Разработка комплексного метода очистки сточных вод Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 628.16+541.13

Н. П. Шапкин, д-р хим. наук, Е. К. Папынов, канд. хим. наук, Дальневосточный государственный университет А. Л. Шкуратов, аспирант,

Институт химии и прикладной экологии Дальневосточного государственного университета И. Г. Хальченко, ст. преп., Н. Н. Жамская, канд. хим. наук, С. А. Каткова, канд. хим. наук, О. А. Апанасенко, канд. хим. наук,

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет

Разработка комплексного метода очистки сточных вод

Ключевые слова: водоочистка, коллоидная химия, перспективные технологии, физико-химический анализ, электролиз

В работе представлен комплексный подход к методу очистки и обеззараживанию сточных вод пищевых производств, содержащих белковые и жировые вещества. Впервые исследована возможность и эффективность применения морской воды в качестве коагулянта, а также использование окисно-рутениевого титанового анода для электроокисления сточных вод.

Введение

В настоящее время очистка и утилизация сточных вод, образующихся на различных стадиях технологических процессов предприятий, является актуальной экологической проблемой. Наиболее опасными загрязнителями являются тяжелые металлы и органические вещества (белки, жиры, красители и т. д.). Среднегодовой ущерб от загрязнения водных объектов исчисляется сотнями миллионов рублей [1]. В последние годы наметилась тенденция модернизации физико-химических методов очистки сточных вод пищевых предприятий от белковых веществ.

Целью данного исследования является изучение зависимости степени электрохимического окисления, обеззараживания и фильтрации сточных вод рыбообрабатывающих предприятий от времени, которая достигается путем обработки сточных вод в статическом электрофлотаторе с окисно-рутениевым титановым анодом (ОРТА), выпускаемым промышленностью [2], при добавлении морской воды в качестве коагулянта до определенной концентрации.

Основная часть

В работе использовался комплекс методов физико-химического анализа (электрохимических, спект-

ральных) и химические методы (бихроматная окис-ляемость [3]). Были исследованы следующие процессы:

• осаждение морской водой (соленость — 3,5%, показатель кислотности рН — от 7,5 до 8,4);

• очистка и обеззараживание сточных вод пищевых предприятий электрохимическим окислением и электрофлотацией с использованием ОРТА в присутствии морской воды.

В лабораторных условиях применялся статический электрофлотатор с горизонтальными электродами (рис. 1). Рабочий объем электрофлотационной камеры — 0,003 м3. Площадь сетки катода, выполненной из стальной проволоки диаметром 0,8 мм, составляет 231 см2, площадь ОРТА — 220 см2. Для сравнения результатов применялся угольный анод. Расстояние между электродами — 5-10 см. Процесс проводился при напряжении на электродах 12 В, плотности тока 50-100 А/м2 и времени прохождения тока 30-90 мин. Объектом исследований являлись модельные сточные воды производства фарша минтая и реальные сточные воды рыбоперерабатывающего предприятия. Контроль степени очистки СВ проводили путем измерения значений химического потребления кислорода (ХПК) после каждой стадии очистки.

Продукты окисления выделяли экстракцией при помощи гексана. Хроматомасс-спектры полученных экстрактов проводили на газовом хроматомасс-спек-трометре с селективным детектором HP6890GC/ HP5973N (Hewlett-Packard). Объем вводимой пробы — 1 мкл, деление потока — 1 : 20, газ-носитель— гелий, скорость потока—0,7 мл/мин. Режим полного сканирования в диапазоне частот от 50 до 410 Гц, температура инжектора — 280 °С, температура детектора — 280 °С, скорость изменения 20 °С/мин. Энергия ионизации — 70 эВ. Инфракрасные (ИК) спектры сухих остатков записывали на Фурье-спектрометре Spectrum ВХ (Perkin-Elmer).

№ 5-Б (11-12)/2010 |

биотехносфера

Проблемы биомединженерии

Рис. 1

Схема установки для очистки сточных вод:

1 — емкость с морской водой; 2 — емкость со сточной водой; 3 — шаровой кран; 4 — блок управления электролизером; 5 — отстойник № 1; 6 — насос; 7 — электролизер; 8 — отстойник № 2

13

По результатам изучения условий коагуляции морской водой реальных СВ рыбоперерабатывающего предприятия было установлено, что максимальная степень очистки достигается при концентрации морской воды 35 % и проведении коагуляции в течение 90 мин. При более высоких значениях указанных параметров степень очистки не увеличивается. Результаты исследования очистки промывных вод после обработки фарша минтая представлены графическим изменением ХПК (рис. 2).

Можно сделать вывод, что процент очистки по ХПК увеличивается и достигает оптимальных результатов при электроокислении в течение 90 мин и добавлении 35 % коагулянта. Процент очистки составил 96 %.

Результаты очистки промывных вод после обработки фарша минтая с концентрацией морской воды 35 % и угольным анодом представлены графически на рис. 3. Процент очистки составил 65 %.

Результаты очистки реальных сточных вод рыбоперерабатывающего предприятия с концентрацией морской воды 35 %, при условии применения

ОРТА и угольного анода представлены графически на рис. 4. Процент очистки составил 92 и 54 % соответственно.

Проанализировав полученные данные с разными нерастворимыми анодами (ОРТА и угольный), можно сделать вывод о целесообразности очистки и обеззараживания белковосодержащих сточных вод рыбоперерабатывающих предприятий смешением их с морской водой (концентрация — 35 %) в электрофлотаторе с применением ОРТА — железных электродов в течение 90 мин. В результате ХПК снижается на 92-96 %.

При использовании электрохимического метода очистки сточных вод пищевых производств на установке с угольно-железными электродами в очищаемых водах было достигнуто снижение ХПК на 54-65 %. Таким образом, использование ОРТА для очистки белковосодержащих сточных вод пищевых предприятий можно считать наиболее эффективным.

После электрохимической обработки сточных вод образуются осадки, содержащие, согласно данным элементного анализа и ИК-спектроскопии, денату-

2 4 6

Стадия очистки

12

10

<м

О 8

6

£ 4

2

2 4 6

Стадия очистки

Рис. 2 Значение ХПК исходного раствора и изменение ХПК на разных стадиях очистки:

1 — исходный раствор; 2 — раствор с добавлением морской воды; 3 — раствор после коагуляции морской водой в течение 30 мин; 4 — проведение электроокисления в течение 30 мин; 5 — электроокисление в течение 60 мин; 6 — электроокисление в течение 90 мин промывных вод после обработки фарша минтая с добавлением морской воды (35%) и электродом для электрофлотации — ОРТА

Рис. 3

Значение ХПК исходного раствора и изменение ХПК на разных стадиях очистки:

1 — исходный раствор; 2 — раствор с добавлением морской воды; 3 — раствор после коагуляции морской водой в течение 30 мин; 4 — проведение электроокисления в течение 30 мин; 5 — электроокисление в течение 60 мин; 6 — электроокисление в течение 90 мин промывных вод после обработки фарша минтая с концентрацией морской воды 35 %о и угольным анодом

биотехносфера

| № 5-6 (11-12)/2010

£

H 0,5

2 3 4

Стадия очистки

Рис. 4 Значение ХПК исходного раствора и изменение ХПК на разных стадиях очистки:

1 — исходный раствор; 2 — раствор с добавлением морской воды; 3 — проведение электроокисления в течение 30 мин; 4 — электроокисление в течение 60 мин; 5 — электроокисление в течение 90 мин реальных сточных вод с концентрацией морской воды 35% с ОРТА. (II) и угольным анодом (I)

рированные белки, соли карбоновых и неорганических кислот. В соответствии с ИК-спектром осадка, выделенного после электрохимической обработки сточной и модельной воды, наблюдается несколько характеристичных полос поглощения, а именно полосы: 2924-2853 см-1, отвечающие валентным колебаниям связи С—Н, 3400-3200 (O—H, N—H), 1710 (С=0 в карбоксильной группе), 1630-1650 (С=0 в карбонильных соединениях), 1549 (N—H, 0—Н), 1465, 1403 (С—Н), 1150, 1096 (С—0 в эфирных фрагментах). После промывания осадков дистиллированной водой хлор отсутствует, в то время как до промывания водой содержание хлора колебалось в пределах от 1 до 2 %.

После электрохимической обработки реальные и модельные сточные воды были проэкстрагиро-ваны гексаном, не содержащим хлорорганических соединений. Хроматографический анализ экстрактов показал отсутствие хлорорганических соединений. Таким образом, можно утверждать, что при электрохимическом воздействии на сточные воды не происходит образование хлорорганических соединений.

Заключение

Итак, можно сделать вывод о том, что разработан комплексный способ очистки сточных вод от водорастворимого белка, липидов и других органических веществ (92-96 % по ХПК), включающий в себя механическое отделение взвесей, коагуляцию и электрообработку раствора, отличающийся тем, что в качестве коагулянта применяют морскую воду, а электрообработку (электроокисление) осуществляют в электрофлотаторе с анодом на основе оксидов рутения и титана (ОРТА).

С помощью методов хромато-масс-спектрометрии и инфракрасной спектроскопии было показано, что в процессе электроокислительной деструкции загрязняющих органических соединений образование токсичных хлорорганических соединении не происходит ни в осадке, ни в водной среде.

Выявлены зависимости в процессах седиментации морской водой органических и неорганических загрязняющих веществ сточных вод. Показано, что для биологических систем сточных вод пищевых предприятий уровень концентрации морской воды достигает 30-35 %. Были найдены оптимальные условия очистки сточных вод в зависимости от времени, напряжения, и плотности тока. Полученные результаты можно использовать в существующих технологиях очистки бытовых сточных вод малых предприятий и очистки стоков рыбообрабатывающих предприятий.

| Л и т е р а т у р а |

1. Огородникова А. А. Эколого-экономическая оценка воздействия береговых источников загрязнения на природную среду и биоресурсы залива Петра Великого. Владивосток: ТИНРО-центр, 2001. 193 с.

2. Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984. 448 с.

3. Якименко Л. М. Электродные материалы в прикладной электрохимии. М.: Химия, 1987. 264 с.

№ 5-6(11-12) 2 0 |

биотехносфера