Введение к работе
Актуальность темы. Неблагоприятная экологическая ситуация во многих городах России заставляет обратить особое внимание на технологии уменьшающие вредное воздействие на окружающую среду. Наличие городских очистных сооружений позволяет существенно сократить массу загрязняющих веществ, сбрасываемых в водоемы. На Нижегородскую станцию аэрации поступает около 1 млн. м3 в сутки промышленных и хозяйственно-бытовых сметанных сточных вод. Сто'тые воды, поступающие на очистные предприятия, содержат весьма разнообразные по составу загрязнения минерального (песок, глинистые частицы, масла, кислоты, щелочи, соли, ионы тяжелых металлов (ИТМ) и т п.), органического (бытовые отходы, фекалии, растительные масла, нефтепродукты, волосы, волокна растений и т.п.) и бактериальногЪ (микроорганизмы, дрожжевые и плесневелые грибы, водоросли.И 1.11.) происхождения в виде растворов, коллоидов, плавающих и взвешенных веществ. Осадки сточных вод (ОСВ) - это суспензии, выделяемые из сточных вод в процессе их механической, биологической или физико-химической очистки. При этом в осадки переходят и все вышеперечисленные компоненты сточных вод.
Большие объемы осадков после очистных сооружений, наличие в них токсичных веществ и болезнетворных бактерий вызывает необходимость в специальной обработке и захоронении осадков сточных вод, с целью предотвращения неконтролируемых загрязнений окружающей среды Это требует больших материальных затрат и значительных земельных площадей для складирования осадка. Нижеюродская станция аэрации занимает только под такие поля аэрации свыше 155 га
С другой стороны осадки сточных вод содержат и целый ряд ценных компонентов как органического, так и неорганического происхождения Опыт показывает, что повторное вовлечение отходов очистных сооружений в промышленный и сельскохозяйственный оборот позволяет расширить сырьевую базу страны и на этой основе увеличить масштабы производства. Кроме того, утилизация отходов позволит частично заменить первичное сырье, эффективнее использовать природные богатства. Наличие органической составляющей в осадке (до 40%) делает возможным использование ОСВ в качестве удобрения в сельском хозяйстве (по удобрительной ценности осадок сравним с оріаническим удобрением). Применение ОСВ ограничивается значительным содержание ИТМ в них (табл.1). При выращивании сельскохозяйственных культур на почвах с добавлением ОСВ эти ионы металлов могут попасть в организм
Таблица 1 Содержание некоторых неорганических компонентов в городских
сточных водах и осадках сточных вод
Количе ство перешедших в ОСВ, мг/л
сточной воды
человека и вызвать различные осложнения. Норма внесения необработанных ОСВ Нижегородской станции аэрации по заключению Нижегородской станции химизации не превышает 3.5 тонны (абс.сух.вес) на гектар при условии использования I раз в 10 лет на одном и том же месте.
Это количество ОСВ не влияет на урожайность сельскохозяйственных культур, не восстанавливает плодородие почвы, существенные результаты можно ожидать только при внесении в почву не менее 20 т/га ежегодно. Для введения такого количества осадка необходимо разработать технологию обеззараживания их, включающую: выделение ионов тяжелых металлов (ИТМ) и уничтожение болезнетворных микроорганизмов. Большие объемы, бактериальная зараженность, наличие органических веществ, способных быстро загнивать с выделением неприятных запахов, а также неоднородность состава и свойств осадков осложняют их обработку и непосредственное использование в сельском хозяйстве.
Цель работы. Исходя из выше изложенного, в работе были поставлены следующие задачи:
1)Создание комплексной, экономически выгодной, экологически безопасной технологической схемы по обеззараживанию и утилизации ценных компонентов ОСВ Нижегородской станции аэрации, включающей:
- обеззараживание и очищение ОСВ от болезнетворных
микроорганизмов и бактерий,
- выделение метачлов как в чистом виде, так и в их соединениях
для повторного использования в народном хозяйстве.
2)Выбор методов извлечения ценных компонентов, обеспечивающих наибольшую степень очистки ОСВ и регенерацию растворов обработки ОСВ.
3)Из\чение механизма и кинетики отдельных стадии технологических процессов обезвреживания осадка и утилизации ценных компонентов ОСВ.
4)Создание математических моделей и оптимизация отдельных с і адий технологической схемы
Научная новизна работы. Предложена комплексная технологическая схема обезвреживания и утилизации ОСВ (защищена положительным решением о выдаче патента на изобретение по заявке № 961 13570/25 (019727) от 13 августа 1997 г., приоритет от 5 июля 1996 г.), которая позволила уменьшить загрязнение окружающей среды и сократить площади, занимаемые под загрязненные ОСВ, улучшить экологическую обстановку бассейна реки Волги.
Впервые определены физико-химические параметры ОСВ Нижегородской станции аэрации, определены качественный и количественный состав ионов металлов; количество нефтепродуктов; фракционный состав ОСВ и т.п.
Впервые изучены закономерности извлечения ионов металлов из ОСВ с одновременным его обеззараживанием от болезнетворных микроорганизмов сернокислотными растворами с оптимизацией режимов процесса выщелачивания.
Впервые дана сравнительная характеристика различных методов (ионообменные, химические и электрохимические) извлечения ионов металлов из сернокислых растворов обработки ОСВ с оптимизацией режимов отдельных процессов. Наиболее подробно изучен процесс электрохимического извлечения ионов меди из растворов обезвреживания ОСВ. Найдены: лимитирующая (диффузионная) стадия процесса; эквивалентная электрическая схема границы медный электрод-раствор обработки ОСВ.
Впервые изучены кинетические закономерности процесса обезмеживания растворов обработки ОСВ методом контактного обмена ионов меди с железной основой (процесс цементации), протекающего по электрохимическому механизму. Выбраны оптимальные режимы процесса.
Впервые применен метод электрофлотации извлечения ИТМ к растворам обработки ОСВ. Составлена математическая модель данного процесса и найдены оптимальные режимы его проведения.
Практическое значение работы. Разработанный технологический процесс извлечения ценных компонентов из ОСВ может быть применен на станциях биологической очистки сточных вод (станциях аэрации), очищающих совместно бытовые и промышленные сточные воды. Предварительный расчет экономической эффективности показал, что реализация ценных компонентов ОСВ и снижение платы за землепользование превысят основные и дополнительные затраты на проведение всего технологического процесса. Внедрение комплексной технологической схемы обезвреживания и утилизации ОСВ на примере Нижегородской станции аэрации позволит получить прибыль свыше 3 тыс. рублей при переработке 1 тонны осадка сточных вод (абсолютно сухой вес), или около 860 тыс. рублей в год (цены 1998 года)
На'защиту выносятся:
].Способ обезвреживания и утилизации осадка сточных вод (получено положительное решение о выдачи патента на изобретение по заявка № 96113570/25 (019727) от 13 августа 1997 г. (приоритет от 5 июля 1996 г.)) включающий в себя обработку ОСВ сернокислотным раствором и последующую нейтрализацию обработанного ОСВ аммиачным раствором.
2.Технологическая схема утилизации раствора обезвреживания ОСВ, включающая выделение гуминовых препаратов, медного порошка, гидроксидов тяжелых металлов.
3.Экспериментальные данные исследования физико-химических свойств ОСВ и растворов обработки ОСВ, кинетические закономерности изученных отдельных стадий предложенной технологической схемы.
4,Математические модели оптимизации и моделирования отдельных стадий обезвреживания и утилизации ценных компонентов ОСВ.
5.Сравнительный анализ отдельных методов извлечения ИТМ из растворов обработки осадков городских сточных вод.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на межгосударственной научно-технической конференции «Малоотходные и энергосберегающие технологии в системе водного хозяйства» (г. Пенза, 1995 г.), международных научно-практических конференциях: «Современные методы очистки сточных вод и утилизации осадков» (г. Пенза, 1996 г.), «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования» (г. Пенза, 1996 г.), «Проблемы охраны окружающей среды от промышленных, бытовых, биологических и медицинских отходов; осадков сточных вод» (г. Пенза, 1997 г.),
«Почва, отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля» (г. Пенза, 1998 г.);' «Анодная электрохимическая обработка металлов» (г. Иваново, 1997 г.); на Первой и Второй Нижегородских сессиях молодых ученых (г. Выкса, 1996 г., г. Дзержинск, 1997 г); научно-практическом семинаре «Экологические проблемы региона- в условиях конверсии» (г. Ковров, 1996 г.); на заседании НТС МосводоканалНИИпроекта (г. Москва, 1998 г).
Публикации. По результатам выполненных исследований на технологический процесс очистки ОСВ получено положительное решение о выдачи патента на изобретение по заявка № 96113570/25 (019727) от 13 августа 1997 г. (приоритет от 5 июля 1996 г.), опубликовано 12 рабо і
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, описания методик эксперимента, экспериментальной части, общих выводов, списка литературы (130 наименований), приложений; изложена на 148 страницах машинописного текста; содержит 22 таблицы, 26 рисунков.
