Разработка экологически безопасного фильтрующего элемента для капельного орошения

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

Разработка экологически безопасного фильтрующего элемента для капельного орошения

Н. А. Головина

Целью работы являлась разработка эффективного и экологически безопасного фильтрующего элемента для капельного орошения, основным компонентом которого являются горелые породы терриконов. Допустимость применения рассматриваемого материала устанавливается на основании методических указаний по гигиенической оценке фильтрующих материалов и СанПиН 2.1.4.1074-01. Состав породы определялся при помощи сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira 3 LMU, оборудованного системой энергодисперсионного анализа характеристического рентгеновского излучения x-Act, радиационные измерения проводились с помощью дозиметра-радиометра МСК-АТ 1117. В результате определено содержание основных веществ, входящих в состав: Na и Mg - по 1,4 %, Al - 26 %, Si - 47,4 %, P - 0,4 %, S - 1,5 %, K - 5,0 %, Ca и Ti по - 1,1 %, Mn - 0,3 %, Fe - 13,9 %, Ba - 0,4 %, что позволяет установить класс опасности вещества - IV класс. Представлена технология изготовления фильтрующего материала, включающая фракционирование горелой породы, промывку, сушку, смешение всех компонентов в заданных пропорциях, закладку в формы и высушивание. На основании экспериментальных данных построена тернарная трехмерная диаграмма поверхности, позволяющая определить время промывки горелой породы различного состава используемых фракций. Таким образом, фильтрующий элемент, изготовленный на основе горелых отходов горнодобывающей промышленности по предложенной технологии, соответствует требованиям, предъявляемым к фильтрующим материалам, применяемым для очистки питьевой воды, и может быть использован для капельного орошения. капельный орошение микроскоп порода

Ключевые слова: капельное орошение, очистка природной воды, фильтрующий элемент, технология изготовления, отходы производства, горелые породы терриконов, химический состав.

N. A. Golovina, Yu. Ye. Domashenko, S. M. Vasiliev

Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation

DEVELOPMENT OF ENVIRONMENTALLY SAFE

FILTER ELEMENT FOR DRIP IRRIGATION

The aim of the work was the development of an effective and environmentally safe filter element for drip irrigation, the main component of which is burnt mine waste. Acceptability of the material in question is set up on the basis of guidelines for the hygienic assessment of filter materials and sanitary regulations and standards 2.1.4.1074-01. The rock composition was determined by a scanning electron microscope Tescan Mira 3 LMU equipped with an energy-dispersive analysis of the characteristic X-radiation X-Act, radiation measurements were carried out using a dosimeter-radiometer MSK-AT 1117. As a result, the primary content of the basic substances in the composition was determined: Na and Mg - 1.4 %, Al - 26 %, Si - 47.4 %, P - 0.4 %, S - 1.5 %, K - 5.0 %, Ca and Ti - 1.1 %, Mn - 0.3 %, Fe - 13.9 %, Ba - 0.4 %, which allows to establish the substance hazard category - IV class. The technology of manufacturing a filtering material is presented, which includes fractionation of the burned rock, washing, drying, mixing all components in prescribed proportions, laying in molds and drying out. On the basis of the experimental data, a ternary three-dimensional surface diagram has been constructed, which makes it possible to determine the time for flushing the burnt rock of various compositions of the fractions used. Thus, the filter element, made on the basis of burned mining wastes according to the proposed technology, meets the requirements for filtering materials used for drinking water purification and can be used for drip irrigation.

Key words: drip irrigation, water purification, filter element, manufacturing technology, waste products, burnt mine waste, chemical composition.

Климатические природные циклы и растущие темпы производства и потребления становятся главной причиной дефицита пресных водных ресурсов. Объем мирового гидрологического цикла составляет 42000 км3 в год, при этом забор водных ресурсов - 3900 км3, 70 % из которых используется для целей орошения, включая забор из поверхностных и подземных источников, остальные водные ресурсы - для коммунальных и промышленных нужд, причем 90 % - в странах с низким уровнем доходов, 43 % - в странах с высоким уровнем доходов. В общую гидрологическую сеть возвращается около 60 % с местным стоком и сточными водами, вместе с которыми поступают и загрязняющие вещества различного класса опасности, постепенно снижая качество водных ресурсов, что делает невозможным использование природной воды для капельного орошения без предварительной очистки [1]. В пределах Ростовской области качество воды реки Дон формируется под влиянием сбросов сточных вод городов Волгодонска, Константиновска, Семикаракорска, Ростова-на-Дону, Азова; основных притоков рек: Северский Донец, Сал, Маныч, Аксай, Темерник и другие [2].

Внедрение того или иного материала в практику хозяйственно-питьевого водоснабжения должно осуществляться при соблюдении санитарно-гигиенических норм, исключающих возможности загрязнения очищаемой воды или нанесения вреда окружающей среде и человеку. Фильтрующие материалы должны соответствовать методическим указаниям [3, 4], согласно которым основным критерием является соответствие очищенной воды требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения» [5]. Требования к питьевой воде более жесткие, чем к оросительной, что позволяет в капельном орошении использовать фильтрующие материалы, удовлетворяющие методическим указаниям по очистке питьевой воды [3].

Традиционно очистка для капельного орошения осуществляется фильтрованием с помощью песчано-гравийных фильтров, которые требуют модернизации с ориентацией на применение местных материалов и отходов производств в качестве фильтрующего элемента или элементов, входящих в его состав [6, 7].

Целью работы являлась разработка эффективного и экологически безопасного фильтрующего элемента для капельного орошения, основным компонентом которого являются горелые породы терриконов.

Материалы и методы. Исследования элементного состава образцов горелых пород терриконов проведены на сканирующем электронном микроскопе Tescan Mira 3 LMU, оборудованном системой энергодисперсионного анализа характеристического рентгеновского излучения x-Act. По результатам замеров определялся класс опасности отхода согласно утвержденной методике [8].

При изготовлении фильтрующего материала использовались отходы горнодобывающей промышленности, подвергшиеся полному окислению органических соединений в естественных условиях, технология разрабатывалась на основе существующих схем производства фильтрующих материалов различных составов. Радиационные измерения проводились с помощью дозиметра-радиометра МСК-АТ 1117 и согласно методике, изложенной в руководстве пользователя к прибору.

Для исследований использовались горелые породы терриконов, образовавшихся в результате деятельности ОАО «Ростовуголь», г. Шахты Ростовской области.

Результаты и обсуждение. Изготовление материала осуществлялось по следующей технологии. Сыпучие отходы, являющиеся наполнителем фильтрующего элемента, просеивали через сита и выделяли фракцию 0,5-2,5 мм, далее отходы помещали в сосуд, заливали водой несколько выше уровня и оставляли в таком состоянии до полного размокания, что определялось визуально. После этого в сосуд доливалась вода в таком количестве, чтобы высота слоя воды над твердой фракцией была 0,2 м, после чего содержимое перемешивали деревянной мешалкой, оставляли в покое на 2 минуты и сливали полученную суспензию. При сливе суспензии высота слоя жидкости над отходом составляла не менее 0,03 м. Промывку повторяли до тех пор, пока вода не стала прозрачной, время промывки определялось экспериментально на образце неоднородного фракционного состава.

Подготовленная горелая порода была разделена на три фракции, средний диаметр частиц, dср, которых находился в следующих диапазонах: 0,5-0,8, 0,8-1,5 и 5,0-2,5 мм. Схема опыта проведения эксперимента и определенное время промывки представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Схема и результаты проведения эксперимента по определению времени промывки горелой породы терриконов

На основании полученных данных построена тернарная трехмерная диаграмма поверхности, позволяющая определить время промывки горелой породы различного состава используемых фракций (рисунок 1) [9, 10].

Каждая сторона построенного треугольника представляет собой двухкомпонентную систему, состоящую из двух фракций, размеры которой указаны у образующих ее вершин, содержание каждой фракции определяется в долях от общего объема образца. Присутствие третьей фракции в образце перемещает получаемую точку в середину треугольника. Время промывки определяется на основании сектора, в котором окажется расчетная точка по градиентной шкале, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость необходимого времени промывки (t, мин) от фракционного состава промываемой горелой породы терриконов

Математически время промывки, необходимое для подготовки горелой породы терриконов при изготовлении фильтрующего элемента рассчитывается по линейной зависимости:

где - содержание фракции 0,5-0,8 мм, %;

- содержание фракции 0,8-1,5 мм, %;

- содержание фракции 1,5-2,5 мм, %.

Далее отходы горнодобывающей промышленности высушивали в сушильном шкафу в течение 4 ч при температуре 105 °С и остужали при комнатной температуре. В качестве связующего элемента принята нетиксотропная непредускоренная ненасыщенная смола на ортофталевой основе средней вязкости. Ее отмеривали на лабораторных весах с дозировкой 80 г/кг высушенных горелых отходов горнодобывающей промышленности. Отвердитель «Бутанокс М-50» (МЭК) в объеме 1,7 % массы смолы смешивается со смолой и подготовленным наполнителем фильтрующего материала механическим устройством. Полученная смесь укладывается в специальные формы, уплотняется и оставляется до полного высыхания при температуре 80 °С.

При проведении исследований элементного состава учитывался большой разброс содержания в отвальных породах горелых терриконовых пород наиболее тонкодисперсной (пылевидной) фракции (от 15 до 60 %). Представленная на рисунке 2 рентгенограмма образцов фильтрующего элемента показывает характерные изменения, которые заключаются в постепенном уменьшении (по мере увеличения мелкой фракции) дифракционных отражений, принадлежащих оксиду кальция, и увеличении отражений оксидов кремния.

1 - содержание пылевидной фракции 20 %; 2 - содержание пылевидной

фракции 35 %; 3 - содержание пылевидной фракции 50 %;

4 - содержание пылевидной фракции более 60 %

Рисунок 2 - Рентгенограмма образцов горелой породы терриконов

Наиболее показательными являются частицы со средним диаметром: dn = 3,07 нм и dn = 2,80 нм. Подразделить их на высокоосновные и низкоосновные не удается из-за совпадения линий. В виду этого необходимо фракционировать горелую породу терриконов перед использованием при изготовлении фильтрующего элемента для очистки природной воды в системах капельного орошения.

Определено, что горелая порода содержит оксиды таких химических элементов, как: кремний (Si), алюминий (Al), железо (Fe), калий (K), в незначительном количестве - магний (Mg), сера (S), титан (Ti), кальций (Ca), барий (Ba), марганец (Mn), фосфор (H). Вещества представлены в порядке убывания массовой доли оксида в образцах горелой породы терриконов, процентное содержание оксидов по массе - в таблице 2.

Таблица 2 - Элементный состав горелых отходов угледобывающей промышленности

Из таблицы 2 видно, что основными являются оксиды кремния, алюминия и железа. Основными химическими соединениями кварцевого песка согласно ГОСТ 25226-96 являются оксиды кремния (Si), алюминия (Al), калия (K), кальция (Ca), натрия (Na) и железа (Fe), в зависимости от месторождения могут наблюдаться в незначительных количествах оксиды титана (Ti) и серы (S) [11]. Для сравнения в таблице 3 представлен количественный химический состав кварцевого песка, используемого в качестве фильтрующей загрузки в песчано-гравийных фильтрах [11].

Таблица 3 - Химический состав кварцевого песка

Анализируя представленный химический состав отхода угледобывающей промышленности и кварцевого песка, видим, что перечень компонентов последнего несильно отличается от традиционного материала. Учитывая, что отход данного состава относится к IV классу опасности, можно сделать вывод о возможности использования горелых пород в качестве фильтрующего материала [8, 12].

Благодаря принятой технологии изготовления фильтрующего элемента, описанной выше, горелые отходы горнодобывающей промышленности не имеют контакта с очищаемой природной водой в рабочем режиме фильтрации, однако с течением времени и в случае несвоевременной замены фильтрующего блока, полиэфирная смола может истираться и оголять отход. Для оценки возможности химического загрязнения очищаемой воды в случае контакта с отходом проведены исследования химической активности оксидов основных металлов: железа (Fe), алюминия (Al) и кремния (Si), результаты представлены в таблице 4 [13].

Таблица 4 - Характеристика основных оксидов, содержащихся

в исследуемом образце горелой породы терриконов

Следовательно, ни одно из основных соединений не вступает в реакцию с природной водой, отличающейся нейтральным уровнем pH. Радиационная безопасность подтверждена инструментальными исследованиями, согласно которым мощность амбиентной дозы радиации без вычета фона составила 0,11 мкЗ/ч, фоновое значение амбиентной зоны при этом равно 0,11 мкЗ/ч, что говорит об отсутствии собственного гамма-излучения образца горелых отходов горнодобывающей промышленности.

Выводы

Отходы горнодобывающей промышленности близки по химическому составу к кварцевому песку, используемому в качестве фильтрующего материала для очистки оросительной воды. Выполненные исследования элементного состава отхода позволяют отнести его к IV классу опасности. При помощи серии экспериментов и построения тернарного трехмерного графика выведена линейная зависимость для математического определения требуемого времени промывки отхода горнодобывающей промышленности с любым соотношением фракций: 0,5-0,8; 0,8-1,5; 1,5-2,5 мм.

Предложенная технология изготовления фильтрующего элемента исключает контакт отхода с очищаемой природной водой. На случай нештатной ситуации (несвоевременная замена фильтрующего элемента из-за истирания смолы) рассмотрена химическая активность компонентов отхода. Оксиды металлов, составляющих основную массу образца, химически не активны и не вступают в реакцию с водой. Собственное радиационное гамма-излучение отсутствует.

В целом проведенные исследования показывают, что фильтрующий элемент, изготовленный на основе горелых отходов горнодобывающей промышленности по предложенной технологии, соответствует требованиям, предъявляемым к фильтрующим материалам, используемым для очистки питьевой воды, и может быть применен для капельного орошения.

Список использованных источников

1 Водные ресурсы и обеспечение продовольственной безопасности и питания: доклад группы экспертов высокого уровня по вопросам продовольственной безопасности и питания [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:fao.org/3/a-av045r.pdf.

2 Савон, Д. Ю. Сценарий устойчивого развития Ростовской области / Д. Ю. Савон, В. В. Гассий. - Инженерный вестник Дона. - № 4-1. - Т. 22. - 2012. - С. 159-162.

3 Методические указания по гигиеническому контролю за изделиями из синтетических материалов, предлагаемых для использования в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения: утв. 23 марта 1981 г. № 2349-81 // ИС Техэксперт 2016 [Электронный ресурс]. - ИС Техэксперт, 2016.

4 Методические указания по гигиенической оценке фильтрующих материалов, предлагаемых для использования в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения: утв. 22.02.87 № 4250-87 // ИС Техэксперт 2016 [Электронный ресурс]. - ИС Техэксперт, 2016.

5 СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения: утв. Министерством здравоохранения 26 сентября 2001 г. - Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти, 2001. - № 48. - 74 с.

6 Вороновский, И. Б. Влияние схемы расположения фильтров на надежность систем капельного орошения плодовых насаждений / И. Б. Вороновский // Известия международной академии аграрного образования. - 2015. - № 25. - Т. 1. - С. 94-98.

7 Тихонов, В. П. Особенности фильтрационных свойств техногенных образований / В. П. Тихонов, Т. И. Караваева // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - 2011. - № 74. - С. 851-860. - Режим доступа: http:ej.kubag-ro.ru/2011/10/pdf/48.pdf. - Шифр Информрегистра 0421100012\0481.

8 СП 2.1.7.1386-03. Определение класса опасности токсичных отходов производства и потребления: утв. Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 16.06.03; введ. в действие с 30.06.03 // ИС Техэксперт, 2016 [Электронный ресурс]. - ИС Техэксперт, 2016.

9 Яковлев, В. Б. Практикум по общей теории статистики / В. Б. Яковлев, О. А. Яковлева. - М.: ИНФРА-М, 2016. - 382 с.

10 STATISTICA 6.0 - фирменное руководство / StatSoft. - М., 1995. - 1992 с.

11 ГОСТ 25226-96. Щебень и песок перлитовые для производства вспученного перлита. Технические условия. - Введ. 1997-07-01. - М.: ГУП ЦПП, 1997. - 13 с.

12 Антонова, Н. А. Эколого-технологическое обоснование применения отходов терриконов в технологии очистки оросительной воды / Н. А. Антонова, Ю. Е. Домашенко, С. М. Васильев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. - 2016. - № 1(21). - С. 46-59. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/

archive?n=388&id=392.

13 Химические свойства неорганических веществ / Р. А. Лидин [и др.]; под ред. Р. А. Лидина. - М.: Химия, 2000. - 480 с.

Размещено на Allbest.ru