Защита окружающей среды от загрязнения тяжелыми металлами с использованием природных сорбентов

УДК 628.336.3

Кириллов Максим Владимирович

Maxim Kirillov

Асонов Александр Михайлович

Alexander Asonov

ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНЫХ СОРБЕНТОВ

ENVIRONMENTAL PROTECTION FROM CONTAMINATION BY HEAVY METALS WITH USE OF NATURAL SORBENTS

В статье рассмотрена проблема загрязнения окружающей среды жидкими отходами (активными илами), загрязненными ионами тяжелых металлов. Представлены методики и результаты исследований по детоксикации илов опалкристо-баллитовыми породами (опока). Предложена технология по кондиционированию избыточного активного ила, позволяющая использовать его в сельском хозяйстве в качестве органоминерального удобрения и решающая проблему загрязнения окружающей среды

This work treats the problem of pollution of environment by liquid wastes (activated sludge), polluted by ions of heavy metals. There are methods and results of the research to detoxify sludge by opal cris-tobalite rock (opoka). The technology on air-conditioning of the superfluous activated sludge is offered, allowing to use it in agriculture as organo-mineral fertilizer, and solving an environmental contamination problem

Ключевые слова: жидкие отходы, активный ил, опал- Key words: liquid wastes, activated sludge, opal cristobalite кристобаллитовые породы (опока), сорбент, десорб- rock (opoka), sorbents, desorption, conditioning, organo-ция, кондиционирование, органо-минеральное удобре- mineral fertilizer ние

Одним из важнейших аспектов глобального экологического кризиса является стремительное накопление в окружающей среде отходов хозяйственной деятельности человека. По мнению многих экологов, именно отходы и загрязнение окружающей среды представляют главную угрозу современной цивилизации. В расчете на одного жителя Земли из ее недр ежегодно извлекается и

перемещается 50 т сырого вещества и только из них 2 т превращается в конечный продукт. Проведя эту гигантскую работу, человечество получает в итоге на душу населения почти столько же (48 т) отходов, из которых 0,1...0,5 т - опасные. В число названной группы входят отходы, содержащие тяжелые металлы, а также соединения из группы ароматических хлорированных углеводородов (диоксины, бифе-

нилы, фурганы и пр.). Передаваясь по трофической цепочке, они способны накапливаться в ее верхних звеньях, включая человека, в концентрациях, превосходящих исходную в тысячи раз.

Один из важнейших компонентов окружающей среды - почва - наиболее остро ощущает негативное влияние отходов, содержащих токсичные вещества. На ее поверхности размещают свалки бытового мусора, накопители жидких и твердых отходов, содержащих, в большинстве случаев, токсичные вещества. Особое место среди жидких токсичных отходов занимают илы, загрязненные тяжелыми металлами, являющиеся отходами биохимического процесса очистки сточных вод. Их объем составляет 6...10 % от объема очищаемой сточной воды [6]. По данным РосНИИВХ, годовой объем сточных вод, прошедших биохимическую очистку, в среднем составляет около 1230 млн м3. При этом объем образую-

щегося ила влажностью 98 % составляет около 123 млн м3 [1]. Учитывая, что образующиеся илы практически во всех крупных и средних городах загрязнены тяжелыми металлами, проблема утилизации отходов в таких количествах по экобезопасной технологии приобретает первостепенное значение. Ее решение возможно на основе процесса рециклирования при использовании илов в качестве органо-ми-нерального удобрения в сельском хозяйстве.

Применение избыточного ила в качестве органо-минерального удобрения является одним из наиболее экономичных и экологичных путей его утилизации. Это обуславливается тем, что в нем содержится физиологически сбалансированное количество микроэлементов и основных биогенных элементов, необходимых для развития растений. В табл. 1 представлен химический состав их минеральной части [2].

Таблица 1

Состав минеральной части осадков, % к абсолютно сухому веществу

Типы осадков О со со О < со О Ф 1_Ь CaO MgO о о си 2 со О 00 ZnO ОЮ о со О О

Первичные 8,4- 0,3- 3,0- 11,8- 2,1- 0,7- 0,8- 1,8- 0,1- 0,1- 0,2- 0,8-

сырые 55,9 18,9 13,9 35,9 4,3 3,4 4,2 7,5 0,6 0,8 2,9 3,1

Активный 7,6- 7,3- 7,2- 8,9- 1,4- 0,8- 1,9- 1,5- 0,2- 0,1- 0,2- 0-

ил 33,8 26,9 18,7 16,7 11,4 3,9 8,3 6,8 0,3 0,2 3,4 2,4

Анализ обзорных материалов по данной проблеме показал, что из общего количества избыточных активных илов в России как удобрение используется 1.6 %, перерабатывается не более 3 %, основная масса ила хранится в илонакопителях или на свалках промотходов, загрязняя тем самым окружающую среду. За рубежом в качестве удобрения используется в среднем 32,4 % осадка сточных вод. Так, в Люксембурге их используется 90 %, в Германии - 30 %, а в Бельгии - 10 % [4, 5].

Использование активного ила в качестве удобрения существенно повышает урожай-

ность сельскохозяйственных культур: картофеля на 50.100 ц/га, озимых пшеницы и ржи на 6.14,4 ц/га (14.46 %), кукурузы и подсолнечника на силос - на 73.113 ц/га (13.39 %) [3].

В большинстве случаев непосредственное использование осадков городских станций аэраций не представляется возможным из-за присутствия в них тяжелых металлов, которые обогащают илы в процессе совместной очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод. Учитывая огромный объем образующегося избыточного активного ила на станциях аэрации и его высокую удобритель-

ную ценность, следует признать отсутствие альтернативы его рациональному использованию, помимо сельскохозяйственных угодий, в качестве удобрения. В этом случае проблема его детоксикации является весьма актуальной и требует своего решения.

Цель настоящего исследования - установить возможность и эффективность исполь-

зования опалкристобаллитовой породы (опока) для детоксикации активного ила.

Для исследований были взяты образцы опок Сухоложского месторождения Свердловской области. Этот материал в Уральском регионе является весьма доступным как по количеству, так и по стоимости [7]. Химический состав опоки представлен в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав опоки, %

Состав

ЭЮ2 АІ2Ю3 Fe2Юз MgЮ CaЮ №2Ю, К2Ю

82,80 6,60 4,95 0,78 1,18 -

Выполненные исследования механических и физико-химических свойств опоки на измельчаемость и истираемость, пористость, химическую стойкость и гидравлическую крупность показали ее соответствие требованиям, предъявляемым к сорбционным материалам.

На первом этапе исследований по регенерации активного ила ставилась задача - определить наиболее эффективный способ обеспечения наилучших условий контактирования опоки с активным илом. Изучались два способа:

1) перемешивание механической мешалкой;

2) путем барботирования смеси сжатым

воздухом.

В опытах из трех серий, выполненных в трех повторностях с концентрацией активного ила 20 г/дм3 и опоки крупностью 1.2 мм и концентрацией 20 г/дм3, осуществляется перемешивание в течение 30 мин с помощью механической мешалки и путем барботирова-ния. По окончании перемешивания смеси из активного ила и опоки давали отстояться в течение 15 мин. Осадок анализировали на наличие ионов тяжелых металлов. В качестве контроля служил активный ил, использованный в эксперименте. Усредненные результаты исследований приведены в табл. 3.

Таблица 3

Влияние способа перемешивания активного ила и опоки на эффективность десорбции тяжелых металлов

Способ перемешивания Концентрация тяжелых металлов в активном иле, мг/кг

Сг Си Fe Мп N1 1п

Механический с опокой 86,6 164,8 20009,5 ,7 СО 6 3 95,1 764,3

Барботажный с опокой 10,1 16,3 20082,3 186 19,07 73,1

Барботажный без опоки 96,6 174,1 22007,3 385,2 104 790,5

Выполненные исследования показали целесообразность использования борбатажа воздухом, что не только обеспечивает хороший массообмен в аэрируемой среде, но и в

значительной мере способствует переводу тяжелых металлов с твердой фазы (активного ила) в жидкую.

При выполнении всех последующих исследований с опокой перемешивание выполнялось путем аэрирования жидкости через диспергатор с интенсивностью 3.4 л/дм3 • мин.

Исследованию влияния фракционного состава опоки на содержание ионов тяжелых металлов в осадке активного ила, в надиловой жидкости после его контакта с опокой при экспозиции 15 мин и отстаивании в течение 30

Внесение в иловую смесь опоки фракцией 1.2 мм обеспечивает наибольший эффект перевода ионов тяжелых металлов с активного ила в надиловую жидкость. Данный эффект объясняется тем, что опока фракцией более 2 мм достаточно быстро оседает совместно с активным илом, обогащая его адсорбированными опокой ионами тяжелых металлов. Более мелкая фракция (0,25.0,5 мм) опоки сама хорошо сорбируется активным илом и при совместном оседании также повышает в иле концентрацию тяжелых металлов. В свою очередь надиловая жидкость после отстаивания в опытах именно с этой фракцией максимально

мин была посвящена следующая серия опытов (рис. 1).

В этой же серии изучалось качество надиловой жидкости после фильтрации через бумажный фильтр (белая лента). Осадок, представляющий смесь активного ила и осевшую с ним опоку, как и осадок, выделенный на фильтре, анализировался на следующие тяжелые металлы: хром, медь, железо, марганец, никель и цинк.

обогащена ионами тяжелых металлов. Результаты экспериментов позволяли рекомендовать для дальнейших исследований опоку с фракционным составом 1.2 мм.

Представляет интерес и форма нахождения тяжелых металлов в надиловой жидкости после процесса десорбции последних опокой из активного ила. Выполненные с этой целью исследования позволили утверждать, что тяжелые металлы либо адсорбированы опокой, либо находятся в виде гидроокиси, но не в ионном состоянии. Доказательством этого утверждения служит факт практически полного освобождения надиловой жидкости от тяжелых

Рис. 1. Влияние фракционного состава опоки на содержание ионов тяжелых металлов в осадке активного ила

металлов при ее фильтровании через бумажный фильтр (табл. 4).

Задачей исследований в следующей серии экспериментов являлось изучение влияния дозы опоки на содержание тяжелых металлов в осадке и надиловой воде после этапов пе-

ремешивания и отстаивания иловой смеси (рис. 2).

Анализ результатов исследований наглядно демонстрирует эффективность увеличения дозы опоки на процесс десорбции тяжелых металлов с активного ила.

Таблица 4

Содержание ионов тяжелых металлов в фильтрате, мг/дм3

Компонент Концентрация ПДК х/б

0,25-0,5 мм 1-2 мм >2 мм

Сг <0,005 0,012 0,015 0,5

Си 0,014 0,039 0,021 1,0

Ре 0,434 1,122 0,602 0,5

Мп 0,019 0,029 0,018 0,1

N1 <0,02 <0,02 0,028 0,02

гп 0,035 0,088 0,035 1,0

Из трех исследованных доз опоки (15, 25 и 50 г/дм3) наилучшие результаты получены при добавке к илу опоки дозой 50 г/дм3 иловой смеси. Учитывая трудности, возникающие с обработкой повышенного объема осадка, а также увеличение затрат на приобретение опоки в качестве оптимальной, принята доза

опоки 25 г/дм3. Она обеспечивает качество ила, удовлетворяющее использованию его в качестве удобрения, незначительное увеличение объема, образующегося при обработке осадка, и наименьшие затраты на приобретение сорбента.

О

*

5

О

О

ш

ш

Р

м

к

5

ГС

а

н

э

X

о

т

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

15

25 50

Доза опоки, г/дм3

Исходный ил, мг/кг

Си  №

Рис. 2. Влияние дозы опоки на содержание ионов тяжелых металлов в осадке активного ила

Учитывая важность результатов перераспределения тяжелых металлов между осадком и жидкой фазой (надиловая вода), нами были выполнены исследования, позволяющие характеризовать обе фазы иловой смеси. С этой целью определялась масса абсолютно сухого вещества (а.с.в.) осадка, находящегося после 30 мин отстаивания в надило-вой воде, при использовании в качестве сорбента опоки с фракционным составом 0,25.0,5 мм, 1,0...2,0 мм и более 2,0 мм. Доза добавляемой в иловую смесь опоки во всех вариантах была одинакова - 25 г/дм3.

Как показывают результаты исследований, отмечается достаточно четкая зависимость увеличения массы осадка, выпавшего на дно отстойника от фракционного состава опоки. При этом увеличение фракции опоки от 0,5 до 3.5 мм приводит к увеличению массы осадка от 27,68 до 28,92 г.

Такая закономерность коррелируется с данными, полученными при анализе надило-вой воды. Масса взвешенных веществ в ней повышается от проб с более крупной фракцией

опоки (7,92 г) к пробам с опокой более мелкой фракции (11,8 г).

Определив концентрацию исследуемых поллютантов в осадочной и взвешенной частях осадка, можно утверждать, что их большая часть перешла в надиловую воду. Так, количество загрязнений, находящихся в надиловой воде, по хрому превышает его массу в осадке в 2,7 раза, меди - в 5,9 раза, железа - в 1,6 раза, марганца - в 3,0 раза, никеля - в 3,0 раза. По цинку сохранившиеся загрязнения в осадке больше, чем во взвешенных веществах надиловой воды в 5,7 раза.

Результаты данного этапа исследований предопределяют необходимость глубокой доочистки надиловой жидкости и позволяют рекомендовать осадок к использованию в качестве органического удобрения во всех случаях, определяемых нормативными документами.

Предлагаемая технологическая схема обработки осадка и надиловой жидкости представлена на рис. 3. Она предусматривает его обезвоживание, детоксикацию и обеззараживание.

Из етсрн11- = Я

С-СТОЙІ-НГОЕ ССЬСЭНОР тряьспсгн'-гсгоР

CW4ir.ll

Рис. 3. Технологическая схема обработки осадка:

1 - контактный смеситель; 2 - первичный вертикальный отстойник; 3 - вторичный горизонтальный отстойник с

тонкослойными модулями; 4 - илоуплотнитель; 5 - фильтр-пресс; 6 - бурты; 7 - вакуум-фильтр; 8 - ботаниче-

ская площадка; 9 - сельскохозяйственные поля

После вторичного отстойника избыточный ил совместно с природным сорбционным материалом (опокой) направляется в контактный смеситель 1. Опока дозируется в сухом виде из расчета 1 г на 1 г абсолютно сухого активного ила.

Интенсификация процесса извлечения тяжелых металлов в контактном смесителе достигается путем аэрирования в течение 15 мин.

После перемешивания смесь активного ила и опоки из смесителя направляется в первичный вертикальный отстойник, в котором ил под действием сил тяжести в течение 30 мин оседает на дно. Осевший осадок перекачивается в илоуплотнитель, где обретает влажность 95.97 %.

Ил после илоуплотнителя, предварительно смешанный с флокулянтом, перекачивается в цех механического обезвоживания, на фильтр-пресс. В процессе обезвоживания влажность осадка снижается до « 65 %, а его качество удовлетворяет требованиям, предъявляемым к илам, используемым в качестве органоминерального удобрения на сельскохозяйственных угодиях, парковых и лесных территориях.

Активный ил после механического обезвоживания направляется на площадку биотер-мического обеззараживания для улучшения

санитарно-гигиенических показателей.

Как было отмечено ранее, основная часть тяжелых металлов десорбируется из активного ила и концентрируется в надиловой жидкости, в которой в качестве твердой составляющей входят опока и активный ил.

Для выделения взвеси надиловая жидкость, включающая большую часть ионов тяжелых металлов, перекачивается из первичного отстойника схемы обработки осадка во вторичный горизонтальный отстойник с тонкослойным модулем, где эффект задержания взвеси в течение 30 мин достигает 85.90 %.

Очищенная надиловая часть из отстойника отводится в контактный резервуар, станции для обеззараживания, например, хлором. После обеззараживания вода сбрасывается в водоем.

Образовавшийся после осветления на-диловой жидкости осадок для обезвоживания перекачивается на вакуум-фильтр.

Осадок влажностью 70.80 %, содержащий повышенную концентрацию тяжелых металлов, накапливается и вывозится на ботаническую площадку для его детоксикации.

Активный ил выполняет роль твердого субстрата, на который с началом вегетационного периода высаживается тростник, осуществляющий детоксикацию осадка.

Таблица 5

Эколого-экономические показатели биосорбционной технологии реабилитации активного ила

№ п/п Затраты Ед. изм. Величина показателей

1 Капитальные затраты тыс. руб. 801

2 Эксплуатационные затраты тыс. руб/год 8875,6

3 Чистый экономический эффект средозащитных мероприятий тыс. руб/год 162

4 Эколого-экономическая эффективность капитальных затрат - 3,3

5 Срок окупаемости капитальных затрат год 0,3

Предлагаемая технология и сооружения для кондиционирования избыточных активных илов, загрязненных ионами тяжелых металлов, не только экологична, но и экономически целесообразна (табл. 5). Она позволяет ре-

1. Воды России (состояние, использование, охрана) 1996-2000 гг. - Екатеринбург: РосНИИВХ, 2002. - 254 с.

2. Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод / С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. - М.: АСВ, 2004 - 704 с.

3. Тяжелые металлы в системе почва -растение - удобрение // Под общей ред. М.М. Ов-чаренко. - М.: Пролетарский светоч, 1997. - 290 с.

4. Трубникова Л.И. Утилизация избыточного активного ила предприятий нефтехимии /Л.И. Трубникова // Экология и промышленность России. - 2000, август. - 9-11 с.

5. Зыкова И.В. О возможности извлечения ионов тяжелых металлов из избыточного активного ила при нормальных температурах / И.В. Зыкова, Е.А. Алексеева, В.П. Панов //Журнал при-

Коротко об авторах__________________________________

Кириллов М.В., аспирант, Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС) kirillovmv.83@mail.ru

Научные интересы: проблемы загрязнения окружающей среды

Асонов А.М., д-р биол. наук, профессор кафедры «Инженерная защита окружающей среды», Уральский государственный университет путей сообщения

Служ. тел.: (343)245-33-96

Научные интересы: решение проблем загрязнения окружающей среды

шить проблемы загрязнения окружающей среды многотоннажными отходами станции очистки сточных вод городской канализации и может стать возобновляемым источником органоминеральных удобрений для сельского хозяйства.

__________________________________Литература

кладной химии. - 2000. - Т. 74. - Вып. 11. - 19011903 с.

6. Жуков Н.Н. Состояние и перспективы! развития сооружений по обработке водопроводных и канализационных осадков в городах России / Н.Н. Жуков // Водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - № 12. - Ч. 1, 3. - 6 с.

7, Исследование сорбционно-фильтровальных свойств материала ОМД-2Ф и эффективности его применения в схемах контактного фильтрования на многослойной загрузке с целью повышения технологической надежности и производительности очистных сооружений донских водопроводов: отчет о НИР (заключ.): / ЮРГТУ (НПИ) ПНИИВиВ ЮРГТУ (НПИ); рук. В.Н. Рычков; исполн.; Матерн А.И. - Новочеркасск, 2002. - 80 с.

______________________Briefly about the authors

M. Kirillov, Post-graduate student of the Department of the Engineering Protection of Environment of the Ural State University of Railway Transport

Areas of expertise: problems of environmental contamination

A. Asonov, Doctor of Biological Science, Professor. of the Department of the Engineering Protection of Environment of the Ural State University of Railway Transport

Areas of expertise: solution of environmental contamination problems