES AND SOILS / HEAVY METALS / CHEMICALS FOR HEAVY METAL IMMOBILIZATION

Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Капустина О. А.

Разрабатывается способ очистки водных объектов и почв от ионов тяжелых металлов с помощью термообработанного пенобетона. Предполагается использование этого поглотителя в том числе для очистки сточных вод, при этом не только в проектируемых очистных сооружениях, но и в уже построенных. Приведены результаты экспериментальных исследований в области поглощения ионов тяжелых металлов термообработанным пенобетоном. Исследования показали эффективность очистки, а также более высокую ёмкость поглощения ионов тяжелых металлов данным поглотителем по сравнению с применяемыми сорбентами.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Geo-ecological solution for application of heat-treated foamed concrete for heavy metal ions immobilization

A method for purifying the water bodies and soils from ions of heavy metals using the heat-treated foamed concrete is under development. It is proposed to use this absorber for waste water treatment also, and not only within treatment facilities that are under design, but also that are already exist. The article provides the results of experimental research in the field of heavy metal ions absorption by heat-treated foamed concrete. Studies have shown the effectiveness of treatment, as well as higher capacity of absorption of heavy metal ions by this absorber compared to the absorbers in use.

Текст научной работы на тему «Геоэкологическое решение применения термообработанного пенобетона для иммобилизации ионов тяжелых металлов»

Общетехнические задачи и пути их решения

99

УДК 504.064

О. А. Капустина

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМООБРАБОТАННОГО ПЕНОБЕТОНА ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Разрабатывается способ очистки водных объектов и почв от ионов тяжелых металлов с помощью термообработанного пенобетона. Предполагается использование этого поглотителя в том числе для очистки сточных вод, при этом не только в проектируемых очистных сооружениях, но и в уже построенных. Приведены результаты экспериментальных исследований в области поглощения ионов тяжелых металлов термообработанным пенобетоном. Исследования показали эффективность очистки, а также более высокую емкость поглощения ионов тяжелых металлов данным материалом по сравнению с применяемыми сорбентами.

очистка водных объектов и почв, тяжелые металлы, реагенты для иммобилизации тяжелых металлов.

Введение

Проблема очистки водных объектов и почв от ионов тяжелых металлов, привносимых туда в результате строительной, железнодорожной и иной хозяйственной деятельности, была и остается актуальной.

К глобальныму загрязнению окружающей среды приводит и научно-технический прогресс, который невозможно представить без активного природопользования. В сточной воде объектов строительной и иной хозяйственной деятельности содержатся ионы тяжелых металлов, чаще всего - железа, меди, марганца, свинца и цинка.

Многие крупные предприятия столкнулись с проблемой очистки сточных вод, загрязненных в результате не только своей деятельности, но и попадания фоновых поллютантов, концентрации которых зачастую в несколько раз превышают нормативные значения. В результате несмотря на очистку концентрация загрязняющих веществ при сбросе по-прежнему остается выше предельно допустимого значения (ПДК).

На основании мониторинга в Красногвардейском районе Санкт-Петербурга (Индустриальный пр., промплощадка) в ливневых сточных водах предприятия концентрация железа общего в контрольном колодце колеблется в диапазоне 1,7-68 мг/л (при нормативе 0,3 мг/л), что превышает ПДК в 5,7-226,7 раз; марганца - 0,12-5,2 мг/л (при нормативе 0,1 мг/л), что превышает ПДК в 1,2-52 раза.

В связи с этим одной из наиболее важных проблем остается очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов (ИТМ), в том числе железа и марганца, которые попадают в сточные воды и за счет вымывания из почв.

Наличие загрязняющих веществ в почве обусловлено, прежде всего, подстилающими породами. Так, на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области распространены нижнекембрийские синие глины, в которых обычно присутствуют гидрослюда, глауконит, хлорит и гидрохлорит, монтмориллонит, пирит и др. [1, 2]. Химический состав минералов приведен в табл. 1.

То есть в подстилающих породах Санкт-Петербурга в больших количествах содержат-

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2015/1

100

Общетехнические задачи и пути их решения

ТАБЛИЦА 1. Химический состав минералов подстилающих пород

Минерал Химический состав

Гидрослюды К (Al, Mg, Fe)-3 • [Si4-xAlO10] • (OH)2 • nH2O, где x = 0,5, n = 1,5

Глауконит (К, Na, CaO) (Fe3+, Mg, Fe2+, Al)2 [(Al, Si)Si3O10] (OH)2 • H2O

Хлорит (Mg, Fe2+)3 (AlSi3O1o) (OH^3 (Mg, Fe2+) (OH^

Монтмориллонит m {Mg3 ^OJ [OHy-p{Al, Fe 3+^ ^OJ [OH^n^O

Пирит FeS2

ся ИТМ. В нашем регионе воздействие кислотных осадков на почвы способствует вымыванию свободных форм тяжелых металлов из пород. Именно поэтому необходимо искать новые методы и технологии снижения негативного воздействия на окружающую среду.

Цель исследования заключается в поиске новых методов и технологий очистки водных объектов и почв от ионов тяжелых металлов.

1 Методы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

Современные технологии очистки сточных вод позволяют удалять железо и марганец из сточных вод, однако данные сооружения предполагают много ступеней очистки, и потому дорогостоящи.

Как правило, соединения, содержащие марганец, присутствуют в воде вместе с растворенным железом Fe+2. Марганец, находящийся в воде в растворенном состоянии, удаляется вместе с железом. Таким образом, очистка воды от железа приводит к снижению концентрации марганца. Но нужно учитывать, что по сравнению с железом марганец окисляется медленнее и требует большего количества кислорода.

На реакцию окисления влияют температура, величина водородного показателя (рН) и концентрация растворенного кислорода.

Методы очистки воды от соединений железа и марганца можно разделить на реагентные

и безреагентные. Реагентные методы связаны с применением хлора, озона, перманганата калия, извести, коагулянтов и т. п., которые добавляют непосредственно в воду. Безреагентные методы подразумевают на первом этапе аэрирование воды, а затем ее фильтрование через зернистую загрузку. Главной целью обоих методов является окисление ионов примеси, чтобы перевести их в нерастворимое состояние, а затем удалить из воды механическим способом (отстаиванием либо фильтрацией).

Методы очистки воды от железа и марганца схожи. Их эффективность зависит от исходной концентрации железа, марганца и иных примесей, от значений pH, от технических характеристик обезжелезивающих и деманганаци-онных устройств (в частности, фильтров), их стоимости, дизайна, фильтрующей загрузки и иных показателей.

В настоящее время сорбционные методы очистки наиболее эффективны. В табл. 2 приведены распространенные промышленные сорбенты, наиболее широко применяемые для удаления ИТМ из сточных вод [3].

Стоимость имеющихся сорбентов достаточно высока. Известно, что стоимость фильтрационно-сорбционной очистки на 40 % зависит от стоимости загрузки в фильтре. В связи с этим на основании исследований Петербургского государственного университета путей сообщения было предложено использовать в качестве сорбента отходы пенобетона, который по своим сорбционным свойствам сопоставим с применяемыми промышленно выпускаемыми фильтрующе-сорбирующими материалами [3].

2015/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

101

ТАБЛИЦА 2. Виды промышленных сорбентов

Материалы Происхождение Емкость по ИТМ

Карбоксильные катионобменники Искусственный сорбент 0,5-5,7 ммоль/г (все катионы)

Сорбенты на основе цеолитов Искусственный сорбент на основе природных минералов 1,24-4,2 мг/г (сорбция меди, железа, хрома)

Сорбент на основе торфа Природный сорбент 1,24-4,2 мг/г (сорбция меди, железа, хрома)

Алюмосиликатный адсорбент Искусственный сорбент на основе природных минералов 0,4 мг/г (сорбция свинца)

Туф Природный сорбент 1 мг/г (сорбция железа)

Вермулит Природный сорбент 1,13-1,43 мг/г (сорбция марганца и железа)

Сорбент на основе осадка природных вод Искусственный сорбент на основе промышленных отходов 1,5-2,0 мг/г (сорбция железа)

Исследования в области геоэкозащитных технологий доказывают, что продукты разрушения бетона, а также отходы производства пенобетона эффективно работают в отношении таких тяжелых металлов, как медь, кадмий, железо, марганец, никель, хром [4, 5].

Известны пути увеличения емкости сорбентов: прокаливание, нагрев, активация поверхности ускоренными электронами [6].

На основании этого мы предлагаем использовать в качестве сорбента бой автоклавного пенобетона, обработанного при 200 °C, который показал хорошие поглощающие характеристики.

В табл. 3 представлены данные статической емкости различных сорбентов на примере поглощения марганца.

Из табл. 3 видно, что статическая емкость термообработанного пенобетона в 2,7 раз выше, чем у пенобетона, и в 5,6 раз выше, чем у тяжелого бетона.

2 Результаты экспериментальных исследований

Ранее мы исследовали поглощение из сточных вод железа и марганца боем термообработанного пенобетона, а также промышленно применяемым алюмосиликатным сорбентом «Глинт». Результаты данных исследований подробно отражены в [7].

Дальнейшие исследования на практике доказали, что поглощение из сточных вод желе-

ТАБЛИЦА 3. Статическая емкость силикатсодержащих материалов на примере поглощения марганца

Материал Статическая емкость, мг/г

Пенобетон 2,3

Бой тяжелого бетона 1,1

Термообработанный пенобетон 6,18

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2015/1

102

Общетехнические задачи и пути их решения

за и марганца боем термообработанного пенобетона гораздо эффективнее, чем промышленно применяемым алюмосиликатным сорбентом «Глинт». На рис. 1 представлена остаточная концентрация ионов железа и марганца после поглощения их из сточных вод термообработанным пенобетоном и сорбентом «Глинт».

На нынешнем этапе исследований определяется максимально возможная емкость поглощения ИТМ термообработанным пенобетоном с целью подбора необходимого и оптимального гранулометрического состава и объема загрузки при применении в локальных очистных сооружениях.

Известно, что фракция с диаметром гранул 0,63 мм оптимальна для промышленного применения в очистных сооружениях. Так как данная фракция требует дополнительного отсева, исследовалась возможность использования более крупной фракции. Для этого бой автоклавного термообработанного пенобетона был просеян через сита с диаметром отверстий 2,5 мм, 1 мм и 0,63 мм. Диаметр самых крупных кусочков поглотителя был не более 12 мм.

Для имитации аварийного сброса, а также для определения максимально возможной емкости поглощения термообработанного пенобетона были приготовлены растворы меди, железа и марганца с концентрацией 0,1 моль/л, которые затем смешали в равных пропорциях.

С помощью атомно-абсорбционной спектрометрии были определены начальная и конечная концентрация загрязняющих веществ в растворе, который контактировал с термообработанным пенобетоном различных фракций в течение 2 ч. Измерения остаточной концентрации проводились с интервалом 15 мин. Результаты исследований приведены в табл. 4.

В эксперименте уже через полчаса сорбент показал максимальную емкость поглощения марганца. Статическая емкость поглощения меди и железа продолжала увеличиваться и достигла максимума через 2 ч.

Анализ результатов (табл. 4) показывает, что средняя статическая емкость поглощения железа, марганца и меди составила

774,1 мг/г. Средняя эффективность очистки составила 53,7 %.

Эксперимент еще раз подтвердил: чем мельче гранулометрический состав поглощающего материала, тем выше эффективность очистки, при этом от фракции к фракции эффективность очистки увеличивается в среднем на 3-7 %.

Экспериментальным путем установлено, что отсеивать конкретную фракцию термообработанного пенобетона затратно по времени, трудоемко и нецелесообразно с точки зрения эффективности очистки, так как при его применении в технологическом процессе каждая конкретная фракция будет вносить свой процент очистки и тем самым улучшать качество сточной воды.

мг/л

0,2

0,15

0,1

0,05

0

железо марганец

■ Термообработанный пенобетон

■ Сорбент «Глинт»

Рис. 1. Остаточная концентрация ионов тяжелых металлов в сточной воде после поглощения их сорбентами

2015/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

103

ТАБЛИЦА 4. Результаты поглощения ионов тяжелых металлов термообработанным пенобетоном из 0,1-молярного раствора

Тяжелый металл Исходная концент- рация, мг/л Средняя остаточная концентрация, мг/л Средняя эффективность очистки, % Средняя статическая емкость, мг/г

Через 30 мин. Через 2 ч Через 30 мин. Через 2 ч Через 30 мин. Через 2 ч

Марганец 4752,5 3823,9 3769,4 19,5 20,69 239,8 185,2

Железо 5605 676,142 25,41 87,9 99,55 1239 1299

Медь 6120 2836,99 630,8 53,6 89,69 843,6 1371

3 Способы загрузки поглотителя

в типовые очистные сооружения

В состав типичных ливневых очистных сооружений, как правило, входят следующие технологические элементы (рис. 2):

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1) приемный (распределительный) колодец;

2) пескоуловитель (пескоотделитель);

3) нефтеуловитель (маслобензоотделитель);

4) сорбционный фильтр;

5) контрольный колодец (для отбора проб).

Система ливневых очистных сооружений

подбирается в зависимости от основных параметров: объема сточных вод с территории, производительности очистных сооружений; концентрации загрязняющих веществ на входе в очистное сооружение; необходимой степени очистки до норм сброса в городскую канализацию или в водные объекты [8].

Однако, как показывает практика, не всегда удается очистить сток от всех загрязняющих веществ до нормативных показателей, используя ливневые очистные сооружения.

Так, на выбранном нами предприятии концентрация вредных (загрязняющих) веществ в контрольном колодце после очистных сооружений в несколько десятков раз превышает допустимые значения. В связи с тем, что очистные сооружения уже смонтированы и места для дополнительных очистных сооружений нет, мы предлагаем использовать приемный резервуар в качестве емкости, куда в необходимом количестве можно заложить поглощающий материал, способный даже из исходной воды удалить до 99 % загрязняющих веществ (а именно тяжелых металлов).

Количество поглощающего материала будет рассчитываться исходя из общегодового объема поверхностного стока, а также среднего количества загрязняющих веществ (на основании данных мониторинга). Таким образом, с учетом максимальной емкости поглощающего материала можно будет определить наиболее подходящее количество загрузки, а также время ее «работы».

Для удобства обслуживания очистных сооружений мы предлагаем помещать по-

Рис. 2. Типовые ливневые очистные сооружения

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2015/1

104

Общетехнические задачи и пути их решения

глощающий сорбент в полипропиленовые мешки, которые будут инертны к сточной воде. Предполагается, что для более эффективной работы очистных сооружений один мешок можно поместить на дно колодца, где он будет находиться длительное время (до полугода-года) и служить элементом доочистки, а другой подвесить в самом колодце и заменять новым согласно разработанной схеме замены поглотителя. Ввиду незначительного объема загрузки (по проведенным расчетам -в пределах 5-10 кг) данная процедура потребует минимальных трудозатрат.

Так как поглощающий материал не оказывает отрицательного воздействия на сточную воду, то при наличии в ней загрязняющих веществ с концентрацией, превышающей допустимую, мешки с поглотителем можно закладывать и в контрольный колодец по той же схеме, что и в приемный резервуар.

Заключение

Исследования в Петербургском государственном университете путей сообщения, посвященные изучению геоэкозащитных свойств бетона, а именно его способности сорбировать ионы тяжелых металлов из почв, показали, что степень удаления загрязняющих веществ из почвы зависит от гранулометрических параметров фракций бетона и от времени его работы. Диапазон эффективности очистки составил 82-98 % [3].

Положительный опыт удаления тяжелых металлов из сточных вод термообработанным пенобетоном позволяет предполагать его лучшие поглощающие свойства по сравнению с обычным бетоном и при удалении ИТМ из почв.

Кроме того, преимуществами термообработанного пенобетона является не только его высокая сорбционная способность, дешевизна, но и пригодность к дальнейшей утилизации в качестве отощителя в строительной

керамике [9], что обеспечивает безотходность производственного процесса.

Библиографический список

1. Инженерно-геологическая и геоэкологическая оценка нижнекембрийских синих глин Санкт-Петербургского региона. - СПб., 1997. -URL : http://metodi4ka.com/wp-content/uploads/ 2011/05/geografija_1.pdf (дата обращения

22.02.2014) .

2. ОАО «МАКСМИР» / А. А. Матвиевский, В. Г. Овчинников // Новости теплоснабжения. -2005. - № 7. - URL : www.ntsn.ru (дата обращения

08.02.2014) .

3. Инженерно-химические и естественно-научные основы охраны окружающей среды : учеб. пособие / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, А. М. Сычева, Е. И. Макарова. - СПб. : Петербург. гос. ун-т путей сообщения, 2009. - 24 с.

4. Минимизация негативного воздействия на окружающую среду строительной деятельности и ЖКХ системой превентивных методов : дис. ... д-ра техн. наук : 25.00.36 / Н. А. Бабак. - СПб., 2011. -497 с.

5. Геоэкологический резерв технологий, материалов и конструкций в строительстве при использовании промышленных минеральных отходов / H. A. Бабак, Л. Л. Масленникова, A. M. Славина. - СПб. : Петербург. гос. ун-т путей сообщения, 2011. - 86 с.

6. Промышленные и природные твердые отходы с геозащитным резервом / М. В. Шершнева // Новые исследования в материаловедении и экологии : сб. науч. тр. - Вып. 7. - СПб. : Петербург. гос. ун-т путей сообщения, 2007. - С. 10-13.

7. Технологии локализации негативного техногенного воздействия на окружающую среду / H. A. Бабак, О. А. Капустина // Технологии техно-сферной безопасности : интернет-журнал. - Вып. 3 (55). - 2014. - 7 с. - URL : http://ipb.mos.ru/ttb/2014-3/2014-3.html.

8. Ливневые очистные сооружения : материал с сайта компании ООО «Композитные технологии России». - URL : http://ktr-g.ru/livnevka-los.html (дата обращения 23.12.2014).

9. Пат. № 2416585 РФ. Керамическая масса / Л. Б. Сватовская, Л. Л. Масленникова, H. A. Ба-бак, O. A. Капустина. - № 2009143284/03 ; заявл. 23.11.2009 ; опубл. 20.04.2011 ; Бюл. № 11.

2015/1

Proceedings of Petersburg Transport University

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.