Автореферат диссертации (Очистка поверхностных сточных вод с применением фитофильтров), страница 2

Получен патент РФ на изобретение №2540620.В диссертации использованы результаты научных работ, выполненныхавтором - соискателем ученой степени кандидата технических наук – лично и всоавторстве. Научные работы приведены в списке работ, опубликованныхавтором по теме диссертации.Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырех глав, заключения, списка литературы из 227 наименований, трехприложений. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, в томчисле 24 страницах приложений, содержит 35 таблиц и 61 рисунок.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность диссертационной работы,сформулированы цель и задачи исследования, определены объект и предметисследования, представлены положения, выносимые на защиту, научная новизна,теоретическая и практическая значимость исследования, представлены основныерезультаты, публикации по теме, объем и структура работы.В первой главе представлена характеристика ливневых и талых вод сурбанизированных территорий, анализ традиционных подходов к очисткеповерхностного стока и применяемых сооружений.Особенностями поверхностных сточных вод (ПСВ) с урбанизированныхтерриторий являются периодичность поступления, значительные колебаниякачественного и количественного состава, одновременное присутствиевзвешенных веществ (ВВ) минеральной и органической природы, нефтепродуктов(НП), тяжелых металлов (ТМ).Выполненный анализ методов и сооружений очистки поверхностныхсточных вод с урбанизированных территорий показал, что наибольшеераспространение получили сооружения механической и физико-химическойочистки, разработанные для нужд очистки промышленных и хозяйственнобытовых сточных вод и не учитывающие в полной мере особенностей8поверхностного стока.

Основным недостатком таких сооружений очистки ПСВявляются значительные капитальные и эксплуатационные затраты, что непозволяет широко применять их на практике.Альтернативойтрадиционнымсооружениямявляетсягруппабиоинженерных сооружений, получивших распространение в мировой практикеочистки поверхностного стока. Анализ особенностей различных типовбиоинженерных сооружений позволил сделать вывод о перспективностиприменения фитофильтров для очистки поверхностных сточных вод.Во второй главе проведен теоретический анализ механизмов извлечениязагрязнений, содержащихся в ПСВ, на фитофильтрах, исследованы факторы,влияющие на производительность фитофильтров, сформулированы ограничения,связанные с применением фитофильтров в условиях умеренного климата.Предложено альтернативное традиционным подходам техническое решение поприменению фитофильтров для очистки поверхностного стока в условияхумеренного климатического пояса и хранения очищенных ПСВ.Проведенный анализ механизмов работы фитофильтров позволил выявитьосновной недостаток существующих решений – ухудшение качества очисткиПСВ от растворенных форм нефтепродуктов и тяжелых металлов в периоды снизкими температурами по причине снижения активности растений и почвенныхмикроорганизмов.

Это ограничивает применение фитофильтров в условияхумеренного климатического пояса.Для устранения указанного недостатка предлагается внесение в составфильтрующейзагрузкиматериалов,обладающихсорбционнымииионообменными свойствами по отношению к нефтепродуктам и тяжелымметаллам – торфа и цеолита. При этом, в холодные периоды очистка отрастворенных примесей обеспечивается процессами сорбции и ионного обмена науказанных материалах, а в период вегетации растительности происходит фито- ибиорегенерация за счет поглощения, трансформации, стабилизации и деградациинакопленных веществ под действием растений и микроорганизмов,развивающихся в фильтрующей загрузке и ризосфере растений.

Таким образом,обеспечивается стабильно высокое качество очистки ПСВ в течение всего года, атакже длительный срок эффективной работы фильтрующей загрузки.В качестве решения по хранению очищенного поверхностного стока сцелью последующего использования предлагается применение инертногокрупнозернистого насыпного материала (КНМ), например гравия или щебеня, сводонепроницаемым основанием, располагаемого под фитофильтром.9Сформулированы цели и задачи экспериментальных исследований дляобоснования предлагаемых технологических и технических решений.В третьей главе обоснован состав и представлены результатыэкспериментальных исследований гидравлических и сорбционных характеристикмногокомпонентной фильтрующей загрузки для фитофильтров, процессовфитофильтрования и фиторегенерации на пилотной установке, водоотдачикрупнозернистых насыпных материалов, применяемых для хранения очищенныхповерхностных сточных вод.В качестве компонентов для приготовления фильтрующей загрузки дляфитофильтров использовались цеолит Татарско-Шатрашанского месторожденияфр.

1-3 мм, торф смешанного типа Пальтинского месторождения (г. Краснокамск)и песок мелкий строительный намывной ГОСТ 8736-93.Построены кинетические кривые и изотермы сорбции тяжелых металлов инефтепродуктов на торфе и цеолите. Экспериментальные данныеаппроксимированы в рамках уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха, определеныосновные закономерности сорбции на торфе и цеолите.Объемное соотношение материалов в многокомпонентной фильтрующейзагрузке определялось исходя из требования по обеспечению пропускнойспособности 0,3 м/ч при уровне жидкости над загрузкой 300 мм, принятого наосновании анализа зарубежных исследований и рекомендаций попроектированию фитофильтров.Экспериментальноопределено,чтозаданныегидравлическиехарактеристики многокомпонентной фильтрующей загрузки достигаются присоставе: торф 10%, цеолит 20-40%, песок 50-70% по объему.

Дальнейшиеэкспериментальные исследования проводились на загрузке с объемнымсоотношением торфа, цеолита и песка 1:2:7.Сорбционные и ионообменные свойства многокомпонентной фильтрующейзагрузки заданного состава исследовали на колонке диаметром 22 мм высотой 700мм. Колонку заполняли фильтрующей загрузкой слоем высотой 300 мм.

Объемзагрузки составлял 114 см3, масса 171 г. Имитат ПСВ подавался в нисходящемнаправлении со скоростью 0,3 м/ч. Концентрации загрязняющих веществ вимитате ПСВ (таблица 1) соответствовали значениям, характерными длятерриторий с высокой степенью урбанизации.Выходные кривые сорбции нефтепродуктов и тяжелых металлов послефильтрования через сорбционную колонку с многокомпонентной фильтрующейзагрузкой приведены на рисунке 1.10Рисунок 1 – Концентрация загрязнений в фильтрате сорбционной колонки:а – меди; б – свинца; в – алюминия; г – железа, д – цинка, е – нефтепродуктов.На основании полученных результатов была определена сорбционная(ионообменная) емкость загрузки в динамических условиях Еполн (таблица 1).11Таблица 1 – Результаты экспериментального определения сорбционной и ионообменнойемкости фильтрующей загрузки в динамических условияхРеагент дляИсходнаяКонечнаяЭффективностьПоказательприготовленияконцентрация, концентрация(не менее), %(не более), мг/лимитата ПСВмг/лБензин-растворительНефрас С2-80/120 +НП300,598,3масло И-20А всоотношении 1:1 об.Медь0,30,0196,7CuCl2Алюминий0,40,0890,0Al2(SO4)3Еполн,мг/г11,420,090,13СвинецPb(NO3)20,50,180,00,20ЖелезоFeCl31,00,190,00,29ЦинкZnSO40,50,180,00,17Для определения эффективности очистки в условиях пониженныхтемператур было проведено фильтрование имитата ПСВ через сорбционнуюколонку при различных температурах в интервале от +2С до +20С.Определены зависимости выходных концентрацийтяжелых металлов инефтепродуктов от температуры при фильтровании через фильтрующею загрузкузаданного состава (рисунок 2).Выходныеконцентрации, мг/ла)0,1400,1200,1000,080Cuy= 0,0626x-0,16R² = 0,8873Fey= 0,1225x-0,29R² = 0,9688Al y= -0,0025x + 0,082R² = 0,9915y= 0,1513x-0,213PbR² = 0,88960,0600,0400,0200,000051015Температура, ˚С20Выходныеконцентрации,мг/л0,8б)0,60,4НП+0,2y = 0,3496x0,1186R² = 0,87910,0051015Температура, ˚С20Рисунок 2 – Зависимость выходных концентраций от температурыа – тяжелых металлов; б – нефтепродуктов12Установлено, что при падении температуры от +20С до +2С,эффективность очистки от тяжелых металлов снижается на 4,8-9,6%.

Этот фактсвидетельствует о преобладании процессов хемосорбции и ионного обмена приизвлечении ионов металлов на многокомпонентной фильтрующей загрузке.Эффективность очистки от нефтепродуктов, наоборот, возрастает при снижениитемпературы, что характерно для процесса физической адсорбции. Кроме того,снижение температуры приводит к увеличению вязкости части нефтепродуктов,находящихся в эмульгированном состоянии и повышению эффективности еёизвлечения при механическом фильтровании через загрузку.Исследование процессов фитофильтрования и фиторегенерациипроводилось на пилотной лабораторной установке (рисунок 3, 4).

Фильтрующиеколонны из труб ПВХ диаметром 160 мм были послойно заполнены следующимобразом (сверху вниз): 100 мм – песок крупный по ГОСТ 8736-2014; 300 мм –многокомпонентная загрузка торф:цеолит:песок с соотношении компонентов1:2:7 по объему и общей массой 4,3 кг, 300 мм – песок мелкий по ГОСТ 87362014, 100 мм – гравий фр. 5-20 мм, 100 мм – гравий фр. 20-40 мм.Рисунок 3 – Схема пилотной установки фитофильтрования1 – подача водопроводной воды; 2 – фильтр механической очистки; 3 – расходнаяемкость; 4 – погружной насос; 5 – таймер управления поливом; 6 – таймер управленияосвещением; 7 – распределительная система подачи поливочной воды; 8 – капельница; 9 –люминесцентная фитолампа; 10 – прозрачная труба h=250мм; 11 – фитофильтрационнаяколонна; 12 – деревянный каркас; 13 – пробоотборный шланг; 14 – сборный отводящийтрубопровод; 15 – сброс в канализацию с гидрозатвором.13Рисунок 4 - Внешний вид пилотной установки фитофильтрования (контрольн(контрольные колоннырасполрасполагалисьгались отдельно и в кадре отсутствуют)В фильтрующие колонны были высажены Рогоз широколистный (Týpha(latifólia),), Ирис болотный ((Iris pseudacorus) и Тростник обыкновенный (Phragmites(commúnis).