CC BY
37
2. ЕКОЛОГ1Я ТА ДОВК1ЛЛЯ
УДК 628.339 Проф. Л.1. Челядин, д-р техн. наук -
1ето-Франк1есьшй НТУ нафти i газу
ЗМЕНШЕННЯ ЗАБРУДНЕННЯ Г1ДРОСФЕРИ МЕТОДОМ ОЧИЩЕННЯ СТ1ЧНИХ ВОД В1Д АМОН1ЙНОГО АЗОТУ
Проаналiзовано методи очищения забруднених стокiв вiд амонiйного азоту. Дос-лiджено змеишения амонiйиого азоту та шших забрудиювальних компонеитiв у сйчних водах методом механiчного в^Ащения, електрооброблення i сорбци на штучних мате-рiалах. Очищения стiчних вод проведено з модельними i реальними спчиими водами. Для здiйснения експериментальних досладжень розроблено лабораторну установку, в якш використаио пристрiй для електрооброблення iз стальним або титаиовим аиодом. Дослщжения проведено з параметрами електрохiмiчного оброблення - 1,5-2,0А i 1012 в. На основi одержаиих результайв дослiджень встаиовлено, що електрохiмiчний метод можна застосовувати для очищения стчних вод забруднених амоншним азотом, який зменшуе його на 25-30 %, i рН знижуеться на 0,3-0,5 одиниць. Ступiнь очищения вiд амоншних сполук збiльшуеться в разi додатково! фшьтраци стiчних вод через по-ристi матерiали i досягае 85-87 %, а вiд завислих становить 91,-97,8 %. Показано, що завдяки запропонованiй технологи очищения у сйчних водах зменшуеться рiвень заб-руднень, оскГльки показник ХСК знизився на 200-300 одиниць, а частка амоншного азоту - на 25-35 %. Зменшения вмГсту забрудиювальних компонентiв у сйчних водах методом мехаиiчного волнения завислих у заваитаженнi фiльтра, електрооброблення та сорбцшного очищения стГчних вод, забруднених амоншним азотом та шшими шюд-ливими компонентами, вмГст шюдливих компонентiв зменшуеться до значень, як да-ють змогу скидати очищеш води у водиГ ресурси та шдвищити рiвеиь еколопчно! без-пеки водного об'екта.
Ключовi слова: довкшля, адсорбцш, очищения, стiчна вода, технологи.
Вступ. З розвитком промислового виробництва та урбанiзацií зростае i ршень забруднення стiчних вод, внаслiдок чого близько 5 млн людей щорiчно вмирають через хвороби, спричиненi забрудненою питною водою [1].
В УкраМ скид стiчних вод, якi забруднюють воднi ресурси, становить 2500-2600 млн м3 на рiк, що вмщують забруднювальнi компоненти органiчного (нафтопродукти, ПАВ тощо) та неорганiчного походження (важт метали, спо-луки нiтрогену), а в 1вано-Франк1вськш обл. об'ем спчних вод близький до 85 млн м3 на рiк [2], яю мiстять нафтопродукти, формальдегiд, фенол, амо-нiйний азот тощо. Значний об'ем спчних вод з вмiстом амоншного азоту утво-рюеться у процесах одержання i використання карбамiду, оскшьки внаслiдок його гiдролiзу утворюеться амоншний азот в значних обсягах, що перевищуе ГДК для скиду в водш ресурси, а тому необхiдно такi води очищати. Об'ем спчних вод з ПАТ "Живиця" становить близько 12 тис. м3/рж.
Iснуючi на промислових об'ектах енергозатратнi технологи водоочищен-ня не дають змоги яккно очищувати воду, а це негативно впливае на стан здо-ров'я людей, що проживають поблизу фабрик i заводiв. Компоненти, яш мс-тяться у водi, зпдно iз свiтовими та санiтарними нормами Украши №136/1940 1997 р. - шдлягають обов'язковому контролю на вмкт сполук алю-
мшда, берилда, залiза, кадмда, марганцю, миш'яку, ртуп, свинцю, талда, хрому шестивалентного i цинку. Крш цих речовин, значний вплив на здоров'я мають штрати, нiтрити, сульфати, феноли, цiанiди i одним з найпоширенiших забруд-нювачш води е амонiйний азот.
Постановка проблеми. Комунальш стiчнi води забруднен амонiйним азотом, а найбiльше спчних вод iз значним вмiстом амоншного азоту утво-рюеться у процесах одержання i використання карбамiду. Об'ем спчних вод з ПАТ "Живиця" iз значним вмiстом карбомiду становить близько 12 тис. м3/рiк. Оскшьки внаслiдок гiдролiзу утворюеться амонiйний азот в значних об'емах, що перевищуе ГДК для скиду в водш ресурси, тому актуальною е необхвднкть очищати такi води вiд амонда.
Аналiз останнiх дослiджень i публшацш. Промисловi стiчнi води очи-щають вiд забруднювальних компонентов рiзними методами [4] i до найважли-втих вiдносять: механiчний, хiмiчний, фiзико-хiмiчний, бюлопчний, термiч-ний та електрохiмiчний. Мехашчний метод неможливо використати для змен-шення амонiйного азоту, оскiльки вш е забруднювачем, який добре розчинний у вод! Хiмiчнi методи потребують залучення нових реагентiв для очищения та спричиняють утворення нових, не завжди безпечних. Фiзико-хiмiчне очищення методом юнного обмiну i адсорбцií вщ амонiйного азоту теоретично до^дже-ш, однак цi методи е громiздкими та перiодичними. Бiологiчне очищення спри-чиняеться мiкроорганiзмами i для зменшення амонiйного азоту вiдбуваються за певного вмкту добавок та температури не менше 50, що описано в [5] Термiчне очищення стiчних вод застосовуеться в тих випадках, коли промисловi слчт води не шддаються очищенню перерахованими методами. У цьому випадку забруднену воду пiддають термiчному знешкодженню. Електрохiмiчний метод використовують для очищення стiчних вод вiд оргашчних забруднень i металле, [6] а зменшення амоншного азоту цим методом дослвджено мало. Пщ-приемства обласп намагаються рiзними методами видалити шкiдливi компо-ненти iз спчних вод, оскшьки вони надходять у водш ресурси i негативно впли-вають на людей та навколишне середовище.
Метою цього дослiджения е розроблення комбшовано!' електрокоагуля-цiйноí та сорбцiйноí технологи з використанням нових сорбцiйних матерiалiв, що приведе до зменшення вмкту амоншного азоту у стоках i дасть змогу ство-рити на mдприемствi маловiдходнi замкненi системи водоспоживання. Така техиологiя зведе до мшмуму можливiсть утворення додаткових джерел забруд-нення та ризик порушення еколопчно!' рiвноваги, буде екологiчно безпечною та економiчно доцшьною.
Експериментальнi дослщження та результати. Для дослщжень вико-ристано модельш i промисловi стiчнi води ПАТ "Живиця," що характеризуются такими показниками: амоншний азот - 1,5-5,5 мг/дм3, а завислi - 2842 мг/дм3. Визначення вмкту шгредкнтк у стiчних водах проведено з використанням методик [8], а розрахунок ступеня очищення ввд н/п - за формулою
а,% = С——х100, де Сп - початкова концентращя iнгредiента, а Ск - кшцева.
Сп
Дослiдження з очищення стiчноí води вiд амоншного та iнших забруднень проводили за наступною методикою. Для дослщжень розробили установку, яка складаеться з декшькох частин:
5) трансформатор
На першому етапi дослiджень готували модельш стiчнi води на основi водопровщно'1 води та розчинення карбамiду в нш для досягнення концентра-цп , що близькi до реальних. Одержали 3 проби, якi розвели в резервуарi 1 емнiстю 4 дм3, а шсля перемiшування вдабрали проби АО, В0, СО i визначали вмiст амонiйного азоту у водi та рН. Вода з емност протiкала через електроль зер 2 установки з мтмальною подачею - 100 мл за хвилину, де тд дiею елек-тричного струму вiдбуваються електрохiмiчнi процеси, що впливають на сполу-ки амоншного азоту, яю утворюються при гiдролiзi карбамiду у водi. Модельнi стоки надходять в електрокоагулятор, де тд дiею електричного струму (и =5-10 в, 1=1,0-1,2А) у стоках вщбуваються електрохiмiчнi процеси. Через кожн 10 хв вiдбирали пробу iз резервуара 1 i таким чином було одержано 4 проби. Результати дослщжень наведено на рис. 2.
Рис. 2. Змта амоншного азоту електрохiмiчного очищення стотв вiд часу
електрооброблення Оскшьки в одержаних пробах на вмкт амоншного азоту було виявлено юни залiза, наступний II етап дослщжень проводили з титановим анодом в електролiзерi та визначали зм^ ^м амоншного азоту i рН. Внаслщок досль джень iз титановим анодом отримали проби Вь В2, В3 та С1, С2, С3, в яких визначали амоншний азот i рН за методами [7], що наведено в табл. 1.
Табл. 1. Змта рН i амоншного азоту у пробах електрохiмiчного очищення стоюв
Експери-мент №
Показник
Во / Со
В1 / С
Проба
В2 / С2
Вз / Сз
7,42 / 7,30
7,30 / 7,15
7,25 / 7,10
7,20 / 7,05
рН
7,54 / 7,40
7,50 / 7,35
7,45 / 7,28
7,43 / 7,25
7,60 / 7,50
7,55 / 7,48
7,50 / 7,42
7,46 / 7,38
амон1инии
азот (мг/дм3)
1,91 / 2,45
1.56 / 2,05
1.41 / 2,03
1.40 / 2,01
3.56 / 4,81
3.02 / 4,08
2.89 / 4.30
2.84 / 4,29
6,05 / 5.73
5,56 / 5,30
4,72 / 5,28
4,61 / 5,26
1
2
3
1
2
3
На основi результатов ан^зу отриманих показниюв спчних вод при проведенш експерименпв встановлено, що ршень рН змшюеться в бш до нейтрального на 0,3-0,5 одиниць. Оскшьки через 40 хв шсля початку електроль зу, вмкт амонда у водi зменшився приблизно на 30 %, тому результати першо-го етапу дослiджень е позитивними, однак не достатнiми за величиною, зпдно з нормативними для скиду спчних вод у водш ресурси.
На III етапi дослщжень провели очищення стiчних вод електрохiмiчним та сорбцiйним методом за наведеною вище методикою. На основi результапв експериментiв визначали рiвень рН для отримання iнформацií про ступiнь кис-лотностi або лужностi цього розчину. Результати дослiджень е позитивними, оскшьки через 40 хв шсля початку електролiзу, вмкт амонда у водi зменшився приблизно на 30 %.
Для зменшення вмiсту завислих i амонiйного азоту у спчшй водi пiсля електрохiмiчного очищення стоив провели дослщження з очищення спчних вод пористими матерiалами (ПМ), яю одержанi з техногенно! сировини зпдно з технолопею, описаною в [8] i характеристику яких наведено в табл. 2.
Табл. 2. Показники ПМ для очищення стiчних вод
№ партп пМ Насипна густина, кг/м3 Фракц1я гранул, мм Питома поверхня, м2/г Порисисть, см3/г
3 620 3-5 22,8 0,98
7 656 5-10 24,3 0,91
12 635 10-15 28,1 0,94
Очищення вщбуваеться таким чином. Неочищеш стоки потрапляють в емнкть, яка е первинним вiдстiйником для найбшьших частинок, а потш у вто-ринний вiдстiйник, де завдяки можливосп змiни кута нахилу перегород ввдшя-ються меншi частинки завислих речовин. З коагулятора стоки протжають через фшьтр, що заповнений сорбцiйним матерiалами, яш утворенi з техногенних вщ-ходш (зола ТЕС, скоп та iншi) де iз спчно! води ввдшяються iншi забруднення в процес фiльтрацií i адсорбцií, а потш очищена вода поступае у емнкть очищено! води. Дослщження очищення проводили в динамiчних умовах. Проби вщби-ралися через кожнi 20 хв: № 0 - неочищених стоив; № 1 - за вщстшником; № 2 - шсля електрокоагулятора; № 3 - доочищена у фшлр спчна вода. Результати дослщжень з очищення спчних вод вiд амонiйного азоту наведено на рис. 3.
Технолопчш до^дження очищення стiчних вод з участю ПМ проводили таким чином. ПМ вагою 200 г помщали в 3 сорбцшш колонки.
Рис. 3. Змта амоншного азоту в сттшй водi за очищення комбтованим методом
Методика проведення дослщжень на другому етат аналопчна першому, що описаний вище - через вiдстiйник з похилими площинами i додаванням коагулянта з наступною фiльтрацieю через ПМ рiзних фракцiй: 1-ша колонка заван-тажена фракцieю розмiром гранул до 3-5 мм, 2-га - фракщею 6-10 мм, а 3-тя - 1115 мм. Через колонки пропускали стчну воду знизу угору iз вмiстом амоншного азоту 2,5-6,6 мг/дм3. Пiсля досягнення проскоку завислих (збтьшення завислих на виходi з колонки) через наважку з ПМ, проводили регенеращю фтьтруючо'' наважки, збiльшуючи швидюсть потоку води через колонку (0,1 дм3/с) з наступ-ним продовженням процесу. Результати дослщжень наведено у табл. 3.
Табл. 3. Характеристика ст1чних вод до та тсля очищення
№ про-би Показник Стана вода Стушнь очищення (а), %
ВММ до очищення, мг/дм3 шсля очищення, мг/дм3
фр-цш, мм пориспсть, % завит амон. азот завит амон. азот завит амон. азот
1 3-5 82 28,2 5,0 3,6 0,2 87,2 96,0
2 6-10 89 28,2 5,0 3,9 0,15 86,2 97,1
3 11-15 92 28,2 5,0 4,1 0,25 85,5 95,4
4 3-5 81 23,6 4,6 3,0 0,15 87,3 96,7
5 6-10 88 23,6 4,6 3,3 0,1 86,0 97,8
6 11-15 93 23,6 4,6 3,2 0,20 86,4 95.6
7 3-5 83 25.3 6,4 3,5 0,45 86,2 91.5
8 6-10 87 25.3 6,4 3,7 0,5 85,4 92,5
9 11-15 94 25.3 6,4 3,8 0,55 85,0 96,2
Висновки:
1. На основi одержаних результата дослщжень встановлено, що електрохь мiчний метод можна застосовувати для очищення станих вод, забруднених амонiйним азотом, який зменшуе його на 25-30 %.
2. Стушнь очищення вщ амонiйних сполук збiльшуеться у разi додатково1 фiльтрацГí стiчних вод через порист матерiали i досягае 85- 87 %, а вiд завислих становить 91,5-97,8 %.
3. Методом електрооброблення та сорбцшного очищення сичних вод, забруднених амоншним азотом з карбамiду, вмiст забруднень зменшуеться до значень, що дають змогу скидати очищенi води у водш ресурси.
Лiтература
1. Запольський А.К. Водопостачання, водовiдведення та яюсть води / А.К. Запольський. -К. : Вид-во "Вища шк.", 2005. - 671 с.
2. Статистичний зб. "Довюлля Ьано-Франювщини у 2010 рощ" Ьано-Франювськ, - 2011. - 152 с.
3. Правила охорони поверхневих вод вщ забруднення зворотними водами. Затвердженi Постановою Кабiнету Мiнiстрiв N° 465 вщ 25.03.1999 р.
4. Дуданова П.А. Анализ методов очистки воды от соединений азота / П. А. Дуданова, О.Б. На-заренко. // Проблемы геологии и освоения недр : сб. тр. - Тарту : Изд-во ТПУ, 2007. - С. 641-643.
5. Мальований А.М. Еколопчно безпечш технологiчнi процеси юнообмшно-бюлопчного очищення стiчних вод вiд амоншного азоту : дис. ... канд. техн. наук: спец. 21.06.01 - "Еколопч-на безпека" / А.М. Мальований, 2013. - 164 с.
6. Мельник О.С. Оптимизация процессов электрокоагуляции сточных вод / О.С. Мельник, Л.Д. Пляцук // Вгсник СумДУ : зб. наук. праць. - Суми : Вид-во СумДУ. - 2009. - № 1. - С. 200-204.
7. Лурье, Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод / Ю.Ю. Лурье. - М. : Изд-во "НАУКА", 1984. - 448 с.
8. Патент 16950 Украша, МПК С 02 F 1/28. Споаб перероблення техногенних матерiалiв / Л.1. Челядин, М.В. Задорожний, В.Л. Челядин, Т.1. Кондур. Заявник i патентовласник № 200510038; заявл. 25.10.2005; опубл. 15.09.06; Бюл. № 9. - 2 с.
Челядын Л.И. Уменьшение загрязнения гидросферы методом очистки стоковых вод от аммонийного азота
Проанализированы методы очистки загрязненных стоков от аммонийного азота. Исследовано уменьшение аммонийного азота и других загрязняющих компонентов в сточных водах методом механического отделения, электрообработки и сорбции на искусственных материалах. Очистка сточных вод проведена с модельными и реальными сточными водами. Для проведения экспериментальных исследований разработана лабораторная установка, в которой использовано устройство для электрообработки со стальным или титановым анодом. Исследования проводились с параметрами электрохимической обработки - 1,5-2,0 А и 10-12 в. На основе полученных результатов исследований установлено, что электрохимический метод применим для очистки сточных вод загрязненных аммонийным азотом, который уменьшает его на 25-30 %, и рН снижается на 0,3-0,5 единиц. Степень очистки от аммонийных соединений увеличивается при дополнительной фильтрации сточных вод через пористые материалы и достигает 85-87 %, а от взвешенных составляет 91,5-97,8 %. Показано, что благодаря предложенной технологии очистки в сточных водах уменьшается количество загрязнений, поскольку показатель ХПК снизился на 200-300 единиц, а доля аммонийного азота - на 2535 %. Уменьшение содержания загрязняющих компонентов в сточных водах методом механического отделения взвешенных в загрузке фильтра, электрообработки и сорбци-онной очистки сточных вод загрязненных аммонийным азотом и другими вредными компонентами, содержание вредных компонентов уменьшается до значений, которые позволяют сбрасывать очищенные воды в водные ресурсы и повысить уровень экологической безопасности водного объекта.
Ключевые слова: окружающая среда, адсорбция, очистки, сточная вода, технологии.
Chelyadyn L.I. Diminishing of Hydrosphere Contamination by the Method of Cleaning of Wastewater from Ammoniacal Nitrogen
In current report the amount of ammonium in wastewater were determined and different ways to decrease contamination were a subject of investigation. Different ways to decrease concentration of ammonia nitrogen and other contaminants like mechanical separation, electropurificaction and sorption on synthetic materials were investigated. The tests were performed with both model solutions and wastewater. In order to achieve the goal a new device was designed for electropurificaction with a steel or titanium anode with a current of 1.5-2.0A and power of 10-12V. Based on the investigation it is demonstrated that the method can be used for purification and allows to decrease contamination, which reduces nitrogen ammonia in 25-30 %, and pH decreased by 0.3-0.5 units. The level of purification from the ammonium compounds was increased after additional filtration of wastewater through porous materials and up to 85-87 %, and when filtration form preformed from suspended up to 91.5-97.8 %. It is shown that due to the proposed technology contamination in wastewater decreased in 200300 units based on COD criteria, and ammonia contamination decreased in 25-35 %. Current investigation showed that leading to dramatical decrease of harmful contamination in water wastes is important for ecologically save treatment of wastes.
Key words: environment, adsorption, purification, wastewater, technology.
