Реагентная очистка хромсодержащих сточных вод

УДК 628.33

РЕАГЕНТНАЯ ОЧИСТКА ХРОМСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД

© Т.И. Халтурина1, А.Г. Бобрик2, О.В. Чурбакова3

Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.

Представлены результаты исследований по определению оптимальных режимов процесса реагентной обработки сточных вод, содержащих ионы хрома. Проведен термогравиметрический анализ данных по составу и структуре образующегося осадка. Предложена новая технология обезвреживания хромсодержащих стоков раствором реагента, полученного из металлургического шлака. Ил. 10. Табл. 2. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: реагентная обработка; хромсодержащие сточные воды; реагенты-восстановители; металлургический шлак; смешанный коагулянт; термогравиметрический анализ; состав и структура осадка.

REAGENT TREATMENT OF CHROME-CONTAINING WASTEWATER T.I. Khalturina, A.G. Bobrik, O.V. Churbakova

Siberian Federal University,

79 Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.

The article introduces a research on the determination of the optimal modes of the reagent treatment of the wastewater containing chromium ions. The data obtained are given a thermogravimetric analysis by the composition and structure of the formed sediment. A new technology for treating chromium-containing wastewater with the solution of the reagent produced from metallurgical slag is proposed. 10 figures. 2 tables. 6 sources.

Key words: reagent treatment; chromium-containing wastewater; reducing agents; metallurgical slag; mixed coagulant; thermogravimetric analysis; composition and structure of sediment.

Подавляющее большинство металлообрабатывающих предприятий в своем составе имеют гальванические цеха или технологические участки нанесения гальванопокрытий.

Одним из самых токсичных компонентов гальванического производства является Сг6+, ПДК которого не должно превышать 0,1 мг/дм3 по Сг (III) и 0,05 мг/дм3 по Сг (VI) [1-2]. Повышенное количество хрома губительно действует на флору и фауну водоемов и тем самым тормозит процессы самоочищения, в связи с чем решение вопросов обезвреживания хромстоков является актуальным.

Для обезвреживания хромсодержащих стоков широко используют реагентые методы [3], сущность которых заключается в восстановлении шестивалентного хрома до трехвалентного с помощью реагентов, дальнейшем их переводе в нерастворимые вещества при добавлении щелочи для корректировки рН и непосредственном осаждении труднорастворимых соединений.

Химизм процесса может быть выражен с помощью уравнений

6Ре804 + К2Сг207 + 7И2804 = Сг2(804)з+3Ре2(804)з+К2804+7И20;

Сг2(804)3 + 3Са(0Н)2 = 2Сг(0Н)3 + 3Са804;

Ре2(804)3 + 3Са(0Н)2 = 2Ре(0Н)3 + 3Са804.

Несмотря на то что в настоящее время известны более совершенные методы очистки стоков, содержащих ионы шестивалентного хрома, на многих предприятиях продолжают использовать реагентную обработку. Непрерывный характер процесса очистки затрудняет установку современного технологического оборудования на старых площадях, а строительство нового здания под очистные сооружения требует значительных дополнительных инвестиций.

Целью данной работы являлось изучение процесса реагентного обезвреживания хромсодержащих сточных вод для получения математической модели и последующей оптимизации. Исследования проводились с помощью планирования эксперимента по методу Бокса-Хантера [4], что позволило получить коэффициенты регрессии с одинаковой оценкой дисперсии.

В качестве варьируемых факторов приняты следующие: Х1 - исходная концентрация ионов Сг6+ в сто-

1Халтурина Тамара Ивановна, кандидат химических наук, профессор кафедры инженерных систем зданий и сооружений, тел.: 89029615551, e-mail: THal1965@yandex.ru

Khalturina Tamara, Candidate of Chemistry, Professor of the Department of Engineering Systems of Buildings and Structures, tel.: 89029615551, e-mail: THal1965@yandex.ru

2Бобрик Анастасия Геннадьевна, ассистент кафедры инженерных систем зданий и сооружений, тел.: 89232719934, e-mail: j.a.r.o.k@mail.ru

Bobrik Anastasiya, Assistant Professor of the Department of Engineering Systems of Buildings and Structures, tel.: 89232719934, e-mail: j.a.r.o.k@mail.ru

3Чурбакова Ольга Викторовна, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной экологии и безопасности жизнедея-

тельности, тел.: 89022930157, e-mail: ochurbacova@mail.ru

Churbakova Olga, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Ecology and Life Safety,

tel.: 89022930157, e-mail: ochurbacova@mail.ru

ках, мг/дм ; Х2 - рНисх; Х3 - доза реагента восстановителя, мг/дм3. Оценочными критериями являлись: У! -остаточная концентрация ионов Ог6+, мг/дм3; У2 - объем осадка, %.

Факторы и уровни их варьирования приведены в табл. 1.

Таблица 1

Фактор Интервал +1,68 +1 0 -1 -1,68

Х1 30 145,4 125 95 65 40,6

Х2 0,5 2,84 2,5 2,0 1,5 1,16

Хз 108 523,44 450 342 234 160,56

Анализ качества модельной сточной воды проводили с использованием атомно-абсорбционного спектрометра 3300 производства фирмы Perkin - Elmer с пламенным атомизатором.

По результатам экспериментальных исследований

получены уравнения регрессии, адекватность которых проверялась по критерию Фишера:

Y = 3,024 + 2,9X + 0,867X2 -1,301X3 + +0,86XX - 0,0975ХХ + 0,5915Х2Х3 + +0,61X2 + 0,65X2 + 0,34X2; Y2 = 7,01 + 0,71X3 -1,46X1X2 --0,58Х22 -0,87Хз2.

Обработка данных эксперимента проведена в табличном процессоре Excel, что позволило получить уравнения аппроксимации. На рис. 1-5 показаны зависимости остаточной концентрации хрома и объема осадка от варьируемых параметров, которые носят нелинейный характер.

о к

та о.

a S о !;=

к та

У

о

О

О

4>

Ss У = 0,00002 29Х32 - С ,0263Х3 + 10,29

\

У1 = 0, 000029) (32 - 0,03 52Х3 + 1 3,66

У 0,0000 3Х32 - 0, 037Х3 + 12,33

рН 1,5 рН 2 рН 2,5

100

200

700

300 400 500 600 Доза реагента, мг/дм3

Рис. 1. Зависимости остаточной концентрации Сг6+ от дозы реагента: С^+ = 95мг / дм3; рН = 1,5 ; рН = 2,0; рН = 2,5; Хз - доза реагента, мг/дм3; У1 - остаточная концентрация ионов хрома, мг/дм3

8

+

<0 О к

та

.

i со ф s г.3

к та

у о

о О

1,5

2,5

РН

Рис. 2. Зависимости остаточной концентрации Cr6+ от рН: CJcx + = 95мг / дм ; Дреаг = 234мг / дм ;

Д = 342мг / дм3; Д = 450мг / дм3; Хг - рН; Y1 - остаточная концентрация ионов хрома, мг/дм3

1

1

2

3

s д

о к

та о.

о

К

та

у о

О

О

16 14 12 10 8 6 4 2 0

У1 = 0,С 007Х12 - 0,003 Х1 0,022 ^

У1 - 0,0 007Х12 -

2

* к У1 - 0,0007 Х1 2 - 0,0065 Х1 - 0,67

234 342 А 450

0,03Х1 + 1,3

25 45 65 85 105 125 145 Исходная концентрация Cr6+, мг/дм3

165

Рис. 3. Зависимости остаточной концентрации Cr от исходной концентрации:

>Иисх = 2,0; Дреаг = 234мг / дм3; Дреаг = 342мг / дм3; Дреаг = 450мг / дм3,

.3.

Х1 - исходная концентрация ионов Сг6+ в стоках, мг/дм3; У1 - остаточная концентрация ионов хрома, мг/дм3

7,5

6,5

д5,5 а с о

м е

¿4,5

ю О

3,5

2,5

У2 - -0,0 00075Х32 + 0,0566Х3 - 3,8636

У2 - - 0,000075Х3 2 + 0,0566Х а - 4,46 ч

и  \

/

7 У2 - -0,0 )00075Х32 + 0,0566Х3 - 4,4275

рН 1,5 рН 2 рН 2,5

100

600

200 300 400 500

Доза реагента, мг/дм3

Рис. 4. Зависимости объема осадка от дозы реагента: С^6 = 95мг / дм3; рН = 1,5; рН = 2,0;рН = 2,5;

Хз - доза реагента, мг/дм3; Уг - объем осадка, %

По полученным уравнениям регрессии проведена оптимизация диссоциативно-шаговым методом. Обработка эксперимента проводилась методом поиска оптимума. Анализ осуществлялся на основе многофакторной квадратичной модели. Ранжированием значений параметров выхода у!, у2 получены регулировочные диаграммы, позволяющие определить области совместной оптимальности (рис. 6-8).

Как видно из представленных регулировочных диаграмм (рис. 6-8), с увеличением исходной концентрации ионов хрома в обрабатываемой воде область

совместной оптимальности смещается в сторону больших значений доз реагентов и меньшей величины рН.

Недостатком данного метода является большой расход дорогостоящих реагентов. С учетом региональных условий представлялось интересным изучить возможность использования отходов предприятий, в частности гранулированного металлургического шлака никелевого производства Норильского ГМК. Был проведен анализ гранулированного металлургического шлака и определен химический состав (табл. 2).

4

18 16

# 14 «в

! 12 о

0

1 10

А

Ю

О

<

У; = -1,9783Х22 < + 7,6551Х2 + 9,2739

У /2 = -2,3248Х 22 + 9,3054Х2 + 0,0039

*........ У2 = -2,324Х ,2 + 9,296Х2 - 0,1759 ^

234 342 А 450

1,5

рн

2,5

Рис. 5. Зависимости объема осадка от рН: С^ = 95мг / дм3; Д„еаг = 234мг / дм3; Д = 342мг / дм3;

мех ' ^ реаг

.3

Дреаг = 450мг / дм ; Х2 - рН; Yг - объем осадка, %

рНи„ 2,84 1,68

2,5 1

1.5 -1

1,16 -1,68

1 1

ч \ 1

\\ 4 е.

-1,68 -1 160,56 234

0 1 1,68 342 450 523,44 Др, мг/дм3

Рис. 6. Регулировочная диаграмма У», У г при исходной концентрации Сг6* = 65 мг/дм3: - - - остаточная концентрация, мг/дм3;----объем осадка, %

1,16 -1,68

1,68

523,44 Др, мг/дм3

Рис.7. Регулировочная диаграмма Уь У г при исходной концентрации Сг6* = 95 мг/дм3: - - - остаточная концентрация, мг/дм3;----объем осадка, %

1

3

1,16 -1.«

160,56 334 342 4j0 523,44 д,, mtw Рис. 8 Регулировочная диаграмма У1, Угпри исходной концентрации Cr6* = 125 мг/дм3: - - - остаточная концентрация, мг/дм3;-----объем осадка, %

Химический состав металлургического шлака

Таблица 2

Наименование компонентов Со A12Ü3 Ni Fe CaO MgO S SiO2 Cu

Содержание, % 0,4 9 1,2 30 8 7 0,8 43 0,6

Как видно из табл. 2, в шлаке содержится большое количество Ре и А1, ионы которых обладают коагулирующими свойствами, поэтому для очистки была изучена возможность применения раствора, полученного из металлургического шлака в качестве смешанного коагулянта для очистки хромсодержащих сточных вод.

Предварительные исследования [5] позволили выявить оптимальные режимы получения реагента из металлургического шлака: доза Н2Б04 - 0,6-0,8 от массы шлака, время перемешивания - 1,5-3 часа, температура обработки - 35-500С.

0,8

При обработке металлургического шлака кислотой образуется раствор, являющейся смешанным коагулянтом, содержащим ионы Ре2+, А13+, Мд2+ и активную кремниевую кислоту. Активная кремниевая кислота способствует коагуляции гидроксидов железа, алюминия, магния.

Результаты исследований по обработке хромсодержащих стоков раствором реагента позволили построить зависимость остаточной концентрации ионов хрома от дозы реагента при исходной концентрации ионов хрома 65 мг/дм3, рН = 3.

та

s о о.

X У

к

та

.

о ч

а1 t:

о 2

т К

та

г

у

о

о О

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1

150

350

Доза реагента, мг/дм3

Рис. 9. Зависимость остаточной концентрации ионов хрома от дозы реагента, полученного из металлургического шлака

Как видно из рис. 9, оптимальная доза реагента, полученного из металлургического шлака, составляет 3,5 мг на 1 мг шестивалентного хрома, что значительно меньше, чем для товарного FеS04•7H2O. Это связанно с тем, что смешанный коагулянт обладает более эффективными коагулирующими свойствами, позволяющими заметно снизить чувствительность процесса коагуляции к солевому составу и расширить зоны коагуляции.

Для анализа химического состава осадка был применен наряду с дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК) термогравиметрический метод (ТГ), основанный на изменении массы используемых образцов при нагревании в зависимости от температуры.

чении температуры ^ = 552,00С, t = 660,90С) наблюдаются полиморфные превращения а - Fe2O3 в Y -Fe2O3, а также возможно выделение конституционной воды, образование Y - Al2O3 и феррита хрома FeOCr2O3. Пик при t = 912,90С объясняется наличием в образце магнетита FeOFe2O3 [6].

Таким образом. результаты исследований по изучению состава осадка при обработке хромсодержащих сточных вод раствором реагента, полученным из металлургического шлака никелевого производства Норильского ГМК, показали, что основной химический состав осадка представлен магнитовосприимчивыми формами железа, которые имеют высокую внутреннюю и поверхностную энергию, а следовательн, сорб-ционную и ионообменную способность, что и объяс-

Рис. 10. Термограмма осадка

Исследования проводились на приборе NETZSCH STA 449F1 в режиме ДСК-ТГ, в атмосфере AZ, в диапазоне 30/20.0 (К/мин)/1000, при использовании программного аргона обеспечения NETZSCH Proteus.

Термограмма представлена на рис. 10 в виде кривых: ТГ - термовесовой (%), ДТГ - дифференциально-термогравиметрической (%/мин) и ДСК - дифференциальной сканирующей калориметрии (мкВ/мг).

Из термограммы видно, что при t = 1090С эндоэффект объясняется дегидратацией. Термоэффект при t = 183,80С характерен как для кристобалита (а - SiO2), так и для гетита (а - FeOOH). Экзоэффект при t = 336,30С связан с дегидратацией гетита и переходом его в магнетит, при этом возможно образование промежуточного продукта Al2O3-H2O - бемита и мало-гидратированного Cr2O3-H2O, при дальнейшем увели-

няет большую эффективность процесса очистки по сравнению с обработкой стоков товарным реагентом.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Получена математическая модель процесса ре-агентного обезвреживания хромсодержащих сточных вод и проведена оптимизация для регулирования процесса эффективной очистки хромстоков.

2. Показана возможность использования коагулирующего раствора реагента, полученного из металлургического шлака, позволяющая утилизировать отходы металлургического производства и тем самым снижать техногенное воздействие на окружающую среду в соответствии с Федеральным законом «Об отходах производства и потребления».

Статья поступила 8.04.2014 г.

Библиографический список

1. Измерова Н.Ф. Научные образы литературы по токсич- окружающей среде / под ред. Н.Ф. Измеровой. М., 1989. С. ности и опасности химических веществ: программа ООН по 225.

2. Соколов Л.И. Использование отходов шлифовального производства в процессах очистки хромсодержащих сточных вод // Экология и промышленность России. 2011. Август. С. 38-44.

3. Урецкий Е.А. Ресурсосберегающие технологии в водном хозяйстве промышленных предприятий: монография. Брест, 2007. С. 396.

4. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высш. шк.,1978.

С. 99-114.

5. Халтурина Т.И., Пазенко Т.Я., Пчелкин А.Г. Возможность применения отходов металлургического производства для получения реагента // Мелиорация и водное хозяйство, серия «Комплексное использование и охрана водных ресурсов». 1989. № 12. С. 49-55.

6. Иванова В.П., Касатов Б.П., Красавина Т.Н., Розинова Е.Л. Термический анализ минералов и горных пород. М.: Недра, 1974. С. 399.

УДК 711.4-112

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА В УПРАВЛЕНИИ РАЗВИТИЕМ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ © Е.А. Штепа1

Киевский национальный университет строительства и архитектуры, 03680, Украина, г. Киев, Воздухофлотский проспект, 31.

Рассмотрена проблема комфортной и безопасной для населения городской среды. Смоделирована объемно -пространственная модель зонирования территории, установлена взаимосвязь всех составляющих градострои -тельства для регулирования муниципальных и общегосударственных программ по реорганизации сложившихся пространств. Определены зоны повышенных рисков на базе предложенного метода оценки комфортности город -ской среды.

Ил. 4. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: безопасность; комфорт; модели; информационная система; убытки; мероприятия; зоны повышенных рисков.

INFORMATION SYSTEM OF URBAN TERRITORY DEVELOPMENT MANAGEMENT E.A. Shtepa

Kiev National University of Construction and Architecture, 31 Vozdukhoflotskiy Ave., Kiev, 03680, Ukraine.

The article deals with the problem of comfortable and safe urban environment. The developed volumetric-spatial model of area zoning enables to specify the correlation of all town planning components in order to regulate municipal and nation-wide programs on the restructuring of fully formed urban spaces. High-risk areas are identified on the basis of the proposed method of urban environment comfort evaluation. 4 figures. 5 sources.

Key words: safety; comfort; models; information system; losses; measures; high-risk areas.

Безопасность жизнедеятельности населения становится основным вопросом в сбалансированном развитии общества. Поэтому первоочередной задачей должна стать оценка риска для здоровья человека, выделение на картах-схемах опасных зон пребывания людей, создание прогнозных карт риска и выработки стратегии управления и оперативных территориальных планов действий.

Важным признаком города является территориальное разнообразие как качественного состояния, так и уровня нагрузки на окружающую среду в его пределах. Основное внимание уделено охране и совершенствованию городской среды, так называемой средо-защитной функции.

Оценка комфортности проживания населения в городской среде проводится методом картографирования с выявлением комфортных, умеренно комфортных и дискомфортных территорий. Существующие нормативно-методические материалы по градостроительной документации не рассматривают принципы создания карт-схем оценки территорий, потому что отсутствует методика картографического представле-

ния этих данных. Комплексное картографирование городской среды следует осуществлять с учетом специфики территорий, адекватности ее представления в виде карт природных и техногенных явлений. Эти карты дают возможность получить полную информацию о качественном состоянии городской среды [2].

Проведение такой оценки наиболее целесообразно для территорий с высоким уровнем техногенной нагрузки, которые требуют улучшения экологической ситуации с обязательным перечнем рекомендаций по устранению опасного воздействия. Использование экологических карт и карт неблагоприятного воздействия на окружающую среду позволяют визуально отобразить и проанализировать состояние одного компонента городской среды и их комплексного неблагоприятного воздействия по экологическим или природным ситуациям конкретной территории города, ее влияние на здоровье населения (путем наложения карт с выявлением дискомфортных территорий от различных факторов) для получения критических точек для выявления на одной картографической основе отдельных видов загрязненной городской среды. Этот

1Штепа Екатерина Александровна, аспирант, тел.: 30508190471, e-mail: katusha.shtepa@gmail.com Shtepa Ekaterina, Postgraduate, tel.: 30508190471, e-mail: katusha.shtepa@gmail.com