Введение к работе
Актуальность темы. Для минимизации отрицательного воздействия поллютантов (нефть, продукты ее переработки, тяжелые металлы и др.) на биосферные комплексы в России и за рубежом используются разнообразные методы очистки сточных вод (СВ). Большинство из них являются дорогостоящими и сложными в исполнении. Поэтому актуальными являются поиск и разработка методов, позволяющих извлекать экотоксиканты без дополнительной техногенной нагрузки на окружающую среду. Несомненный приоритет по эколого-экономической эффективности и рентабельности признается за методом фиторемедиации. По оценкам специалистов, экономические затраты на этот способ не превышают 20% от затрат в альтернативных технологиях. Один из механизмов поглощения растительной клеткой токсичных веществ основан на процессах, протекающих за счет создаваемой на клеточной мембране разности электрических потенциалов. Недостатками фиторемедиации, являются сезонность, длительность процесса и невысокая эффективность очистки. Поэтому работы, направленные на изучение процессов фиторемедиации являются весьма актуальными, имеют большое научное и практическое значение и позволят решить ряд фундаментальных задач в области экологии.
Вместе с тем метод фиторемедиации можно применять для очистки стоков с низкими концентрациями загрязняющих веществ. Для снижения высокотоксичных концентраций рекомендуется использовать эффективные адсорбционные методы очистки. Перспективные и экономически выгодные адсорбенты можно изготавливать из вторичного сырья, что позволит одновременно решить сразу две проблемы: очистку воды и утилизацию отходов. Однако применение исходных материалов в качестве адсорбентов малоэффективно и технически сложно, поэтому работы, направленные на создание новых, дешевых, обладающих высокой адсорбционной емкостью, материалов при модификации отходов весьма актуальны и имеют большое научное и практическое значение.
Цель настоящей работы заключалась в разработке методологии очистки сточных вод с применением фитосорбентов при их активации внешними физическими воздействиями, а также адсорбентов на основе модифицированных отходов агропромышленного комплекса (АПК) для минимизации негативного воздействия на гидросферу предприятий химического и нефтехимического профиля.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
провести мониторинг отходов предприятий Саратовской области с целью выявления основных поллютантов в поверхностных и сточных водах, состава и количества твердых отходов;
исследовать влияние внутренних (природы фитосорбента, концентрации и природы тяжелых металлов в составе сточных вод) и внешних (рН среды, силы магнитного поля (МП), воздействия инфракрасного (ИК), ультрафиолетового (УФ) и лазерного излучений (ЛИ)) факторов на эффективность очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (ИТМ) фитосорбентами;
определить адсорбционную способность исходных и модифицированных отходов АПК в процессах очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов (НП), при влиянии различных внешних факторов: рН среды, температуры раствора, напряженности магнитного поля;
провести оценку токсичности вод до и после их очистки сорбционными материалами, полученными при активации отходов АПК;
разработать рекомендации по утилизации отработанных фитосорбентов и сорбентов на основе АПК, дать эколого-экономическое обоснование очистки сточных вод разработанными сорбционными материалами.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
-
Установлено, что по истечении определенного времени процесса фито- ремедиации происходят процессы десорбции ионов тяжелых металлов из объема фитомассы обратно в раствор. Показано, что эффективность процесса очистки и скорость десорбционных процессов зависят от начальной концентрации ИТМ и токсичности катиона металла. Скорость извлечения ИТМ из загрязненных вод определяется природой фитосорбента и растет в ряду: криптокарина< лимнофила <ряска < эйхорния.
-
Изучено влияние полей различной природы на изменение мембранных потенциалов растительной клетки, определяющих избирательность и скорость процессов фиторемедиации ионов тяжелых металлов из загрязненных вод с помощью высших водных растений.
-
Определены сорбционная емкость ВВР, оптимальное время и сила воздействия различных внешних физических факторов на процессы извлечения ИТМ растениями с оценкой эффективности очистки сточных вод. Показано, что стимулирующий эффект уменьшается в ряду: лазерное излучение > магнитное поле, ультрафиолетовое излучение > магнитное поле + слабое электрическое поле > без физических воздействий > инфракрасное излучение.
-
Разработаны научные основы физико-химической активации отходов агропромышленного комплекса, и определены оптимальные условия (рН, температура раствора, время выдержки сорбента с раствором, магнитная обработка) проведения процесса очистки стоков адсорбентами, позволяющие минимизировать отрицательное воздействие нефтепродуктов и катионов металлов на гид- росферные комплексы.
-
В диссертационном исследовании по результатам анализа данных экологического мониторинга источников загрязнения окружающей среды показано, что основной вклад в загрязнение водных объектов Саратовской области вносят предприятия химической и нефтехимической отраслей. Выявлено, что основной вклад в состав сточных вод предприятий вносят нефтепродукты (в 2010 г. ~ 10 тонн) и тяжелые металлы (в 2010 г. ~ 18 тонн). Кроме того, показано, что ежегодно на территории области образуется более 3,6 млн. т твердых отходов; большую часть из них составляют отходы сельскохозяйственной, химической, текстильной и деревообрабатывающей отраслей промышленности, при этом около 90 % твердых и бытовых отходов депонируются на полигонах ТБО.
Практическая значимость работы заключается:
в установлении оптимальных условий дополнительной активации (вид физического воздействия: магнитное поле, лазерное, инфракрасное, ультрафиолетовое излучения и др., его сила и длительность) для фитосорбентов с целью достижения ими максимальной эффективности очистки загрязненных стоков от ионов тяжелых металлов;
в разработке эколого-технологических рекомендаций по изготовлению модифицированных адсорбционных материалов на основе отходов (терморасширенный графит (ТРГ), низкотемпературные соединения внедрения графита (НСВГ), полиакрилонитрильное волокно (ПАНВ), целлюлозо-, лигнинсодер- жащие отходы (ЦЛО)) для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов;
в выборе оптимальных режимов активации отходов (температура и время обработки, продолжительность вспенивания, состав и соотношение компонентов) и условий их использования для очистки сточных вод (рН и температура раствора, время сорбционного равновесия и параметры обработки в магнитном поле);
в разработке новых направлений по утилизации фитосорбентов и извлечению из них металлов электрохимическим способом; использовании отработанных адсорбентов на основе отходов АПК в качестве вторичного сырья для производства товаров народного потребления (добавка в керамику, в тротуарную плитку, в асфальтобетон и др.);
в расчете предотвращенного эколого — экономического ущерба водным ресурсам, загрязненным нефтепродуктами;
в апробации и испытании адсорбентов в промышленных условиях на предприятиях ОАО «Саратовский нефтеперерабатывающий завод» («СарНПЗ») (г. Саратов), ОАО «Арктика», ИП Вакуленко «Автомойка», ОАО «Хенкель-Рус» и фитосорбентов - в ФГНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» (г. Энгельс), ОАО «Саратовский район водных путей и судоходства» (г. Саратов) и на канализационно - очистных сооружениях МУП «Энгельс-Водоканал» (г. Энгельс) в процессах очистки поверхностных и сточных вод. Разработки внедрены в учебный процесс и используются в лекционных курсах по дисциплинам: «Экология», «Техника защиты окружающей среды», «Основы водоподготовки и водоочистки», «Экологизация технологий и безотходные производства», «Промышленная экология», при курсовом и дипломном проектировании в СГТУ.
Апробация работы. Основные научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 24 Международных, Всероссийских и региональных конгрессах, симпозиумах, конференциях и совещаниях, в том числе: Международные форумы - «17 the International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA - 2006» (Чехия, г. Прага, 2006), Межрегиональный конгресс «Чистая вода» (г.Пермь, 2009), «Композит-2007, 2010» (г. Саратов), «Татищевские чтения» (г. Тольятти, 2008, 2009, 2010, 2011), «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в строй- индустрии» (г. Белгород, 2007), «Эколого-правовые и экономические аспекты техногенной безопасности регионов» (Украина, г. Харьков, 2007, 2010), «Захист навколишнього середовища. Енергоощаднїсть» (Украина, г. Львов, 2009), «Экологические проблемы современности» (г. Майкоп, 2009), «Экологическая безопасность: проблемы и пути решения» (Украина, АР Крым, г. Алушта,
-
; Всероссийские конференции - «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (г. Саратов, 2005, 2007, 2009, 2011), «Экологические проблемы промышленных городов» (г. Саратов, 2005, 2007, 2009, 2011), «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (г.Оренбург,
-
, «Пятый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций» (г.Саратов, 2010), «Техносферная безопасность» (г. Саратов, 2011) и др.
Диссертационная работа выполнена в ЭТИ (филиале) СГТУ в соответствии с основными научными направлениями СГТУ, выполняемыми по заданию Министерства образования и науки РФ в рамках целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011); планами НИР СГТУ по направлениям: 08.В «Разработка новых высокоэффективных материалов, технологий и оборудования для пищевой, химической, машиностроительной и легкой промышленности» и 14 В. 03 «Разработка технологий, способов контроля, очистки и обеззараживания воды, почвы, переработки и утилизации техногенных образований и отходов в товары народного потребления»; при поддержке гранта РФФИ № 10-08-07021-д; в рамках конкурса «Проведение поисковых научно- исследовательских работ в целях развития общероссийской мобильности в области естественных и гуманитарных наук» (г. Белгород).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 105 работ, в том числе: 3 монографии (одна издана по гранту РФФИ № 10-08-07021-д), четыре учебных пособия (одно с грифом УМО РХТУ им. Д.И. Менделеева), 19 статей в журналах, рекомендованных ВАК Минобр. науки России для публикации материалов докторских диссертаций, 11 статей в иностранных изданиях; получены: 1 патент и 1 положительное решение о выдаче патента по заявке; на рассмотрении в Роспатенте находится заявка на изобретение. Основные публикации приведены в конце автореферата.
Личный вклад автора. В диссертации обобщены исследования за 20032011 гг., в которых автор принимал непосредственное участие. Личный вклад заключается в постановке целей и задач исследований, теоретическом и методическом обосновании путей их решения, обработки, обобщении и интерпретации полученных результатов. Основные положения разработаны лично автором. Соавторы не возражают против использования результатов исследований в материалах диссертации.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному консультанту д.х.н., профессору Л.Н. Ольшанской за участие в обсуждении полученных результатов, В.И. Полякову, Ю.М. Литвинову, В.В. Краснову за техническую помощь в организации эксперимента, а также всем сотрудникам кафедры «Экология и охрана окружающей среды» ЭТИ СГТУ.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 303 страницах, содержит 70 таблиц, 129 рисунков, 402 литературных источника и 29 приложений.
Похожие диссертации на Методология очистки сточных вод химических и нефтехимических отраслей промышленности фитосорбентами и модифицированными отходами агропромышленного комплекса
-
