Использование минерального природного адсорбента Волгоградской области для доочистки животноводческих стоков

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНОГО ПРИРОДНОГО АДСОРБЕНТА ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ ДЛЯ ДООЧИСТКИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ

VOLGOGRAD DISTRICT NATURAL MINERAL ADSORBENT USE FOR CATTLE-BREEDING DRAINS AFTERPURIFICATION

А.С. Овчинников, доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.В. Якубов, кандидат технических наук, доцент Д.Б. Марисов, инженер Конт. т. 8 8442 411784

ФГОУВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия

A.S. Ovchinnikov, V.V. Yakubov, D.B. Marisov

Volgograd state agricultural academy

Разработка научных основ применения местных минеральных адсорбентов для доочистки сточных вод с минимальными затратами с целью их использования при поливе сельскохозяйственных культур в условиях Волгоградской области. Представлены результаты исследований статической и динамической объемной емкости адсорбции аммиака на опоках М4.

Development of scientific bases of application local mineral adsorbent for additional afterpurification cleaning sewage with the minimal expenses with the purpose of their use at поливе agricultural crops in conditions of the Volgograd area. Results of researches of static and dynamic volumetric capacity of adsorption of ammonia on flask М4 are submitted.

Ключевые слова: сточные воды, цеолитовые загрузки, статическая и динамическая обменная емкость цеолита.

Key words: sewage, zeolite loads, zeolite static and dynamic exchange capacity.

Отходами сельскохозяйственного производства являются сточные воды, в том числе и осадки сточных вод (ОСВ). В крупных городах, небольших населенных пунктах сельской местности, а также на сельскохозяйственных предприятиях России (животноводческие фермы, птицефабрики, перерабатывающие с.-х. предприятия) обработка и утилизация сточных вод порождает массу проблем и является весьма энергоемкой. Основное количество сточных вод при незначительной обработке в течение десятков лет сбрасывалось в водоемы, естественные овражно-балочные проемы или подземные пустоты.

Биогенные вещества, содержащиеся в сточных водах, при поступлении в поверхностные водоемы или на почвенный ландшафт наносят значительный ущерб экологической системе любого региона, поэтому очистка этих вод от соединений, в частности азота, и последующая трансформация этих соединений в органические удобрения для использования в оборотном сельскохозяйственном цикле особенно актуальна. Наряду с этим, осадки сточных вод содержат большое количество органических веществ и питательных элементов, легко переходящих в доступные для растений формы, могут служить ценным сырьем для получения органических удобрений. Использование осадков сточных вод в земледелии в виде органического удобрения способствует предотвращению загрязнения окружающей среды, уменьшению потребности в удобрениях, улучшению структуры почвы, повышению сохранности влаги и плодородия.

Однако основным фактором, сдерживающим применение ОСВ в растениеводстве, является наличие в них солей тяжелых металлов, влияние которых на почву, растения и безвредность продуктов мало изучено. Следовательно, для оптимального решения данного вопроса имеется ряд трудностей и много еще неразре-шенных задач. Для правильного использования животноводческих сточных вод в качестве удобрений, необходимо в каждом конкретном регионе организовать

всестороннее изучение их химического состава, определить влияние ОСВ на плодородие почв, урожай и качество сельскохозяйственных культур. Применение (местных) минеральных адсорбентов в качестве доочистки животноводческих сточных вод может решить несколько задач в орошаемом земледелии, это утилизация сточных вод с одновременной органо-минералогической добавкой в качестве удобрения. Разработка научных основ применения минеральных адсорбентов для очистки сточных вод с целью их использования при поливе сельскохозяйственных культур в условиях Волгоградской области - главная цель наших исследований.

Аналитический обзор существующих методов очистки сточных вод и их физикохимических характеристик позволил составить квалификационную схему (рис.1) методов очистки, применяемых в России и за рубежом.

5

О

о-

•с

ЧХЭОННЭ1ЛТПЧ к -он ео1.гоз мга^

«ИЭОННЭШПНИ

-ОСЬ

ЧХ00ННЭ1Г

-ппчодйп кшиэ^с

ояюп'оя -£И0С1ц Х-‘Э

ЭИМЭЭЫГОЯ

-ОНХОЯ1Щ

X

ЭИМОНИПИ^Эр^

Э1Ч80ХН9

-0НЯ1ГВНХИИ0^|

л

*=* я

О о

н м

2 2 из

ЭХ я

= I

X й 3 я

61

¡5 °

0.2

н Б

ь ПЗ О

^ о

г- О

О о

О 55

о

.а с_

о

и

с

о

и

н

о

X

сг

о

£3

о

с

н

о

!§

а

о

ГО

ю

о

о

>.

о

5

Он

Для проведения исследований был выполнен независимый анализ сточных вод до и

после биологической очистки свиноводческого комплекса ЗАО «Краснодонское» (р.ц. Иловля Волгоградской области). При очистке сточных вод на предприятии применяют механический метод - решетки, где производится разделение общих стоков, поступивших на очистные сооружения, далее сточные воды поступают в отстойник, где производится отстаивание и выделяется первый избыточный ил, который, как и активный ил, поступает на поля фильтрации. Жидкая фракция поступает на биологическую очистку в аэротенки. После прохождения биологической очистки стоки поступают в биологические пруды, откуда вода подается затем на орошение площадей, отведенных для выращивания технических культур. Качество отводимых вод представлено в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-химические показатели состава сточных вод

Показатели После биологической очистки, мг/дм3 Допустимые концентрации загрязняющих веществ, мг/дм3

Минерализация воды 1719 440,02

Сульфаты 1115 100

Хлориды 306 300

Взвешенные вещества 131 215

Соли аммония 25,3 19

Железо общее 2 0,25

БПК-5 60 236

Нитриты 32,5 1

Нитраты 46 9,1

Фосфаты 3,7 6,8

Марганец Менее 0,005 0,02

Анализ полученных данных показал:

1) при очистке сточных вод наблюдается значительное выделение из них ПАВ в виде пены, которые присутствуют в избыточном иле меньше ПДК, причиной их наличия могут выступать как используемые при уборке моющие средства, так и окислительновосстановительные процессы, протекающие в первичном отстойнике;

2) повышенный водородный показатель рН очищенных сточных вод, азотистых соединений, минерального состава, общего железа и сульфатов;

3) наблюдается увеличение сульфатов в процессе биологической очистки, соответственно, это способствует увеличению сухого остатка;

4) существующая технология очистки сточных вод не снижает аммонийный азот до необходимых норм из-за повышенного содержания органических соединений в свиноводческих стоках.

На наш взгляд, все вышеперечисленные недостатки в существующей технологии очистки стоков могут быть решены с применением дополнительной доочистки на контактном циркуляторе с минеральным адсорбентом (ЦСП). Этот блок планируется

включить между аэротенком и устройством биологической очистки, тем самым ускорить процесс нитрификации на активном адсорбенте. Экономические затраты от нововведения незначительные, поскольку не нарушается технологическая схема очистки стоков, а установленный блок будет служить только ускорителем процесса.

Для решения поставленных задач нами проведены лабораторные исследования по выбору марки ЦСП (минеральных адсорбентов) и изучены их основные параметры. Оценка применимости данных опок проводилась совместно с ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» (г. Казань). Изучение пористой структуры опок проведено в Некоммерческом партнерстве «Национальное цеолитное объединение» (г. Москва).

По данным рентгенографического количественного фазового анализа опока сложена преимущественно минералами кремнезема: опал-кристобалит-

тридимитовой фазой - 67 % (в т.ч. опал 36 %, кристобалит 6 %, тридимит 25 %) и рентгеноаморфной кремнистой фазой - 15 %. На глинистые минералы приходится 13 % и обломочный кварц - 5 %.

Химический состав опок отражает их минеральные составляющие: силикатную (ОКТ-фаза, рентгеноаморфная фаза, кварц) и алюмосиликатную (глинистые минералы) (%): SiO2 -85,32; ТЮ2 - 0,32; АЪОэ - 5,35; Fe2Oз - общ. 2,29; МпО - 0,01; MgO - 0,69; СаО - 0,69; Ш20 - 0,18; К2О - 0,96; Р2О5 - 0,03; SO3 - 0,03; потери при прокаливании (вода) - 4,03. Общее содержание аморфного кремнезема, определенного химическим методом, составляет 75,71 %. Обменная емкость природных сорбентов может указывать на их способность к улавливанию из питьевых и сточных вод ионов аммония, тяжелых, цветных и радиоактивных металлов. У опок пробы М-4 она 21,1 мг-экв/100 г и обусловлена, главным образом, глинистыми минералами (монтмориллонитом). Эффективная удельная активность ЕРН опоки пробы М-4 составляет 82 Бк/кг, что не превышает регламентируемые Нормами радиационной безопасности (НРБ-99) и СП 2.6.1.798-99 параметры для минерального и строительного сырья. Для опоки пробы М-4 адсорбционно-структурными параметрами являются следующие: статическая

влагоемкость при относительных давлениях водяного пара 0,11; 0,47 и 0,98 составляет соответственно 0,89; 3,5 и 18,38 % - вес; определенные по титрованию водой плотность -1,99 г/см3, объемная масса - 0,85 г/см3, суммарный объем пор - 0,68 см3/г, пористость - 57 %; определенные по азоту удельная поверхность пор - 114 м2/г, удельная поверхность микропор - 12 м2/г, объем пор - 0,212 см /г, объем микропор - 0,004 см3/г и диаметр мезопор -120 А. Физико-механические параметры опоки М-4: насыпная плотность - 0,73 г/см3, истираемость - 0,49 %, измельчаемость - 0,4 %, водостойкость: без кипячения - 98,7 %, с кипячением - 98,3 % и виброизнос - 0,22 %

Статическая объемная емкость (СОЕ) (рис. 2) адсорбентов и их возможных модификаций определялась в статических условиях при соотношениях твердой и жидкой фазы как 1:50, 1:100. Опыты проводили до ионообменного равновесия по ионам КН4 между адсорбентом и раствором.

Стабилизация концентрации в статических эксперентах не наблюдалась, но при подаче воздуха в исходные растворы с интенсивностью 5 л/мин. было очевидно, что в растворах начинают происходить аэробные процессы, которые доводят в дальнейшем значения БПК и ХПК до требований СанПиН.

Согласно полученным данным, наблюдается равновесное состояние для данных фаз, т.е. происходит возврат извлекаемого вещества в раствор. Таким образом, определено время насыщения в статических условиях, оно было выражено линейной зависимостью у = 0,1159х + 0,6184 (рис. 3).

0.120

0.100

0.080

и 0.060

И

§ 0.040 § 0.020

О

0.000

-0.020

-0.040

у = 0.0081Х- 0.0309

Р2 = 0.6794 /

Л

Л-ч

/

\^г*/ 4 8 10 12 1

' V"

Бремя, ч

Рисунок 2 - Статическая объемная емкость на опоках ионов аммония

Т, ч

Рисунок 3 - Зависимость относительной концентрации к времени наступления

равновесной концентрации Таблица 2 - Динамическая объемная емкость (ДОЕ) адсорбции аммиака на опоках

С1 С2 С1/С2 Масса Объем Эквив. СОЕ рН Темпер. Степень очистки

0,38 0,39 0,974 100 45,45 4,5 -0,020 9,37 22 2,6

0,51 0,79 0,646 100 45,45 4,5 -0,573 9,48 22,5 54,9

0,58 0,63 0,921 50 22,73 4,5 -0,102 9,33 21,4 8,6

0,68 0,4 1,700 100 45,45 4,5 0,573 9,37 22 41,2

0,71 0,53 1,340 25 11,36 4,5 0,368 9,43 21,6 25,4

0,72 0,85 0,847 100 45,45 4,5 -0,266 9,42 22,1 18,1

0,75 0,79 0,949 25 11,36 4,5 -0,082 9,45 21,2 5,3

0,95 0,73 1,301 50 22,73 4,5 0,450 9,15 21,3 23,2

0,97 0,53 1,830 50 22,73 4,5 0,900 9,14 21,4 45,4

1,2 0,76 1,579 50 22,73 4,5 0,900 9,17 21,8 36,7

1,3 0,71 1,831 25 11,36 4,5 1,207 9,16 21,4 45,4

1,6 0,63 2,540 25 11,36 4,5 1,984 9,2 21,6 60,6

В связи с данной схемой выработана технологическая схема (представлена в сокращенном варианте) доочистки сточных вод свиноводческих комплексов на полив (рис. 4).

поступление воды ь камера аэрации

на доочистку стабилизация

фитрующая

загрузка

биопруды поступление 1

(естественная воды на полив

аэрация)

Рисунок 4 - Технологическая схема доочистки свиноводческих стоков

Выводы

1. Коэффициенты фильтрации для опок М-4 Волгоградской области составляют 44,6 м/сут, а для М-3 - менее 0,001 м/сут. Рекомендуются к использованию в качестве фильтрующей загрузки опоки марки М-4.

2. Для стабилизации показателей БПК и ХПК сточной воды на биофильтрах необходимо проводить предварительную аэрацию потока.

3. Фильтроцикл биофильтров составляет от 12 до 48 часов.

4. Регенерацию фильтрующего слоя следует проводить 5 % - раствором поваренной соли в течение 15-30 мин.

5. При выполнении вышеуказанных условий очищенная вода свиноводческих комплексов может быть использована для полива сельскохозяйственных культур.