Диссертация (Очистка поверхностных сточных вод с применением фитофильтров), страница 10

Важноотметить, что из-за особенностей кристаллической структуры цеолитов, ихселективность по отношению к отдельным катионам, не укладывается в рамкизакономерностей, установленных для других неорганических и органическихионообменников[192 ].Сорбционныесвойствацеолитовобусловленысодержанием значительного количества каналов и полостей в микроструктуреминерала [193 ]. Сорбционная способность цеолитов по отношению кнефтепродуктамтакжеподтверждаетсярезультатамиэкспериментальныхисследований [193; 194 ]. Эффективность использования цеолита для очисткиповерхностных сточных вод показана в работе Н.И.

Ватина и др. [195]. Такжеизвестно положительное влияние добавления цеолитов в почву на развитиерастений за счет поддержания водо-воздушного баланса почвы [196].Торфявляетсяценнымиширокодоступнымматериалом.Привзаимодействии ионов тяжелых металлов с торфом происходит сложныйкомплекс процессов ионного обмена, адсорбции на поверхности органических52коллоидных систем, хелатирования (закомплексовывания), реакции коагуляции ипептизации.

Миграционные возможности металлов при прохождении описанныхпроцессов понижаются. В результате такого взаимодействия образуются простыесоли тяжелых металлов – гуматы и фульваты, а также комплексные ивнутрикомплексные (хелатные) металлсодержащие соединения. В комплексныхсоединениях ионы металлов располагаются в анионной части гумусовоймолекулы и в составе карбоксильной и фенольной групп при замещении в нихпротонов. В анионной части они просто закреплены, тогда как в функциональныхгруппах способны к диссоциации. Фульвокислоты обладают более высокойспособностью к комплексообразованию с ионами поливалентных металлов посравнению с гуминовыми, оставаясь в то же время более подвижными [197].Ионный обмен на торфе происходит за счет водорода функциональных групп(COOH, фенольные гидроксилы, гетероциклические группы =NH –, –SH), причемоколо 50% обменных групп принадлежат гуминовым, а 30–40% – лигнину илегкогидролизуемым веществам [ 198 ].

В работе [ 199 ] показана высокаясорбционная способность верхового торфа по отношению к тяжелым металлам.Участвуют гуминовые вещества торфа и в извлечении нефтепродуктов,преимущественнозасчетпротеканияпроцессовадсорбции[137;138].Сорбционная емкость торфа по нефтепродуктам зависит от его влажности,степени разложения, зольности, дисперсного состава, вида обработки и можетдостигать 1…3 г/г [200; 201]. Высокая сорбционная емкость низинного торфа поотношению к нефтепродуктам и ионам тяжелых металлов отмечена и в работе[202]. При этом отмечается, что сорбционная емкость торфов по нефтепродуктамснижается с 10 г/г до 2,3-0,8 г/г по мере увеличения степени их разложения с 510% до 40-60% [203].Различные способы модификации торфа (гранулирование, механическое ихимическое модифицирование) направлены в основном на придание емухарактеристик, требуемых для реализации процесса сорбции в динамическихусловиях путем фильтрования на скорых фильтрах: механическая прочность,53стойкость к истиранию, определенный зерновой состав.

При этом изменениесорбционных характеристик оказывается незначительным.Обширные исследования применения торфяных фильтров для очисткиповерхностных сточных вод были выполнены А.В. Михайловым, А.М. Кимом,О.А. Продоусом [204]. Показана высокая эффективность торфяных фильтров позадержанию взвешенных веществ и нефтепродуктов из ПСВ.К положительному влиянию присутствия торфа в фильтрующей загрузке нафункционирование фитосооружений также можно отнести: обогащение растенийорганическим углеродом и элементами минерального питания; улучшениевоздушного питания почвы за счет углекислоты, образующейся при разложенииторфа; поддержание влажности грунта в засушливые периоды вследствиевысокой влагоемкости торфа [205].Вовневегетационныйпериод(вхолодноевремягода)очисткаповерхностного стока от растворенных органических веществ, нефтепродуктов итяжелых металлов происходит за счет сорбции и ионного обмена на торфе ицеолите.

В период вегетации растительности (в теплое время года) происходитпоглощение, трансформация, стабилизация и деградация как вновь поступающих,так и накопленных в сорбционном материале веществ под действием растений имикроорганизмов, развивающихся на фильтрующей загрузке и ризосферерастений. Тем самым осуществляется фиторегенерация торфа и цеолита.Процессы, проходящие на фитофильтре с поступившими тяжелымиметаллами и нефтепродуктами показаны на рисунке 10.Помимо описанного ранее недостатка традиционных фитофильтров,заключающегося в снижении эффективности очистки от органических веществ,нефтепродуктов и тяжелых металлов при низких температурах, большинствоконструкцийфитофильтровнепредполагаютвозможностьнакопленияочищенного поверхностного стока для последующего использования [206; 207].54абРисунок 10 - Баланс загрязняющих веществ в фитофильтре:а – тяжелых металлов, б – нефтепродуктовСуществующие решения фитофильтров, оборудованные узлом храненияповерхностного стока [208], предполагают использование резервуаров из металлаили полимерных материалов.

Основными их недостатками являются высокаястоимость и возможность разрушения резервуаров в условиях отрицательныхтемператур, характерных для зимнего периода зон умеренного климата,вследствие промерзания воды или морозного пучения окружающих грунтов.В качестве решения по хранению очищенного поверхностного стока сцелью последующегоиспользованияпредлагаетсяприменениеинертногокрупнозернистого насыпного материала (КНМ), например, гравия или щебеня,располагаемого под фитофильтром. Использование КНМ с водонепроницаемымоснованием для хранения очищенных ПСВ дешевле традиционных решений –резервуаров из стали, пластмасс и стеклопластика.

Кроме того, даннаяконструкция не подвержена разрушению при морозном пучении обводненныхгрунтов и при замерзании воды в межзерновом пространстве.Предлагаемое решение позволяет осуществлять круглогодичную (с учетомпериодичности поступления поверхностного стока) качественную очистку,накопление и подачу поверхностного стока на использование.552.5 Выводы по главе 21. Предложенитеоретическиобоснованподходкмодернизациифитофильтров очистки поверхностных сточных вод для их применения вусловияхумеренногофильтрующейклимата,загрузкизаключающийсяматериалов,вообладающихвнесениивсоставсорбционнымииионообменными свойствами – торфа и цеолита.2. Длявнедренияповерхностныхсточныхпредлагаемоговодрешениянеобходимовпроведениепрактикуочисткиэкспериментальныхисследований для решения следующих задач:3.

Определить состав многокомпонентной фильтрующей загрузки дляфитофильтра с учетом гидравлических и сорбционных характеристик4. Изучить эффективность очистки поверхностных сточных вод нафитофильтре от взвешенных веществ, нефтепродуктов и тяжелых металлов,содержащихся в поверхностном стоке с урбанизированных территорий.5. Исследовать процессы фиторегенерации фильтрующей загрузки припомощи высших растений.6. Разработать конструктивные решения и методику расчета предлагаемогоустройства очистки и хранения поверхностного стока, произвести техникоэкономическую оценку предлагаемых решений.56ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯПРОЦЕССОВ ФИТОФИЛЬТРОВАНИЯ И ФИТОРЕГЕНЕРАЦИИ3.1 Исследование сорбционных характеристик торфа и цеолита встатических условияхПоддержание высокой эффективности работы фитофильтра при сниженииактивности растений и почвенных микроорганизмов в периоды низкихтемператур обеспечивается содержанием в фильтрующей загрузке компонентов,обладающих сорбционными и ионообменными свойствами – торфа и цеолита[178].Определение сорбционных свойств торфа и цеолита по отношению кнефтепродуктам и тяжелым металлам проводилось на основании анализакинетических кривых и изотерм адсорбции.

В качестве материалов дляисследования были приняты цеолит Татарско-Шатрашанского месторожденияфракции 1-3 мм и торф Пальтинского месторождения (г. Краснокамск). Основныехарактеристики исследуемых материалов представлены в таблицах 12 и 13.Основой фильтрующей загрузки был принят песок мелкий строительныйнамывной ГОСТ 8736-93. Ввиду заведомо низкой сорбционной способности пескаопределение его емкости не проводилось.Таблица 12 – Свойства торфа Пальтинского месторожденияНаименование показателейНормативная документация наметоды испытанийНормы поГОСТЗначениеБотанический составГОСТ 28245-89-смешанный,преимущественно сосновосфагновый ипушицевосфагновыйМассовая доля влаги, %,не болееГОСТ 11305-836068,9Органическое вещество, %ГОСТ 26213-85—86,7Зольность, %, не болееГОСТ 11306-832513,3Степень разложения торфа,%, не менееГОСТ 10650-722526,657Кислотность pH солевойсуспензии (pH kсl), не менееГОСТ 11623-894,604,60азота нитратного, мг/кгГОСТ 27894.4-88—44,70азота аммиачного, мг/кгГОСТ 27894.3-88—Менее 0,005подвижного фосфора, мг/кгГОСТ 27894.5-88—Менее 0,005подвижного калия, мг/кгГОСТ 27894.6-88—3,22669,1911019,89651,301,00,0765,00,2502,10,012Массовая доля подвижныхформ питательных веществиз абс.

сух. вещества:Общее содержание тяжелыхметаллов, мг/кг на сухоевещество, не болееМедьЦинкСвинецКадмийМышьякРтутьМУ по определению тяжелыхметаллов в почвах, с/х угодий ипродукциирастениеводства.Москва, 1992г.МУ по определению мышьяка впочве фотометрическим методов,М. 1993.Методика выполнения измерениймассовой концентрации ртути впробах почв и донных отложенийметодом беспламенной ААС.М 80/99Таблица 13 – Свойства цеолита Татарско-Шатрашанского месторожденияНаименование показателяЗначениеМинеральный составКлиноптилолит20-40%Монтмориллонит20-30%Опал-кристобалит28,0-36,7%Кальцит10,6-21%Кварц4,6-11,3%Химический составSiО269,0-74,0%Аl2О311,4-14,0%СаО1,7-2,5%К2 О2,0-3,0%Nа2О1,0-2,5%H20<10%TiО2, MnO, MgO, Fе2О3<1%Физико-механические свойстваПористость, %37,25-55,7258Плотность истинная, г/см31,8-2,34Насыпная плотность, г/см30,65Объемная масса, г/см31,10Твёрдость по Моосу:4-6Размер пор, Å5,0-6,0Внешний вид:Гранулы светло-серого, белого цвета.

Плотнаямелкозернистая крошка, фракции 1,0-3,0 ммДля построения кинетической кривой сорбент массой 1 г добавляли в500 мл раствора, содержащего один из исследуемых тяжелых металлов илинефтепродукты, перемешивали при помощи магнитной мешалки в течение 3, 6,10, 20, 30, 60 и 300 минут, после чего производили отбор проб раствора иопределение остаточной концентрации загрязняющего вещества. Ввиду того, чтоторф относится к набухающим сорбентам, исследования сорбции нефтепродуктови тяжелых металлов проводились в статических условиях после предварительногозамачивания сорбента в дистиллированной воде в течение 24 ч.Концентрации НП и ТМ в исходном растворе приведены в таблице 14.Таблица 14 – Концентрации нефтепродуктов и тяжелых металлов в растворе при определениикинетики сорбции на тофре и цеолите [209]ПоказательРеагент для приготовления имитата ПСВЖелезоСмесь бензина-растворителя НефрасС2-80/120 и индустриального маслаИ-20А в равных пропорциях (по объему)FeCl3 х 6Н2О ч.д.а.