Геоэкологические аспекты очистки сточных вод и почв от ионов тяжелых металлов

УДК 504.064

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ПОЧВ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Бабак Н.А.,. Капустина О.А, Митрофанова Л.В.

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Санкт-Петербург

THE GEOECOLOGICAL ASPECTS OF WASTEWATER TREATMENT AND SOILS FROM HEAVY METAL IONS

Babak N.A., Kapustina O.A., Mitrofanova L.V.

Petersburg State Transport University, Saint-Petersburg

В статье рассматриваются вопросы, касающиеся технологий очистки сточных вод от тяжелых металлов. Приведены результаты экспериментальных исследований в области поглощения ионов железа и марганца термообработанным пенобетоном.

Ключевые слова: очистка сточных вод, тяжелые металлы, сорбенты

In the article the questions concerning technologies of waste-water treatment from heavy metals are considered. This article reviews the results of experimental research work in the field of absorption of iron and manganese ions in thermo processed foam-concrete.

Key words: treatment of wastewater, heavy metals, sorbents.

Развитие цивилизации и научно-технический прогресс невозможно представить без активного природопользования, однако это приводит к глобальным масштабам загрязнения окружающей природной среды. На сегодняшний день фоновое содержание загрязняющих веществ во всех компонентах биосферы в несколько раз превышает нормативные значения.

Технический прогресс, начавшийся во всех областях народного хозяйства, заметно сказывается и на почвах. Однако геохимические изменения, в том числе и миграции отдельных элементов, в частности железа и марганца, до сих пор учитываются недостаточно. Этим в значительной степени определяется постановочное обсуждение проблемы.

Сегодня многие крупные предприятия столкнулись с проблемой очистки сточных вод не только от результатов своей деятельности, но и от уже имеющихся фоновых концентраций. Однако, несмотря на то, что предприятия очищают воду, которую используют, концентрация загрязняющих веществ при сбросе по-прежнему остается выше предельно-допустимого значения.

На основании проведенного мониторинга в Санкт-Петербурге (промплощадка) в ливневых сточных водах предприятия концентрация железа общего в контрольном колодце колеблется в широком диапазоне, превышая ПДК в 5 - 220 раз; концентрация марганца превышает ПДК в 1,2 - 52 раза. Именно поэтому необходимо искать новые методы и технологии снижения негативного воздействия на окружающую среду.

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех геологических средах.

Железо и марганец, которые содержатся в воде в концентрациях, превышающих ПДК (для питьевой воды в соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 это 0,3 мг/л и 0,1 мг/л

соответственно), негативно влияют не только на водопроводные коммуникации, но и на здоровье человека.

Для подземных вод большинства регионов страны характерно превышение этих нормативов в разы и даже десятки раз.

По статистическим данным концентрация железа в подземных грунтовых водах находится в пределах от 0,5 до 50 мг/л. Наиболее часто эта величина изменяется в диапазоне 3-5 мг/л в зависимости от географического местоположения и глубины источника. Начиная с концентрации 1,0-1,5 мг/л , вода имеет неприятный металлический привкус.

Известно, что многие предприятия, несмотря на то, что они не ведут производственной или прочей деятельности, которая могла бы способствовать превышению показателей по тяжелым металлам, после отбора проб воды службой Экологического мониторинга ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга" обнаруживают залповые или сверхнормативные сбросы в протоколах анализов. Чаще всего превышения обнаруживают по железу и марганцу. Причиной столь высоких показателей может являться высокое содержание этих элементов в почве, а как следствие в грунтовых и дренажных водах.

Наличие тех или иных загрязняющих веществ в почве обусловлено, прежде всего, подстилающими породами. Так на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области распространены нижнекембрийские синие глины, в которых обычно присутствуют гидрослюды, глауконит, хлорит и гидрохлорит, монтмориллонит, пирит и др. [1]. Химический состав минералов приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав минералов

Минерал Химический состав

Гидрослюды КХ(А1, Mg, Fe)2-3 •^4-хА1хО10]ЧОНУпН2О, где х 0,5, п 1,5

Глауконит (К, CaO)(Fe3+, Fe2+, Al)2 [(А1, Si)Si3O10](OH)2•H2O

Хлорит (Мё, Fe2+)з(AlSiзO1o)(OH)23(Mg, Fe2+)(OH)2

Монтмориллонит m ^з^Ою^ОНЫ^А^+Ь^Ою^ОНЪ^О

Пирит FeS2

Таким образом, в подстилающих породах Санкт-Петербурга в больших количествах содержатся ионы различных тяжелых металлов. Если учесть воздействие кислотных осадков в нашем регионе на почвы, то это способствует вымыванию свободных форм тяжелых металлов из пород.

Одним из результатов техногенной миграции элементов может быть постепенное ожелезнение окружающей среды. Ежегодно выплавляется 0,5 млрд. т железа. Необратимые потери железа в результате коррозии и истирания достигают 1/4 этой величины; не менее 1/10 поступает в почвы в виде частей изделий, машин и т.п., что неизменно ведет к повышению концентрации железа в геосферных оболочках.

Современные технологии очистки сточных вод предлагают решения по удалению железа и марганца из сточных вод, однако, данные очистные сооружения многоступенчатые и дорогостоящие.

Как правило, соединения, содержащие марганец присутствуют в воде вместе с растворенным железом Fe+2. Марганец, находящийся в воде в растворенном состоянии, удаляется вместе с железом. Таким образом, очистка воды от железа приводит к снижению концентрации марганца. Но нужно учитывать, что марганец, по сравнению с железом, окисляется медленнее и требует большего количества кислорода.

Методы очистки воды от железа и марганца схожи по своим механизмам. Их эффективность зависит от исходной концентрации железа и марганца, а также концентрации иных примесей, от значений pH, от технических характеристик обезжелезивающих и деманганационных устройств (в частности фильтров), их стоимости, дизайна, фильтрующей загрузки и иных показателей.

В настоящее время сорбционные методы очистки наиболее эффективны. В таблице 2 приведены распространенные промышленные сорбенты, широко применяемые для удаления ионов тяжелых металлов (ИТМ) из сточных вод [2].

Таблица 2

Виды промышленных сорбентов

Название материала Происхождение Емкость по ИТМ

Карбоксильные катиобменники Искусственный сорбент 0,5 ... 5,7 ммоль/г

Сорбенты на основе цеолитов Искусственный сорбент на основе природных минералов 1,24 .4,2 мг/г

Сорбент на основе торфа Природный сорбент 1,24 ... 4,2 мг/г

Алюмосиликатный адсорбент Искусственный сорбент на основе природных минералов 0,4 мг/г

Туф Природный сорбент 1 мг/г

Вермулит Природный сорбент 1,13 ... 1,43 мг/г

Сорбент на основе осадка природных вод Искусственный сорбент на основе промышленных отходов 1,5 ... 2,0 мг/г

Одним из новых сорбционных материалов, обеспечивающих более эффективную очистку природных и сточных вод по сравнению с традиционными инертными и сорбционными фильтрующими загрузками, является производимый ООО «Минерал» активированный алюмосиликатный сорбент (торговая марка «Глинт») [3].

Однако стоимость существующих сорбентов достаточно высока. Известно, что стоимость фильтрационно-сорбционной очистки на 40 % зависит от стоимости загрузки в фильтре. В связи с этим, на основании исследований, проведенных в Петербургском государственном университете путей сообщения, было предложено использовать в качестве сорбента отход пенобетона, который по своим сорбционным свойствам сопоставим с применяемыми промышленно выпускаемыми фильтрующе-сорбирующими материалами [2].

Известными путями увеличения ёмкости сорбентов являются прокаливание сорбента, нагрев, активация поверхности ускоренными электронами [4]. На основании этого, мы предлагаем использовать в качестве сорбента бой автоклавного пенобетона, обработанного при 200 °С

Ряд исследований в области геоэкозащитных технологий, проведенных в Петербургском государственном университете путей сообщения, доказывает, что продукты разрушения бетона, а также отходы производства пенобетона эффективно работают в отношении таких тяжелых металлов, как медь, кадмий, железо, марганец, никель, хром [5; 6; 7].

В таблице 3 представлены данные статической ёмкости различных сорбентов на примере поглощения марганца.

Таблица 3

Статическая ёмкость силикатсодержащих материалов на примере поглощения марганца

Название материала Статическая ёмкость, мг/г

Пенобетон Б500 2,3

Бой бетона 1,1

Термообработанный пенобетон 2,86

Кроме того, нами были проведены следующие исследования. Был произведен отбор проб сточной воды из ливневой канализации с территории промышленной площадки в Красногвардейском районе СПб (Индустриальный пр.) по ГОСТ Р 515922000.

Исходная и конечная концентрации железа и марганца в сточной воде были определены по методике ПНД Ф 14.1:2:4.139-98 с помощью атомно-абсорбционной спектрометрии. Конечная концентрация данных загрязняющих веществ определялась в воде, которая контактировала в течение 2 часов с выбранными сорбентами. Результаты исследований приведены в таблице 4.

В таблице 5 приведена эффективность очистки сточных вод выбранными сорбентами, а также статическая емкость выбранных сорбентов.

Таблица 4

Результаты извлечения железа и марганца из сточной воды различными

сорбентами

Определяемый компонент Средний результат параллельных определений исходной воды, мг/дм3 Средний результат параллельных определений воды после очистки обожженным пенобетоном, мг/дм3 Средний результат параллельных определений воды после очистки сорбентом «Глинт», мг/дм3 Нормативы (ПДК), не более

Железо общее 7,26629 0,02434 0,15904 0,3

Марганец 0,70931 0,00038 0,03650 0,1

Таблица 5

Эффективность очистки сточной воды от тяжелых металлов и статическая

емкость сорбентов

Определяемый компонент Эффективность очистки СВ обожженным пенобетоном, % Эффективность очистки СВ сорбентом «Глинт», % Статическая емкость обожженного пенобетона, мг/г Статическа я емкость сорбента «Глинт», мг/г

Железо общее 99,66 97,81 1,810 1,776

Марганец 99,94 94,85 0,177 0,168

Таким образом, на практике доказано, что поглощение из сточных вод железа и марганца боем термообработанного пенобетона гораздо эффективнее по сравнению с промышленно применяемым алюмосиликатным сорбентом «Глинт».

Кроме того, в Петербургском государственном университете путей сообщения были проведены исследования, посвященные геоэкозащитным свойствам бетона, а именно его способности сорбировать ионы тяжелых металлов (железо, медь, кадмий) из почв. Эти исследования показали, что степень удаления загрязняющих веществ из почвы зависит от крупности фракций бетона и от времени его «работы». Диапазон эффективности очистки составил 82 % - 98 % [4].

Полученный положительный опыт удаления тяжелых металлов из сточных вод термообработанным пенобетоном позволяет предполагать его лучшие сорбционные свойства по сравнению с обычным бетоном и в случае удаления ионов тяжелых металлов из почв.

Кроме того, преимуществами термообработанного пенобетона являются не только его высокая сорбционная способность, дешевизна, но и пригодность к дальнейшей утилизации в качестве отощителя в строительной керамике [8], что обеспечивает безотходность производственного процесса.

Библиографический список

1. Инженерно-геологическая и геоэкологическая оценка нижнекембрийских синих глин Санкт-Петербургского региона, Санкт-Петербург, 1997. (http://metodi4ka.com/wp-content/uploads/2011/05/geografija_1.pdf) [Дата обращения 22.02.2014].

2. Инженерно-химические и естественно-научные основы охраны окружающей среды: учебное пособие / Л.Б. Сватовская, М.В. Шершнева, А.М. Сычева, Е.И. Макарова. СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2009. 24 с.

3. Активированный алюмосиликатный сорбент «Глинт» - сорбент нового поколения. Журнал «Инженерные Системы «АВОК Северо-Запад», 2008 г. (http://www.i-tenders.ru/index.php?viewarticle=1540) [Дата обращения 21.02.2014 г.].

4. Шершнева М.В. Промышленные и природные твердые отходы с геозащитным резервом // Новые исследования в материаловедении и экологии: сборник научных трудов. Выпуск 7. СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2007. С.10-13.

5. Бабак Н.А. Минимизация негативного воздействия на окружающую среду строительной деятельности и ЖКХ системой превентивных методов: дисс. ... доктор техн. наук. СПб, 2011.

6. Бабак H.A. Геоэкологический резерв технологий, материалов и конструкций в строительстве при использовании промышленных минеральных отходов / H.A. Бабак, Л.Л. Масленникова, A.M. Славина. СПб: ПГУПС, 2011. 86 с.

7. Капустина О.А. Разработка геоэкологических технологий утилизации сорбентов / О.А. Капустина, Н.А. Бабак. Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 3. СПб: НИУ ИТМО, 2013. С. 45-46.

8. Бабак Н.А., Капустина О.А. Геоэкозащитный подход к использованию промышленных минеральных отходов // Техносферная и экологическая безопасность на транспорте (ТЭБТРАНС-2012) Материалы III Международной научно-практической конференции. СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2012. С. 38-41.

Bibliograflcheskij spisok

1. Inzhenerno-geologicheskaya i geoekologicheskaya otsenka nizhnekembrijskikh sinikh glin Sankt-Peterburgskogo regiona, Sankt-Peterburg, 1997 (http://metodi4ka.com/wp-content/uploads/2011/05/geografija_1.pdf) [Data obrascheniya 22.02.2014].

2. Inzhenerno-khimicheskie i estestvenno-nauchnye osnovy okhrany okruzhayuschej sredy: uchebnoe posobie / L.B. Svatovskaya, M.V. Shershneva, A.M. Sycheva, E.I. Makarova. - SPb.: Peterburgskij gosudarstvennyj universitet putej soobscheniya, 2009. 24 s.

3. Aktivirovannyj alyumosilikatnyj sorbent "Glint" - sorbent novogo pokoleniya. Zhurnal "Inzhenernye Sistemy "AVOK Severo-Zapad", 2008 g. (http://www.i-tenders.ru/index.php?viewarticle=1540) [Data obrascheniya 21.02.2014 g.].

4. Shershneva M.V. Promyshlennye i prirodnye tverdye otkhody s geozaschitnym rezervom // Novye issledovaniya v materialovedenii i ekologii: sbornik nauchnykh trudov. Vypusk 7. SPb.: Peterburgskij gosudarstvennyj universitet putej soobscheniya, 2007. S.10-13.

5. Babak N.A. Minimizatsiya negativnogo vozdejstviya na okruzhayuschuyu sredu stroitelnoj deyatelnosti i ZHKKH sistemoj preventivnykh metodov: diss. ... doktor tekhn. nauk. SPb, 2011.

6. Babak N.A. Geoekologicheskij rezerv tekhnologij, materialov i konstruktsij v stroitelstve pri ispolzovanii promyshlennykh mineralnykh otkhodov / N.A. Babak, L.L. Maslennikova, A.M. Slavina. SPb: PGUPS, 2011. 86 s.

7. Kapustina O.A. Razrabotka geoekologicheskikh tekhnologij utilizatsii sorbentov / O.A. Kapustina, N.A. Babak. Sbornik tezisov dokladov kongressa molodykh uchenykh, Vypusk 3. SPb: NIU ITMO, 2013. S. 45-46.

8. Babak N.A., Kapustina O.A. Geoekozaschitnyj podkhod k ispolzovaniyu promyshlennykh mineralnykh otkhodov // Tekhnosfernaya i ekologicheskaya bezopasnost na transports (TEBTRANS-2012) Materialy III Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferentsii. SPb.: Peterburgskij gosudarstvennyj universitet putej soobscheniya, 2012. S. 38-41.

Бабак Наталья Анатольевна - доктор технических наук, ФГБОУ ВПО "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I", г. Сант-Петербург, E-mail: babak.ru@inbox.ru

Капустина Ольга Александровна - аспирант, ФГБОУ ВПО "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I", г. Сант-Петербург, E-mail: olga-kapustina@mail.ru

Митрофанова Лариса Валентиновна - инженер лаборатории физико-химических методов исследования ИЦ "Экологическая безопасность и охрана труда" кафедры "Техносферная безопасность и охрана труда" ФГБОУ ВПО "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I", г. Санкт-Петербург

Babak Nataly - Petersburg State Transport University, E-mail: babak.ru@inbox.ru Kapustina Olga - Graduate student, Petersburg State Transport University, E-mail: olga-kapustina@mail.ru

Mitrofanova Larisa - Engineer in the Laboratory of physical and chemical methods of investigation IC "Environmental Health and Safety" of Department "Technosphere Health and Safety", Emperor Alexander I Petersburg State Transport University of Railways ", St. Petersburg