CC BY
30
© С.А. Эпштсйн, Ю.А. Титорова, И М. Мсйдсль, 2012
УДК 622.793.5/.004.82
С.А. Эпштейн, Ю.А. Титорова, И.М. Мейдель
УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД РЕАГЕНТАМИ НА ОСНОВЕ ТОРФА*
Приведены результаты определения состава и свойств осадков, образующихся при очистке сточных вод реагентами на основе торфа. Установлено, что осадки, образующиеся при очистке промышленных сточных вод торфяным реагентом, могут быть использованы для создания почвенного слоя на отвалах и хвостохрани-лищах.
Ключевые слова: торф, сточные воды, тяжелые металлы, гуминовые кислоты.
Одним из опасных источников загрязнений окружающей природной среды, оказывающим существенное влияние на экономическую составляющую производства, являются сточные воды промышленных предприятий. Обычно очистку сточных вод от тяжелых металлов совмещают с их нейтрализацией. Существует способ нейтрализации и очистки кислых сточных вод от ионов тяжелых металлов путем добавления щелочных реагентов (раствора гидро-ксида кальция, едкого натра, карбоната кальция, карбоната натрия и других) и образования трудно растворимых гидроокисей [1,2]. Если сточные воды имеют щелочной характер, их при необходимости после отделения осадка нейтрализуют технической серной кислотой. В качестве реагентов используют также минеральные коагулянты (сернокислый алюминий, хлорное железо и т.д.), органические флокулянты (полиакри-ламид и производные на его основе), а также различные комбинации коагулянтов и флокулянтов.
К недостаткам этого способа относятся сравнительно высокая стоимость и токсичность применяемых реагентов, образование большого количества осадков, трудно поддающихся обезвоживанию, зависимость эффективности процесса очистки вод от состава и концентрации загрязняющих примесей, температуры и т.д.
Одним из перспективных направлений решения задач очистки сточных вод промышленных предприятий является получение и последующее использование реагентов на основе ископаемого сырья - бурых углей и торфа. Известно, что гуминовые вещества (гуминовые кислоты и их соли), извлекаемые из торфов, бурых и окисленных каменных углей щелочными растворами, способны к ионному обмену, благодаря наличию в их структуре активных функциональных групп [3]. На этом свойстве основано использование гуминовых веществ для очистки стоков от металлов [4,5].
Также известно что, гуминовые вещества являются более эффективными веществами для извлечения из
*Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы», ГК №16.515.11.5086
стоков тяжелых металлов (металлов — ртути, ванадия) по сравнению с известными щелочными реагентами .
Разрабатываемая в Московском государственном горном университете технология очистки сточных вод ОАО «Ковдорский ГОК» основана на использовании торфа месторождения «ЛЕЙПИ». Технология получения реагента включает в себя механохи-мическую активацию торфа природной влажности, его щелочную экстракцию и последующую нейтрализацию. Реагент добавляют непосредственно в систему вторичных отстойников, где происходит очистка от ионов тяжелых металлов. Твердая часть реагента, состоящая из смеси остаточного торфа, гуминовых кислот и их комплексов с металлами осаждается на дне отстойников. Для предотвращения переполнения отстойников необходимо периодически удалять скопившиеся осадки. В рамках разрабатываемой технологии были проведены работы по изучению возможности утилизации осадков для создания почвенного слоя на отвалах и хвосто-хранилищах.
Состав и свойства осадка, полученного после очистки сточных вод, представлены в табл. 1. Осадок был высушен до воздушно-сухого состояния и измельчен до крупности менее 250 мкм.
По сравнению с исходным торфом в осадке возрастает содержание водорода и серы, а содержание азота снижается. Зольность торфяного
осадка выше, чем у торфа. Исследование химического состава осадков методом ISP-MS показало, что концентрации элементов в них значительно меньше ПДК (по основным токсичным элементам для почв в соответствии с Гигиеническими нормативами ГН 2.1.7.2041-06). Исключение составляет содержание серы, которое многократно превышает ПДК (150 мг/г).
Для подтверждения возможности использования торфяного реагента для восстановления почвенного слоя проводили испытания, связанные с определением всхожести сельскохозяйственных культур. Задача экспериментов сводилась к определению потенциальной возможности прорастания семян сельскохозяйственных культур на торфяном реагенте и его смеси с инертным грунтом.
Остаток отработанного торфяного реагента (далее осадок) после очистных мероприятий высушивали при температуре 105 °С до постоянной массы. Затем осадок измельчали в ступке до порошкообразного состояния. Часть осадка испытывали как почвенную основу. Для этого использовали метод аналогичный ГОСТ 12038-84. Для экспериментов использовали клевер луговой (красный) и также овсяницу луговую. Выбор этих растений обусловлен тем, что они используются для озеленения отвалов и хвостохранилищ.
Процедура определения всхожести овсяницы и клевера, а также
Таблица 1
Технический и химический состав осадков
№ колонки Технический состав, Химический состав, на сухое
на аналитическое состояние беззольное состояние
Wa,% Aa,% N,% C,% H,% S,%
Осадок торфя- 9,56 14,12 2,46 60,2 6,68 0.85
ной
Торф 7,64 12,15 2,90 60,2 6,86 0,62
энергии прорастания данных растений проводили в соответствии с ГОСТ 12038 - 84. При отборе семян клевера и овсяницы руководствовались ГОСТ 12036, выбирая одинаковые по цвету, размеру и массе.
Для анализа использовали пластмассовые чашки Петри диаметром 9 см и высотой 1 см. В одной из них в систематическом порядке делали отверстия диаметром 1 мм и помещали ее в другую чашку с большим диаметром.
Чашки мыли в горячей воде с моющими средствами, ополаскивали 1 % раствором перманганата калия, а затем дистиллированной водой. При проращивании семян на ложе из фильтровальной бумаги посуду дезинфицировали спиртом.
При проращивании семян также использовали песчаный субстрат. Песок промывали слабым раствором кислоты, затем дистиллированной водой, высушивали, прокаливали до обугливания помещенных в него полосок бумаги и просеивали.
При укладке семян сельскохозяйственных растений на ложе прорастания их не углубляли (в соответствии с ГОСТ 12038 - 84).
При подготовке к проращиванию семян использовали несколько вариантов:
• Проращивание семян на фильтровальной бумаге.
• Семена (25 штук в каждой чашке) раскладывали на увлажненной бумаге в чашках Петри. При укладке принимали во внимание ориентацию зародыша и выдерживали приблизительно одинаковое расстояние между семенами. Фильтровальную бумагу и семена располагали в чашке Петри с отверстиями, затем ее помещали в чашку большего диаметра, в которой поддерживали постоянный уровень воды.
2. Проращивание семян на фильтровальной бумаге с добавлением осадка.
В верхней чашке на фильтровальной смоченной водой бумаге выкладывали семена растений (аналогично варианту 1). В нижнюю чашку, помимо воды, насыпали измельченный осадок. Масса осадка, добавленного в воду, составляла 1г.
Проращивание семян с использованием песка и осадка.
Смешивали песок с осадком в одинаковых пропорциях (по объему). В верхнюю чашку Петри насыпали полученную смесь. Масса субстрата составляла 18 г. На смесь укладывали семена в том же порядке, как и в предыдущих двух вариантах. В нижнюю чашку Петри приливали воду и поддерживали ее постоянный уровень в течение всего эксперимента.
Проращивание семян с использованием песка.
Для проращивания использовали песок, на который выкладывали семена. Процедура проращивания и масса субстрата была аналогична 3.
Все чашки были установлены в помещении с естественным освещением, температура и влажность в помещении резко не изменялась. Одновременно, в каждом варианте ставили 4 параллельные пробы.
После высадки семена находились в контролируемых, идентичных условиях. Ежедневно проверяли состояние увлажненности ложа, на котором прорастали семена растений. Увлажняли основу прорастания путем подлива воды комнатной температуры в нижнюю чашку Петри. Чашки Петри в течение всего опыта не накрывали. Прорастание проходило в естественных условиях - в дневное и ночное время, без дополнительного освещения.
Оценку и учет проросших семян при определении энергии прораста-
ния и всхожести проводили в сроки, характерные для овсяницы и клевера. Скорость прорастания клевера оказалась выше по сравнению с овсяницей. По ГОСТ 12038 - 84 энергия прорастания клевера - 3 суток, а овсяницы - 5 суток. Всхожесть у этих растений также различна. Клевер всходит в течение 7, а овсяница в течение 10 суток.
В ходе эксперимента учитывали, что к всхожим относят нормально проросшие семена. Так как развитие проростков было достаточно интенсивным, проводили предварительный подсчет проросших семян до срока учета энергии прорастания.
Всхожесть семян клевера и овсяницы на разных представлена на рис. 1—4.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
■ с осадком □ без осадка
1 2 3 4 5 6 7
время, сутки
Рис. 1. Всхожесть семян клевера лугового на фильтровальной бумаге
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
5 6 7 время, сутки
100
90
н 80
70
¡3 в 60
50
40
30
20
10
0
■ с осадком □ без осадка
5 6 7 время, сутки
Рис. 3. Всхожесть семян клевера лугового на песке
Рис. 2. Всхожесть семян овсяницы на фильтровальной бумаге
Рис. 4. Всхожесть семян овсяницы на песке
Всхожесть семян клевера во всех рассматриваемых вариантах выше, чем овсяницы. Добавление в субстрат торфяного осадка приводит к увеличению всхожести семян и сокращению времени прорастания. Это наиболее ярко проявляется при использовании в качестве основы прорастания фильтровальной бумаги.
По истечению десяти дней продолжали наблюдать за проросшими семенами. Ростки клевера достигали 8 сантиметров почти на каждом ложе, за исключением фильтровальной бумаги. После этого побеги измерить было невозможно, т.к. они наклонялись под действие собственного веса. Побеги овсяницы закономерно увеличивались по высоте в течение 20 дней и более. Расчет энергии прорастания производили по формуле:
Таблица 2
Средняя энергия прорастания семян овсяницы на разных субстратах
Наименование семян растения Субстрат Средняя энергия прорастания, см
Овсяница Фильтровальная бумага 1,79
Фильтровальная бумага и осадок 3,69
Овсяница Песок 4,44
Песок и осадок 5,87
где Э - энергия прорастания, см; Н -высота ростков растений, см; N - количество проросших семян, единицы.
Полученные данные представлены в табл. 2. Торфяной осадок в качестве компонента субстрата приводит к увеличению энергии прорастания семян
Выводы
Осадки, образующиеся при очистке сточных вод торфяным реагентом, характеризуются большим содержанием водорода и серы и меньшим азота по сравнению с исходным торфом. Содержание углерода при этом практически не изменяется.
Исследование химического состава осадков методом ISP-MS показало, что концентрации токсичных элементов в них значительно меньше ПДК.
Торфяной осадок в качестве компонента субстрата проращивания семян приводит к сокращению времени прорастания семян, увеличению их всхожести и энергии прорастания.
Осадки, образующиеся при очистке промышленных сточных вод торфяным реагентом, могут быть использованы для создания почвенного слоя на отвалах и хвостохранилищах.
1. Яковлев C.B., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Под ред. C.B. Яковлева. Очистка производственных сточных вод. /Учеб. пособие для вузов — М.: Стройиз-дат, 1985.
2. Молчанов И.П., Родзиллер И.Д., Жук Е.Г. Очистка и обеззараживание сточных вод малых населенных мест. — М.: Строй-издат, 1993.
3. Лиштван И.И., Круглицкий H.H., Те-рентьев В.Ю. Физико-химическая механика
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
гуминовых веществ. — Минск: Наука и техника, 1976.
4. Головин Г.С., Лесникова Е.Б., Арте-мова Н.И., Лукичева В. П. Использование гуминовых кислот твердых горючих ископаемых // Химия твердого топлива. -2004. — №6. — С. 43-49
5. Лесникова Е. Б., Артемова Н. И., Лукичева В.П. Очистка шахтных вод с помощью гуминовых препаратов // Химия твердого топлива. — 2009. — N 6. — С. 59-62. Е2Е
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Эпштейн Светлана Абрамовна - профессор, e-mail: apshtein@yandex.ru, Титорова Юлия Александровна — ассистент, e-mail: julya_tit@list.ru, Мейдель Изабелла Михайловна — аспирант, e-mail: meidel.izabella@gmail.com, Московский государственный горный университет.
^___
