CC BY
49
ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
УДК 628.38
О.Д. ЛУКАШЕВИЧ, докт. техн. наук,
Н.Т. УСОВА, аспирант,
И. В. БАРСКАЯ, аспирант,
ТГАСУ, Томск
КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И УТИЛИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ОСАДКОВ СТАНЦИЙ ВОДОПОДГОТОВКИ
Разработан вариант комплексного решения проблемы утилизации осадков железосодержащих промывных вод, образующихся в больших количествах при очистке подземных вод на этапе фильтрования, и очистки производственных сточных вод от ионов тяжелых металлов. Установлена высокая адсорбционная способность железосодержащего осадка по отношению к большому ряду металлов: Со+2 , Со+3, №+2, Сa+2 , Zn+2, Сd+2, Pb+2, что связано с их геохимическими характеристиками.
Ключевые слова: осадки сточных вод, утилизация отходов, промывные воды фильтров.
Постановка проблемы. Постоянный рост количества воды, используемой для производственного и хозяйственно-бытового водоснабжения, сопровождается одновременным увеличением объема сточных вод. К примеру, сотни тысяч кубометров стоков в сутки поступают в канализацию любого города с населением около 500 000 чел. При их обработке на очистных сооружениях образуются осадки (примерно 750 м3 осадка из 100 000 м3 сточной жидкости). Под их хранение используются обширные территории специально оборудованных иловых площадок. В этой связи представляются актуальными такие направления экологизации водоотведения, как увеличение глубины очистки и повторное использование очищенных сточных вод, утилизация осадков в сельскохозяйственной практике (внесением в почвы), снижение объемов сточных вод.
При промывке фильтровальных сооружений водоподготовки образуются сточные воды, представляющие собой суспензии разной степени дисперс-
© О.Д. Лукашевич, Н.Т. Усова, И.В. Барская, 2009
ности. Если в Западной Европе оборот только промывных вод гальванических производств составляет 97-98 %, то в России эта проблема относится к трудно решаемым.
Для обработки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, и выделения твердой фазы осадков используются электрофлотационные модули; осуществляется совместная очистка промывных вод и технологических растворов щелочными реагентами; ведется обработка флокулянтами. Однако реагентные методы малопривлекательны из-за больших финансовых затрат, кроме того, в воду вносятся дополнительные загрязняющие вещества, а это вновь требует затрат на очистку. Организация замкнутого цикла с возвращением осветленной воды в начало процесса - идеальный вариант, редко достижимый на практике.
Важным природоохранным направлением является обработка отходов перед их помещением в окружающую среду. Принцип разбавления сточных вод перед их сбросом в водоемы, рассеивания газопылевых выбросов на большие расстояния, рассредоточения твердых загрязнителей с целью недопущения превышения ПДК загрязнителя в конкретном очаге себя исчерпал. Современная позиция в природопользовании предполагает переработку или, если это невозможно, глубокую очистку всех видов отходов (кроме высокотоксичных, радиоактивных и других, не поддающихся обезвреживанию при современном уровне развития техники) перед помещением в геологические оболочки Земли.
Таким образом, требуют решения такие технико-экономические и природоохранные задачи, как уменьшение земельных площадей, занимаемых горизонтальными отстойниками, иловыми площадками, площадками замораживания; экономия электроэнергии, необходимой для работы насосного и другого оборудования; сокращение времени отделения осадка; уменьшение объемов сбрасываемых в поверхностные водоемы и водотоки недоочищенных и неочищенных сточных (промывных) вод.
С этих позиций мы рассматриваем осаждение ионов тяжелых металлов (ТМ) из сточных вод (СВ) и связывание ионов ТМ в осадках СВ. Авторами была поставлена задача исследовать условия образования, структуру и свойства осадков промывных вод фильтровальных сооружений Томского подземного водозабора, чтобы найти экономически целесообразные способы их утилизации для извлечения тяжелых металлов из производственных сточных вод.
Возможности использования железосодержащих осадков промывных вод для очистки производственных и ливневых сточных вод связаны с рядом их особенностей. Это малые (0,02-0,03 мм) размеры частиц, высокое содержание железа в оксидных, гидроксидных и смешанных формах, отсутствие токсичных примесей, а также большая удельная поверхность.
Гидрогенное происхождение, высокая пористость, специфический химический состав обусловливают адсорбционные свойства железосодержащего осадка (ЖСО), подобные природным минералам, что показано в работах [1-3].
В классификации по особенностям миграции железо и марганец отнесены А.И. Перельманом [4] к группе подвижных и слабоподвижных в восстано-
вительной глеевой среде и инертных в окислительной и восстановительной сероводородной. Коэффициент водной миграции у них составляет 0,02. Показатели содержания элементов в гетите из почв на основных породах (по К. Норришу, М. Вилсону) в %: Бе 51,7-61,9; Мп 0,26-0,50; Со 0,008; Си 0,08; Мо 0,85; N1 0,017; V 1,7; Zn 1,73-2,35. Из этого следует геохимический вывод, что соединения железа легко осаждают кадмий, кобальт, никель, олово, цинк, мышьяк и другие элементы. Важной особенностью является относительная устойчивость гетитсодержащих почв в кислых и нейтральных восстановительных условиях, что связано со стойкостью к выщелачиванию.
Как показано ранее [1-3], основным минералом в составе ЖСО является гетит РеООИ. Проводя аналогию между геохимическим поведением гетита почв и гетита ЖСО, можно ожидать, что ЖСО способен выполнять роль сорбента для многих металлов-загрязнителей сточных вод. Для проверки этой гипотезы нами были выполнены эксперименты по адсорбции тяжелых металлов гетитом, входящим в состав ЖСО, а также по смешиванию и совместному хранению осадков сточных вод гальванических производств, содержащих ряд тяжелых металлов, и ЖСО.
Ниже рассматривается осаждение ионов тяжелых металлов (ТМ) из сточных вод (СВ) и снижение подвижности ионов ТМ в осадках СВ за счет захвата и прочного удерживания токсичных ионов тяжелых металлов в твердой фазе препаратов ЖСО.
Выбор условий осаждения ионов тяжелых металлов из сточных вод. Снижение подвижности ионов тяжелых металлов в осадках сточных вод позволяет решить проблему утилизации последних путем использования в качестве компонента почвоулучшающих добавок. Нами проведены исследования, показавшие возможность связывания ионов цинка, свинца, кадмия, хрома, меди, никеля, кобальта путем добавления сорбционного материала, приготовленного с использованием глины и железосодержащего осадка (ЖСО) промывных вод станций водоподготовки.
Выбор состава сорбционного материала основан на стремлении получить композицию (сорбционный материал), содержащую недорогое природное сырье и отходы. Глинистые минералы хорошо известны как природные сорбенты, прочно и длительно удерживающие многие загрязнители, включая ТМ и органические вещества. Монтмориллониты и каолиниты создают благоприятную основу для формирования гумуса при их внесении в почву. Запасы глин в Томской и соседних областях велики и позволяют полностью удовлетворить потребности данной технологии. ЖСО образуется в большом количестве при водоподготовке, т. к. удаление железа из подземных вод перед питьевым использованием весьма распространено в Западной Сибири.
Методика эксперимента. Исходный сорбционный материал готовили, используя различные соотношения (по массе сухого материала) между глиной и ЖСО. В исследовании нами были взяты железосодержащие осадки станции обезжелезивания «Томскводоканала». Химический состав используемого нами осадка характеризуется следующими компонентами (%): №20(0,30); К20(0,39); Са0(5,69); Мв0(2,64); Бе203(29,0); Мп(3,20); ^03(17,11);
Тх02(0,04); 8x02 (6,73); Р205(9,92); 803(0,10).
К смеси добавляли, при необходимости, 1-5 % (по массе) модифицирующих веществ. В качестве таких добавок служили оксиды или карбонаты кальция, магния, натрия, калия, алюминия. Сорбционный материал мелко перетирался в агатовой ступке и использовался в порошкообразном виде.
Соотношение глины и ЖСО менялось следующим образом: глина: ЖСО = 1:5 (образец 1), 1:2 (образец 2); 1:1 (образец 3); 2:1 (образец 4); 5:1 (образец 5).
Сорбционный материал специально подобранного состава смешивали с суспензией осадка сточных вод массой 200 г и оставляли для протекания физико-химических процессов, возможных при созданных условиях (температура, режим перемешивания, время). Продолжительность контакта указанных компонентов составляла 7 суток, что обусловлено длительностью установления термодинамического равновесия в многокомпонентной системе с большим числом взаимозависимых участников физико-химических процессов.
Каждая серия опытов проводилась при трех температурах через интервал в 20 градусов: 20, 40 и 60 °С. Более высокие температуры не рассматривались ввиду экономической нецелесообразности. Температуры ниже 20 °С из-за уменьшения скоростей химических реакций не изучались.
Эффективность процесса связывания ионов ТМ оценивали, сравнивая их содержание в водных, солевых, щелочных и кислотных вытяжках проб необработанных и обработанных сорбционных материалов на основе осадков сточных вод. Вытяжки готовили, заливая навеску полученной после семидневного контакта композиции (смеси осадка и сорбционного материала) жидкостями: 1 - водой; 2 - раствором 0,01 М НКО3; 3 - раствором 0,01 М №С1, 4 - 0,01 М раствором КОН.
Контроль степени связывания ТМ осуществляли путем анализа модельных растворов до и после эксперимента по стандартным методикам [5].
Результаты и их обсуждение. Некоторые из полученных результатов приведены в таблице. Получен 3-50 % эффект снижения концентраций тяжелых металлов практически во всех сериях опытов. Лучшие результаты достигнуты при повышенных температурах. По-видимому, наиболее приемлемой является температура 40 °С, при которой связывание ТМ происходит достаточно быстро и полно. В ряде случаев для хрома и никеля при 20 °С не наблюдалось заметного эффекта в широком диапазоне состава образцов. Это связано с необходимостью увеличения температуры или продолжительности контакта. С точки зрения производительности процесса последний вариант менее предпочтителен.
Изучена устойчивость к выщелачиванию образцов сорбционных материалов с поглощенными ТМ. Целью этого исследования было оценить вероятность вымывания металлов-загрязнителей из сорбентов в почвы и природные воды при размещении отходов на полигонах, иловых площадках, полях. При сравнении результатов, полученных при анализах водных, солевых (0,01 М раствор №С1), щелочных (0,01 М раствор КОН), кислотных (0,01 М раствор ЫК03) вытяжек оказалось, что в последнем случае вымывание ионов ТМ происходило легче всего. Это ожидаемый результат: раствор азотной кислоты наиболее агрессивен из прочих исследованных. Наиболее устойчив
к выщелачиванию образец в щелочной и водной среде, промежуточное место занимает солевой раствор с нейтральной реакцией среды.
Эффективность процесса сорбционно-химического связывания ионов тяжелых металлов осадков сточных вод сорбционным материалом из природно-техногенного сырья (по результатам анализа водных вытяжек)
Металл- загрязнитель Эффективность связывания ионов тяжелых металлов, %
№ образца
1 2 3 4 5
Свинец 68,6 59,5 44,8 38,1 33,4
Кадмий 29,8 36,4 32,7 34,5 50,1
Хром 9,5 12,5 10,1 12,6 14,6
Медь 5,3 6,3 5,8 4,8 4,2
Никель 23,7 25,0 24,7 30,0 28,4
Кобальт 22,6 29,1 25,3 29,0 30,4
Цинк 30,3 31,4 29,8 35,5 32.2
* Условия взаимодействия осадка сточных вод и сорбционного материала: температура 20 °С, концентрация сорбционного материала 5 %. Соотношение глина : ЖСО в образцах 1:5 (образец 1), 1:2 (образец 2); 1:1 (образец 3); 2:1 (образец 4); 5:1 (образец 5).
Установлено, что в присутствии щелочных добавок эффективность связывания ТМ повышается. Объяснением этого факта служит низкая растворимость в воде гидроксидов тяжелых металлов.
По способности к поглощению двухвалентных ионов исследуемыми сорбционными материалами тяжелые металлы располагаются, в зависимости от условий опыта, в ряды: Си > Сг > N > РЬ > Cd > Со > 2п; Си > Сг > РЬ > N1 > Cd > Со > 2п; Си > Сг > N1 > Со > РЬ > Cd > 2п. Каждый из образцов (1-5 и другие) проявляет свои специфические свойства в отношении тех или иных металлов.
Таким образом, нами показана принципиальная возможность использования ЖСО для приготовления порошкового сорбционного материала, служащего для снижения концентраций подвижных форм ТМ. В перспективе это позволяет создать технологию совместной утилизации городских (производственных, ливневых) сточных вод и ЖСО промывных вод.
Заключение. Установлены катионы, которые имеют предпочтительную адсорбцию на ЖСО: Со+2, Со+3, №+2, Са+2, 2п+2, Сd+2, РЬ+2, что связано с их геохимическими характеристиками.
Высокая поглощающая способность ЖСО в отношении тяжелых металлов может быть использована, во-первых, для выделения токсичных элементов из сточных вод, во-вторых, для обработки осадков гальванических производств.
Возможна организация иловых площадок, куда вместе с ЖСО помещаются осадки сточных вод гальванических производств. Для предотвращения миграции тяжелых металлов за пределы площадки необходимо соблюдение
последовательности слоев (снизу вверх): глина, ЖСО, осадки сточных вод, содержащие тяжелые металлы, известь (если рН < 7, требуется довести рН до 8).
Библиографический список
1. Минеральные новообразования на водозаборах Томской области / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, Г.М. Рогов [и др.] ; под ред. Д.С. Покровского. - Томск : Изд-во НТЛ,
2002. - 176 с.
2. Лисецкий, В.Н. Улавливание и утилизация осадков водоподготовки на водозаборах г. Томска / В.Н. Лисецкий, В.Н. Брюханцев, А.А. Андрейченко. - Томск : Изд-во НТЛ,
2003. - 164 с.
3. Лукашевич, О.Д. Совершенствование хозяйственно-питьевого водопользования для повышения уровня его экологической безопасности (на примере Западной Сибири) / О.Д. Лукашевич ; под ред. Г.М. Рогова. - Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2006. - 350 с.
4. Перельман, А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза / А.И. Перельман. - М. : Недра, 1972. - 248 с.
5. Лурье, Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод / Ю.Ю. Лурье. - М. : Химия, 1984. - 448 с.
O.D. LUKASHEVICH, N.T. USOVA, I.V. BARSKAYA
COMPLEX SOLUTION OF TECHNOLOGICAL PROBLEMS OF SEWAGE CLEANING AND UTILIZATION OF IRON CONTAINED SEDIMENTS AT THE WATER TREATMENT STATIONS
A variant of the complex decision of the problem of utilization of a great number of sediments with iron contained flushing waters is suggested in the paper. These sediments appear during the process of underground waters cleaning, their filtration and production sewage cleaning from the ions of heavy metals. Fast -working adsorption ability of the iron contained sediment in relation to such metals as Со +2, Со+3 Ni+2, Ca+2, Zn+2, Cd+2, Pb+2 is revealed thanks to their geochemical characteristics.
