CC BY
108
УДК 628.3
А. И. Сютова, С. Я. Алибеков, А. В. Маряшев, Р. С. Сальманов, Н. П. Сютов
ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
С ПРИМЕНЕНИЕМ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: биологическая очистка сточных вод, сорбция, углеродные волокнистые материалы, ионы тяжелых металлов, нефтепродукты
В статье рассмотрены некоторые аспекты биологической очистки сточных вод; предложен сорбционный метод очистки с применением углеродных волокнистых материалов, позволяющий очистить сточную воду от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов и улучшить качество биологической очистки.
Keywords: biological wastewater treatment, the sorption way, carbon fiber materials, heavy metal ions, petroleum product
Some aspects of biological wastewater treatmentare considered in this article. The sorption way with using carbon fiber materials for clearing the sewage from heavy metals ions and petroleum products offered to improve the quality of biological treatment.
Вусловиях экономического кризиса на промышленных предприятиях контроль за очисткой сточных вод резко упал. Многие промышленные предприятия сбрасывают свои сточные воды в городскую канализацию с частичной утилизацией некоторых загрязняющих компонентов или без предварительной обработки. За очистку сточных вод предприятия платят станции очистки сточных вод города.
На городских очистных сооружениях применяются биологические методы очистки с использованием активного ила. Системы очистки с активным илом предназначены для удаления органических веществ из сточных вод. Их строят для того, чтобы очистить в основном бытовые сточные воды. Важным моментом в работе систем с активным илом является то, что масса активного ила поддерживается во взвешенном состоянии за счет перемешивания или аэрации [1]. Кроме микроорганизмов во взвешенном состоянии находятся также частицы неорганических и органических веществ. Некоторые органические вещества подвергаются гидролизу, а другие ведут себя инертно, т.е. не разлагаются.
Биологическую очистку сточных вод с активным илом можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 1.
рециркуляция ила
Рис. 1 - Схема биологической очистки сточных вод с активным илом
В настоящее время, когда в городские сточные воды попадает большое количество недостаточно очищенных промышленных сточных вод с содержанием как органических (в виде масел, эмульсий, нефтепродуктов), так и неорганических веществ (в виде ионов тяжелых металлов и их соединений), биологическая очистка замедляетсяи становится
малоэффективной. Масляные пленки на поверхности аэротенков уменьшают доступ воздуха, и аэрируемый кислород расходуется не только на разложение органических загрязнений, но и на разрушение масляных пленок, а также окисление ионов тяжелых металлов. Содержащиеся в сточной воде ионы тяжелых металлов приводят к осаждению ила и уменьшению образования флокул, что замедляет процесс аэрации и снижает степень очистки воды. Для поддержания скорости очистки приходится регулировать количество взвешенных веществ в реакторе за счет удаления избыточного ила. Органические вещества, попадающие в аэротенки, практически полностью деструктируются до углекислого газа и воды.
В настоящей работе для очистки сточных вод, содержащих широкий спектр загрязняющих веществ, таких как ионы тяжелых металлов, масляные пленки, органические вещества предложена предварительная сорбционная очистка с помощью углеродных волокнистых материалов.
Сорбционная очистка является одним из наиболее успешных и эффективных методов очистки воды. Этот метод не только позволяет удалять загрязняющие компоненты, доводя их содержание практически до любой концентрации, но и не вносит в очищаемую воду вторичных загрязнений, позволяет легко автоматизировать и механизировать процесс очистки.
В практике очистки сточных вод используются лишь сорбенты с развитой или специфической поверхностью. Наиболее распространенными сорбентами являются тонкодисперсные материалы и пористые сорбенты. Для сорбционной очистки сточных вод используют различные материалы как естественного, так и искусственного происхождения, однако по своим свойствам самыми широко применяемыми и перспективными, на наш взгляд, являются активные угли и углеродные материалы. Сорбци-онная очистка на активных углях широко используется для водоподготовки в теплоэнергетике, для очистки сточных вод от механических, органических и неорганических загрязнителей [2, 3].
Сорбционная очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов целесообразна из низко концентрированных сточных вод, прошедших предварительную очистку другими физико-химическими методами, позволяющими очистить высоко концентрированные сточные воды, например, осаждением.
Проведенные нами исследования показали, что некоторые виды углеродных волокнистых материалов (УВМ) эффективны при очистке сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов.
Исследования проводились на УВМ типа «Бусо-фит» [4] для очистки сточных вод от ионов 0"3+ и Сг6+ и «УВИС» [5] - для очистки от ионов хрома и других тяжелых металлов: железа, кадмия, никеля, меди, свинца; «УВИС» и «ТР-2» - для очистки воды от присутствующих в ней масляных фракций.
Результаты сорбции, полученные на образцах УВМ типа «Бусофит» прошли успешную апробацию, докладывались на конференциях и были опубликованы в виде тезисов и статей в научных изданиях [6-8], а также был разработан способ очистки хромсодержащих сточных вод, включающий одновременную сорбцию, фильтрацию и обесцвечивание сточных вод в одном аппарате с заданной скоростью через слой угольноволокнистого сорбционнофильт-рующего материала, спроектирована сорбционная установка для очистки хромстоков.
Результаты исследования образцов углеродных тканей марки «УВИС» показали, что ткани этого типа могут быть успешно применены для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и масляных фракций.
Для изучения процесса сорбцииионов тяжелых металлов нами были отобраны образцы УВМ с различной структурой: тканые, нетканые и порошковые; подготовлены водные растворы с известной исходной концентрацией ионов тяжелых метал-лов(для приготовления растворов использовались ГСО состава раствора ионов металлов меди, цинка, никеля, железа, хрома, свинца). Часть экспериментов проводилась с использованием сточных вод, поступивших на МУП «Водоканал» г. Йошкар-Олы.
Исследования проводились в нескольких направлениях:
- изучение сорбционной активности исследуемых образцов УВМ в растворах, содержащих одновременно ионы нескольких металлов: меди, цинка, хрома, никеля и железа (экспериментальные данные представлены в таблице 1);
- изучение сорбционной способности исследуемых образцов УВМ в растворах, содержащих ионы одного металла: для растворов с ионами меди, цинка, свинца и кадмия;
- изучение сорбционной активности образцов УВМ в сточных водах, содержащих ионы тяжелых металлов, в присутствии хлоридов, сульфатов и фосфатов.
В ходе проведенных экспериментов отмечено повышение рН среды растворов после сорбции с 3-4 до 7-8. Анализ состава растворов проведен методом инверсионной вольтамперометрии.
Таблица 1 - Результаты сорбции ионов металлов УВМ типа «УВИС»
Марка УВМ Содержание ио- Степень
нов металлов, погло-
мг/дм3 щения,
до после %
сорб- сорб-
ции ции
Си
УВИС-АК-ТТ 0,6 0,018 97
УВИС-АК-П -* 100
УВИС-АК-Т-030 0,004 99,3
УВИС-АК-Т-040 0,002 99,7
УВИС-АК-В 0,027 95,5
УВИС-АК-ТЛ 0,015 97,5
УВИС-АК-Т-055 0,002 99,7
Zn
УВИС-АК-ТТ 0,6 0,148 75,3
УВИС-АК-П 0,063 89,5
УВИС-АК-Т-030 - 100
УВИС-АК-Т-040 0,022 96,3
УВИС-АК-В 0,009 98,5
УВИС-АК-ТЛ 0,158 73,7
УВИС-АК-Т-055 0,119 80,2
Сг6+
УВИС-АК-ТТ 0,6 0,005 99,2
УВИС-АК-П 0,007 98,8
УВИС-АК-Т-030 0,205 65,8
УВИС-АК-Т-040 0,004 99,3
УВИС-АК-В 0,182 69,7
УВИС-АК-ТЛ 0,003 99,5
УВИС-АК-Т-055 0,002 99,7
Fe3+
УВИС-АК-ТТ 0,6 - 100
УВИС-АК-П - 100
УВИС-АК-Т-030 - 100
УВИС-АК-Т-040 - 100
УВИС-АК-В 0,087 85,5
УВИС-АК-ТЛ 0,026 95,7
УВИС-АК-Т-055 - 100
№
УВИС-АК-ТТ 0,6 0,413 31,2
УВИС-АК-П 0,475 20,8
УВИС-АК-Т-030 0,211 64,8
УВИС-АК-Т-040 0,387 35,5
УВИС-АК-В 0,078 87
УВИС-АК-ТЛ 0,500 16,7
УВИС-АК-Т-055 0,299 50,2
* - здесь и далее присутствия ионов металлов в растворе после сорбции данным методом не обнаружено.
Масса исследуемых образцов УВМ, помещаемых в растворы с ионами металлов составляла m = 1,0 г.
Согласно полученным данным, все исследуемые образцы УВМ оказались сорбционно-активными по отношению к ионам тяжелых металлов, присутствующих в растворе. Степень поглощения никеля исследуемыми образцами оказалась ниже, чем других ионов тяжелых металлов (ТМ), за исключением образца «УВИС-АК-В», который показал хороший
результат сорбции по всем ТМ, присутствующим в растворе.
Установлено, что степень поглощения ионов металлов повышается в случаеих раздельногосодержа-ния в водном растворе.
Экспериментально выявлено, что присутствие в сточной воде хлоридов, сульфатов и фосфатов существенно не влияет на процесс сорбции ионов тяжелых металлов углеродными волокнистыми материалами. В ходе данного эксперимента было отмечено снижение содержания всех загрязняющих воду веществ.
Было установлено, что некоторые виды исследуемых УВМ могут быть эффективны при очистке вод от нефтепродуктов. Исследуемые образцы УВМ типа УВИС-АК-В, УВИС-АК-ТЛ и ТР-3/2 погружались в водные растворы, содержащие керосин и бензин с примесью машинного масла. Эффективность сорбции оценивалась визуально по снижению объемов масляных фракций. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Степень поглощения УВМ керосина и бензина
Тип Масса образ- Ис- Удержано
УВМ цов ход-
до после ный керо- бен-
сорб- сорб- объем сина, зина,
ции, ции , керо- мл мл
г г сина и бензина, мл (%) (%)
УВИС 1,04 10,72 25 13 23
-AK-В (52) (92)
УВЖ 1,12 3,58 25 5 14
-AK (25) (56)
-ТЛ
ТР-3/2 1,02 3,63 25 5 (25) 15 (60)
* Масса влажных образцов (после сорбции) уменьшалась в течение нескольких минут за счет испарения летучих фракций нефтепродуктов и частичного испарения воды.
Как видно из таблицы 2, наилучший результат сорбции наблюдался у образца типа УВИС-АК-В.
Степень поглощения бензина из водного раствора составила 92% (23 мл) и на 42% превышает результат сорбции керосина тем же исследуемым образцом при практически одинаковой исходной массе.
Сорбционный способ очистки с помощью УВМ позволяет очистить воду от различных загрязняющих веществ практически до любой остаточной концентрации. Он прост в исполнении, подходит для многократного использования и не вызывает вторичных загрязнений. Эффективность сорбции повышается при очистке сточных вод малых объемов или при невысоких концентрациях загрязняющих веществ в сточной воде, хотя возможна очистка и высококонцентрированных сточных вод.
Таким образом, способ хорошо подходит для применения на городских очистных станциях, где состав и количество сточных вод могут существенно варьироваться,и может использоваться как в качестве самостоятельного метода очистки, так и для доочистки или предварительной очистки воды.
Литература
1. М. Хенце, П.Армоэс, Й. Ля-Кур-Янсен, Э. Арван, Очистка сточных вод.Мир, Москва,2006. 480 с.
2. А.Д.Смирнов,Сорбционная очистка воды. Химия, Ленинград, 1982. 168 с.
3. Б.Е. Рябчиков,1Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. ДеЛи принт, Москва, 2004. 328 с.
4. Бусофит. Материал угольноволокнистый сорбционно-фильтрующий ТУ РБ 00204056 -108-95.
5. Материал углеродный волокнистый активированный -««Увис-АК»» ТУ 1916-002-18070047-98 (ТУ-12-31-805-93).
6. С.Я. Алибеков, А.И. Сютова, В сб. Новые задачи технических наук и пути их решения. АЭТЕРНА, Уфа, 2014. с. 3-6.
7. С.Я. Алибеков, В.В. Фоминых, А.И. Скляр, Н.П. Сю-тов, В сб. VIII Вавиловские чтения. Москва, Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. с. 419-424.
8. С.Я. Алибеков, А.И. Сютова, В сб. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2008. №2
9. Р.В.Тресцов, С.Я.Алибеков, А.В.Маряшев, Р.С.Сальманов. Использование древесного опила для очистки сточных вод молочной промышленности. Вестник КГТУ №23 2014 с 227-228.
© А. И. Сютова, старший преподаватель кафедры машиностроения и материаловедения ПГТУ, г.Йошкар-Ола, annais@mail.ru; С. Я. Алибеков, доктор технических наук, профессор той же кафедры; А. В. Маряшев, кандидат технических наук, доцент кафедры энергообеспечения предприятий ПГТУ, г.Йошкар-Ола; Р. С. Сальманов, кандидат технических наук, доцент кафедры физики КНИТУ; Н. П. Сютов, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроения и материаловедения ПГТУ, г. Йошкар-Ола.
© A. 1 Syutova, Senior Lecturer, Department of Mechanical Engineering and Materials PSTU, Yoshkar-Ola. annais@mail.ru; S. Ya. Alibakov, Ph.D., professor of mechanical engineering and materials science PSTU, Yoshkar-Ola; A. V. Maryashev, Ph.D., assistant professor of energy companies PSTU, Yoshkar-Ola; R. S. Salmanov, Ph.D., assistant professor of physics KNRTU; N. P. Syutov, Ph.D., assistant professor of mechanical engineering and materials science PSTU, Yoshkar-Ola.
