Доочистка сточных вод с помощью фиторемедиации

УДК 579.66

Е. Э. Нефедьева, Н. О. Сиволобова, М. В. Кравцов, И. Г. Шайхиев

ДООЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ

Ключевые слова: очистка сточных вод, микроудобрения, ионы тяжелых металлов, рекуперация тепла.

Предложена технология доочистки сточных вод с применением фиторемедиации, позволяющая организовать процесс в соответствии потребностями производственных условий. Технологическое решение предусматривает стадию утилизации отработанного растительного материала с получением удобрений, содержащих микроэлементы. Предусмотрена возможность уменьшения энергозатрат за счет организации процесса рекуперации тепла. Технологическая схема доочистки сточных вод с использованием процесса фиторемедиации может быть использована на промышленных предприятиях в системах локальной очистки воды.

Keywords: wastewater treatment, microfertilizers, heavy metal ions, heat recovery.

Technology offinal treatment of waste water by phytoremediation is developed. It allows organizing the process in accordance to requirements of conditions of enterprise. Technology choices foresee the stage of utilization of waste material with production of mineral fertilizer with the high content of microelements. A possibility to reduce power consumption by organization of heat recovery is envisaged in the flow chart. That flow chart for final treatment of waste water by phytoremediation can be used at industrial enterprises in local water-purification systems.

Введение

В последнее время загрязнение вод приобретает характер глобальной экологической угрозы.

Водные объекты являются одними из главных накопителей загрязнителей, так как промышленные и бытовые стоки содержат ряд токсичных веществ. Среди них могут быть органические и неорганические вещества с выраженными токсическими свойствами: удобрения, красители, пестициды, тяжелые металлы, радионуклиды и др.

В связи с этим возрастают требования к методам очистки и доочистки сточных вод. Традиционно применяемые физико-химические методы эффективны, но достаточно дороги и, кроме того, могут создавать дополнительную нагрузку на водоемы. Необходима замена действующих устаревших технологий и оборудования очистки сточных вод на новые. Этим объясняется увеличение в зарубежных и отечественных изданиях количества публикаций и рост числа патентов, связанных с водоочисткой.

Фиторемедиационные технологии очистки и до-очистки сточных вод, основанные на использовании растений в сообществе с микроорганизмами, представляют в экологическом плане эффективное дополнение, а в некоторых случаях - альтернативу традиционным технологиям.

В последние годы в развитии технологий борьбы с загрязнением среды большое место стали занимать подходы, основанные на использовании зеленых растений. После прохождения основных последовательных стадий очистки стоки необходимо подвергать доочистке от остаточных количеств загрязнителя, что может осуществляться с помощью фитотех-нологии [1].

Показана возможность снижения загрязнения рыбоводных водоемов и ремедиации воды фито-фильтров. Доказано повышение эффективности производства рыбы при использовании фитореме-диаторов. Кроме того, их использование может приносить существенную дополнительную прибыль [2].

Важным направлением использования фитотех-нологий являются устройства для очистки и обеззараживания вод, содержащих ионы тяжёлых металлов [3]. В последнее время особое внимание уделяется поиску новых технологий обеззараживания соединений высокотоксичных металлов и металлоидов, таких как мышьяк и кадмий [3].

В качестве растения-ремедианта для очистки воды, загрязненной различными ионами, в том числе ионами железа, сульфат-ионами, бензолом, можно использовать растения урути мутовчатой (Myriophyllum verticillatum L.) [1].

Определена возможность удаления ионов железа (II) из водных растворов с использованием в качестве фиторемедианта Elodea сanadensis. Найдено, что степень удаления ионов Fe(II) из водных растворов составила более 90 % [4].

Выявлены виды - накопители меди в природных водах: Batrachium circinatum, Nuphar lutea, Potamogeton natans. Для фиторемедиационных мероприятий сточных вод определены Elodea canadensis и Lemna minor [5]. Биопрепарат Этафос-ф концентрацией 10-5 г/дм3 усиливает рост растений ячменя, используемых в качестве фиторемедианта, и увеличивает их поглотительную способность к ионам Cu(II) [6].

Проведён эксперимент по изучению регенерации двух видов ряски - крошечной и малой - после очистки водных сред от солей никеля и меди и смесей никель:кальций, медь:кальций с концентрациями металлов 1 и 10 мг/л. Показано, что меристемы растений сохраняют способность продуцировать новые почки/листецы после пересадки их из растворов на питательную среду. Кальций оказал защитное действие на ряску в варианте с никелем: листецы, находившиеся в смеси никель:кальций 10 мг/л, после пересадки на питательную среду дали начало новым листецам, в то время как после раствора с 10 мг/л никеля регенерация не наблюдалась у обоих видов растений. Листецы ряски крошечной после растворов и смесей меди погибли; формирования новых листецов не было зафиксировано. Листецы

ряски малой погибли после растворов и смесей меди с концентрацией 10 мг/л, но продуцировали новые растения после растворов и смесей с концентрацией металла 1 мг/л [7].

Применение метода фиторемедиации - снижения нефтяного загрязнения сточной воды при помощи нефтетолерантных гидробионтных растений - во многом основывается на стимуляции естественного гидробионтного сообщества. Установлено, что состав анализируемой воды представлен 24 видами гидробионтов, из которых 12 видов альгофлоры, 12 видов протозойных и беспозвоночных организмов, и были выделены 25 активных культур микроорганизмов. В результате сочетанного влияния высших водных растений и микроорганизмов на доочистку нефтесодержащих сточных вод воды очищаются от нефтепродуктов на 94% [8].

В последнее десятилетие появилось и быстро развивается новое направление - фиторемедиация вод, загрязнённых медицинскими препаратами и средствами личной гигиены. Методы фитотехноло-гий позволяют эффективно удалять из воды такие известные препараты, как салициловая кислота, сульфадиметоксин, атенолол, кофеин, тетрациклин и др. [3].

Цель работы - разработка модели доочистки сточных вод с использованием процессов фиторе-медиации.

Экспериментальная часть

Для применения процесса фиторемедиации в промышленных масштабах существуют различные схемы очистки сточных вод. Чаще всего применяются гибридные системы с вертикальным движением воды сверху вниз, снизу вверх и и-образно [3].

Разработана следующая схема очистки сточных вод от тяжелых металлов. Процесс можно разделить на два основных этапа: проведение собственно фиторемедиации и переработку отработавших растений (биомассы).

Для проведения процесса фиторемедиации необходима горизонтальная емкость, оборудованная сетчатым поддоном, на котором располагается предварительно культивированные высшие растения. Корни растений погружаются в воду и поглощают из нее катионы тяжелых металлов. Оптимальным для проведения процесса будет хорошо освещенное и проветриваемое помещение с температурой воздуха и воды 20-25°С. В зависимости от концентрации время поглощения загрязнителя может изменяться, поэтому очищенную воду отводят по достижении заданной степени очистки или после отмирания растений. В качестве аппарата для фиторемедиации можно использовать горизонтальный отстойник, дополненный сетчатым поддоном. Растения рекомендуется размещать в виде биоплато, внутри несущего элемента или в виде модулей.

Например, растения-ремедианты могут быть размещены на биоплато, содержащее стенки, выполненные из сетчатых коробчатых контейнеров, внешние грани которых образованы каменным материалом. Биоплато выполнено с возможностью

размещения микрофлоры и микроорганизмов-деструкторов нефтяных углеводородов. Особенностью такого биоплато является то, что контейнеры покрыты эластичным трикотажем переплетением ластик и заполнены резиновой крошкой размером 0,5-1,2 мкм [9].

Кроме того, погруженные в воду растения, например, рода Elodea, могут быть размещены внутри несущего элемента для биологической загрузки. Несущий элемент для биологической загрузки состоит из корпуса, включающего боковые стенки, дно, поворотную дверцу, выполненные из мелкоячеистой сетки, и верхнее перекрытие, выполненное из эластичного одинарного трикотажа с возможностью крепления к подвесному механизму [10]. Техническим результатом полезной модели является создание передвижного устройства с применением различных веществ в качестве биологической загрузки для очистки сточных вод, недорогого, простого, легкого в эксплуатации на предприятии с возможностью использования его в отстойниках [11].

Для удобства перемещения в устройстве растения могут быть размещены в плавучем элементе, который имеет несущие элементы и якорный элемент. Плавучий элемент выполнен из двух горизонтально расположенных полых герметичных цилиндров, которые соединены посредством сборочного элемента, а к сборочному элементу на равном расстоянии от осей цилиндров присоединена четырехугольная рамка, в которой закреплены несущие элементы для биологической загрузки, имеющие эластичную конструкцию с элементами удерживания биологической загрузки. Расстояние между несущими элементами и их количество определяется конструктивными размерами устройства для биологической очистки сточных вод и особенностями загрязняющих веществ сточных вод, а также биоматериалом, используемым в качестве биологической загрузки. К нижней части рамки присоединен якорный элемент, масса которого выбрана с возможностью обеспечения плавучему элементу нахождения на уровне сточных вод. В качестве элементов удерживания биологической загрузки плавучий элемент содержит поперечные эластичные тесьмы, выполненные переплетением гладь [12]. Возможно выполнение несущих элементов для биологической загрузки из эластичных тесем, выполненных переплетением ластик для удобства эксплуатации [13].

Для очистки сточных вод может быть использован модуль для выращивания растений на гидропонике, выполненный в виде слоистой вертикально ориентированной структуры, состоящей из переднего слоя, выполненного из формообразующего материала с посадочными местами с отверстиями для растений, заднего водонепроницаемого слоя и инертного среднего слоя с развитой капиллярной поверхностью. Средний слой выполнен из трубчатого трикотажа с пяточными карманами [14]. В аналогичном устройстве слоистая вертикально ориентированная структура выполнена в форме цилиндра, средний слой которой выполнен из двух слоев трубчатого трикотажа с пяточными карманами. Пяточные карманы каждого из слоев трубчатого трикота-

жа провязаны с угловым смещением, равным 180°, пяточные карманы внутреннего и наружного слоев располагаются относительно друг друга с угловым смещением, равным 90°, а на наружном слое трубчатого трикотажа выполнены протяжки, соответствующие пяточным карманам внутреннего слоя [15]. Кроме того, слоистая вертикально ориентированная структура может быть выполнена двусторонней, с двумя передними и двумя средними слоями, причем средние слои выполнены из трубчатого трикотажа с пяточными карманами, провязанными с угловым смещением 180о [16].

Для переработки отработавших растений используется их термическая утилизация (сжигание). Сжигание растений осуществляют в печи при температуре 600°С. Процесс сжигания является энергоемким, поэтому необходимо предварительное удаление влаги. Для удаления свободной влаги возможно использование центрифуги или пресса. Пресс обладает простой и надежной конструкцией, без вращающихся элементов, поэтому является наиболее оптимальным. Для удаления связанной влаги применяется барабанная сушилка, так как ее конструкция позволяет рекуперировать тепло, отходящее из печи. Взвешенные вещества, отходящие из печи, требуют очистки. Возможно применение рукавного или электрофильтра. Использование электрофильтра оправданно при больших температурах и объемах загрязненного воздуха. Но поскольку объемы отходящих газов не велики, а охлаждение оправдано рекуперацией тепла в барабанной сушилке, то применение рукавного фильтра оказывается более эффективным. Зола после сжигания в печи таблетируется в таблет прессе и используется как товарный продукт в качестве удобрения.

В таблицах 1 и 2 представлены элементы принципиальной схемы процесса и условные обозначения потоков соответственно.

Принципиальная схема процесса представлена на рис. 1.

Сточная вода, загрязненная тяжелыми металлами, поступает в отстойник для фиторемедиации ОФ1, туда же на сетчатом поддоне подают пророщенные растения. После того как растения поглотят загрязнитель, очищенную воду сливают снизу аппарата.

Таблица 1 - Элементы принципиальной схемы процесса

Поз. обозначение Наименование Количество

ОФ1 Пресс 1

ЦФ1 Отстойник для фи- 1

торемедиации

Н1, Н2 Насос 2

БС1 Барабанная сушилка 1

АТ1 Кожухотрубный теплообменник 1

П1 Печь 1

ТП1 Таблет-пресс 1

Ф1 Рукавный фильтр 1

КМ1, КМ2 Компрессор 2

ВЦ1 Вентилятор центробежный 1

Таблица 2 - Условные обозначения потоков

Наименование среды Обозначение

Вода -1-1-

Воздух -3-3-

Биомасса -28-28-

Зола -29-29-

Микроудобрение -30-30-

Дым -31-31-

Шлам -32-32-

Сточные воды -33-33-

Фугат -34-34-

Отходящие газы -35-35-

Биомассу отработавших растений переносят в пресс ПР1, с нее выжимают свободную влагу. Образовавшийся фугат возвращают на очистку, а отжатую биомассу направляют в барабанную сушилку БС1, где удаляется связанная влага. После этого биомассу сжигают в печи П1, а затем образовавшуюся золу переносят в таблет пресс ТП1, где формируют компактные пласты микроудобрения.

Отходящие газы из печи П1 направляют в кожу-хотрубный теплообменник АТ1. Там он охлаждается, после выбрасывается в атмосферу.

Воздух, нагретый в теплообменнике АТ1, используют для сушки биомассы в барабанной сушилке БС1, после чего выбрасывается в атмосферу. Это позволяет рекуперировать тепло, образующиеся в печи П1 и оправдать затраты на сжигание

Выводы

1. В настоящее время имеется достаточно большое количество исследований с доказанной эффективностью применения фиторемедиации для удаления из сточных вод, как органических загрязнителей, так и ионов тяжелых металлов.

2. Технические и технологические решения для реализации данного процесса представлены, в основном, либо системами и модулями для размещения растений, либо способами организации биоплато, функционирующих как открытые природные системы. Применение таких схем в условиях промышленного предприятия представляет определенные трудности, связанные с вопросами организации непрерывного процесса, автоматизации, контроля качества очистки, удаления и утилизации образующихся отходов.

3. Предложена технология очистки (доочистки) сточных вод с применением фиторемедиации, позволяющая организовать процесс в соответствии потребностями производственных условий (регулирование расходов, возможность автоматизации, использование стандартного оборудования).

4. Технологическое решение предусматривает стадию утилизации отработанного растительного материала с получением удобрений, содержащих микроэлементы. При этом стадия предусматривает возможность уменьшения энергозатрат за счет организации процесса рекуперации тепла - температурный ресурс отходящих дымовых газов используется для подогрева сушильного агента.

Рис. 1 - Принципиальная блок-схема процесса очистки сточных вод с использованием фиторемедиации

5. Технологическая схема с использованием процесса фиторемедиации может быть использована на промышленных предприятиях в системах локальной очистки воды. Данная схема позволяет производить очистку воды от ионов тяжелых металлов до концентраций соответствующих нормативам сбросов в открытые водоемы или для оборотного водоснабжения, утилизировать образующиеся отходы с получением товарного продукта - таблетированного микроудобрения, а так же минимизировать энергопотребление за счет рекуперации тепла.

Литература

1. О.Ф. Заводская, А.Ю. Копнина, Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 3, 40-44 (2013).

2. Ю.Б. Львов, Рыбоводство и рыбное хозяйство, 10, 5057 (2013).

3. В.Д. Казмирук, Т.Н. Казмирук Теоретическая и прикладная экология, 3, 76-81 (2016).

4. М.В. Вдовина, Л.И. Матус, Е.Э. Нефедьева, К.И. Шай-хиева, Вестник Казанского технологического университета, 17(8), 192-193 (2014).

5. Е.А. Петракова, Л.Н. Анищенко, С.П. Белов, Вода: химия и экология, 6

6. Е.А. Трудова, Е.Э. Нефедьева, Е.В. Байбакова, С.В. Фридланд, Вестник Казанского технологического университета, 19(10), 149-151 (2016).

7. Р.Ш. Валиев, Л.Н. Ольшанская, А.В. Зобкова, Вестник Казанского технологического университета,. 18(10), 233-237 (2015).

8. Ж.Х. Оспанова, М.Р. Хантурин, Вестник Оренбургского государственного университета, 12-1 (118-1), 7477 (2010).

9. Патент на полезную модель РФ 149587 (2015).

10. Патент на полезную модель РФ 136431 (2014).

11. Патент на полезную модель РФ 136430 (2013).

12. Патент на полезную модель РФ 136797 (2014).

13. Патент на полезную модель РФ 141486 (2014).

14. Патент на полезную модель РФ 155437 (2015).

15. Патент на полезную модель РФ 155436 (2015).

16. Патент на полезную модель РФ 155438 (2015).

© Е. Э. Нефедьева - д.б.н., профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» Волгоградского государственного технического университета, nefedieva@rambler.com; Н. О. Сиволобова - к.б.н., доцент той же кафедры, М. В. Кравцов - магистрант той же кафедры, И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии, «Казанский национальный исследовательский технологический университет», ildars@inbox.ru.

© E. E. Nefedieva - Ph.D, full professor, department "Industrial ecology and Life safety", Volgograd State Technical University, nefedieva@rambler.com, N. O. Sivolobova - Ph.D, associate professor, department "Industrial ecology and Life safety", Volgograd State Technical University, nefedieva@rambler.com, M. V. Kravtsov - Master Student of department "Industrial ecology and Life safety", Volgograd State Technical University, I. G. Shaikhiev - Dr of Technical Sciences, Head of Engineering Ecology Dept. of Kazan National Research Technological University, ildars@inbox.ru.