СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА
METHOD OF REMOVING PHOSPHORUS COMPOUNDS FROM WASTE WATER

Изобретение относится к области промышленной экологии и физико-химической очистке сточных вод, в частности, коммунального хозяйства и перерабатывающей промышленности АПК (агропромышленного комплекса) и может быть использовано в работе очистных сооружений средней и малой мощности, включая локальные очистные станции (ЛОС) перерабатывающих предприятий, имеющих производственно сточные воды (ПСВ) сложного переменного состава по загрязнителям, характеризуемые значительным содержанием синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ) и моющих средств с повышенным содержанием соединений фосфора.
Известно, что физико-химическая очистка вод основана на процессах коагуляции вредных веществ, их флокуляции, экстракции, сорбции, эвапорации, кристаллизации, флотации, электролизе и др. Для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей, а также эмульгированных смол применяют коагулянты (сульфат алюминия, алюминат натрия и др.). Коагуляцию целесообразно проводить в тех случаях, когда простое отстаивание или фильтрование не дает удовлетворительных результатов.
Флокуляцию применяют для ускорения процессов коагуляции и осаждения взвешенных частиц. С этой целью широко используют органические природные и синтетические реагенты (см. Ливчак И.Ф. Инженерная защита и управление развитием окружающей среды. - М.: Колос, 2001, с.109-114).
Известно также, что при общей схеме работы очистных станций качество их работы во многом зависит от используемых в технологическом процессе реагентов-коагулянтов, сорбентов и осадителей и способов их ввода на стадиях физико-химической очистки и доочистки.
Известно использование в схемах химической очистки сточных вод специально подготовленных фильтрующих материалов сорбентов, в частности гранулированного активированного угля марки СКД - 515 (ТУ 922406-001-95) производства ОАО «СОРБЕНТ» г.Пермь, изготовляемого методом экструзии из тонкодисперсной пыли смеси каменных углей и связующего с последующей обработкой в среде водяного пара при температуре 800-950°С.
Некоторым ограничением их применения является довольно высокая стоимость, связанная с технологией производства.
Известен и алюминатный адсорбент «ГЛИНТ» (ТУ 2163-001-15191069-2003), разработанный и применяемый для очистки промышленных и поверхностно-ливневых сточных вод путем осаждения определенных катионов металлов (Cu, Ni, Zn, Pb, Cd, Cr) (см. Инструкция по применению. Активированный Алюмосиликатный Адсорбент. ГЛИНТ. ЗАО «Квант минерал». Санкт-Петербург, 2008 г., с.6.).
При большом сроке службы адсорбента и возможности его многократных промывок при использовании в существующих технологических схемах очистки вод к некоторым недостаткам адсорбента «ГЛИНТ» следует отнести ограничения по осаждаемым элементам и по кислотности обрабатываемых стоков (рН 7,5-8,0), что требует предварительной более тщательной подготовки стоков и частых промывок при работе с высокотоксичными и бытовыми стоками, а это удорожает процесс очистки промышленных стоков.
2
4
3
2
4
3
Известно также, что наиболее широкое распространение в качестве коагулянтов при очистке стоков в России получили соли алюминия, в частности Аl(SO) (сульфат алюминия), основным сырьем для получения которого является гидроксид алюминия, являющийся дорогостоящим и дефицитным продуктом. В качестве более дешевого сырья для получения этого продукта возможно использование каолинов, бокситов, нефелинов, алунитов. В качестве алюминийсодержащего сырья для получения такого коагулята известно использование отходов травления алюминийсодержащих сплавов заводов алюминиевых конструкций (см. Зуева С.Б. и др. Экозащитные технологии очистки сточных вод предприятий мясной отрасли.// Мясная индустрия, 2009 г., №12, с.44-45). Полученный из этого сырья коагулянт показал в опытах свою эффективность не уступающую промышленному Аl(SO), хотя из-за ограничения сырья (отходов травления алюминийсодержащих сплавов) продукт серийно не производится.
Задачей изобретения является расширение ассортимента коагулянтов и разработка искусственно созданного коагулянта (осадителя), обладающего дополнительно сорбционной способностью, в частности, к соединениям фосфора из промышленных стоков в первую очередь химического, перерабатывающего производства и бытовых стоков не токсичного к окружающей среде, удобного в применении (в виде сыпучего порошка), не требующего при применении больших капитальных и эксплуатационных затрат, позволяющего использовать его в существующих технологических схемах очистных сооружений на предприятиях и природоохранных лабораториях.
Задача решается тем, что в качестве алюминийсодержащего коагулянта-осадителя для химической очистки промышленных и бытовых стоков от соединений фосфора используют белый шлам (БШ) - оборотный продукт глиноземного производства в виде порошка, при этом коагулянт вводят из расчета 0,5-5,0 г/литр стоков, причем процесс коагуляции с перемешиванием пульпы с БШ ведут в течение времени от 4 до 20 часов в аэротенках.
Белый шлам нейтрализированный (БШ) - сыпучий порошок светло-коричневого цвета, представленный сульфатной формой алюмосиликата группы содалита (нозеансодалит) с массовой долей от 80 до 90%; железистым гидрогранатом с массовой долей от 8 до 15%; мелкодисперсным гидроксилом алюминия с массовой долей от 1 до 5%; Ph от 6,0 до 9,0. Не токсичен, не горюч.
Белый шлам (БШ) изготавливают в соответствии с патентном РФ №2053688 (A23K 1/16, опубл. 10.02.96, Бюл. №4) путем нейтрализации шлама при обескремнивании алюминатных растворов глиноземного производства.
Состав БШ представлен в табл.1
Белый шлам (БШ), предложенный в качестве алюминийсодержащего коагулянта - для очистки промышленных стоков, в частности от соединений фосфора, ранее разработали и применили при кормлении животных в качестве минеральной сорбционной добавки для повышения живой массы и сохранности животных на откорме при промышленном их содержании, а также для снижения уровня стресса и потерь мясной продукции у крупного рогатого скота при транспортировке (Патент РФ №2271211, A61K 33/04, опубл. 10.03.2006, Бюл. №7).
Таблица 1
Состав нейтрализированного белого шлама (БШ)
Наименование компонента
Массовая доля, %
Оксид алюминия
25-35
Оксид кремния
20-25
Оксид железа
3-10
Оксид кальция
3-10
Оксид натрия
15-20
Оксид серы
3-6
Оксид калия
0,5-0,2
Свободная щелочь, не более
0,02
Массовая доля влаги в продукте не должна превышать 15%
Другим известным направлением использования БШ является его применение при выращивании сельскохозяйственных культур на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, где использование БШ в количестве 1-5% массы пахотного слоя позволяет получить повышенные урожаи и снизить загрязнение получаемой продукции свинцом, никелем, хромом и кадмием (Патент РФ №2189712, А01В 79/02, опубл. 17.09.2002, Бюл. 27).
Новизной предложенного способа для химической очистки промышленных и бытовых стоков от соединений фосфора является использование белого шлама (БШ) по новому назначению в качестве коагулянта из алюминийсодержащего сырья для высокоэффективной очистки сточных вод от соединений фосфора, осуществляемой при минимуме затрат на замену или дополнение коагулирующего сорбирующего реагента в существующих системах и схемах очистки и доочистки сточных вод.
Способ очистки сточных вод от соединений фосфора с использованием предложенного коагулирующего сорбирующего реагента в виде алюминийсодержащего белого шлама осуществляют в следующем порядке.
В подлежащие очистке сточные воды после механической их очистки или на стадиях доочистки вводят предложенный коагулянт с последующим перемешиванием и разделением жидкой и твердой фаз, при этом в качестве коагулянта используют белый шлам. В качестве элементов, дополнительно сорбирующих фосфор, в белом шламе «выступают» алюмосиликаты натрия в форме нозеана или содалита. Белый шлам выводят в количестве 0,5-5,0 г/литр стоков.
Результаты изучения эффективности очистки в лабораторных и производственных условиях растворов и стоков от соединений фосфора с использованием в качестве коагулянта предложенного белого шлама в различных концентрациях при различных экспозициях представлены в таблицах 2, 3, 4. Исследования проводили в центральной заводской лаборатории ФГУП на Северном Урале, имеющего промышленные очистные сооружения средней мощности. Погрешности результатов анализов не превышают допустимых по НД на методы исследований.
Для аэробной очистки сточных вод, при которой с целью снижения нагрузки на ил и предотвращения перехода фосфора из ила в воду в анаэробных условиях отстойника, а также с целью увеличения скорости сгущения ила и снижения уноса ила из отстойников, коагулянт БШ в количестве 1 г/л подают в трубопровод питания аэротенка.
В процессе опыта содержимое аэротенка в количестве 800 л при температуре 10°С перелили в бак емкостью 1000 л. Для перемешивания ила в бак опустили барботажную трубу для подачи воздуха. Пульпу перемешивали воздухом в течение 20 часов, после чего добавили коагулянт БИТ в количестве 800 г. Количество воздуха на барботаж оставалось неизменным. После добавки БШ пульпу перемешивали в аэротенке еще 4 часа. В процессе опыта проверили и влияние БШ на развитие иловых бактерий.
Результаты замеров наблюдений приведены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Эффективность аэробной очистки сточной воды
Характеристика пульпы
Ил из аэротенка с содержанием ВВ 3,5 г/л
Ил из аэротенка с содержанием ВВ 3,5 г/л и 1 г/л БШ
Концентрация в воде
Кислород, мг/л
Фосфор, мг/л
Кислород, мг/л
Фосфор, мг/л
Время перемешивания
0 час
2,24
2,1
10,0
1,85
2 часа
5,6
2,05
7,84
0,99
4 часа
7,04
0,79
20 часов
10,0
1,85
Добавка БШ не угнетает иловые бактерии.
Дополнительно в процессе опыта определили влияние коагулянта - БШ на скорость осаждения ила после аэротенка.
Таблица 3
Влияние БШ на развитие иловых бактерий
V.alba
Litonotus
Aspidisca costata
Telotroch
Acineta
Philodina roseola
Spirod ira
Без БШ
44
4
5
1
2
1
3
Через 4 часа с БШ
50
4
7
2
2
1
2
Образцы активного ила из аэротенка поместили в 4 цилиндра объемом по 100 мл, в цилиндры №2, 3, 4 добавили коагулянт - БШ в количестве 0,5-1,0-5,0 г/л (соответственно) наблюдение за осаждением ила вели в соответствии с методикой в течение 30 минут.
Результаты наблюдений скорости осаждения ила в мм по высоте приведены в таблице 4 и на чертеже.
Таблица 4
Влияние дозировки БШ на скорость осаждения ила (в мм)
Время осаждения, мин
Исходная высота, мм
0,5 г/л
1,0 г/л
5,0 г/л
0
103
100
100
100
5
98
88
78
70
10
15
20
83
68
50
30
25
30
71
55
38
24
Авторами разработана принципиальная схема очистки сточных вод, отличительной особенностью которой является их дополнительная коагуляторная очистка с использованием коагулянта - БШ из оборотного продукта глиноземного производства.
По предлагаемой схеме загрязненные сточные воды по заводской канализационной сети из мест образования поступают в сборник сточных вод (усреднитель). Далее вода поступает на решетку для удаления крупных плавающих загрязнений, затем - на песколовку (удаляются минеральные частицы размером 0,2-0,25 мм) и в жироуловитель, где происходит удаление неэмульгированных и нерастворимых крупных фракций жиров. После первичной очистки (механической) предлагается вторичная физико-химическая (коагуляционная) очистка. До внесения коагулянтов сточная вода является агретивно устойчивой, т.е. сопротивляется самопроизвольному укрупнению взвешенных частиц за счет имеющегося на поверхности двойного электрического слоя и отталкивания одноименных частиц друг от друга за счет ионно-статистических сил.
Введение коагулянта БШ в заданных дозах сжимает двойной электрический слой за счет увеличения числа противоионов в дисперсной среде и снижения заряда коллоидных частиц. При достижении некоторого предельного значения заряда коллоидные частицы получают возможность сближения и объединения в более крупные агрегаты, происходит коагуляция золя.
Как видно из экспериментальных данных, представленных в табл.2, 3, 4, предложенный коагулянт позволяет увеличить эффективность очистки сточных вод по взвешенным веществам, практически в 2 раза сократив время аэробной очистки с 20 до 4 часов (таблица 2).
Неочевидным эффектом предложенного способа является то, что БШ, используемый в качестве коагулянта - в дозах от 0,5 до 5 г/л стока при высокой эффективности очистки от фосфора, дополнительно позволяет ускорить процесс осаждения ила в 1,3-2,9 раза (таблица 4), сокращая общее время очистки сточных вод не оказывая какого-либо вредного влияния на развитие иловых бактерий, а даже стимулируя развитие некоторых их видов (таблица 3).
Рассчитаны требуемые количества коагулянта в год и затраты на его производство. Результаты расчета показали, что на получение коагулянта БШ по предлагаемому способу необходимо затратить в 8,5 раз меньше денежных средств, чем на покупку сульфата алюминия.
Последней стадией очистки может являть биологическая очистка сточных вод в аэротенке-резервуаре, очищающим началом в котором является активный ил, состоящий из бактерий и микроскопических организмов. Их развитию способствуют органические вещества в сточной воде и избыток кислорода, поступающего в аэротенк с потоком подаваемого воздуха.
Бактерии склеиваются в хлопья, выделяются ферменты, иминерализующие органические загрязнения. Скоогулированный ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Его удаляют на иловые площадки, где стадийно обрабатывают: предварительно уплотняют, обезвоживают, сжигают и используют в сельском хозяйстве в качестве удобрения.
Из аэротенка вода подается во вторичный отстойник, где происходит удаление остатков активного ила. Очищенная до норм сброса вода поступает в городскую канализацию.
Таким образом, внедрение предлагаемой схемы позволит повысить эффективность очистки сточных вод, интенсифицировать этот процесс, уменьшить экономические затраты предприятий в связи со снижением платы за сброс загрязняющих веществ, так как концентрация загрязнений после очистки снижается до норм ПДК, а также за счет экономии на покупке дорогостоящих реагентов.