ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2018.04.031 УДК 628.358

ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Е.О. Козлова, Л.В. Щербакова

Статья посвящена технологии химико-биологической очистки сточных вод металлургического предприятия от тяжелых металлов. Рассматривается принцип работы очистного сооружения металлургического предприятия. Приводится расчет эффективности очистки на основании, которого формируются выводы о существующей системе очистки. Предлагается дальнейшая технология очистки воды на барьере с высшей водной растительностью Технология очистки сточных вод с помощью высшей водной растительности, как правило, осуществляется с использованием земноводных растений. Как показали исследования, корневая система этих растений обладает высокой аккумулирующей способностью по отношению к тяжелым металлам. Накопление тяжелых металлов в корневых системах намного превышает их содержание в надземной фитомассе. Это обстоятельство способствует захоронению загрязняющих примесей в донных отложениях, предотвращая их вторичное поступление в воду. Приведены результаты доочистки сточных вод на болоте с учетом токсичности ионов тяжелых металлов по отношению к растениям. В результате исследований была предложена перспективная технология очистки сточных вод металлургических предприятий.

Ключевые слова: технология очистки, сточные воды, загрязнения, тяжелые металлы, доочистка, водные ресурсы, металлургическое предприятие, биологические барьеры, высшая водная растительность.

Большую опасность для состояния окружающей среды и здоровья человека представляет загрязнения водного бассейна неочищенными стоками производств.

Перенос загрязняющих веществ на большие расстояния осуществляется за счет круговорота воды в природе. Поступающие примеси могут распространяться водными потоками на расстояние от нескольких сотен до нескольких тысяч километров [1].

Одним из приоритетных видов загрязнений промышленных сточных вод является присутствие в них ионов тяжелых металлов. Такие загрязнения, особенно характерны для стоков машиностроительной промышленности, металлургии, а также химической и нефтехимической промышленности и представляют собой большую угрозу экологическому равновесию природных экосистем и здоровью человека. Попадая в окружающую среду, они существенно влияют на численность, видовой состав и жизнедеятельность почвенной микробиоты, ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почве, подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, способствуют появлению мутаций у растений, произрастающих на загрязненных грунтах [2].

Тяжелые металлы обладают токсическим, кумулятивным, аллергенным, канцеро-

генным и мутагенным действием на человека и животных, что приводит к изменению деятельности центральной и периферической нервной системы, кроветворения, внутренней секреции, способствует возникновению злокачественных новообразований, а также нарушению генофонда человека [3].

Таким образом, очистка сточных вод от тяжелых металлов является одной из актуальных экологических проблем, как в нашей стране, так и за рубежом.

Наши исследования проходили на очистном сооружении Риддерского металлургического комплекса ТОО «Казцинк».

Риддерский металлургический комплекс производит цинк стандартным гидрометаллургическим способом, последовательно используя обжиг в печах кипящего слоя, двух-стадийное выщелачивание отработанным электролитом с гидролитической и цементационной очистками растворов, электролиз. Комплекс перерабатывает два вида сырья сульфидное и окисленное. Сульфидным сырьем являются концентраты как собственного производства ТОО «Казцинк», так и покупные.

Проектная мощность завода 105000 т/год товарного цинка, фактическая производительность 112516 т/год товарного цинка.

На территории завода расположены

Е.О. КОЗЛОВА, Л.В. ЩЕРБАКОВА

очистное сооружение и пять цехов: объединенный цех №1, объединенный цех №2, вельц-цех, гидрометаллургический и электролитный [4].

На очистное сооружение Риддерского металлургического комплекса (далее - РМК) ТОО «Казцинк» поступает вода с двух трубопроводов. С одного трубопровода приходит ливневая вода, смешанная с водой, применяемой для очистки газов и охлаждения оборудования, в объеме 300 - 400 м3/час. Со второй магистрали приходит вода с бассейна по грануляции клинкера, в объеме 150-200 м3/час. Общий объем воды, поступающей на очистные сооружения, 450 - 600 м3/час.

В состав очистного сооружения входят: ливненакопителей №1 и №2; горизонтальные четырехсекционны отстойники; станция нейтрализации с реагентным отделением, складом извести и бытовыми помещениями; насосная; трансформаторная подстанция.

Очистку производят с помощью физико-химических методов по следующей схеме: обработка сточных вод раствором известкового молока ^ поддержание рН среды 9,5^11,5 за счет известкования ^ отстаивание взвесей в горизонтальном четырехсекци-онном отстойнике.

В воде имеется взвесь и растворенные металлы. Вся вода поступает в ливневый накопитель №1, объемом 12 000 м3, где происходит осаждение взвеси. После ливневого накопителя подается в ливневый накопитель №2, объемом 9000 м3, и далее, на очистные сооружения с содержанием взвеси 0,1-0,3 г/л.

Затем, производится осаждение растворенных металлов технологией известкования и на сбросе воды с очистных сооружений в отстойники содержание взвеси увеличивается в несколько раз за счет перевода растворенных металлов в осадок [5].

По проведенным расчетам эффективность очистки составила 86%. Существующая система очистки на РМК является достаточно эффективной, но для удаления остаточных концентраций некоторых тяжелых металлов необходима доочистка стоков в целях снижения вредного влияния на реку Тихая. При увеличении производства для улучшения работы очистного сооружения РМК необходимо расширить четырехсекционный отстойник. Предположим, что объем вод поступающих на очистку увеличился в два раза (1200 м3/ч) в связи с повышением выпуска продукции.

Суммарная площадь горизонтального отстойника рассчитывается по формуле (1):

a*Qч

где F- суммарная площадь горизонтального отстойника, м2; а - коэффициент объемного использования отстойников, принимают равным 1,5; Qч - расчетный расход воды, обрабатываемой на станции, м3/ч; и0 - скорость выпадения взвеси, мм/с (определяют по СП 31.13330.2012).

1.5 * 1200

F =-— = 1000 м2

3.6 * 0.5

Расчетная ширина отстойника рассчитывается по формуле (2):

В =

Qч

3.6*vCр*Н*N '

(2)

где В - расчетная ширина отстойника, м; Уср - средняя расчетная скорость горизонтального движения воды в начале отстойника, мм/с; для маломутных вод 5-7 мм/с; средней мутности - 7-9 и мутных - 9-12 мм/с; Н- глубина зоны осаждения, м, принимают Н = 2,5-3,5 м; N - число отстойников.

1200

В = =14 м

3.6 * 8 * 3 * 1 Внутри отстойника устанавливаются три перегородки, образующие четыре параллельных коридора шириной по 3,5 м каждый.

Расчет длины отстойника производится по формуле (3):

L =

B*N '

(3)

1000 ь =——- = 71 м

14 * 1

В начале и конце отстойника устанавливают распределительные дырчатые перегородки. В нижней части перегородки на 0,30,5 м выше зоны накопления и уплотнения осадка отверстия не предусматривают. Рабочая площадь перегородки в каждом коридоре отстойника рассчитывается по формуле (4):

fраб = Ьк(Н - 0,5),

(4)

где Ьк - ширина коридора отстойника, м. ^аб = 3(3 - 0,5) = 7,5м2 Расчетный расход воды для каждого коридора рассчитывается по формуле (5):

qк

0ч п

(5)

F =■

3.6*ио

(1)

где дк - расчетный расход воды для каждого коридора, м3/ч;

п - число коридоров в отстойнике. 1200

= 300 м3/ч

qк =

4

F

ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Площадь отверстий в перегородках в начале отстойника рассчитывается по формуле (6):

" (6)

25, =

Як

где V' - скорость движения воды в отверстиях перегородки, равная 0,3 м/с;

Ип =

300

3600 * 0,3

= 0,28 м2

Площадь отверстий в перегородках в конце отстойника рассчитывается по формуле (7):

(7)

5 = ■

Як

где V''

скорость воды в отверстиях концевой перегородки, равная 0,5 м/с. 300

= = 0,17м2

0 3600 * 0,5

Продолжительность отстаивания

определяется по формуле (8):

t =

з.б*и0 '

(8)

где t - продолжительность отстаивания, ч; Н - расчетная глубина отстойника, м; и0 - скорость оседания, мм/сек.

3

t =-= 4ч

3.6 * 0.2

Общий расчетный объем отстойника при продолжительности отстаивания t рассчитывается по формуле (9):

Woбщ = Qч * ^

(9)

где Woбщ - общий расчетный объем от-

стойника, м3.

Woбщ = 1200 * 4 = 4800м3

Увеличение четырехсекционного отстойника позволит решить следующие проблемы:

1) представится возможность проводить очистку отстойника от взвеси в зимний период;

2) в весенний период с поступлением талых вод в ливненакопители очистка воды будет проходить не в аварийном режиме.

Одним из перспективных способов, является доочистка вод барьером с высшей

водной растительностью.

Для ускорения процессов очистки и восстановления водных экосистем необходимо использовать биологические резервы не только бактерий, но и организмы с разными биохимическими возможностями. Природные ассоциации имеют значительно более богатый набор восстановительных функций, так как всегда включают в себя фотосинтезиру-ющие организмы - высшие растения, эукари-отические водоросли и цианобактерии [6].

По характеру накопления и распределения металлов в зависимости от содержания их в среде обитания водные растения подразделяют на 3 группы:

1) "накопители" характеризуются повышенным содержанием металлов в органах независимо от концентрации последних в среде обитания; 2) "индикаторы" - поглощение металлов пропорционально их концентрации в среде обитания; 3) "исключители" - внутриклеточная концентрация данного металла поддерживается на постоянно низком уровне независимо от внешних концентраций [7].

В работе предлагается проводить до-очистку стоков металлургических предприятий до уровня ПДК рыбохозяйственных водоемов либо с помощью создания естественные зоны (болота) с высшей водной растительностью либо с помощью искусственной барьерной зоны. Однако характерной особенностью сточных вод металлургических предприятий является высокое содержание тяжелых металлов, практически гибельное для растений и животных водоемов [8].

Доочистка сточных вод с помощью высшей водной растительности, как правило, осуществляется с использованием земноводных растений, растущих в воде, но значительная часть вегетативных органов, которых выступает над ее поверхностью. Например: рогоз узколистый и широколистый, тростник озерный, череда, стрелолист обычный, сусак, камыш. Характерной особенностью этих растений является мощная корневая система, составляющая значительную часть общей биомассы [9].

Как показали исследования, корневая система этих растений обладает высокой аккумулирующей способностью по отношению к тяжелым металлам. Также было выявлено, что после поглощения загрязнений можно легко удалить засохшие части растений.

н

Е.О. КОЗЛОВА, Л.В. ЩЕРБАКОВА Таблица 1 - Соотношение надземных и подземных органов некоторых земноводных расте-

ний (% общей биомассы).

Растение Органы

надземные подземные

Тростник обыкновенный (РЬ^адт^ а1^га^) 15,8 84,2

Рогоз узколистный (ТурЬш апд^ШНа) 23,1 76,9

Рогоз широколистный (ТурЬш 1аМоНа) 36,2 63,8

Камыш озерный^агр1^ 1ас1^^) 57,1 42,9

Череда (Bidens) 32,7 67,3

Стрелолист обычный ^адИапа а^т^асеае) 28,4 71,6

Корневая система состоит из толстых корневищ, выполняющих роль запасающего органа, и толстых придаточных корней, основной функцией которых является поглощение из внешней среды растворимых питательных веществ.

Подводная часть растений является питательной средой для развития разнообразных видов прикрепленных водорослей (диатомовых, зеленых, бурых и др.). Могут вступать в симбиоз с грибами, азобактериями, а также бактериями, способными разлагать крахмал и клетчатку. Вместе с растениями эти микроорганизмы активно участвуют в самоочищении водоемов [10].

Существенные различия в биомассе растений связаны с различиями в качестве

Высокое содержание тяжелых металлов в стоках может отрицательно сказаться на жизнедеятельности растений и нарушить их накопительную способность. Данные по токсичности ионов тяжелых металлов по отношению к растениям достаточно противоречивы. С учетом новых публикаций по данному вопросу концентрация тяжелых металлов на уровне 0,25 мг/л (Си2+, Cd2+) уже приводит к снижению интенсивности фотосинтеза и к

питательной среды, на которой они развиваются. Накопление тяжелых металлов в корневых системах намного превышает их содержание в надземной фитомассе. Это обстоятельство способствует захоронению загрязняющих примесей в донных отложениях, предотвращая их вторичное поступление в воду. Содержание тяжелых металлов в надземной и подземной фитомассе различаются не только для указанных выше растений, но и для многих других.

Важным является вопрос о максимальном количестве металлов, накапливаемых водными растениями в условиях сильного загрязнения сточных вод. В таблице 2 представлены данные полученные Джексоном [11] и Никаноровым А.М [12].

заметному снижению скорости фиксации СО2. Никель является менее токсичным и практически не оказывает влияние на вышеуказанные процессы. Концентрацию таких тяжелых металлов, как медь и кадмий, необходимо снижать на уровне 0,1 мг/л. Средней фито-токсичностью обладают хром (III), железо, марганец и цинк, их концентрации в воде могут быть больше [13].

Металл Исходная концентрация, мг/л Количество удаленных металлов, кг/год

Медь 0,05 150

Цинк 0,1 300

Марганец 0,27 810

Кадмий 0,05 150

Кобальт 0,05 150

Никель 0,05 150

Железо 0,5 1500

Свинец 0,02 30

Таблица 2 - Максимальные количества металлов, накапливаемых водными растениями за вегетационный период (мг/кг сухой массы)._

Металл Cr Mn Fe Со Ni Cu Zn Cd Pb

сухая масса, мг/кг 57,5 276 595 860 840 140 1250 25,5 580

Таблица 3 - Результаты доочистки сточных вод на болоте.

Благодаря исследованиям Джексона и Никанорова было установлено, что высшей водной растительностью в течение суток медь поглощается на 96% при начальной концентрации 1 мг/л, удаление цинка и кадмия происходит на 85%, кобальта и марганца на 65%. Из этих данных следует, что практически полное удаление всех металлов составит 4-6 суток. С учетом снижения поглотительной способности корневой системы в зимний период время пребывания сточных вод на биобарьере можно принять равным 12 суткам [14].

Сточные воды металлургического предприятия, прошедшие очистку физико-химическими методами на очистном сооружении, а также доочистку на барьере с высшей водной растительностью, можно использовать в оборотном водоснабжении предприятия, сократив тем самым потребление питьевой воды, а, следовательно, и материальные расходы на водопотребление. Такая система очистки стоков значительно снизит влияние на реку Тихая.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воробьев А. Е. Оценка воздействия производства на окружающую - М.: Безопасность жизнедеятельности, 2012. - С.25-28.

2. Савицкая Г. В. Анализ хозяйственной деятельности предприятия: учебник - М.: Инфра-М, 2012. - 336 с.

3. Лукашевич О. Д. Экологические и технологические аспекты оценки качества природных вод для производственного и хозяйственно-бытового использования, 2013. - С.25-28.

4. Мур Дж. Тяжелые металлы в природных водах: контроль и оценка влияния - М.: Мир, 2013. - 288 с.

5. Риддер: Краткая энциклопедия — Восточ-

ный Казахстан: Научное издательство Казахстанская энциклопедия, 2006. — 672 с.

6. Крот Ю.Г. Использование высших водных растений в биотехнологиях очистки поверхностных и сточных вод - Гидробиологический журнал. 2006. Т. 42. С. 76-91.

7. Тарушкина Ю.А. Высшие водные растения для очистки сточных вод - Экология и промышленность России. 2006. № 5. С. 3639.

8. Гибадуллин З. Р. Технология разработки Риддерского металлургического комплекса, 2004. -С. 25 - 30

9. Мироненко В. А. Изучение загрязнения подземных вод в металлообрабатывающих районах — Л.: Недра, 2012. — 279 с.

10. Пестриков С. В. Экологические технологии: применение карбонатного эколого-геохимического барьера для удаления тяжёлых металлов из водных сред - М.: Инженерная экология, 2014. - С.8-19.

11. Табаксблат Л. С. Особенности формирования микроэлементного состава вод с высшей водной растительностью - М.: Водные ресурсы, 2012. - С. 364-376.

12. Lika M., Evaluation of Microbiological Water Situation in Shkumbin River 2010. - Р. 15.

13. Туровский И.С. Обработка сточных вод растениями - М.: Стройиздат, 2014. - 255 с.

14. Эколого-геохимическая характеристика отходов металлообрабатывающего предприятия, их токсичности и воздействия на почвы - М.: Горный журнал №11, 2013. - 61 с.

Козлова Екатерина Олеговна, магистр, Алтайский государственный университет, lit-lost@mail.ru, 89132348919.

Щербакова Людмила Владимировна,

к.х.н., доцент, Алтайский государственный университет, l.v.sch.1970@mail.ru, 89069 407365.