Введение
Полигонное захоронение является одним из наиболее распространенных методов обращения с твердыми бытовыми отходами (ТБО). В России полигонному захоронению подлежит 97% или около 36 миллионов тонн ТБО. Ежегодно под полигоны в стране отводится более 11000 гектаров земли вблизи городов и населенных пунктов. Обладая несомненным экономическим преимуществом, в связи с низкой стоимостью захоронения, полигоны представляют серьезную экологическую опасность для окружающей среды[5]. Одной из причин такой опасности является выделение из тела полигона токсичной жидкости – фильтрата. В средней полосе России, с ее средним уровнем атмосферных осадков 840 мм/год, из каждых 60 тонн размещенных на полигоне ТБО просачивается в подстилающие грунты от 1 до 1,5 м3 фильтрата в год в течение 20-25 лет [1,3,6].
Дренажные воды ТБО характеризуются чрезвычайно высокими значениями химического потребления кислорода - ХПК до 40 000 мг О2/л.
Загрязненный токсичными соединениями, фильтрат не может быть сброшен в водоем культурно-бытового или рыбохозяйственного назначения без тщательной и многоступенчатой очистки.
Цель исследования - разработка сорбционной технологии очистки фильтрационных вод полигонов ТБО с применением различных адсорбентов.
Объекты и методы исследований
В качестве объектов исследований были выбраны модельные растворы уксусной кислоты различных концентраций, фильтрат полигона ТБО «Дмитровский» после мембранных методов очистки (табл.1), углеродные сорбенты.
В задачу проводимых исследований входило:
- определение полной и динамической обменной ёмкости сорбентов в статических условиях;
- оценка степени очистки в зависимости от различных условий сорбции
по изменению ХПК.
Таблица 1
Химический состав фильтрата ТБО полигона «Дмитровский» (исходный и после мембранных методов очистки)
|
Наименование показателей, единицы измерения |
Исходный фильтрат |
ФильтратI ступени (ультрафильтрация) |
Фильтрат II ступени(обратный осмос) |
|
рН |
7,91 |
6,69 |
5,93 |
|
Жесткость, мгэкв/л |
32 |
0,18 |
0,04 |
|
Продолжение таблицы 1 |
|||
|
Кальций, мг/л |
400 |
2,6 |
0,6 |
|
Магний, мг/л |
144 |
0,6 |
0,12 |
|
Щелочность, мгэкв/л |
400 |
20 |
3,2 |
|
Бор, мг/л |
17,2 |
6,1 |
4,7 |
|
Железо (Feобщ.), мг/л |
12,49 |
0,01 |
0,01 |
|
Кадмий, мг/л |
0,0003 |
- |
0,0000083 |
|
Кремний, мг/л |
37,83 |
- |
0,04 |
|
Марганец, мг/л |
1,36 |
- |
0,004 |
|
Цинк, мг/л |
0,18 |
- |
0,025 |
|
Аммиак (NH4+), мг/л |
6300 |
276 |
54 |
|
Нитраты (NO3--), мг/л |
482 |
110 |
33 |
|
Сульфаты, мг/л |
50 |
18 |
9 |
|
Хлориды (Cl-), мг/л |
7112 |
420 |
46 |
|
АПАВ, мг/л |
65 |
1,25 |
0,4 |
|
НПАВ, мг/л |
46,25 |
<0,02 |
<0,02 |
|
Нефтепродукты, мг/л |
322 |
0,25 |
0,25 |
|
ХПК, мгО2/л |
10733 |
91 |
9 |
|
Взвешенные, мг/л |
11 |
- |
- |
|
Цветность, град. |
18000 |
- |
- |
|
Мутность, мг/л |
меш.вл. |
- |
- |
|
Солесодержание, мг/л |
31500 |
1675 |
232 |
Результаты и их обсуждения
В представленной работе сорбция применяется для удаления следов низкомолекулярной трудноокисляемой органики, оставшихся в очищаемой дренажной воде после предшествующих стадий очистки (полная схема очистки приведена на рис.2): вначале производится предварительная очистка (основные стадии- механическая фильтрация ФМ, электроокисление(электрофлотодеструкция ЭФД), отстаивание в тонкослойном отстойнике ТО в присутствии коагулянтов и флокулянтов), после предварительной очистки проводится глубокая очистка методами ультрафильтрации УФ, обратного осмосаММ и сорбции АД; на заключительной стадии очищенные стоки обезвреживают ультрафиолетом УФС.
Рис.2.Комплексная технология очистки фильтрата[2].
Наиболее распространенными и широко применяемыми в настоящее время адсорбентами являются активированные угли различных марок [4,6].
Для исследования были выбраны углеродные материалы, значительно различающиеся параметрами пористой структуры (табл.2).
Таблица 2
Основные характеристики исследуемых углеродных сорбентов
|
Показатели |
Сорбенты |
|||
|
Уголь БАУ-А |
Уголь-Аргентум AquaSorb CS |
Наноугли (dч – 100 мкм) |
Наноугли (dч – 5 мкм) |
|
|
Общий вид |
|
|
|
|
|
Насыпная плотность, г/дм3 |
240 |
510 |
320 |
280 |
|
Суммарный объем пор (по воде), см3/г |
1,2 |
0.62 |
1,6 |
1,9 |
|
Удельная поверхность, см2/г |
800 |
1100 |
1800 |
2000 |
Поиск эффективных сорбентов первоначально проводился на модельных растворах уксусной кислоты различных концентраций, затем, после выбора оптимальных условий сорбции, исследования велись на фильтрате I ступени обратноосмотического обессоливания.
После определения полной и динамической обменной емкости исследуемых сорбентов выявлено, что наибольшей сорбционной емкостью обладают наноугли.
ПОЕ у наноуглей (dч – 100 мкм) составила 1900 мг-экв/г., а у наноуглей (dч – 5 мкм) – 2150 мг-экв/г.
ДОЕ у наноуглей (dч – 100 мкм) - 605 мг-экв/г., а у наноуглей (dч – 5 мкм) - 851 мг-экв/г. В отличие от других двух сорбентов, это достаточно хорошие показатели.
Опытным путем установлено, что степень извлечения низкомолекулярной органики уменьшается с увеличением скорости пропускания раствора через сорбционную колонку и увеличением концентрации органики в растворе. Оптимальная скорость пропускания составляет 2-4 мл/мин*см2, при этой скорости степень извлечения на наноуглях достигает 80%.
Опыты на фильтрате I ступени ультрафильтрационной очистки на половолоконных мембранах показали, что при очистке на наноуглях значения ХПК снижаются до 15-29 мг О2/л, что соответствует требованиям слива в водоемы рыбохозяйственного назначения (ХПК – 30 мгО2/л).
Таблица 3
Изменение величины ХПК и степени очистки в зависимости от скорости пропускания фильтрата на разных сорбентах
|
Vпр, мл/мин*см2 |
Уголь БАУ-А |
Наноугли (dч – 100 мкм) |
||
|
ХПК, мгО2/л |
η, % |
ХПК, мгО2/л |
η, % |
|
|
2 |
30,24 |
66,8 |
15,12 |
83,3 |
|
4 |
39,40 |
56,7 |
29,35 |
67,7 |
|
6 |
60,48 |
33,5 |
32,43 |
64,4 |
Выводы
Высокое качество фильтрата мембранной очистки, поступающего на сорбционную доочистку, позволяет использовать современные углеродные наноматериалы, сорбционная емкость которых в десятки раз больше сорбционной емкости традиционно используемых марок активированных углей.
Данный процесс может применяться для доочистки любых типов сточных вод до норм ПДК в водоемах рыбохозяйственного назначения.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки (договор от 12.02.2013г.№ 02. G.25.31.066).