Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса обезвреживания и утилизации осадков городских сточных вод (ОГСВ)
1.1. Характеристика осадков, образующихся в процессе функционирования станций аэрации городов 8
1.1.1. Принципы формирования осадков сточных вод 8
1.1.2. Состав и свойства осадков сточных вод 17
1.1.3. Основные направления утилизация осадков сточных вод 25
1.2. Существующие методы обезвреживания осадков сточных вод. Их сравнительная характеристика 30
1.2.1. Обеззараживание и дегельминтизация ОГСВ 30
1.2.1.1 Термические методы 31
1.2.1.2 Реагентные методы 40
1.2.1.3 Биохимические методы 45
1.2.2. Детоксикация осадков сточных вод 47
1.3. Выводы к литературному обзору 49
Глава 2. Характеристика применяемых реагентов и методы исследований
2.1. Обоснование выбора метода обезвреживания и утилизации осадков сточных вод 50
2.1.1. Обеззараживание и дегельминтизация осадков 50
2.1.2. Детоксикация ионов тяжелых металлов 63
2.2. Методы подготовки проб ОГСВ к обработке 71
2.3. Методы исследования физико-химических и бактериологических свойств осадков сточных вод очистных сооружений 73
2.3.1. Физико-химические методы исследований 73
2.3.2. Исследование токсикологических и санитарно-гигиенических характеристик осадков 75
2.4. Методика обеззараживания и детоксикации осадков сточных вод 76
2.6. Статистическая обработка результатов и планирование эксперимента с использованием ЭВМ 77
Глава 3. Экспериментальная часть. исследование процессов обработки осадков и свойств обезвреженных осадков
3.1. Исследование процессов дезактивации патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов в осадках сточных вод 79
3.2. Исследование процессов детоксикации тяжелых металлов в осадках сточных вод 93
3.2.1. Определение эффективности детоксикации на модельных растворах солей тяжелых металлов и вытяжке из ОСВ 101
3.2.2. Детоксикация осадков сточных вод 107
3.4. Исследование физико-химических параметров осадков после обработки 115
3.4.1. Исследование изменения удельного сопротивления осадков фильтрованию 115
3.4.2. Исследование агрохимических, санитарно-гигиенических и токсикологических параметров обезвреженного осадка 119
3.4.2.1. Исследование воздействия осадка на сельхозкультуры 120
3.4.2.2. Исследование токсичности осадка методами биотестирования 129
Выводы по экспериментальной части 135
Глава 4. Внедрение результатов исследований
4.1. Разработка технологического регламента и технических условий на проектирование систем обезвреживания осадков городских сточных вод 137
4.1 1. Общие положения. Исходные данные 137
4.1.2. Порядок введения реагента в осадок 142
4.1.3. Производство органо-минеральной почвоулучшающей добавки 143
4.2. Описание технологического проекта установки обезвреживания осадков сточных вод Нижегородской станции аэрации 147
Выводы 150
Список литературы 152
Приложения 161
- Существующие методы обезвреживания осадков сточных вод. Их сравнительная характеристика
- Методы исследования физико-химических и бактериологических свойств осадков сточных вод очистных сооружений
- Исследование процессов детоксикации тяжелых металлов в осадках сточных вод
- Производство органо-минеральной почвоулучшающей добавки
Введение к работе
В процессе функционирования станций биологической очистки городов России образуется более 90 млн. м3 в год (2,7-4,5 млн. т по сухому веществу) влажных, плохо обезвоживаемых осадков. Осадки городских сточных вод (ОГСВ) содержат в своем составе токсичные вещества (соли тяжелых металлов, токсичную органику и др.) и различные виды представителей микрофлоры, в том числе патогенные. Таким образом, осадок городских станций аэрации представляется опасным в санитарно-гигиеническом и экологическом отношении отходом, требующим специальной обработки или захоронения, с целью предотвращения неконтролируемых загрязнений окружающей среды.
Основная масса осадков, выделяемых в процессе очистки, направляется на обезвоживание, длительное хранение на иловые поля, шламонакопители, полигоны, отвалы и т.д. При обезвоживании и хранении осадка фильтрат поступает в поверхностные и подземные источники, осадок распространяется на большие расстояния с помощью животных (птицы, грызуны), под иловые площадки отчуждаются значительные площади земли. Так на Нижегородской станции аэрации площадь иловых площадок составляет более 150 га, и эта площадь ежегодно увеличивается.
Вместе с тем, ОГСВ содержат целый ряд ценных компонентов как органического, так и неорганического происхождения. Твердая фаза осадков включает значительное количество органических веществ (более 50%). Комплексное содержание азота, фосфора и калия определяет целесообразность утилизации осадков в качестве удобрения. Удобрительная ценность осадка сравнима с навозом или перегноем, при внесении осадка в грунт в качестве удобрения значительно увеличивается урожайность сельхозкультур. 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 позволяет частично заменить первичное сырье, эффективнее использовать природные богатства.
Наиболее целесообразным представляется использование ОГСВ в качестве - -удобрения в сельском и городском хозяйстве, в зеленом строительстве и при рекультивации нарушенных земель, свалок и т.п. Однако токсичность и неблагоприятные санитарно-гигиенические показатели осадков не допускают такое направление его использования. Применяемые в настоящее время методы обезвреживания осадка, как правило, не обеспечивают требуемой степени детоксикации и обеззараживания и требуют высоких затрат.
В связи с этим разработка эффективных рациональных технологий обезвреживания осадков, позволяющих исключить их экологическую и санитарно-гигиеническую опасность и одновременно сохранить их ценные агрохимические свойства, является актуальной проблемой. Создание таких технологий возможно на основе использования в качестве реагентов универсальных аминокислотных композиций, получаемых из белоксодержащих отходов.
Научно-исследовательские работы проводились в рамках инновационного проекта «Технология и оборудование для реагентной детоксикации и обеззараживания осадков и илов промышленных и муниципальных очистных сооружений» по заказу Министерства науки и промышленных технологий.
Автор выражает искреннюю благодарность за научную, практическую и консультативную помощь проф. В.В.Найденко, Л.Н.Губанову, А.Я.Фридману, Е.В.Шемякиной, Ф.И.Хакимову, В.Н.Новосельцеву, Б.К.Нефедову, к.т.н. В.С.Полякову, С.М.Севастьянову, инженеру А.Е.Антонову и другим.
Целью диссертационной работы являлось исследование, разработка и внедрение технологии обезвреживания (антибактериальной обработки, дегельминтизации и детоксикации) и утилизации осадков городских сточных вод путем их обработки аминокислотными композициями, получаемыми из белоксодержащих отходов выделки меха и кожи, мясо-, птице-, рыбопереработки и т.п.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
- проведение анализа и систематизация теоретических, экспериментальных и производственных данных по переработке и утилизации ОГСВ;
- изучение состава и свойства ОГСВ, образующихся на станциях аэрации на различных стадиях формирования;
- обоснование возможности и целесообразности обезвреживания ОГСВ реагентами на аминокислотной основе;
- изучение параметров процессов обеззараживания и детоксикации ОГСВ аминокислотными реагентами;
-исследование санитарно-гигиенических, токсикологических и агрохимических свойств обезвреженных аминокислотными реагентами ОГСВ;
-разработка технологического регламента на проектирование систем обеззараживания и детоксикации осадков городских сточных вод; выполнение проекта установки по обработке ОГСВ станции аэрации Г.Н.Новгорода.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность и целесообразность решения важной эколого-экономической проблемы -утилизации экологически опасных осадков городских сточных вод путем их переработки в почвоулучшающую добавку;
- разработана принципиально новая экологически безопасная технология детоксикации и обеззараживания осадков городских сточных вод аминокислотными композициями, обеспечивающая возможность использования обработанных осадков в качестве почвоулучшающей органоминеральной добавки;
-изучены параметры процессов обеззараживания, дегельминтизации и детоксикации ОГСВ;
- получены зависимости эффективности процессов обезвреживания от влажности осадков, температуры процесса и других факторов;
- осуществлено многофакторное планирование эксперимента по обеззараживанию ОГСВ; получена математическая модель процесса;
-разработана методика последовательного дозирования аминокислотных реагентов в осадок с целью обеззараживания и детоксикации ОГСВ;
- изучены санитарно-гигиенические, токсикологические и агрохимические свойства ОГСВ, обработанных реагентами на аминокислотной основе;
-разработаны обобщенные рекомендации по обезвреживанию различных видов осадков городских сточных вод;
- по материалам диссертационной работы подготовлена заявка на получение патента на способ обезвреживания ОГСВ.
В результате проведенных исследований установлена целесообразность обезвреживания ОГСВ реагентами на аминокислотной основе. Разработанная технология позволяет перерабатывать ОГСВ в органоминеральную композицию, позволяющую использовать её в качестве почвоулучшающей добавки в сельском и городском хозяйстве, зеленом строительстве и при рекультивации нарушенных земель, свалок и т.п. Данная технология может быть использована проектными организациями, службами Госкомэкологии, обслуживающим персоналом очистных сооружений.
Вовлечение обработанного осадка в сельское хозяйство позволит сохранить плодородие земель, повысить урожайность сельхозкультур, увеличить масштабы производства и вместе с тем обеспечит возможность вывода из нерациональной эксплуатации больших площадей, занимаемых иловыми картами.
Разработан технологический регламент на проектирование систем обезвреживания осадков, который может быть применим практически для любых очистных сооружений. Разработан проект установки обезвреживания ОГСВ Г.Н.Новгорода реагентами на аминокислотной основе.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке проектов установок для обезвреживания ОГСВ станции биологической очистки сточных вод г. Нижнего Новгорода, г. Сергача и переданы для практического использования в Министерство науки и промышленных технологий РФ; ОАО «Нижегородский Сантехпроект», МУЛ «Нижегородский Водоканал», СЭС Нижегородской обл. и Горзеленхоз г.Н.Новгорода.
Результаты работы были доложены и получили положительную оценку на Всероссийской научно-практической конференции: «Комплексное использование водных ресурсов регионов», г.Пенза, 2002; на целевом профессионально-ориентированном семинаре по проблемам реализации новых конкурентно-способных отечественных технологий «Очистка, переработка и утилизация осадков и илов станций биологической очистки сточных вод», г. Н.Новгород, 2002; на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов "Архитектура и строительство" в ННГАСУ в 2002 г.; на Международном форуме «Великие реки 2003», Н.Новгород, 2003. В ходе работы над диссертацией автор получал именную научную стипендию им. академика Г.А. Разуваева. Автор выносит на защиту:
- способ улучшения экологической обстановки за счет рационального использования вторичного ресурса - осадка сточных вод - с получением на его основе высокоэффективной органоминеральной почвоулучшающей добавки;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований по обезвреживанию ОГСВ;
- методику обезвреживания осадков городских сточных вод реагентами на аминокислотной основе (ММЭ-Т и АК-ЗЭ);
-технологию производства органоминеральной почвоулучшающей добавки на основе осадков сточных вод;
-результаты исследований основных санитарно-токсикологических и агрохимических свойств ОГСВ до и после обезвреживания;
- графо-аналитические зависимости, описывающие процессы обеззараживания и детоксикации ОГСВ.
По материалам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 7 статей, 5 материалов в виде тезисов докладов, отчет о научно-исследовательской работе. Подана заявка на получение патента РФ.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа имеет общий объем 160 страниц машинописного текста, содержит 31 таблицу, 39 рисунков, библиографический список из 140 наименований и 4 приложения.
Существующие методы обезвреживания осадков сточных вод. Их сравнительная характеристика
Яйца гельминтов погибают в процессе нагревания: при температуре более 50 С в течение 2 ч, при 60С а течение нескольких минут, а при 70С в течение нескольких секунд. При сбраживании значительная часть патогенной микрофлоры остается активной. Некоторыми исследователями установлено, что осадок, сбраживающийся 4 недели, был заражен сальмонеллами в 2 раза больше, чем сырой осадок [20, 52, 85].
Исследования, проведенные на ряде станций США показали, что при нагревании до температуры 52-5бС в течение 1-5 мин погибают многие патогенные микроорганизмы, до 60С в течение 15-20 мин - бактерии группы Coliform, а до 62-71 С в течение 1-30 мин - вирусы.
Практически полное обезвреживание осадков происходит при их нагревании до 70С. По мнению Родигера весь сброженный осадок должен подвергаться прогреванию, независимо от того, как он будет дальше обрабатываться. Аппараты для термической обработки должны обеспечивать прогрев всей массы осадка до температуры не менее 60С. Обработка осадков при более высоких температурах позволяет уничтожить в осадках не только яйца гельминтов и патогенные микроорганизмы, но и вирусы. [52, 85, 121]
В связи с тем, что объем жидких осадков в несколько раз больше объема механически обезвоженных, их прогревание до указанной температуры требует значительно большего расхода тепла, однако в ряде случаев обработка жидких осадков нагреванием получает практическое применение. Это в первую очередь относится к тепловой обработке осадков.
Для обеззараживания и одновременной сушки активного ила могут применяться распылительные сушилки и сушилки-грануляторы, каталитические генераторы тепла с мягким режимом сушки, предотвращающим спекание органических веществ.
Перед сбраживанием в мезофильных условиях для обеззараживания осадков в некоторых случаях могут применятся одно-, двух- и многоступенчатые теплообменники для нагревания осадка до 60С и последующего его охлаждения перед поступлением в метантенки до 35С. [65]
Нагревание жидких осадков до 60С, помимо теплообменников, может осуществляться в сооружениях типа метантенков, в установках с применением -погружных горелок, нагревателей со встречными струями, в пастеризаторах и другими методами. При наличии паровых котлов низкого давления пар для нагревания осадка может подаваться во всасывающий трубопровод насосов. При этом наряду с обеззараживанием достигается улучшение водоотдающей способности смеси вследствие снижения вязкости жидкой фазы [85].
Сущность низкотемпературного (ниже 100 С) нагревания погружными газовыми горелками заключается в том, что продукты сгорания газа в горелках пропускаются через осадок. В отношении передачи теплоты этот способ является идеальным. Продукты горения, выходящие без остатка в нагреваемую среду и раздробленные на мельчайшие пузырьки с большой площадью поверхности, почти мгновенно (в интервале времени истечения) охлаждаются до температуры, которая на 2-3С выше температуры нагреваемой среды. При этом обеспечивается интенсивная передача теплоты, которая практически полностью усваивается. Недостатком указанного способа является необходимость питания горелки газом и воздухом среднего давления из-за значительного сопротивления столба нагреваемой среды [20, 85].
За рубежом применяется метод нагревания осадков в теплообменниках и реакторах, называемый методом пастеризации. Выпускаются спиральные теплообменники, предназначенные для непрерывной пастеризации осадков. Установка, включающая насос-дозатор и два последовательных теплообменника, может обрабатывать 12—15 м /ч осадка влажностью 95—97% с выдержкой при 80 в течение 5 мин. Применяются также установки периодического действия. Расход пара давлением 0,15 МПа составляет 47 кг/м3 осадка [15, 18, 52].
Во многих случаях целесообразнее и экономически эффективнее осуществлять обеззараживание осадков после их обезвоживания. Термическая сушка предназначается для обеззараживания и снижения массы и объема осадков сточных вод, предварительно обезвоженных на вакуум-фильтрах, фильтр-прессах или центрифугах. Осадок после термической сушки представляет собой незагнивающий, свободный от гельминтов и патогенных микроорганизмов сыпучий материал влажностью 20-50%. Высушенные осадки в отличие от исходных не обладают адгезией к металлам и другим материалам и не слипаются, в результате чего значительно облегчается их транспортирование и утилизация. [18,20]
При удалении из осадков части влаги механическим путем резко сокращается масса материала, подлежащего сушке, благодаря чему уменьшается потребность в производственных площадях сушильных цехов, расходы топлива и т.д. Однако обезвоженные осадки, как правило, представляют собой адгезионные пастообразные материалы, поэтому их сушка сопряжена с рядом технических трудностей, вызываемых сложностью подачи материала в сушилку, налипанием его на металлические поверхности сушилки и питателя, слипаемостью частиц между собой в процессе сушки.
Термическая сушка осадков производится на сушильных установках, состоящих из сушильного аппарата (сушилки) и вспомогательного оборудования, к которому относятся топки, подогреватели-теплообменники, питатели, циклоны, скрубберы, дутьевые устройства, а также конвейеры и бункеры.
Среди способов сушки преобладает конвективный способ, при котором необходимая для испарения тепловая энергия непосредственно передается осадку теплоносителем - сушильным агентом. В качестве сушильного агента могут использоваться топочные газы, перегретый пар или горячий воздух. В практике термической сушки осадков сточных вод наибольшее распространение получил способ сушки топочными газами. [85]
Жидкофазное окисление (метод Циммермана) заключается в окислении кислородом воздуха органических и элементоорганических веществ при температуре 150-3 5 0С и давлении 2-30 МПа. При низкой концентрации подвергаемых окислению веществ ( 3%) тепловыделения недостаточно для покрытия потребностей установок сжигания в тепловой и механической энергии. При высокой концентрации окисляющихся примесей ( 10%), когда теплота сгорания осадка приближается к энтальпии сухого насыщенного пара, существует возможность полного испарения жидкой фазы.
В зависимости от параметров процесса (температуры, давления, концентрации окисляемого вещества, количества окислителя и др.) загрязнения окисляются либо до органических кислот и других промежуточных продуктов, либо полностью ДО СС 2, НгО, N. Элементоорганические вещества в щелочной среде окисляются с образованием водных растворов солей хлора, брома, фосфора, оксидов металлов и др.
Методы исследования физико-химических и бактериологических свойств осадков сточных вод очистных сооружений
Пробу исследуемого осадка (100 мл) заливали в воронку, на дне которой находился слой фильтрующего материала. С помощью вакуумного насоса, ресивера и задвижек устаналивали и поддерживали разрежение в цилиндре (300 мм.рт.ст.). Отфильтрованная жидкость поступала в мерный цилиндр.
В ходе эксперимента фиксировали время фильтрования (t, с) и объем отфильтрованной жидкости (V, см3). Опыт считали завершенным, когда на поверхности осадка обазовывались трещины, через которые в цилиндр мог поступать воздух.
Определение фракционного состава твердой фазы осадков сточных вод проводилось гранулометрическим анализом. Теоретической основой данного метода анализа является равенство силы тяжести дисперсной частицы и силы вязкого сопротивления дисперсной среды. Размеры зерен определялись на микроскопе МИМ 7 при 2400 кратном увеличении.
Анализ твердых и жидких проб на содержание в них ионов тяжелых металлов производился на атомно-абсорбционном спектрофотометре по следующей методике.
Твердая проба высушивалась в сушильном шкафу в течение 1,5 час при температуре 105С до постоянного веса, измельчалась в ступке и тщательно перемешивалась. Методом квартования отбиралась масса навески пробы около 1 г, помещалась в стакан и растворялась при нагревании в небольшом количестве концентрированной соляной кислоты с добавлением азотной кислоты. Полученный раствор количественно переносили в мерную колбу емкостью 25 мл, доводили до метки дистиллированной водой. Если проба не полностью растворялась в смеси кислот, в раствор добавляли горячей дистиллированной воды и фильтровали через фильтр "синяя лента". Фильтрат упаривали и количественно переносили в мерную колбу емкостью 25 мл. При необходимости производили разбавление в п раз. Для каждого определяемого элемента выставлялась лампа с соответствующей длиной волны. Остальные параметры прибора устанавливали в соответствии с инструкцией к прибору.
Жидкая проба. Аликвотная часть раствора переносилась в мерную колбу емкостью 25 мл, доводилась до метки дистиллированной водой. В зависимости от предполагаемого содержания определяемого элемента производилось разбавление в п раз. Производилось фотометрирование. Для ряда проб определение концентрации ТМ в почве и ОСВ, а также в растениях осуществлялось атомно-абсорбционным методом в лаборатории АНО «ТЕСТ - ПУЩИНО», в физико-химической лаборатории ННГУ им. Лобачевского и в аналитической лаборатории Нижегородской станции аэрации. Бактериологический анализ осадков осуществлялся методами в соответствии с МУ 2.1.5.800-99 «Организация Госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод», МУК 4.2.796-99 «Методы санитарно-паразитологических исследований» и «Оценочные показатели санитарного состояния почвы населенных мест» №173/9-77, М., 1977. Исследования проводились в бактериологической лаборатории Нижегородской станции аэрации и на базе Московской академии ветеринарной медицины и биотехнологии. Определения общего микробного числа и числа жизнеспособных яиц гельминтов в динамике проводилось методом фазово-контрастной микроскопии, используя камеру Горяева, Периодически данные экспресс-определений проверялись стандартными микробиологическими методами - разбавлениями с посевом на среду Эндо и на кровяную среду, а также инкубацией.
Исследования токсичности исходных и обработанных осадков сточных вод (на биотестах) проводились по стандартным методикам (ФР. 1.39,2001.00283) в лаборатории экологической и промышленной токсикологии Нижегородского государственного университета им. Лобачевского; в группе цитогенетической безопасности лаборатории радиационной экологии ИТЭБ РАН. Эксперименты по выращиванию растительной продукции проводились в стеллаже оранжереи ИФПБ РАН. Обеззараживание обезвоженного осадка проводятся следующим образом. Пробу осадка определенной массы укладывают на резиновую подложку слоем толщиной 3-5 см. В случае осадка из иловых карт образцы размещаются в виде комков на фильтровальной бумаге. Образцы орошаются различными количествами состава ММЭ-Т и выдерживаются в статических условиях при комнатной температуре в течении определенного времени, например 0,5; 1; 2, 4 и 6 часов. После выдержки для механически обезвоженного осадка из разных участков слоя отбираются представительские пробы. В случае осадка с иловых карт комки размельчаются и смешиваются и из смеси отбираются представительские пробы, которые усредняются.
Обеззараживание влажного (влажность 95-99,5%) осадка проводилось следующим образом. Предварительно перемешанный осадок объемом 0,5 л наливался в колбу, в которую вводили различные объемы реагента ММЭ-Т. Обработанные образцы выдерживали в течение определенного времени, например: 0,25; 0,5; 1; 2 и 4 часа, при комнатной температуре. После выдержки каждый образец повторно перемешивали и отбирали представительскую пробу.
Проба делилась пополам. Одну часть использовали для определения содержания комплексов меди, а другую для определения общей микробной обсемененности и яиц гельминтов.
Содержание комплексов меди в обработанных осадках находится как разность между количеством меди в обработанном образце и в исходном образце осадка. Достоверность такого определения была подтверждена холостыми опытами и на модельных смесях [51].
Исследование процессов детоксикации тяжелых металлов в осадках сточных вод
Для исследования процесса детоксикации ионов тяжелых металлов (ИТМ) были проведены следующие работы: - изучение процесса образования аминокислотных комплексов металлов на модельных растворах ТМ; - определение эффективности детоксикации с использованием биотестов на обработанных детоксицирующим реагентом модельных растворах солей тяжелых металлов; - определение общего мольного содержания ТМ в осадках сточных вод и расчет теоретической дозы детоксицирующего реагента; - обработка ОСВ различными дозами реагента с целью установления эффективной дозы.
Для исследования детоксикации выбран реагент (АК-ЗЭ), представляющий собой неразделенную смесь аминокислот, получаемую гидролизом белков в виде белоксодержащих отходов выделки меха и кожи, мясо-, птицы- и рыбопереработки и т.п. Реагент состоит из жидких гидратов натриевых солей аминокислот; средняя молекулярная масса 125-130. Содержание анионов аминокислот - КЗ мол/дм3. рН 2% раствора в пределах 10,5-12,5. Композиция АК-ЗЭ представляет собой коричневую, темно-коричневую или черную жидкость со специфическим запахом, плотность 1050-1080 г/дм , смешивается с водой со спиртами, ацетоном, взаимодействует с кислотами. Композиция АК-ЗЭ (при энтеральном введении) относится к 4 классу опасности - малоопасные вещества по ГОСТ 12.007-76; LD(50) 20 г/кг, не оказывает общего токсического действия на организм, местного раздражения кожи и слизистых оболочек.
В этой связи для водных растворов композиции АК-ЗЭ рН 9. Взаимодействие анионов аминокислот с ионами металлов энергетически более выгодно, чем реакция гидролиза. Анионы аминокислот, связанные в комплекс, не подвержены гидролизу. Растворы солей, в которых концентрация анионов аминокислот недостаточна для полного связывания ионов металлов в нерастворимый комплекс, будут нейтральными или слабокислыми. Связывание ионов металлов в нерастворимые комплексы сопровождается скачком или повышением рН. На рис. 3.7 приведены кривые рН-метрического титрования растворов солей металлов композицией АК-ЗЭ. Из рисунка видно, что кривые имеют точку перегиба. Для Со2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+ и Pb2+ этой точке отвечает значение Сі/См=2, а для Сг3+ - CL/CM-3. После точки перегиба наблюдается скачок рН. В зависимости от природы металла точка перегиба находится в диапазоне рН 6- 7. Исходя из кривых титрования, превращение ионов металлов в комплекс происходит практически на 100% при достижении рН 7,5.
Состав комплексов, образующихся в осадке при его обработке композицией АК ЗЭ был установлен путем определения содержания аминокислот, связанных в комплекс в осадке, и расчета величины отношения количества молей аминокислот, связанных в комплекс, к общему количеству молей металлов, подлежащих связыванию, в частности хрома, кобальта, никеля, меди, цинка, кадмия и свинца.
Реакция связанных аминокислот в аминокислотных -комплексах тяжелых металлов с азотистокислым натрием протекает при рН 3 При 100 в течение длительного времени или в автоклаве при 150 и выше. Следовательно, используя реакцию с азотистокислым натрием в растворе фосфатного буфера при 50 -70С можно количественно отличить аминокислоты, связанные или не связанные в комплекс.
Комплексы всех металлов с этилендиаминтетраацетат-ионом значительно устойчивее, чем аминокислотные комплексы. При действии раствора трилона-Б на аминокислотные комплексы происходит замещение аминокислот по реакциям [88] ML2+Na2H2Edta = Na2[MEdta] + 2HL; (3.6) CrL3+Na2H2Edta = Na[CrEdta] + 2HL+NaL. Выделяющиеся аминокислоты способны взаимодействовать с азотистокислым натрием. Поскольку трилон-Б и этилендиаминтетраацетаты металлов с азотистокислым натрием не взаимодействуют, то из всех продуктов обработки трилоном-Б образца осадка, содержащего аминокислотные комплексы, в реакцию с азотистокислым натрием вступают только аминокислоты, а свободный трилон-Б и этилендиаминтетраацетаты металлов с азотистокислым натрием не взаимодействуют.
В таком случае количество аминокислот, не связанных в комплекс, находится путем определения остаточного количества азотистокислого натрия перманганатометрически в фильтрате после взаимодействия пробы с азотистокислым натрием в фосфатном буфере. Общее количество аминокислот (несвязанных и связанных в комплексы) находится путем определения остаточного количества азотистокислого натрия перманганатометрически, в фильтрате после взаимодействия пробы с трилоном-Б и азотистокислым натрием в фосфатном буфере. [88]
Состав аминокислотных комплексов характеризуется величиной аминокислотного коэффициента, соответствующего среднему числу аминокислот, приходящихся на один ион металла, рассчитываемого как отношение разности общего содержания аминокислот и содержания свободных аминокислот к общему содержанию металлов. Аминокислотный коэффициент рассчитывали по формуле: КАК (Сдк общ -АК ев )/См, (3.7) где Сдк общ - общее кол-во аминокислот, находимых в пробе с трилоном-Б, моль; Сдк ев - кол-во свободных аминок-т, находимых в пробе без трилона-Б, моль; См- суммарное содержание ионов металлов, моль. Установлено, что для осадка Нижегородских очистных сооружений значение аминокислотного коэффициента К к—2,18-2,25; для Серпуховских очистных сооружений Кдк= 2,68-2,72 и для осадка Подольских сооружений КАК= 2,08-2,14.
Мольное содержание аминокислотных комплексов каждого металла в осадке после обработки композицией АК-ЗЭ, практически совпадает с мольным содержанием соответствующих металлов в осадке до обработки. Это означает, что образование аминокислотных комплексов происходит непосредственно в частицах осадка.
Для определения подвижности аминокислотных комплексов металлов проведены следующие эксперименты. Брали пробу сброженного осадка сточных вод влажностью 98%, применяя флокулянт Praestol 611, обезвоживали осадок до влажности 80%. Полученную пробу делили на две части, первая часть была контрольной, а вторую часть обрабатывали расчетной дозой реагента АК-ЗЭ. Через сутки определяли общее (валовое) содержание тяжелых металлов, и содержание подвижных форм тяжелых металлов (в водной вытяжке и фосфатно-ацетатном буфере). Результаты эксперимента представлены в таблице 3.4. и на рис. 3.9.
Производство органо-минеральной почвоулучшающей добавки
Для производства органно-минеральной почвоулучшающей добавки на основе осадков сточных вод необходимо произвести обеззараживание, дегельминтизацию и детоксикацию осадков, поступающих в цех механического обезвоживания осадков на ленточные фильтр-пресса (в дальнейшем - исходный осадок), путем обработки реагентами на аминокислотной основе. Влажность исходного осадка в пределах 97,5 -98,5%, обезвоженного 75- 85%.
Для антибактериальной обработки и дегельминтизации используется состав ММЭ-Т - композиция гидроксоаминокислотных комплексов меди -бактерицидный реагент. Состав ММЭ-Т выпускается по ТУ 18517698-1-98, разрешен Госсанэпиднадзором. Состав ММЭ-Т сохраняет бактерицидные свойства при разбавлении водой, в щелочной среде, в растворах аммиака. Состав ММЭ-Т при энтеральном введении относится к 4-му классу опасности -малоопасные вещества.
Для детоксицирования осадка используется композиция АК-ЗЭ -композиция натриевых солей аминокислот. Состоит из жидких гидратов натриевых солей аланина, валина, глицина, лейцина, изолейцина, пролина и т.д. Композиция АК-ЗЭ выпускается по ТУ 18517698-4-98 и разрешена к применению Госсанэпиднадзором в качестве детоксиканта и комплексообразующего реагента. Композиция АК-ЗЭ (при энтеральном введении) относится к 4 классу опасности - малоопасные вещества по ГОСТ 12.007-76.
Величину производительности (Q 3 T, л/час) насоса, подающего раствор ММЭ-Т с щелочью подбирают по формуле 4 Л или из таблицы 4.1 в зависимости от удельной дозы реагента {Е мэт).
В результате обработки с помощью композиций ММЭ-Т и АК-ЗЭ осадок превращается из токсичного экологически-опасного отхода в безопасное сырье - органоминеральные композиции, перспективные для создания широкого ассортимента продукции. Органоминеральные композиции могут использоваться в качестве сырья для производства органоминеральных удобрений и в качестве почвоулучшающих добавок для обогащения и рекультивации почв в городском, лесном и сельском хозяйстве при соблюдении требований СанПиН 2.1.7.573-96, ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 и Типового технологического регламента использования осадков... (2000г.) к использованию ОСВ.
Описание технологического проекта установки обезвреживания осадков сточных вод Нижегородской станции аэрации
Установка обеззараживания и детоксикации осадков городских сточных вод г.Н.Новгорода запроектирована в цехе механического обезвоживания Нижегородской станции аэрации.
Обеззараживающий реагент ММЭ-Т в концентрации 1 моль/л после транспортировки храниться в емкости б, где происходит его перемешивание насосом 11-а. Этим же насосом реагент подается в расходную емкость 7, где смешивается с щелочью, подаваемой из емкости 8 насосом 12. Количество подаваемой щелочи зависит от рН обрабатываемого осадка и должно обеспечивать значение рН осадка после введения в него реагента не менее 7,0. Применение щелочи для корректировки рН осадка обусловлено тем, что реагент ММЭ-Т наиболее активен при рН 6,8. Из расходной емкости 7 насосом дозатором 13 раствор реагента подается в иловый трубопровод 1, где происходит смешение реагента с осадком, который затем поступает в флокулятор 2 и подается на стол фильтр-прессов 3. Во время прохождения смеси осадка с реагентом илового трубопровода гидроксоаминокисотные комплексы меди поглощаются твердой фазой осадка, происходит подавление жизнедеятельности патогенной микрофлоры и яиц гельминтов. Процесс обеззараживания заканчивается после прохождения осадком фильтр-пресса, где осадок отдает основной объем воды, возвращающийся в голову очистных вооружений
Детоксицирующий реагент АК-ЗЭ в концентрации 3 моль/л после транспортировки храниться в емкости 9, где происходит его перемешивание насосом 11-6. Этим же насосом реагент подается в расходную емкость 10, где при смешивании с водой из технического трубопровода 15 готовится 1-молярный раствор реагента. Обеззараженный и обезвоженный осадок после фильтр-прессов попадает на шнековое устройство 4, где из расходной емкости 10 насосом-дозатором 14 происходит подача раствора реагента, который через форсунки 16 орошает слой осадка. При движении осадка через шнековое устройство происходит его перемешивание с реагентом. Далее осадок транспортером перемещается в накопительный бункер 5, где происходит диффузия реагента в массу осадка. Реакция образования аминокислотных комплексов тяжелых металлов завершается во всем объеме осадка через 15-20 минут. После этого обеззараженный и детоксицированный осадок готов к транспортировке к месту использования в качестве почвоулучшающей добавки.
