IMPROVED METHOD OF LANDFILLS WASTEWATER TREATMENT

Full Text

Практически в каждом крупном городе Российской Федерации имеется проблема, связанная со складированием отходов производства и потребления [1-10]. Самым распространенным способом обращения с отходами является их складирование на полигонах. Однако большинство существующих полигонов России не отвечают требованиям экологической безопасности: многие из них не оборудованы противофильтрационными экранами, нет систем отвода образующегося фильтрата и биогаза. Одним из вредных факторов, оказывающих негативное влияние на окружающую среду со стороны полигонов отходов производства и потребления, являются сточные воды. Они образуются за счет атмосферных осадков и фильтрационных вод, прошедших через тело полигона и вступивших в различные биохимические реакции, происходящие в теле полигона. В литературе имеется большое количество данных по химическому составу сточных вод. Е.Е. Степаненко, О.А. Поспелов и Т.Г. Зеленская [11] провели исследования по химическому составу сточных вод Шпаковского полигона твердых бытовых отходов. Анализ проб стоков, отобранных из тела полигона, показал, что они являются концентрированными и содержащими токсичные компоненты. Н.Л. Шешень [12] рассматривает проблемы загрязнения поверхностных и подземных вод города Калуги. Автором выделяется особая опасность, исходящая от стоков биохимического разложения несанкционированных свалок твердых бытовых отходов. Ю.Ю. Юрьев [13] проводил исследования сточных вод Волгоградского полигона твердых бытовых отходов и пришел к выводу, что сточные виды данного полигона относятся к высокозагрязненным сточным водам. В работах П.А. Потапова, H.-J.Ehring, K.Kruse [14-17] был проведен анализ состава стоков по ряду полигонов отходов производства и потребления в России и некоторых европейских странах и был сделан вывод о том, что практически все полигоны характеризуются как высокозагрязненные сточные воды, нередко содержащие токсичные компоненты, тяжелые металлы, фенолы и нефтепродукты. Высокий удельный вес среди основных загрязняющих компонен- 61 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 2 (19) А.М. Фаттахова тов сточных вод полигонов отходов производства и потребления принадлежит трудноокисляемым веществам. Полигон отходов производства и потребления г. Уфы является ярким примером полигона с напряженным экологическим состоянием, в связи с тем что он эксплуатируется без проекта, в нем не предусмотрены системы отвода сточных вод и биогаза. Полигон общей площадью 102,8 га расположен к северу-востоку от г. Уфы. Участок полигона с запада ограничен рекой Шугуровка, а с востока - ручьем Фирсов. Сток атмосферных осадков с участка полигона осуществляется в реку Шугуровка, в свою очередь она впадает в реку Уфа выше Южного водозабора города, поэтому загрязнение данного водного объекта представляет угрозу для водоснабжения города. Для целей защиты реки Шугуровки от попадания загрязненных сточных вод с полигона на ручье Фирсов и открывающихся в него оврагах построено два защитных пруда. Сточные воды из прудов возвращаются в свободные мазутные и битумные ямы или используются для полива основного массива свалки. Образующиеся дебалансные воды необходимо очищать, так как они характеризуются высокой степенью загрязненности. Состав сточных вод полигона приведен в табл. 1. Как видно из табл. 1, сточные воды Уфимского полигона характеризуются наличием большого количества трудноокисляемых веществ, фенолов, нефтепродуктов и тяжелых металлов. В работе [18] был предложен усовершенствованный метод очистки данных сточных вод. В силу того, что воды содержат большое количество трудноокисляемых веществ, в качестве основного метода очистки был использован окислительный. В качестве окислителя был выбран озон. Однако применение озонирования сдерживается значительными энергетическими затратами, поэтому данный процесс необходимо интенсифицировать. Первым направлением интенсификации процесса окисления озоном было выбрано применение катализаторов [18]. Катализаторы значительно интенсифицируют процесс жидкофазного окисления, а также позволяют избежать недостатков традиционных технологий и обеспечить существенные преимущества при незначительной реконструкции сооружений [19]. В качестве катализаторов были использованы соединения переходных металлов, сульфат железа и хлорид марганца. Вторым направлением интенсификации процесса каталитического озонирования являлось проведение этого процесса в мембранном реакторе. Авторами [20] были проведены исследования по интенсификации окислительных процессов с использованием гомогенных катализаторов. Однако гомогенные катализаторы тяжело выделить из реакционной смеси, что ведет к перерасходу катализаторов и удорожанию процесса очистки, поэтому более перспективными в процессах каталитического озонирования сточных вод являются гетерогенные катализаторы. В работе [18] были проведены исследования по модифицированию мембран соединениями катализаторов. Соединения катализаторов могут наноситься на мембраны биологическим и физикохимическим способами. Биологический способ является более универсальным, так как с его помощью соединения катализатора можно наносить как на керамические, так и на полимерные мембраны. Были проведены эксперименты по оценке размера пор, проницаемости и интенсивности биообрастания модифицированных соединениями катализатора биологическим способом мембран в условиях действующих очистных сооружений хозяйственнобытовых сточных вод1 [21, 22]. 1 ГОСТ Р 505516-93. Мембраны полимерные. Метод определения точки пузырька плоских мембран. М.: Госстандарт, 1993. 12 с. Таблица 1 Состав сточных вод Уфимского полигона отходов производства и потребления Компоненты сточных вод Концентрации, мг/дм3 Компоненты сточных вод Концентрации, мг/дм3 ХПК, мгО2/дм3 1930 ПАВ 0,3 БПКп, мг О2/дм3 793 Фосфаты 0,05 Взвешенные вещества 3 Сульфаты 178 Фенол 5,9 Сульфиды 0,5 Нефтепродукты 5,2 Хлориды 5200 Нитраты 3,01 Железо 23 Нитриты 2,95 Марганец 6,11 Азот аммонийный 530 Медь 0,31 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 2 (19) 62 Водоснабжение и водоотведение Для приготовления каталитических мембран были отобраны стойкие к окислителям полимерные мембраны - ультрафильтрационные трековые мембраны, селективный слой которых выполнен из полиэтилентерефталата. Для нанесения соединений железа и марганца на твердую поверхность биологическим методом использовали воды из Патраковского подземного инфильтрационного водозабора города Нефтекамска, богатые железобактериями. Производилось заселение мембран микроорганизмами. В банку, залитую водой из водозабора, помещали предварительно обезжиренные образцы мембран, плотно закрывали крышкой. Мембраны оставляли в банке на 5, 10, 15, 20, 30 сут при скорости протока 0,5 л/ч. Через указанные промежутки времени мембраны поочередно извлекали, с площади около 1 см2 соскабливали ножом образовавшийся налет, помещали его на предметные стекла и исследовали микроскопированием. На мембранах наблюдалось массовое развитие микроорганизмов. Подготовленные таким образом мембраны высушивались при комнатной температуре, обеззараживались в течение 20 мин 3 %-м раствором перекиси водорода и затем подвергались дальнейшим исследованиям. Оценка величины пор мембран, модифицированных соединениями катализатора биологическим способом Определение размера пор на полученных ранее образцах мембран, покрытых биопленкой, производилось методом «точки пузырька». Образец мембраны № 1, который не обрабатывался железобактериями, был контрольным. Связь между давлением и радиусом поры rп, мкм, через которую прорвался пузырек, определяется уравнением Лапласа: , где σ - поверхностное натяжение воды при 22 оС, 0,0724 Н/м; Р - давление, бар; Θ - краевой угол смачивания материала водой. При расчете было принято допущение, что поры имеют правильную цилиндрическую форму и смачиваемость мембраны жидкостью абсолютная (cosΘ = 1). Результаты опытов представлены в табл. 2. Полученные данные по оценке пор подготовленных мембран показывают, что нанесение биопленки практически не оказало влияния на размеры трековых пор мембран. Размер пор оставался неизменным (около 0,4 мкм) даже при экспозиции в 30 сут. Оценка проницаемости мембран, модифицированных соединениями катализатора биологическим способом Проницаемость мембран относится к их основным технологическим свойствам. Испытания мембран проводились под давлением 0,1; 0,2 и 0,3 МПа. Проницаемость мембран оценивалась по количеству полученного пермеата в каждой серии опытов. Результаты испытаний по оценке проницаемости каталитических мембран, полученных биологическим методом, представлены в табл. 3 и на рис. 1. Полученные данные по проницаемости мембран показывают, что из-за биообрастаний железобактериями проницаемость мембран ухудшилась на 40 %. Оценка эффективности биообрастания мембран, модифицированных соединениями катализатора биологическим способом в условиях действующих биологических очистных сооружений Исследования интенсивности биообрастания мембран, модифицированных железобактериями, проводились в условиях действующих биологических очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод санатория Юматово. Интенсивность биообрастания оценивалась косвенно - по изменению производительности мембран в течение фильтроцикла. Оценка интенсивности биообрастания мембран по их производительности дала следующие результаты (рис. 2). Таблица 2 Результаты оценки пор испытуемых мембран № образца мембраны Продолжительность приготовления мембраны, сут Среднее давление в момент появления пузырька, бар Диаметр пор, мкм 1 0 3,56 0,407 2 5 3,64 0,398 3 10 3,62 0,400 4 15 3,64 0,398 5 20 3,6 0,402 6 30 3,58 0,404 63 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 2 (19) А.М. Фаттахова Таблица 3 Результаты испытаний проницаемости мембран № образца Испытательное давление, МПа Количество пермеата, м3 Проницаемость мембраны, м3/м2с 1 0,1 0,00985 1,20•10-4 0,2 0,0205 2,50•10-4 0,3 0,0304 3,70•10-4 2 0,1 0,00833 1,01•10-4 0,2 0,0168 2,05•10-4 0,3 0,0246 3,00•10-4 3 0,1 0,00811 9,88•10-5 0,2 0,0161 1,96•10-4 0,3 0,0243 2,96•10-4 4 0,1 0,00735 8,95•10-5 0,2 0,0146 1,78•10-4 0,3 0,022 2,68•10-4 5 0,1 0,0068 8,28•10-5 0,2 0,0136 1,66•10-4 0,3 0,204 2,49•10-4 6 0,1 0,0063 7,68•10-5 0,2 0,0127 1,55•10-4 0,3 0,0188 2,29•10-4 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,9 0,95 1 1,05 1,1 Проницаемость мембран, м3/м2с Время экспозиции, сут Давление 0,1 МПа Давление 0,2 МПа Давление 0,3 МПа Рис. 1. Влияние продолжительности подготовки мембран на их проницаемость Испытанию подвергались образцы мембран №1, №4, №5 и №6, модифицированные железобактериями на предыдущем этапе исследований. Из полученных данных видно, что мембраны, работающие в аэротенке, достаточно быстро теряют в производительности. Причем темпы снижения производительности модифицированных мембран №4, №5, №6 и контрольной мембраны №1 практически одинаковые. Был сделан вывод, что интенсивность биообрастания трековых полимерных мембран, модифицированных соединениями железа и марганца с помощью железобактерий, практически такая же, как и у немодифицированной мембраны. Биологический способ нанесения соединений переходных металлов на поверхность полимеров не показал своей эффективности. Поэтому для дальнейших исследований были взяты керамические ультрафильтрационные мем- Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 2 (19) 64 Архитектура. Градостроительство. Дизайн браны, на которые соединения катализатора наносились физико-химическим способом - пропитки и прокаливания. Для модифицирования мембраны оксидами марганца ее пропитывали азотнокислыми солями марганца и помещали на 1 ч в 20 %-й раствор NaOH. Затем мембрану промывали водой до исчезновения реакции на ион Na+, сушили при 180 °С и прокаливали в воздушной среде при 1200 °С в течение 5 ч. Подготовленная таким образом ультрафильтрационная керамическая мембрана помещалась в мембранный модуль для исследований эффективности каталитического озонирования в мембранном реакторе. Исследования проводились на сточных водах Уфимского полигона. Эффективность окисления оценивалась по ХПК. Было проведено несколько серий экспериментов. В первой серии экспериментов установка работала с кислородом и в мембранном модуле находилась немодифицированная ультрафильтрационная керамическая мембрана. Значение рН составляло 6,9. В следующих сериях экспериментов условия менялись: окисление производилось озоно-кислородной смесью; исследуемые сточные воды подщелачивались; в мембранном модуле устанавливалась керамическая мембрана, модифицированная катализаторами; изменялась скорость движения жидкости в мембранном модуле. Результаты исследований приведены в табл. 4. Добавление в кислород озона до 20 мг/дм3 позволило увеличить эффект снижения ХПК, причем этот эффект возрастал с повышением рН обрабатываемых сточных вод. Проведенные эксперименты по оценке эффективности применения каталитически активных мембран в процессах окисления озоном сточных вод показали, что применение таких мембран позволяет увеличить степень окисления загрязняющих веществ в этих водах, причем эффективность очистки сточных вод возрастала в щелочной среде. Ведение процесса каталитического окисления озоном сточных вод в щелочной среде, где в качестве катализатора были использованы модифицированные марганцем ультрафильтрационные мембраны, оказалось более эффективным по сравнению с немодифицированными мембранами. По проведенным исследованиям каталитического озонирования в мембранном реакторе с применением модифицированной мембраны была предложена технологическая схема для очистки 1 2 1 10 Производительность мембраны, м3/м2ч •10-2. Продолжительность работы , ч Образец мембраны №1 Образец мембраны №4 Образец мембраны №5 Образец мембраны №6 Образец мембраны №1 Образец мембраны №4 Образец мембраны №5 Образец мембраны №6 Рис. 2. Изменение производительности мембран в течение первого фильтроцикла Таблица 4 Эффективность снижения ХПК сточных вод в зависимости от условий проведения процесса обработки сточных вод Условия ведения процесса обработки сточных вод ХПК воды, мг/дм3 Эффект окислитель мембрана скорость фильтрова- очистки, % ния, м/ч рН исходное поле обработки Кислород Немодифицированная 0,10 6,9 2100 2037 3,0 Кислород Немодифицированная 0,10 10 2100 2027 3,5 Кислород Немодифицированная 0,20 6,9 2100 2027 3,5 Кислород Немодифицированная 0,20 10 2100 2024 3,6 Кислород Модифицированная 0,10 6,9 2100 2033 3,2 Кислород Модифицированная 0,10 10 2100 2024 3,6 Кислород Модифицированная 0,20 6,9 2100 2012 4,2 Кислород Модифицированная 0,20 10 2100 2010 4,3 Озоно-кислородная смесь 20 мгО3/дм3 Немодифицированная 0,10 6,9 2100 1296 38,3 Немодифицированная 0,10 10 2100 983 53,2 Немодифицированная 0,20 6,9 2100 1195 43,1 Немодифицированная 0,20 10 2100 859 59,1 Модифицированная 0,10 6,9 2100 1184 43,6 Модифицированная 0,10 10 2100 647 69,2 Модифицированная 0,20 6,9 2100 844 59,8 Модифицированная 0,20 10 2100 458 78,2 сточных вод Уфимского полигона отходов производства и потребления, которая показана на рис. 3. Основными модулями очистки являются ультрафильтрационные каталитические и обратноосмотические мембранные фильтры. Для удаления механических примесей предусмотрен блок предварительной очистки. Также предусмотрен блок доочистки, который доводит качество стоков до требований, предъявляемых к очищенным сточным водам, сбрасываемым в водоемы рыбохозяйственного назначения. Себестоимость очистки 1 м3 сточных вод с применением усовершенствованного метода составила 220,2 руб. Предотвращенный экологический ущерб от загрязнений вод составил 4386762 руб. Экономический эффект от отсутствия платы за сверхнормативный сброс загрязняющих веществ составил 9 474 501 руб./год.

About the authors

Alfiya Mukharyamovna FATTAKHOVA

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files