CC BY
617
УДК 556. 114. 679; 504.04.06
ЦЕОЛИТЫ КАК СРЕДСТВО ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ РАДИОНУКЛИДОВ
ЕВ. БАЙДАКОВА, Е.М. БАЙДАКОВ ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»
Рассмотрен один из наиболее важных вопросов - очистка воды то радионуклидов. Предложены способы очистки вод с помощью цеолита.
Цеолиты представляют собой твердые зернистые материалы, имеющие весьма пористую структуру и обладающие большой удельной поглощающей поверхностью. Достоинством цеолитов является высокая адсорбционная емкость при низких концентрациях адсорбируемых компонентов в смеси, позволяющая осуществлять тонкую очитку воды. Отечественные и зарубежные ученые, занимающиеся экологическими проблемами, определили, что в настоящее время природные цеолиты по значимости выходят на первое место среди нерудных полезных ископаемых, а конец двадцатого столетия знаменует вступление человечества в «цеолитовый век» в связи с глобальной проблемой оздоровления, охраны окружающей среды и высокой эффективностью использования для этих целей природных и модифицированных цеолитов.
За рубежом природные цеолиты все чаще используются в качестве стандартного наполнителя фильтров при проектировании очистных сооружений.
В 1959 г. Л. Аймс впервые использовал цеолиты для удаления цезия и стронция из воды атомного реактора. В США цеолиты используют для обеззараживания радиоактивных отходов, удаления из них цезия и поглощения продуктов радиоактивного распада перед закладкой в хранилище.
Лабораторные и опытно-промышленные испытания в системе Московского коммунального хозяйства и в других организациях по очистке вод питьевого и промышленного водоснабжения показали высокую эффективность использования природных цеолитов для очистки вод от катионов металлов (в том числе радиоактивных сб, бг, ЯЬ) и других вредных компонентов. Степень очистки вод от ионов аммония достигает 100 %, причем этот способ является наиболее эффективным и экономичным; воды нефтепереработки очищаются на 64 - 66 %.
При проведении комплексной обработки городских водоемов (г. Москва) с целью обеспечения их чистоты, сотрудниками НИИ «Синтез» и НТП «Экосервис» установлено, что внесение в водоем природных цеолитов и обработка его гипохлоритом натрия
позволили снизить в воде содержание аммонийного азота и соединений тяжелых металлов, в том числе свинца — в 11 раз и кадмия — в 1,5 раза (до величин, не превышающих ПДК), а также на три порядка снизить содержание лактозоположительной кишечной палочки. По этому показателю вода доведена до уровня отвечающего требованиям, предъявляемым к водоемам культурно-бытового назначения по Сан-ПиН4630—88.
В НИТе (Иркутская обл.) для доочистки сточных вод цеха гальванопластики применили зерна цеолитов диаметром 2—3, 4—5 и 6—7 мм. Опыты показали, что при скоростях фильтрации 15—20 м/ч клиноплилолит поглощает 80— 90 % меди и до 50 % цинка при содержании их в растворе 1—10 мг/л. При двухступенчатом режиме фильтрации количество поглощенного цинка повысилось до 80—90 %.
На Сахалине установлено, что работа клиноптилолитового фильтра по очистке вод от аммония эффективна при условии контакта очищаемой воды при продолжительности не менее 5 мин. Соответствующей дозировкой цеолита удается снизить до допустимых ГОСТом значений железа в водах с концентрацией в воде от 20 до 4000 мг/л.
Большое значение для здоровья людей и животных имеет качество питьевой воды. Для фильтрации и кондиционирования воды в настоящее время применяются природные цеолиты. Высокая межзерновая пористость цеолитовых туфов но сравнению с кварцевым песком обеспечивает увеличение грязеемкости, уменьшение потерь прироста напора, а, следовательно, увеличения продолжительности цикла фильтрования и удельной нагрузки на фильтр.
На основании проведенных исследований разработаны и утверждены технические условия ТУ 10 РСФСР 873—91 «Цеолит природный пегасин — фильтрующий материал для водоподготовки». Трехлетние испытания пегасина на насосно-фильтрационной станции № 1 г. Кемерово и холин. 1 на Рублевской водоочистной станции г. Москвы показали большую пропускную способность и грязеемкость цеолитовых фильтров по сравнению с песчаными (на 15—20 %). Отмечено снижение жесткости воды по железу с 13,6 до 0,5 мг/л. Емкость цеолита по железу составила 0,3 мг экв/г. Цеолитовый туф в процессе длительной эксплуатации не изменяет своих физико-химических свойств, сохраняя высокую осветляющую способность и ионообменную селективность к ряду нормируемых элементов.
Получено также разрешение главного государственного санитарного врача на использование в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения клиноптилолитов следующих Месторождений: Дзегви (Грузия), Чугуевского (Приморский край), Ягоднинского (Камчатка). Технологическая схема водоподготовки на станции включает следующие этапы: хлорирование, коагуляцию сульфатом алюминия, отстаивание, фильтрование.
По результатам многолетней работы клиноптилолита в качестве загрузки производственного фильтра, можно сделать вывод, что в процессе длительной эксплуатации он не изменяет физико-химические свойства, сохраняет высокую осветляющую способность и ионообменную селективность к ряду нормируемых элементов.
Использование клиноптилолита в качестве фильтрующей загрузки в контактных осветлителях несколько ограничено. Это обусловлено возможностью взвешивания мелкодисперсного верхнего слоя при повышенных скоростях фильтрации (более 9—11 м/ч) вследствие относительно более низкого, чем у кварцевого песка, удельного веса.
Трехлетние испытания на Рублевской водоочистной станции г. Москвы показали большую пропускную способность и грязеемкость цеолитовых фильтров по сравнению с песчаными (на 15 - 20%). Отмечено снижение жесткости воды по железу с 13,6 до 0,5 мг/л. Цеолитовый туф в процессе длительной эксплуатации не изменяет своих физико-химических свойств, сохраняя высокую осветляющую способность и ионообменную селективность к ряду нормируемых элементов. Преимущество цеолитов перед другими ионообменными веществами заключается в том, что они не осмаливаются и не теряют необратимо поглощающей емкости и селективной способности поглощения.
В экспериментах использовалась вода с высокой объемной активностью - 41,8 -101,7 Бк/л. По результатам натурных измерений в водоемах Брянской области такая высокая объемная активность воды встречается крайне редко.
В процессе фильтрации воды через однородные цеолитовые кассеты и через смесь цеолита со щебнем с мелкими фракциями происходит снижение скорости фильтрации во времени (рис. 1). При использовании кассет с более крупными фракциями цеолита и щебня снижение скорости фильтрации не наблюдается. Режим подачи воды на кассеты в опытах менялся:
1) непрерывная подача воды прекращалась только на время измерения активности в радиометре (рис. 2);
2) прерывистая подача поливной нормы в течение нескольких десятков минут один раз в сутки, пять раз за цикл, сменялась межполивным периодом, продолжительностью около одних суток, далее цеолит высушивался, измельчался до первоначальных гранул, и определялась его удельная активность (рис. 3).
Рис.1. Изменение скорости фильтрации воды через кассету во времени: х - кассета из смеси цеолита со щебнем; ♦ - кассета из цеолита
Как видим, из рисунков 2; 3; ни режим подачи воды, ни замедление скорости фильтрации во времени, ни замораживание кассеты не влияют на темп накопления цезия. На всех графиках прослеживается прямо пропорциональная зависимость накопившейся удельной активности цеолита в кассете от количества поданной воды. Адсорбционная способность цеолита не снижалась даже при продолжительном использовании кассет: 97 суток (рис. 3).
Наибольшая опасность загрязнения водоемов радионуклидами возникает в меженный период. Весной, хотя цезия вымывается из почвы много, но в воде его содержится мало, так как велико разбавление. По сведениям Костякова А.Н. сток грунтовых вод в меженный период составляет 0,02 - 0,05 л/с с одного га. Расход в устье дрены длиной 300м при междренном расстоянии 10м составляет 0,72 л/мин.
Рис.2. Накопление цезия в цеолите при фильтрации через него радиоактивной воды
при непрерывной подаче
БкЛа
600 и
500 -
400 1
300 -
200 -
100 1
0
Т№/ литр
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Рис.3. Накопление цезия в цеолите слоем 2,5 см в зависимости от количества поданной воды в течение 97 суток прерывистыми циклами
В открытых проводящих каналах и ручьях в придонных слоях воды часто переносится основная масса взвешенных и влекомых наносов, здесь же содержится и основная концентрация радионуклидов. Целесообразно устанавливаемые вертикально кассеты конструировать так, чтобы нижние участки кассет набирались из цеолита или смеси цеолита со щебнем мелких фракций, выше должны быть участки с заполнителем все более крупных фракций.
По литературным данным степень очистки воды на цеолитовых фильтрах такова, что удовлетворяет всем рыбохозяйственным нормативам.
Внесение в условиях дефицита кислорода 0,02г цеолитового туфа на один литр раствора позволяет эффективно улучшить газовый режим, и концентрация растворенного в воде кислорода увеличивается уже в первые два часа не менее чем на 1мг/л, что способствует развитию микроорганизмов и самоочищению водоемов от радионуклидов.
Известно по литературным сведениям, что цеолитовые фильтры в 2 раза реже промываются для регенерации, чем угольно-песчаные. Удельный расход воды на промывку цеолитового туфа на 23% ниже, а объем воды, необходимый для удаления 95% загрязнений в 1,7 раза меньше, чем на промывку угольно-песчаных фильтров.
Кафедрой «Природообустройства и водпользования» были проведены испытания на возможность очистки цеолитовых кассет от радионуклидов методом промывки.
Кассета с начальной удельной активностью 318,7 Бк/кг промывалась
3 2
дистиллированной водой из расчета 0,0842м на 1м площади кассеты, что позволяло снизить удельную активность на 88,3 Бк/кг. При фильтрационном расходе 0,0058 л/мин, скорости фильтрации 0,037м/ч кассета теряет 27,7% цезия от первоначального содержания 318,7 Бк/кг. Снижение удельной активности на 1Бк/кг обеспечивается подачей на 1м2
кассеты 0,954 литра воды. Регенерацию цеолитовых кассет можно ускорить подачей большего объема воды и, как рекомендуется по литературным источникам, подачей 3 -5% раствора хлористого натрия в течение 1 - 2сут.
Для очистки загрязненных радионуклидом цезия цеолитовых кассет можно применять метод выпаривания предварительно замоченных кассет.
Испытанию подвергалась кассета с гранулами цеолита до 2мм, исходной удельной активностью 696 Бк/кг. Кассета заливалась количеством воды, в три раза большем, чем вес цеолита. В замоченном состоянии кассета выдерживалась 9 часов, затем выпаривалась в течение 37 часов на электрокалорифере. Снижение удельной активности составило 88 Бк/кг или 12,6%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цеолиты: эффективность и применение в сельском хозяйстве / Под ред. Г.А. Романова. - М.: Росинформагротех, 2000. - Ч.1. - 291 с.
2. Василенков, В.Ф. Математическая модель самоочищения рек / В.Ф. Василенков, Л.В. Ивченко / Сб. Проблемы природообустройства и экологической безопасности. Материалы XVII межвузовской научно-практической конференции. -Брянская ГСХА, 2003. - С. 5-11.
3. Василенков, В.Ф. Моделирование процессов стекания грунтовых вод с водосбора и методы расчета с/х дренажа. - Брянск: Изд. БГСХА, 1995. - 250с.
4. Казаков, С.В. Принцип оценки радиоэкологического состояния водных объектов. //Радиационная биология. Радиоэкология. - 2004. - Т.44. - №6. - С. 694-704.
137 90
5. Фесенко, С.В. Моделирование долгосрочной миграции С8 и Sr в непроточном пресноводном водоеме / С.В. Фесенко, О.Г. Скотникова, А.М. Скрябин // Радиационная биология. - 2004. - №4. - Т.44. - С. 466-472
CEOLITS AS A MEAN OF WATER CLEARING FROM RADIO NUCLIDES
E.V. BAYDAKOVA, EM. BAYDAKOV The Bryansk State Agricultural Academy
In given article one of the most impotent questions - water clearing from radio nuclides is surveyed. It is offered methods of water clearing with the means of ceolits.
