Применение цеолитовой загрузки в фильтровальном оборудовании при очистке сточных и загрязненных природных вод для орошения и обводнения территорий

Размещено на http://allbest.ru

ПРИМЕНЕНИЕ ЦЕОЛИТОВОЙ ЗАГРУЗКИ В ФИЛЬТРОВАЛЬНОМ ОБОРУДОВАНИИ ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ И ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПРИРОДНЫХ ВОД ДЛЯ ОРОШЕНИЯ И ОБВОДНЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ

В.С. Бочарников, М.А. Денисова,

О.В. Козинская, О. В. Бочарникова

Аннотация. Рассмотрена очистка сточных вод с использованием природного сорбента в качестве фильтрующей загрузки. Проведен подбор оптимального фракционного состава, при котором определены эффективные адсорбционные свойства в отношении химических примесей.

Актуальность. На данный момент воды являются ограниченным, но возобновляемым природным ресурсом. Усложняют проблемы обеспечения водой рост городов, развитие промышленности, увеличение сельского хозяйства и другие факторы, ведь сточные воды -- это неотделимая часть жизни общества. Самым губительным в сточных водах являются аммонийный азот, тяжелые металлы, поверхностно активные вещества, избыток области насыщенности которых равносильно присутствию яда, разрушительного для всего живого. С целью эффективности очистки сточных вод предлагается использовать сорбционные фильтры, у которых в качестве сорбента применяются недорогостоящие природные мелиоранты. Использование таких сорбентов позволит уменьшить экономическую нагрузку и энергетические затраты на процесс очистки сточных вод в производственных масштабах. Объект. Объектом исследования являются производственные сточные воды. Материалы и методы. Проводились лабораторно-экспериментальные исследования на примере природного цеолита по подбору оптимальной фракции и его поглотительных свойства относительно химическим примесям в исходной сточной воде. Результаты и выводы. По результатам исследований по подбору оптимального фракционного состава и свойств поглощения цеолитом химических примесей показал, что при использовании фракций цеолитовых опок 0,5 мм концентрация примесей снизилась всего на 10-15 %, при 1,5 мм процесс сорбции остановился, поглощение не происходило, а при 1,0 мм наблюдалось удаление химических примесей более чем на 100 %.

Ключевые слова: сточные воды, фильтрующая загрузка, цеолитовая опока, сорбционные фильтры.

Введение

Вопрос взаимоотношений человечества с окружающей средой присутствует ежегодно. Быстрое освоение в прошлом заповедных районов из-за развития промышленности в ряде случаев наносят природе непоправимый ущерб, а сброс сточных вод и вовсе ведет к загрязнению естественных водоемов [1, 2]. Конечно же, поверхностные воды суши подвергаются наибольшему антропогенному воздействию [5].

Крайне отрицательно воздействует на ресурсы воды промышленное производство. В настоящее время извлечение и нейтрализация примесей в сточных водах является неотъемлемым этапом в экологии [12]. Различные разработанные технологические процессы очистки сточных вод были изучены российскими и зарубежными учеными, которые направлены на удаление вредных веществ, базирующихся на биохимические и физико-химические процессы. При увеличении вредности сточных вод различного типа вынос органических веществ приводит к ухудшению природного равновесия водного объекта [3, 13].

Для применения поверхностных, подземных и сточных вод необходимо учитывать их различия по химическому и физическому составу. Физико-химические свойства сточных вод существенно отличаются от вод естественных. В сточных водах преобладает различная органика, тяжелые металлы, поверхностно активные вещества, которые находятся в растворимом виде [7, 9]. Химический состав основных видов сточных вод свидетельствуют о широком варьировании агрохимических показателей их качества [4, 6].

В определенных стоках промышленных предприятий имеются повышенные концентрации веществ, находящихся в состоянии коллоидного раствора, в виде тонко взвешенной, или эмульгированной фазы [8]. Главной проблемой всех действующих очистных сооружений является медленная подача потока сточной воды на очистку, причиной которого служит низкое качество распределение притока и сброса [10, 11].

Таким образом, с целью использования сточных вод для сброса на городские очистные сооружения, водоемы и повторного использования нами разработана технология механической очистки с применением природных мелиорантов.

Материалы и методы. Целью исследования является возможность применения недорогостоящих природных мелиорантов в качестве фильтрующей загрузки. Провести лабораторно-экспериментальные исследования на примере природного цеолита и определить его поглотительные свойства относительно химическим примесям в исходной сточной воде. Замена производственных дисковых фильтров на сорбционные с загрузкой из цеолита позволит улучшить качество фильтрации и эффективность очистки сточных вод.

Сорбционный фильтрующий наполнитель в виде цеолита обширно используется в бытовых фильтрах для получения питьевой воды. Является самым эффективным аналогом кварцевым пескам. Свойство гранул цеолитов заключается в структуре их пористости. Как катионообменный минерал, засыпка цеолит обладает высокими сорбционными свойствами.

Цеолит для фильтра водоочистки как загрузка обладает исключительной термо- и кислотоустойчивостью. Гранулы цеолита, подобно губке, вбирают в себя целый ряд различных загрязнений. Помимо этого, цеолит для очистки воды делает ниже концентрацию хлорид-ионов, фторид-ионов, смягчает воду и удаляет соли жесткости. Цеолиты используются не только в целях водоочистки, их область применения довольно широка. Цеолиты обладает способностью отдавать и впитывать не только воду, но и вещества, а также обменивать катионы. Строение минерала обладает определенным размером пор 2-15 ангстрем, и это не позволяет вступать в ионный обмен с полезными веществами - витаминами, аминокислотами, белками, полиненасыщенными жирными кислотами (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структура цеолитовой опоки

Взаимодействие обмена происходит только с небольшими ионами микро- и макроэлементов, а также соединений (сероводород, метан, тяжелые металлы, радионуклиды). В этом он и отличается от других сорбентов. Отсюда и название - «камень жизни».

Перед проведением исследований был проведен химический анализ исходной воды, который приведен на диаграмме (рисунок 2).

Рисунок 2 - Диаграмма примесей в сточных водах

При проведении исследования по химическому ставу исходных сточных вод показали, что все примеси превышают ПДК, поэтому рассмотрим технологическую схему производственной механической очистки с использованием дисковых фильтров, по результатам которой получим данные очистки сточных вод (рисунок 3).

Рисунок 3 - Технологическая схема механической очитки сточных вод

Исследуемые стоки сначала поступают в приемный, подземный резервуар и самотеком перетекают через верхний перелив в приемный резервуар. Таким образом, оседает основная масса крупного мусора, по мере накопления которого его утилизируют. Также по мере накопления утилизируют осадок.

В резервуарах смонтированы системы мелкопузырчатой аэрации, датчики уровня. Воздухообмен происходит от воздуходувок, которые периодически выключаются на заданный период, также при снижении уровня в резервуарах менее 0,4 м воздуходувка выключается.

В приемном резервуаре смонтированы несколько каловых насосных машин с распределяющим механизмом. Агрегаты перекачивают сточную воду на сито. Насосы переключаются в резерв при выработке определенного количества часов. В работе всегда 2 насоса.

Технологическое оборудование узла механической очистки расположено в отделенном, герметичном отсеке. В другой части смонтировано технологическое оборудование узла доочистки сточных вод.

По нагнетательному трубопроводу насосные агрегаты распределяют исходные стоки в приемную камеру барабанного сита. Барабанные сита имеют отверстия диаметром 0,75 миллиметров. При помощи лопатки мусор диаметром больше 0,75 миллиметров срезается в полимерный сборник. Сито имеет трубопровод переходный, на котором находится датчик уровня. Для сбора мусора используют полимерный мешок максимальным объемом 240 литров, который вставляется в сборник и по мере его заполнения выбрасывают и вставляют новый.

Барабанные сита принимают сточные воды расходом 32 м³/час. При помощи сверхзвукового расходомера производят контроль за показаниями на дисплее при расходе сточных вод, которые регулируются затвором.

Таблица 1 - Спецификация технологической схемы

Если не происходит поступление стоков на барабанное сито, то происходит автоматическое выключение через пару минут и включается насосный агрегат для промывки также на пару минут.

В полимерном сборнике вместимость 200 литров устанавливается водопогружной насос. Когда уровень воды в сборнике становится минимальным, то срабатывает сигнализация и насос автоматически отключается при помощи поплавкового выключателя. Кран на трубопроводе заполнения чистой водой закрывается, если уровень воды превышает 950 миллиметров.

На промывку барабанного сита подают воду с максимальным расходом 1,7 м³/час при этом давление составляет 4 Бар. Контроль расхода стоков производят по ротаметру, при этом регулирование выполняют задвижками. На трубопроводе установлен манометр, при помощи которого проводят контроль за давлением промывочной воды.

Осветленная сточная вода из сита стекает в сборник объемом 2100 л с датчиком уровня воды. В этом сборнике смонтированы дренажные насосы, которые перекачивают сточные воды в усреднители. Равномерный расход сточных вод по усреднителям контролируется через смотровые вставки и регулируется кранами.

Через определенные промежутки времени происходит переключение насосов, при нижнем уровне насосы включаются/выключаются от сигнала поплавковых выключателей насосов.

В нашей схеме 4 подземных усреднителя. Каждый усреднитель состоит из двух стальных резервуаров объемом по 73 м³ каждый, соединенных между собой нижним стальным перетоком.

Осветлённая сточная вода из сита стекает в сборник объёмом 2100 л с датчиком уровня. В этом сборнике смонтированы дренажные насосы, которые перекачивают сточные воды в усреднители. Равномерный расход сточных вод по усреднителям контролируется через смотровые вставки и регулируется кранами.

Сточные воды насосами перекачиваются в сборник объёмом 16 м3, который имеет люк с лестницей, воздухоотводчик и уровнемер трубку. В сборнике смонтировано 4 мембранных дисковых мелкопузырчатых аэратора.

Насосы, подают воду на сорбционные фильтры и далее в УФС (ультрафиолетовый стерилизатор). Насосы имеют плавный пуск, выключаются при росте давления на напоре более 3,7 Бар, а включаются при снижении давления-менее 2 Бар.

Таблица 2 - Результаты производственной очистки сточных вод
с использованием дисковых фильтров

Продолжительность промывки фильтра составляет 22 секунды. Регулятор промывной воды для фильтра подает сигнал на главный контроллер для работы насоса, если насос стоит. Контроль за расходом осуществляется по показаниям на дисплее расходомера. Промывная вода сбрасывается в мешочный фильтр, далее насос перекачивает осветлённую воду из фильтра в приёмную подземную емкость.

Под конец процесса очистки сточных вод выполняется обеззараживание в ультрафиолетовом автоклаве. Из пробоотборника выполняется отбор очищенной воды для химического анализа на остаточную концентрацию вредных веществ (таблица 2).

Видно, что производственный процесс очистки сточных вод с использованием дисковых фильтров, показал, недостаточно качественную очистку стоков при этом есть необходимость проведения дополнительной доочистки, что приведет к лишним материальным и энергетическим затратам.

Результаты и обсуждение. Эффективность работы фильтрующей загрузки во многом зависит от правильно подобранного размера гранул мелиоранта, устойчивости в агрессивной среде и сорбционных свойств. Исследования сорбционного поглощения и подбор фракционного состава цеолитовых опок представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты оптимального подбора фракции цеолита
для сорбирования химических примесей

По результатам исследований по подбору оптимального фракционного состава и свойств поглощения цеолитом химических примесей показал, что при использовании фракции цеолитовой опоки один миллиметр удаление химических примесей составило более 100 %.

Удобрения являются одним из ведущих факторов увеличения продуктивности сельхозпродукции, снижения ее себестоимости. Использование сточных вод и их осадка при дождевании в качестве удобрения обеспечит потребность растений в питательных веществах, активизирует течение биохимических и физиологических процессов, как следствие приведет к увеличению урожая. Создаваемая сегодня новая дождевальная техника позволяет использовать стационарные установки для внесения минеральных удобрений с поливной водой. В связи с этим нами предлагается использование очищенных таким образом сточных вод на орошаемых севооборотных массивах при помощи дождевальных машин.

Выводы

В целом, можно сказать, что, исходя из данных производственной механической очистки сточных вод, виден результат не особо качественного очищения исходной воды при использовании дисковых фильтров, за счет чего требуется дополнительная доочистка. По результатам экспериментальных данных, проведенных с подбором оптимального фракционного состава цеолитовых опок и их адсорбционных свойств были получены данные, что качественная очистка, происходит при использовании цеолита фракцией 1,0 мм при этом все присутствующие химические примеси были удалены более 100%. Реализация перечисленных мероприятий позволит полностью утилизировать осадок очистных сооружений предприятий в качестве удобрения, что говорит о больших возможностях использовать данный способ очистки в сельском хозяйстве. Совместное использование дождевальных машин для орошения чистой водой и внесение как минерального удобрения осадка сточных вод позволит более плотно загрузить дождевальные установки, сократить затраты на минеральные удобрения, что приведет к снижению себестоимости сельскохозяйственной продукции.

очистка сточные воды природный сорбент фильтрующий

Библиографический список

1. Денисова М. А., Бочарников В. С. Каскадный способ фильтрования сточных вод с использованием ферритовых реагентов // Мелиорация и водное хозяйство. 2019. № 4. С. 20-23.

2. Изучение режимов осаждения загрузки с помощью гидравлической установки / В. С. Бочарников, О. В. Козинская, М. А. Денисова, О. В. Бочарникова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2020. № 1 (57). С. 260-267.

3. Apollo S., Kabuba J. Zeolite for Treatment of Distillery Wastewater in Fluidized Bed Systems // Environmental Footprints and Eco-Design of Products and Processes. 2022. P. 117-130.

4. Bocharnikova O. V., Denisova M. A., Bocharnikov V. S. Technology of preparation of natural waters for irrigation // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Сер. "International Symposium "Earth Sciences: History, Contemporary Issues and Prospects". 2020. P. 012033.

5. Development of methods for estimating the environmental risk of degradation of the surface water state / O. Rybalova, S. Artemiev, M. Sarapina, B. Tsymbal, A. Bakhareva, O. Shestopalov, O Filenko // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. No 2 (10-92). P. 4-17.

6. Effect of the structure of artificial rain on the soil / V. S. Bocharnikov, O. V. Kozinskaya, M. A. Denisova, O. V. Bocharnikova, T. V. Repenko, E. V. Pustovalov // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. AgroINNOVATION: Innovative Solutions in the Agro-Industrial Complex, AgroINNOVATION 2021. 2022. P. 012008.

7. Integrated approach to neutralization of wastewater containing copper ions and EDTA ligand News of higher education institutions / V. A. Kolesnikov, A. V. Nistratov, O. Y. Kolesnikova, G. I. Kandelaki // Chemistry and chemical engineering series. 2019. № 2 (62). P. 108-114.

8. Kazeminejadfard F., Hojjati M. R. Preparation of superabsorbent composite based on acrylic acid-hydroxypropyldistarch phosphate and clinoptilolite for agricultural applications // J. of Applied Polymer Science. 2019. No 136 (16). P. 4736.

9. Matsak A., Tsytlishvili K. Using different filter media of stormwater treatment performance // Norwegian Journal of development of the International Science. 2018. V. 1 (20). P. 19-22.

10. Research of the treatment of depleted nickel-plating electrolytes by the ferritization method / G. Kochetov, T. Prikhna, O. Kovalchuk, D. Samchenko // Eastern-European J. of Enterprise Technologies. 2018. № 3. P. 52-60..

11. Shale gas wastewater geochemistry and impact on the quality of surface water in Sichuan Basin / Y. Ni, L. Yao, J. Sui, G. Zhu, A. Vengosh // Science of the Total Environment. 2022. V. 851. 158371.

12. Sirirat Jangkorna, SujittraYoungme, Pornsawai Praipipat Comparative lead adsorptions in synthetic wastewater by synthesized zeolite A of recycled industrial wastes from sugar factory and power plant // Heliyon. 2022. V. 8. I. 4. e09323.

13. Yurchenko I. F. Development of innovative management systems for agricultural production on reclamed lands Business // Education. right. 2020. № 1 (50). P. 42-49.

Размещено на Allbest.ru