CC BY
113
ВЕСТНИК 8/2013
8/2013
УДК 628.54
А.Д. Потапов, А.А. Коныгин*
ФГБОУВПО «МГСУ», *ООО «ЭКОТЕХ-МОСКВА»
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОСВЕТЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНО ОКРАШЕННЫХ ФИЛЬТРАТОВ ПОЛИГОНОВ ТБО ПРИ ИХ ОБЕЗВРЕЖИВАНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗВЕСТКОВОГО МОЛОКА В ПРИСУТСТВИИ СОЛЕЙ КАЛЬЦИЯ
Изложены результаты экспериментального изучения процесса осветления интенсивно окрашенного фильтрата ТБО при обезвреживании фильтрата известковым способом для оптимизации параметров осуществления этого процесса. Установлено оптимальное количество известкового молока для осаждения гумино-вых веществ из фильтрата. Показано, что при дополнительном введении в процесс обезвреживания фильтрата ТБО солей кальция совместно с известковым молоком снижается расход извести, повышается степень очистки фильтрата и достигается более высокое его осветление.
Ключевые слова: фильтрат, полигон ТБО, осветление, обезвреживание, окрашенный фильтрат, очистка, известь, известкование, известковое молоко, раствор, гуминовые вещества, фульвокислоты, оптическая, молекулярная спектроскопия, потенциометрия.
К числу хорошо известных методов очистки фильтрата полигонов ТБО относится процесс известкования, однако при очистке интенсивно окрашенных фильтратов этих полигонов часто наблюдается повышенный расход извести и не достигается заданная высокая степень очистки, что и вызвало необходимость дополнительного изучения процесса с целью оптимизации этой технологии.
Ранее было показано, что внесение в фильтрат ТБО гидроокиси кальция до значения рН > 11 приводит к осаждению находящихся в растворе и обусловливающих его интенсивную окраску гуминовых и фульвокислот, а также их комплексов с тяжелыми металлами [1]. Данное свойство фильтрата позволило предложить технологию очистки интенсивно окрашенных фильтратов известковым методом.
Однако важную роль играет влияние значения рН на степень очистки при различных содержаниях ионов кальция и связанные с ним особенности оптимизации технологии процесса очистки ТБО.
Необходимость решения поставленных выше вопросов потребовала проведения комплекса экспериментальных работ.
Было выполнено исследование поведения образцов фильтрата ТБО полигона «Тимохово» при различных параметрах процесса известкования.
Содержание загрязняющих веществ в фильтратах контролировали по известным методикам с помощью методов оптической молекулярной и атомной спектроскопии, значения pH контролировали потенциометрическим методом.
В ряде случаев для определения изменения содержания органических веществ в растворе использовалось определение ХПК. Определение концентра-
ции гумусовых веществ выполнялось при помощи измерения спектров поглощения в УФ и видимой области по градуировочным графикам с использованием в качестве эталонов ГСО гуминовых и фульфокислот производства ООО «Экоаналитика».
Полученные результаты были проанализированы в сопоставлении с известными данными ранее выполненных исследований отечественных и зарубежных специалистов. Известно, что при значениях рН фильтрата больше 11,0, гуминовые, фульвокислоты, а также их комплексы с металлами будут образовывать нерастворимые осадки [2, 3]. В таблице приведены результаты анализа фильтрата полигона ТБО «Тимохово».
Состав фильтрата полигона ТБО «Тимохово»
Наименование компонентов или показателя состава и свойств воды ПДК или ОДУ, мг/л Содержание в фильтрате, мг/л
1. Водородный показатель (рН) 6,5...8,5 7,6.8,6
2. БПК (полное) 3...6 мгО2/дм3 1500
3. ХПК 15.30 мгО2/дм3 1200.8740
4. Гидрокарбонаты (НСО3) — 3400.3700
5. Сульфаты ^04) 500 11.221
6. Хлориды (С1) 350 1566____4431
7. Нитраты (Ш3) 45 < 1.30,0
8. Аммоний (КН4) 2 75.1275
9. Натрий (№) 200 1798.3726
10. Кальций (Са) — 100.540
11. Магний (Мg) — 60.320
12. Железо ^е2+) 0,3 7,5.20
13. Железо ^е3+) 0,3 6.22,5
14. Сухой остаток 1000 6607.13300
15. Жесткость общая, мг-экв/л 7 4,9.26,8
16. Свинец (РЬ) 0,003 0,03.0,18
17. Кадмий (Сd) 0,001 0,00005.0,0065
18. Медь (Си) 1,0 0,05.0,59
19. Цинк (гп) 1,0 0,13.0,9
20. Никель (№) 0,1 0,045.0,42
21. Хром (СгЗ+) 0,005 н/о.0,11
22. Марганец (Мп) 0,1 0,1.2,6
23. Кобальт (Со) 0,1 н/о.0,009
24. Мышьяк 0,05 н/о.0,05
25. Молибден (Мо) 0,25 н/о.0,078
26. Органический углерод (Сорг), О2м2/дм3 — 360.670
27. Нефтепродукты 0,1.0,3 0,5.9,92
28. Гуминовые кислоты — 400,00
29. Фульвокислоты — 950,00
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2013
Окончание табл.
Наименование компонентов или показателя состава и свойств воды ПДК или ОДУ, мг/л Содержание в фильтрате, мг/л
Ароматические углеводороды: 30. Бензол 31. Толуол 0,5 0,5 0,07.0,2 0,1.0,2
32. Фенол 0,001 0,003.0,29
33. Крезолы 0,004 0,02.0,1
Приведенные в таблице результаты свидетельствуют о том, что фильтрат состоит (по органической составляющей), главным образом, из гуминовой кислоты (27...30 %) и фульвокислоты (70...73 %). Хорошая растворимость фульвокислоты по сравнению с гуминовыми кислотами является причиной ее более высокой концентрации в фильтрате. Наличие в структуре фульво- и гуминовых кислот карбоксильных и фенолгидроксильных групп, аминогрупп способствует образованию прочных комплексных соединений как с тяжелыми, так и с щелочноземельными металлами [4, 5].
Было также оценено влияние концентрации ионов кальция в растворе на эффективность осаждения органических веществ, в частности, осаждение гуминовых веществ в фильтрате ТБО ионами кальция (рН = 11,0) при исходном содержании гуминовых кислот 400 мг/л и фульвокислот 950 мг/л. Зависимость степени очистки фильтрата полигона ТБО от концентрации ионов кальция в исходном растворе приведена на рис. 1.
Зависимость остаточной концентрации ионов кальция в фильтрате ТБО от концентрации ионов кальция при осаждении в исходном растворе представлена на рис. 2.
Рис. 1. Зависимость степени очистки ф фильтрата полигона ТБО от концентрации ионов кальция С 2+ в исходном растворе при рН = 11,0
Рис. 2. Зависимость остаточной концентрации ионов кальция СосгСа2+ в фильтрате ТБО от концентрации ионов кальция при осаждении в исходном растворе СисхСа2+
Из полученных данных следует, что с увеличением концентрации кальция степень очистки быстро увеличивается до концентрации кальция в растворе 1,6 г/л, а затем скорость очистки снижается. Одновременно с этой же концентрации начинается резкое увеличение концентрации ионов кальция в растворе. Это объясняется тем, что при концентрации кальция, равной 1,6 г/л, все карбонат-ионы переходят в нерастворимый осадок.
Большая часть гуминовых веществ переходит в кальциевые соли и соосаж-дается с карбонатом кальция. Дальнейшее увеличение концентрации кальция ведет к увеличению его остаточного количества. Увеличение же при том степени очистки фильтрата объясняется образованием и осаждением нерастворимых в избытке кальция его фульвокомплексов.
В процессе исследований было установлено значительное влияние рН среды на такой технологически важный параметр, как время осаждения коллоидной взвеси, образовавшейся при очистке фильтрата. Зависимость времени осаждения коллоидной взвеси, образовавшейся при очистке фильтрата, от рН среды представлена на рис. 3.
Из полученных данных следует, что время осаждения коллоидной взвеси снижается со 120 мин при рН = 10 до 5 мин при рН = 12,0, что, по-видимому, объясняется тем, а это гидроксильные ионы, повышая ионную силу раствора, нарушают агрегативную устойчивость коллоидных частиц (солей гуминовых кислот с кальцием), что приводит к их коагуляции и осаждению.
В дальнейшем процессы очистки фильтрата проводились при значениях рН = 11 или выше (рис. 3).
Исследована возможность применения известкового молока в качестве источника ионов кальция для осаждения карбонатов и гуминовых веществ, поскольку это дает возможность одновременно поднять рН фильтрата.
На рис. 4 приведена зависимость степени очистки фильтрата от концентрации гидроксида кальция в известковом молоке.
(р. %
Рис. 3. Влияние рН раствора на время осаждения коллоидной взвеси при очистки фильтрата
Рис. 4. Зависимость степени очистки ф от содержания гидроксида кальция С&(он) в известковом молоке
На рис. 5 приведена зависимость остаточной концентрации ионов кальция в растворе после очистки от содержания гидроксида кальция.
Из полученных данных следует, что степень очистки составляет 70 % при концентрации гидроокиси кальция в растворе 26 г/л, видно, что, начиная с ее концентрации в растворе 20 г/л наблюдается повышение концентрации остаточного кальция в растворе, как и в случае применения солей кальция.
Степень очистки при применении известкового молока несколько выше, чем при применении растворимых солей кальция, и, кроме того, существенно
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2013
ниже остаточное содержание кальция. Однако количество гидроокиси кальция, требуемое для достижения необходимой степени очистки фильтрата, весьма значительно.
Было проведено исследование возможности совместного использования известкового молока и хорошо растворимой соли кальция (хлорид кальция) для очистки фильтрата ТБО. Предполагалось, что ионы кальция прореагируют с карбонат-ионами и гуминовыми веществами с образованием осадков, а известковое молоко будет расходоваться лишь на поддержание рН среды.
Зависимость эффективности осаждения гуминовых веществ в фильтрате ТБО известковым молоком (10 % гидроокиси кальция) от концентрации гидроксида кальция в присутствии хлорида кальция приведена на рис. 6. Из приведенных графиков следует, что добавление хлорида кальция в количестве 1 г/л позволяет существенно снизить дозу известкового молока и несколько улучшить степень очистки. При этом количество остаточного кальция хотя и возрастает, но является приемлемым для сброса. Увеличение же концентрации СаС12 вдвое хотя и улучшает качество очистки, приводит к такому увеличению количества остаточного кальция в очищенном растворе, что такой подход становится нецелесообразным.
100
20
—г"
/
г
............... !.................
.:......X
Я 10 12
14 16'
с
г/.ч
Рис. 5. Зависимость остаточной концентрации ионов кальция СпоСа2+ в растворе после очистки от содержания гидроксида кальция ССа(0Н)
Рис. 6. Зависимость эффективности осаждения гуминовых веществ в фильтрате ТБО известковым молоком от концентрации гидроксида кальция ССа(0Н) в присутствии хлорида кальция: 1 — ССаС1 =
= 1 г/л; 2 — ССаС12 = 2 г/л
Таким образом, в процессе выполнения работы было установлено оптимальное количество известкового молока для осаждения гуминовых веществ из фильтрата, составившее 24 г/л. Показана возможность снижения расхода известкового молока на очистку фильтрата путем его совместного использования с солями кальция (см. рис. 6).
Добавление к известковому молоку 10 % (от веса извести) хлорида кальция (отход производства соды (10.15% раствор) или сухого хлорида кальция (противогололедный реагент) позволяет в два раза снизить расход известкового молока и на 10 % улучшить показатели очистки фильтрата.
Библиографический список
1. Коныгин А.А., Скворцов Л.С., Селиверстов А.Ф. Очистка фильтрата полигонов захоронения твердых бытовых отходов // Водоснабжение и канализация. 2010. № 1-2. С. 124—127.
2. Комплексная очистка сточных вод свалок твердых бытовых отходов / В.В. Гончарук, З.Н. Шкавро, Д.Д. Кучерук и др. // Химия и технология воды. 2007. Т. 29. № 1. С. 55—66.
3. Wilson A.L. J. Analytical aspects of chemically modified electrodes: classification, critical evaluation and recommendations // Appl. Chem. 1960, v. 10, 377.
4. Потапов П.А., Пупырев Е.И., Потапов А.Д. Методы локализации и обработка фильтрата полигонов захоронения твердых бытовых отходов. М. : Изд-во АСВ, 2004. 168 с
5. Стир Э., Фишер М. Пособие специалиста по очистке стоков. Варшава : Зайдель-Пживецки, 2002. 406 с.
Поступила в редакцию в июне 2013 г.
Об авторах: Потапов Александр Дмитриевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Коныгин Александр Александрович — ведущий специалист, ООО «ЭКОТЕХ-МОСКВА», 115054, г. Москва, ул. Б. Пионерская, д. 6/8, [email protected].
Для цитирования: Потапов А.Д., Коныгин А.А. Новые возможности осветления интенсивно окрашенных фильтратов полигонов ТБО при их обезвреживании с использованием известкового молока в присутствии солей кальция // Вестник МГСУ 2013. № 8. С. 116—122.
A.D. Potapov, A.A. Konygin
NEW OPPORTUNITIES FOR CLARIFICATION OF INTENSELY COLORED FILTRATES OF SOLID WASTE LANDFILLS CONCURRENTLY WITH THEIR DECONTAMINATION USING LIME MILK AND CALCIUM SALTS
The authors studied the effect of the process parameters (pH, concentration of Ca2+) on precipitation of humic acids contained in the filtrate of solid waste in the process of its decontamination using lime. The content of contaminants in the filtrate was monitored through the employment of well-known methodologies using methods of optical molecular and atomic spectroscopy; pH values were monitored through the employment of the potentiometric method. In some cases, chemical oxygen demand was measured to identify changes of the content of organic substances in the solution. Concentration of humic substances was identified by measuring the absorption spectra in the UV and in the visible range and by applying the calibration curve. Samples of humic and fulvic acids produced by Ecoanalitika Open Joint Stock Company were used for benchmarking purposes.
The optimal amount of lime milk for the purpose of precipitation of humic substances in the filtrate is equal to 24 g/l. It is proven that any further increase of the lime milk flow is limited by the increase of the residual calcium concentration in the purified solution. Consumption of lime milk in the course of clarification of filtrates may be reduced by sharing it with calcium salts. By adding 10% of calcium chloride to the lime milk content, lime milk consumption may be reduced by 50%.
Key words: filtrate, landfill, clarification, decontamination, filtrate, cleaning, lime, lime milk solution, humic substances, fulvic acids, optical, molecular spectroscopy, po-tentiometry.
BECTHMK »/9nl3
8/2013
References
1. Konygin A.A., Skvortsov L.S., Seliverstov A.F. Ochistka fil'trata poligonov zakhoroneni-ya tverdykh bytovykh otkhodov [Treatment of Filtrate of Waste Landfills]. Vodosnabzhenie i kanalizatsiya [Water Supply and Wastewater Disposal]. 2010, no. 1-2, pp. 124—127.
2. Goncharuk V.V., Shkavro Z.N., Kucheruk D.D. Kompleksnaya ochistka stochnykh vod svalok tverdykh bytovykh otkhodov [Integrated wastewater treatment of municipal solid waste landfills]. Khimiya i tekhnologiya vody [Chemistry and Technology of Water]. 2007, vol. 29, no. 1, p. 55—66.
3. Wilson A.L. J. Analytical Aspects of Chemically Modified Electrodes: Classification, Critical Evaluation and Recommendations. Appl. Chem. 1960, vol. 10, 377 p.
4. Potapov P.A., Pupyrev E.I., Potapov A.D. Metody lokalizatsii i obrabotka fil'trata poligonov zakhoroneniya tverdykh bytovykh otkhodov [Methods of Containment and Processing of the Filtrate of Solid Waste Landfills]. Moscow, ASV Publ., 2004, 168 p.
5. Stir E., Fisher M. Posobie spetsialista po ochistke stokov [Manual for Wastemater Treatment Specialists]. Warsaw, Zaydel'-Pzhivetski publ., 2002, 406 p.
About the authors: Potapov Aleksandr Dmitrievich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Engineering Geology and Geo-ecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Konygin Aleksandr Aleksandrovich — principal specialist, ECOTECH-MOSCOW Limited Liability Company, 6/8 B. Pionerskaya st., Moscow, 115054, Russian Federation; [email protected].
For citation: Potapov A.D., Konygin A.A. Novye vozmozhnosti osvetleniya intensivno okrashennykh fil'tratov poligonov TBO pri ikh obezvrezhivanii s ispol'zovaniem izvestkovogo moloka v prisutstvii soley kal'tsiya [New Opportunities for Clarification of Intensely Colored Filtrates of Solid Waste Landfills Concurrently with Their Decontamination Using Lime Milk and Calcium Salts]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 8, pp. 116—122.
