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.