Разработка методов очистки фильтрационных вод полигона захоронения твердых бытовых отходов

Извлечение ионов металлов зависит от концентрации их в воде, рН, общей минерализации воды, а также от наличия и концентрации ионов кальция и железа.

В биосорбционных аппаратах (биофильтрах) одновременно протекают процессы адсорбции и биохимического окисления органических веществ. Использование фильтрующих материалов, обладающих развитой пористой структурой, позволяет значительно интенсифицировать процессы биохимической очистки за счет адсорбции примесей и развития на поверхности материалов биопленки. В качестве таких материалов используют: диатомит - окаменелые остатки диатомовых водорослей, кору хвойных пород деревьев, опил, недожог - отход сжигания окорки древесины, скоп - отход целлюлозно-бумажного производства, отходы производства активных углей и шлак, образованный при сжигании каменного угля.

Процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента до «проскока», а затем сорбент выгружают и регенерируют.

2.1.1 Выбор сорбционных материалов для исследования и характеристика их адсорбционных свойств

Для разработки конструкции биофильтра наиболее важным является правильный выбор сорбционных и ионообменных материалов, обеспечивающих необходимую глубину очистки от органических и ионных примесей. Загрузочные материалы биофильтра должны обладать развитой пористой структурой, химической стойкостью, механической прочностью и соответствовать экономическим критериям (дешевизна и доступность).

На основании анализа литературных сведений и предварительных экспериментов по очистке фильтрационных вод полигонов от комплексных соединений металлов, ионов металлов и гуминовых веществ был выбран малоизученный природный материал уральского месторождения - диатомит, обладающий коагулирующими и ионообменными свойствами, а также некоторые виды отходов производств - шлак, недожог, отходы производства активированного угля БАУ.

Диатомит представляет собой минерал на основе оксида кремния состава: SiO₂ - 81-92 %; Al₂O₃ - 2-6 %; Na₂O - 1-2 %; Fe₂O₃ - 3-5 %; CaO - 0,3-0,5 %. Его плотность составляет 600 см³/г. Диатомит обладает более высокой межзерновой пористостью и удельной поверхностью, а также меньшей объемной массой по сравнению с песком, поэтому его применение для осветления и очистки фильтрационных вод позволяет значительно улучшить технологические параметры фильтрационных установок.

Каменноугольные шлаки содержат оксиды кремния, кальция, что объясняет их высокую осветляющую и сорбционную способность.

Сорбент-Н, представляющий собой недожог, образованный при сжигании отходов целлюлозно-бумажной промышленности и лесозаготовительных предприятий в котельных установках, режим работы которых по основным параметрам (температура, концентрация топочных газов) близок к условиям процесса активации древесных углей. Недожог обладает достаточно развитой поверхностью, мезо-пористой структурой и, соответственно, высокой адсорбционной способностью по отношению к органическим соединениям. /Тарасевич Ю.И. «Природные минеральные сорбенты и полусинтетические сорбционные материалы на их основе» - «Химия и технология воды», 1986, т.8, № 6/

Для всех исследуемых образцов по стандартным методикам [8] были определены основные физико-химические характеристики: гранулометрический состав, насыпная плотность, а также для сорбента-Н и отхода угля - адсорбционная активность по метиленовому голубому, свидетельствующая о наличии мезо- и макропор. Результаты исследования представлены в таблице 8.

Таблица 8. Основные физико-химические характеристики фильтрующих материалов

Материал	Насыпная плотность, г/дм3	Суммарный объем пор по влагоемкости, см3/г	Адсорбционная активность по метиленовому голубому, мг/г
Сорбент-Н	160-180	0,5-0,6	80-100
Шлак	650	0,45-0,5	25
Отход угля	330	0,8	60-70
Диатомит	600	0,4-0,5	30

2.1.2 Выбор модельных растворов и их приготовление. Определение концентрации железа и меди в растворе

К гумусовым веществам относятся гуминовые и фульвокислоты, экстрагируемые из почв. Гумусовые вещества представляют собой комплекс органических веществ - продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами.

Гуминовыми кислотами называют соединения, вымываемые из почвы щелочами, фосфорнокислым, щавелевокислым или фтористым натрием и другими растворителями и осаждаемые из полученных растворов минеральными кислотами в виде темно-коричневого осадка.

Гуминовые и фульвокислоты образуют прочные комплексы с ионами тяжелых металлов.

Для приготовления модельных растворов гумусовых веществ 1 кг подзолистой почвы (основной тип почвы Пермского региона) заливали 3 л воды и выдерживали в течение 7 дней для экстракции гуминовых соединений. Из полученного экстракта готовили растворы гуминовых соединений с определенной цветностью (100 ^оЦ, 200 ^оЦ ). Цветность определяли по стандартной хромато-кобальтовой шкале

Ионы железа (III) и меди (II) являются типичными ионными примесями фильтрационных вод объектов складирования твердых бытовых отходов, поэтому в работе была проведено исследование по возможности извлечения гуматов этих металлов из модельных растворов.

Модельный раствор готовили следующим образом: к экстракту почвы с известной цветностью добавляли растворы солей в определенном соотношении и выдерживали в течение трех часов, после чего определяли цветность и содержание ионов металлов.

Концентрация железа в растворе определяется комплексонометрическим методом, который основан на взаимодействии ионов железа в щелочной среде с сульфосалициловой кислотой с образованием окрашенного в желтый цвет комплексного соединения.

К приготовленному раствору железа приливают соляную кислоту и анализируемый раствор титруют трилоном Б до обесцвечивания. По объему пошедшему на титрование определяют концентрацию железа ().

Содержание железа находят визуально по интенсивности окраски пробы и шкалы стандартных растворов.

Концентрация меди в растворе также определяется комплексонометрическим методом с индикатором мурексидом.В качестве модельных растворов использовались гумусовые вещества и растворы гуматов металлов.

2.2 Методики проведения экспериментов

Исследования по очистке фильтрационных вод полигонов ТБО проводили на модельных и реальных растворах фильтрационных вод.

Эксперименты осуществляли в статических и динамических условиях.

При проведении статических экспериментов определяли оптимальную дозу сорбента, необходимую для эффективной очистки. Для этого дозу сорбента в экспериментах варьировали в широких пределах 5-25 г/дм³. Концентрация исходных растворов составляла 100-500 мг/дм³.

Сорбционную емкость материалов определяли по формуле:

где: А - статическая сорбционная емкость, мг О₂/г;

С^о, С^р - исходная и равновесная концентрация фильтрационных вод по ХПК, мг О₂/дм³;

V - объем исследуемой воды, л;

m - доза сорбента, г.

На основании полученных данных строили изотермы адсорбции и ионного обмена.

Динамические испытания проводили в сорбционных колонках диаметром 15 мм с высотой слоя сорбента 25 см. Анализируемый раствор пропускали через слой сорбента со скоростью 250 мл/час или м/час до полного проскока.

По полученным данным строили выходные кривые сорбции.

Эффективность очистки контролировали по цветности и содержанию ионов металлов в очищенной воде, которые определяли по известным общепринятым методикам, //.

2.3 Исследование очистки фильтрационных вод и модельных растворов от ионных примесей

2.3.1 Исследование ионообменной очистки воды от гуматов металлов

На выбранных материалах исследовалась возможность извлечения ионов Fe³⁺ и Сu²⁺ из модельных растворов, содержащих соли и гуматы этих металлов.

Концентрация ионов металлов в модельных растворах, содержащих хлориды металлов, составляла 500 мг/л.

В результате экспериментов, проводимых в статических условиях, были определены емкости материалов при равновесной концентрации 100 и 50 мг/л, которые представлены в таблице 9.

Таблица 9. Ионообменная емкость материалов

№	Материал	Ионообменная емкость, мг/л
		Ионы железа (III)	Ионы меди (II)
1 2 3 4	Диатомит Шлак Сорбент-Н Отход АУ	5700-5500 4000-4500 500-600 400-500	6000-5800 4500-5000 550-650 550-600

Исходные материалы обладали разной плотностью и для более корректного сравнения их активности ионообменные емкости рассчитывали в мг/л.

Как видно из приведенных данных, наибольшей ионообменной способностью при извлечении гидратированных ионов металлов обладает диатомит.

Как уже отмечалось, в фильтрационных водах, а также в природных водах, ионы тяжелых металлов чаще всего находятся в виде комплексных высокомолекулярных ионов - гуматов металлов. В работе была исследована очистка модельных растворов, содержащих гуматы железа и меди ( Fe³⁺ и Сu²⁺ ) на выбранных материалах.

Полученные результаты по извлечению высокомолекулярных ионов металлов и осветлению модельных растворов представлены в таблице 10. Исходная цветность составляла 250 ⁰ Цв, концентрация ионов Fe³⁺ и Сu²⁺ - 500 мг/л.

Результаты показывают, что наибольшей сорбционной и осветляющей способностью обладают недожог, шлак, отход АУ.

Диатомит, являясь узко микропористым материалом, практически не способен извлекать крупные молекулы гуматов.

Недожог (сорбент -Н) и отход АУ, характеризующиеся развитой удельной поверхностью и высокой порозностью, являются эффективными и дешевыми материалами для извлечения высокомолекулярных соединений из фильтрационных вод.

Достаточно высокая емкость шлака на единицу веса объясняется более высокой насыпной плотностью этого материала по сравнению с сорбентом-Н (d_шл.=800 г/дм³, d_сорб-Н =240-250 г/дм³).

Таблица 10. Сорбционные и ионообменные характеристики материалов

№	Сорбент	Осветляющая способность, %	Сорбционная емкость, г/л
			Fe3+	Сu2+
1 2 3 4	Диатомит Недожог Шлак Отход АУ	25 95 80 90	2,4 35,5-38,5 42-45 30,5-32,0	2,6 40-42 45-48 35,5-37,0

2.3.2 Исследование адсорбции гумусовых соединений

На выбранных сорбционных материалах в статических условиях проведены исследования по адсорбции гумусовых веществ из модельных растворов.

В экспериментах дозу сорбентов в модельном растворе варьировали в пределах 2-10 г/л, степень очистки контролировали по цветности.

Исходную цветность изменяли от 100 до 200⁰ Цв.

Полученные результаты представлены в таблице 11. Как видно из представленных данных, наибольшей адсорбционной способностью обладает сорбент-Н, характеризующийся развитой мезо-пористой структурой. Размер частиц гумусовых соединений соизмерим с размерами мезопор, чем и объясняет высокая степень очистки растворов на этом сорбенте.

Таблица 11. Адсорбция гумусовых веществ на исследуемых материалах

№	Сорбент	Исходная цветность, град.	Цветность очищенного раствора	Степень очистки, %
			Доза сорбента	Доза сорбента
			5 г/л	10 г/л	5 г/л	10 г/л
1 2 3 4	Диатомит Шлак Сорбент-Н Отход АУ	200	160 90 60 75	145 35 20 25	20 55 70 62,5	27,5 82,5 90 87,5

В работе была также исследована очистка модельных растворов, содержащих гуматы железа (Fe³⁺), на диатомите и недожоге в динамических условиях. (См. рис. 4)

Исходная цветность составляла 250 ⁰Цв, исходная концентрация ионов Fe³⁺ - 117,6 мг/л.

Результаты эксперимента представлены в таблице 12.

Таблица 12.

Диатомит	Недожог
№	мл	мл	мг/л	мл	%	оЦв	№	мл	мл	мг/л	мл	%	оЦв
1	182	182	5,6	20,3	95,2	100	1	224	224	0	26,3	100	10
2	76	258	11,2	8,08	90,4	100	2	211	435	0	24,8	100	10
3	166	424	22,4	15,8	80,9	500	3	70	505	5,6	7,84	95,2	150
4	200	624	44,8	14,5	61,9	500

Результаты показывают, что наибольшей сорбционной и осветляющей способностью обладает сорбент-Н (недожог). Он характеризуется развитой удельной поверхностью и высокой порозностью, является эффективным и дешевым материалом для извлечения высокомолекулярных соединений из фильтрационных вод.

Диатомит, являясь узко микропористым материалом, практически не способен извлекать крупные молекулы гуматов.

Расчет показателей.

Концентрация ионов Fe ³⁺ и Cu ²⁺ рассчитывается по формуле

N₂ = , где

N₁ = 0,1 - нормальность Трилона -Б,

V₁ = 50 мл - объем раствора гуматы + железо (III),

V₂ = 0,7мл - объем, пошедший на титрование раствора Трилоном-Б

Экв = 28

1000 - перевод в мг

_исх = 117,6 мг/л

Емкость рассчитывается по формуле

Е =

Эффективность рассчитывается по формуле

Эф =

Цв - цветность определяется по шкале цветности.

На основании полученных данных построили график зависимости концентрации от объема для диатомита и сорбента-Н.

Рис. 5. График зависимости концентрации от объема для диатомита и сорбента-Н

Проведенные исследования показали, что выбранные фильтрующие материалы: сорбент-Н, шлак, отход угля, диатомит обладают удовлетворительными сорбционными свойствами.

Большей сорбционной и ионообменной емкостью по отношению к гумусовым веществам и гуматам металлов обладают макро- и мезопористые образцы сорбентов (сорбент-Н, отход угля).

Проведенные исследования позволили разработать многослойный фильтр для осветления и удаления ионных примесей из фильтрационных вод полигонов ТБО.

Сорбционные материалы в фильтре расположены в соответствии с их ионообменной способностью, крупностью и насыпной плотностью.

Слой диатомита необходим для доочистки фильтрационных вод от ионов металлов, не связанных в комплексное соединение.

Контроль качества очистки проводили по цветности и величине ХПК. Эффективность работы фильтра составила 92-95%.

2.4 Исследование биосорбционной очистки фильтрационных вод и модельных растворов

С целью установления возможности образования на поверхности углеродсодержащих сорбентов биопленки, были проведены предварительные лабораторные эксперименты.

Для этого, через выбранные для исследования материалы пропускали фильтрат и по величине ХПК исходной и очищенной воды определяли степень очистки. Эксперимент проводили в статических условиях.

В емкость загружали 25 г сорбента и заливали 200 г фильтрационной воды. На третий день определили ХПК бихроматным методом.// По снижению ХПК определили степень очистки фильтрационных вод выбранными сорбентами.

Результаты представлены на рисунке 7.

Рис.7. Диаграмма

Приведенные данные показывают, что высокая степень очистки фильтрата достигается на шлаке и недожоге.

Далее в работе была исследована возможность образования биопленки на поверхности шлака, недожога, скопа, отхода производства АУ, а также установление времени появления биопленки и характера обрастаний.

Работу выполняли с использованием установок, моделирующих процессы фильтрации воды в капельных биофильтрах (рис.8). В фильтрационные колонки загружали отходы производства - шлак, недожог, отход угля, скоп (объемом 486 см³), и ежедневно орошали их фильтрационной водой. Периодически отбирали пробы материала для микроскопического исследования, которое на 12 день эксперимента показало наличие на их поверхности бактериальных скоплений, нитей грибов и простейших (коловраток, жгутиковых, нематоды, polytoma uvella, spirillum undila, euglena viridis). См. таблицу 13.

Размещено на http://www.allbest.ru/

51

Рис. 8. Установка: 1 - стакан; 2 - подставка перфорированная; 3 - штуцер; 4 - шланг резиновый

Появление биопленки свидетельствует о возможности протекания процессов биоокисления органически примесей фильтрационных вод на выбранных сорбентах. Все выбранные материалы могут быть использованы в качестве загрузочных для биосорбционного фильтра, совмещающего процессы физико-химической сорбции и биохимического окисления.

Таблица 13

Сорбент	Состав микробной смеси
Уголь	Бактериальные скопления, нити грибов.
Шлак	Бактериальные скопления, простейшие (коловратки, нематода, эвглена)
Недожог	Бактериальные скопления, нити грибов, простейшие (коловратки, нематода, polytoma uvella, spirillum undila, euglena viridis)
Скоп	Бактериальные скопления, большое разнообразие простейших.

3. Технологическая часть

3.1 Технологические расчеты

Очистка фильтрационных вод проходит в две стадии:

I стадия - ионообменная очистка;

I I стадия - очистка на биосорбционном фильтре.

Состав фильтрационных вод до и после очистки представлен в таблице 14.

Таблица14. Концентрации загрязняющих веществ в фильтрационных водах типичных ТБО

Показатели	Исходный фильтрат до очистки	фильтрат после I ст. очистки	Фильтрат после I I ст. очистки
ХПК, мг О2/л	1500	800-900	60-50
БПК, мг О2/л	180	110-120	30
Цветность, оЦ	250	80-100	20-40
Медь, мг/л	1,3	1,0	0,0
Железо, мг/л	39,9	0,3	0,3

3.1.1 Объем фильтрационных вод

Площадь полигона = 36 га = 36*10⁴ м²

Объем фильтрационных вод = 36*10⁴*0,3 = 108 000 м³/год из расчета, что количество осадков, выпадающих на 1м² площади, составляет 0,3м в год.

3.1.2 Расчет площади пруда - накопителя

Предполагается, что ионообменный фильтр будет работать 6 месяцев в году (с мая по октябрь), тогда объем фильтрационных вод за 6 месяцев составит 54 000 м³. С учетом коэффициента запаса 1,5 объем фильтрата = 54 000*1,5 = 81 000 м³.

Пруд - накопитель представляет собой прямоугольную емкость из железобетонных панелей. При высоте = 2,5 м, его площадь будет равной 81 000 : 2,5 = 32 400 м² = 162м*200м

3.1.3 Очистка в ионообменном фильтре

Ионообменный фильтр состоит из цилиндрических железобетонных колец.

Объем перерабатываемых вод = 81 000 м³.

Производительность фильтра = 81 000 м³ : 6 месяцев : 30 дней = 450 м³/сутки.

Скорость фильтрации = 5 м/час.

Площадь фильтрации = 450 м³/сутки : 5 м³/час = 3,75 м².

Диаметр фильтра = 2 м.

Технологическая высота фильтра = 4 м.

Ионообменная установка включает блок, состоящий из трех фильтров, при этом, при промывке одного из фильтров, работает два с большой скоростью. Десятиминутная промывка предполагается через каждые 24 часа со скоростью 7 м/час.

3.1.4 Расчет слоев загрузки

Ионообменный фильтр состоит из двух слоев: нижний - диатомит, верхний - шлак, высота каждого слоя сорбента = 1м.

Объем шлака = = 3,14 м³.

Объем диатомита = = 3,14 м³.

Масса шлака = V = 2,515 т.

Масса диатомита = V = 2,072 т.

масса шлака на три фильтра 6,3 т.

масса диатомита на три фильтра 7,6 т.

3.1.5 Расчет площади биосорбционного фильтра

Биосорбционный фильтр представляет собой прямоугольную емкость из железобетонных панелей. Фильтр работает в капельном режиме и состоит из 4 слоев, расположенных снизу вверх :I - гравий; I I - шлак; I I I - недожог; IV - кора. бытовой отход фильтрационная вода биодеструкция

При расчете биофильтра необходимо определять коэффициент k = L₀/L_t, где L₀ - исходная БПК, L_t - конечное БПК. Высоту фильтра и гидравлическую нагрузку g определяют с учетом средне зимней температуры фильтрационной воды и вычисленного значения k.

При температуре 10 ^оС , рабочей высоте фильтра 1,5 м, коэффициенте k = 4 (из расчета L₀ = 120 мг О₂/л, L_t = 30 мг О₂/л) гидравлическая нагрузка = 2,5 м³/м² сутки (СанПиН №4630-88)

А =

где Q - расход фильтрационных вод, g - гидравлическая нагрузка / СанПиН № 4630-88/

Площадь биосорбционного фильтра А = 450/2,5 = 180 м² = 10 м*18 м.

Технологическая высота фильтра = 2,5 м.

3.1.6 Расчет объема загрузки сорбентов для биосорбционного фильтра

Рабочий объем загрузки V = А* h , где А - площадь фильтра, h - рабочая высота фильтра V = 180*1,5 = 270 м³.

Объем слоя сорбента = площадь слоя * высоту слоя

Масса слоя сорбента = плотность слоя * объем слоя

Результаты расчетов представлены в таблице 15.

Таблица 15. Результаты расчетов

Сорбент	Высота слоя, см	Масса слоя, т	Объем слоя, м3
Гравий Шлак Недожог Кора	65 65 10 10	93,6 35,10 32,4 9	117 117 18 18

Окислительная мощность ОМ = =150 г/м³ , где = 120-30 = 90 мг О₂/л.

3.1.7 Расчет площади сборника для очищенных фильтрационных вод

Сборник очищенных фильтрационных вод представляет собой прямоугольную емкость из железобетонных панелей. Объем фильтрационных вод за 6 месяцев составит 54 000 м³. Приняв высоту сборника = 2,5 м, его площадь составит 54 000 : 2,5 = 21 600 м².

3.2 Разработка технологической схемы очистки фильтрационных вод

Технологическая схема очистки фильтрационных вод включает пруд - накопитель фильтрата, блок, состоящий из трех фильтров ионообменной очистки, биосорбционный фильтр, сборник очищенных фильтрационных вод.

Размещено на Allbest.ru

...