Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Улучшение качества дренажных вод природными сорбентами

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Улучшение качества дренажных вод природными сорбентами"

п* 0,3

.01 „

На правах рукописи

7 4 О

А Л,

Купцова Анастасия Александровна

Улучшение качества дренажных вод природными сорбентами

Специальность: 06.01.02 - сельскохозяйственная мелиорация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в отделе природоохранных технологий Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова.

Научный руководитель - доктор технических наук, с.н.с., лауреат

премии Совета Министров СССР Кирейчева Л. В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

дании диссертационного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук К 020.95.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова по адресу: 127550, г. Москва, ул. Большая Академическая 44.

Серебренников Ф. В. •кандидат химических наук Лунев М. И.

Ведущая организация- И Ц «Союзводпроект»

Защита состоится «¿В» апреля 1998 г в 10 часов на засе^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «ХОъНСьрТС^ 1998 г

Ученый секретарь диссертационного совета, к. т. н.

Е.Л. Ворожцова

Общая характеристика работы

Актуальность. В последние годы наблюдается падение рентабельности сельскохозяйственного производства и сокращение мелиорированных земель. В 1996 г. их в России насчитывалось 9,7 млн. га, из них 5 млн. га орошаемых и 4,7 млн. га осушенных. Однако при этом сохраняется тенденция роста земель с неблагоприятной мелиоративной обстановкой. Из-за высокого уровня грунтовых вод, засоления почв и недопустимых сроков отвода поверхностных вод в неудовлетворительном состоянии по данным Государственного доклада «О состоянии окружающей природной среды России 1996 г.» находится 723,4 тыс. га орошаемых и 921,5 тыс. га осушенных земель. Это приводит к ухудшению экологической обстановки на мелиорированных землях. Особую опасность представляет загрязнение поверхностных и подземных вод путем сброса загрязненных вод сельским хозяйством. Так в 1996 г. объектами сельского хозяйства было использовано 14,6 млрд. м. куб. свежей воды, а объем сброса в поверхностные водоисточники превысил 2,5 млрд. м. куб., т.е. 17%. Значительную долю в этих сбросах составляют коллекторно-дренажные воды. Задачей первостепенной важности является рациональное использование коллек-торно-дренажного стока в качестве дополнительного водного ресурса как в неизменном виде, так и после соответствующей водоподготовки.

Анализ ирригационного водоотведения в России показал, что преобладающая минерализация коллекторно-дренажных вод составляет 2-3 г/л, однако, помимо растворенных солей, в дренажных водах присутствуют биогены, остатки пестицидов, тяжелые металлы. Сброс дренажных вод за пределы системы вызывает увеличение минерализации воды в реках и озерах, засоление и загрязнение почв. Поэтому очистка дренажно-сбросных вод, а также максимально возможное их использование на орошение и для других хозяйственных целей является актуальной задачей и имеет большое практическое значение.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка малоэнерго- и материалоемких'технологий и технических средств для внутрисистемной очистки дренажно-сбросных вод с использованием природных сорбентов.

Для реализации указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: -оценка возможности применения природных сорбентов и нового сорбентме-лиоранта СОРБЭКС для очистки дренажно-сбросных вод; -анализ процесса сорбции загрязняющих веществ новым сорбентмелиорантом СОРБЭКС; - разработка техни-

ческих средств для локальной очистки дренажно-сбросных вод на гидромелиоративной системе; -разработка технологической схемы внутрисистемного улучшения качества дренажно-сбросных вод.

Методика исследований. В лаборатории по известным методикам были изучены основные свойства природных сорбентов и обоснован компонентный состав нового сорбентмелиоранта для очистки воды. На основе теоретических и лабораторных экспериментов исследован механизм действия сорбентмелиоранта и его составных частей, а также оценена эффективность его использования для очистки воды от пестицидов, тяжелых металлов и других загрязнителей. Результаты экспериментальных исследований основываются на многократности измерения параметров и использования для получения результатов новейших методов определения химических элементов.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. На основе теоретического изучения сорбционных процессов и проведения лабораторных экспериментов исследован механизм действия основных природных сорбентов, в том числе и нового сорбентмелиоранта СОРБЭКС при очистке коллекторно-дренажных и других стоков. Впервые доказана перспективность использования СОРБЭКСа для очистки воды от тяжелых металлов и пестицидов. Разработана новая технология и технические средства для локальной очистки, позволяющие достичь нормативного уровня очистки дренажно-сбросных вод и обеспечить возможность их повторного использования.

Личный вклад автора заключается в изучении кинетики и динамики сорбции тяжелых металлов различными сорбентами, проведении лабораторных исследований по очистке сточных вод в том числе и дренажных гранулированными сорбентами, разработке и обоснованию технических решений по локальной очистке дренажных вод и технологических схем внутрисистемного улучшения качества дренажно-сбросных вод.

Практическая значимость состоит в устройстве на дренажных системах разработанных локальных очистных сооружений с применением природных сорбентов, что в свою очередь позволит повторно использовать очищенные дренажно-сбросные воды на орошение, ослабить нагрузку на водные объекты, тем самым оздоровить экологическую обстановку в регионе.

Локальное очистное сооружение с СОРБЭКСом может быть также использовано для очистки коммунально-бытовых стоков отдельных коттеджей или са-

довых товариществ, для установки на автономных автомойках, а также для доочист-ки городских поверхностных стоков. Основным преимуществом локальных очистных сооружений является относительная дешевизна и достаточная степень очистки.

Апробация работы. Материалы исследований обсуждались на секциях Ученого Совета ВНИИГиМ в 1996-199В годах, были доложены на научно-технической конференции в МГУП в 1997 г. Сорбентмелиорант «СОРБЭКС», локальное очистное сооружение и технология внутрисистемного улучшения качества дренажного стока экспонировались на ВВЦ и были отмечены медалями.

Апробацию рекомендованных сорбентов проводились на объектах коммунального строительства и очистных сооружениях городских поверхностных стоков г. Москвы. Внедрение осуществлено на объектах «Новоалександровка», «Ольховка», «Новоалексеевское».

Публикация. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и предложений, списка использованной литературы из 117 наименований; изложена на 131 странице машинописного текста, включая 16 рисунков, 26 таблиц.

Содержание работы

Во введении на основе анализа динамики водопотребления и водоотведения в агропромышленном комплексе РФ показано, что несмотря на значительное (в 2 раза) сокращение использования пресной воды на орошение и обводнение с 1980 по 1995 г, объем сброса в 1995 г составил 11,42 км.З, из них около 70% - дренажно-сбросные воды (ДСВ), имеющие повышенную минерализацию и загрязненные биогенами, пестицидами и тяжелыми металлами.

В первой главе по литературным источникам выполнен анализ влияния мелиорации на качество сбросных и дренажных вод, рассмотрены существующие методы очистки природных, сбросных и дренажных вод.

Степень участия сельскохозяйственного производства и мелиорации в загрязнении природных вод не всегда одинакова. Многочисленными исследованиями установлено, что внесение минеральных и органических удобрений, средств защиты растений, а также химмелиорантов резко меняет концентрацию и соотношение химических элементов по всему почвенному профилю: почти в 3 раза возрастает концентрация хлора, заметно увеличивается содержание сульфатов и гидрокарбонатов. Минеральные и органические удобрения и мелиоранты являются источниками антропогенного поступления тяжелых металлов (ТМ) в почву. В.Ф. Ладонин отмечает, что основным источником поступления цинка в почву является навоз, свинца, никеля, железа и марганца - фосфорные удобрения и известь, кадмия и никеля - фосфоритная мука. На орошаемых землях источником поступления загрязнителей является оросительная вода.

Исследования ряда ученых { Ахметьевой Н.П., Левина Ф.И. и др.) показали, что повышенное содержание нитратного и аммонийного азота в грунтовых водах приурочено к полям с высокой степенью внесения удобрений. Также при орошении наблюдается повышенная миграция пестицидов по почвенному профилю. Это создает дополнительные возможности к проникновению пестицидов в грунтовые воды, водоносные горизонты и их вынос в ДСВ.

Таким образом, как показал анализ, сельскохозяйственная и мелиоративная деятельность оказывают существенное влияние на формирование качества сбросных и дренажных вод: возрастает их минерализация, в дренажных водах обнаруживаются пестициды, биогенные вещества, металлы ( железо, марганец, медь, цинк, свинец и др.). Все это, попадая в поверхностные водоисточники, изменяет минера-

лизацию и качество воды в них.

Возникает объективная необходимость в проведении мероприятий по предотвращению загрязнения природных вод и уменьшению выноса растворенных веществ с коллекторно-дренажными и сбросными водами. Поэтому одним из важнейших природоохранных мероприятий должна стать их очистка.

В настоящее время разработаны методы очистки природных вод от отдельных ингредиентов, которые можно применить и для очистки дренажных и сбросных вод. В работе рассмотрены различные методы очистки природных, дренажных и сбросных вод. В соответствии с поставленной целью, значительный интерес представляет применение естественных и модифицированных сорбентов, а также их комплексирование с биологическими методами.

Вопросами очистки природных вод занимались многочисленные исследователи: Асс Г.Ю., Трубецкой Б.Е., Безднина С.Я., Тарасевич Ю.И., Жарков В.В., Вахи-тов Т.В., Золотова Е.Ф., Кирейчева Л.В., Клячко В.А., Когановский A.M., Кульский Л.А., Залетова H.A., Сегаль Г.Я., Капустян A.C. и др. Биологическим методам очистки свои работы посвятили: Даишев Ш.Т., Рузиев И.Б., Хвощева Б.Г., Мережко А.И., Ворочинский К.Н., Шокодько Р.И., Магомедова В.Г. и др.

Большие запасы, хорошие физико-химические характеристики, дешевизна, возможность утилизации, а в некоторых случаях и регенерации природных и полученных на их основе модифицированных и полусинтетических сорбентов, делают экономически целесообразным их применение в процессах очистки дренажно-сбросных вод.

Дренажно-сбросные воды по своей сути являются природно-техногенными водами и этим определяется их качество. Наряду с веществами, поступающими из природных грунтовых вод в ДСВ содержатся антропогенные загрязнители (пестициды, остатки удобрений и ряд ионов металлов), не свойственные данным гидрохимическим условиям. Все это осложняет применение известных способов очистки. Применяемые природные сорбенты не всегда достаточно эффективны. Поэтому перед автором были поставлены 2 задачи: подобрать наиболее эффективные сорбенты или их смеси для очистки дренажно-сбросных вод от основных загрязнителей и разработать технические средства и технологические схемы внутрисистемного улучшения качества дренажно-сбросных вод на гидромелиоративной системе.

Во второй главе приведены результаты исследований ВНИИГиМ по обоснованию оптимального компонентного состава нового сорбентмелиоранта, а также

обоснованы теоретические предпосылки использования СОРБЭКСа для очистки дренажно-сбросных вод и других стоков. Общим недостатком известных сорбентов является то, что каждый из них либо имеет достаточно узкую область применения, либо требует больших материальных и финансовых затрат на его применение и производство. Наиболее широкое распространение в мире получил активированный уголь. Это достаточно эффективный сорбент, но дорогой, что ограничивает его применение в мелиорации.

Исходя из этого, возникла необходимость создания нового сорбентмелиоран-та многоцелевого назначения, способного поглощать токсичные вещества, тяжелые металлы, пестициды и т.д. Эта разработка была выполнена в отделе природоохранных технологий ВНИИГиМ.

Сырьевые компоненты для составления композиций нового сор-бентмелиоранта выбирались в соответствии со следующими требованиями: » присутствие органической и минеральной составляющих ; » физиологическая нейтральность (рН=6,0-7,5);

» способность сорбировать подвижные формы тяжелых металлов и пестицидов; • доступность обеспечение высокой емкости поглощения; » одновременное и относительная дешевизна исходного сырья.

После исследования различных сырьевых компонентов и их смесей в результате выполненных в 1990-1995гг работ был выбран состав композиции, характеризующийся наибольшей сорбционной способностью (ЕКО=256мг-экв/ЮОг) и большой удельной поверхностью (160 м2). В него вошли следующие ингредиенты: сапропель-65%, цеолит -10%, сульфат алюминия - 10%. Полученный сорбентмелиорант запатентован ( патент РФ №2049107 "Состав для мелиорации почв СОРБЭКС") и назван СОРБЭКС.

СОРБЭКС создавался для детоксикации почв. Поэтому рядом специалистов -Л.В. Кирейчевой, И.В. Глазуновой, В.М. Яшиным и аспирантом Нгуен Суан Хаем были проведены исследования по оценке его эффективности для детоксикации почв и получения экологически чистой продукции.

Использование нового сорбентмелиоранта СОРБЭКС на загрязненном тепличном грунте показало его высокую эффективность при получении экологически чистой сельскохозяйственной продукции. В сельскохозяйственной продукции произошло значительное снижение ТМ по сравнению с контролем: в огурцах в 1,5-2

раза, плодах перца сладкого в 1,5-6 раз, в салате берлинском в 3-6 раз.

В настоящее время в связи с резким удорожанием любых материалов и работ по созданию крупных очистных сооружений возникла острая необходимость в применении для очистки воды недорогих, но достаточно эффективных методов. Изучив состав, а также положительные моменты в применении сорбентмелиоранта СОРБЭКС на почвах, можно предположить, что его использование для очистки дренажных и сбросных вод даст не менее положительный результат.

СОРБЭКС обладает высокой дисперсностью, значительной емкостью катион-ного обмена и многокомпонентным составом, проявляет все виды поглотительной способности: физической, химической и физико-химической.

Физическая адсорбция характеризуется способностью сорбента увеличивать концентрацию молекул различных веществ у поверхности тонкодисперсионных частиц. Учитывая это, можно предположить, что крупные молекулы органических веществ, такие как пестициды и нефтепродукты могут механически удерживаться на поверхности частиц сорбента или попадать в сорбционные ловушки.

Химическая сорбция - это образование в процессе химических реакций труднорастворимых соединений, выпадающих из раствора в осадок. В диссертации детально проанализированы процессы, протекающие при взаимодействии СОРБЭКСа с водой. СОРБЭКС удачно сочетает свойства сапропеля (содержание органики в сапропеле составляет 28-30%) с минеральными добавками - цеолит и химическим веществом (сульфат алюминия). В результате гидролиза сульфата алюминия образуется серная кислота, которая разрушает присутствующие в сорбенте карбонаты кальция и магния, в результате чего освобождаются дополнительные обменные емкости для поглощения тяжелых металлов. Это подтверждается тем, что емкость поглощения у СОРБЭКСа выше чем суммарная емкость составляющих его компонентов.

Таким образом, теоретически можно предположить, что при фильтрации загрязненной воды через сорбент СОРБЭКС могут поглощаться органические и орга-номинеральные соединения ( пестициды, нефтепродукты); ионы тяжелых металлов, многовалентные соединения фосфора. Для подтверждения теоретических предпосылок были проведены серии лабораторных опытов.

Третья глава посвящена исследованию возможности применения сорбентмелиоранта СОРБЭКС и его составных компонентов для очистки дренажно-сбросных вод и других стоков.

В состав СОРБЭКСа входит 25% цеолита, представляющего собой как бы молекулярное сито, на котором могут задерживаться крупные молекулы. С целью проверки данной предпосылки B.C. Мясищевой были проведены лабораторные эксперименты по очистке воды СОРБЭКСом от хлорорганических пестицидов. В дистиллированной воде объемом 12л было растворено 5г пестицида гексахлорциклогекса-на ГХЦГ, подготовленный раствор пропускали через фильтр ФИСЛОН, обработанный 50г сорбентмелиоранта СОРБЭКС.

Результаты опыта показали, что «проскок» произошел только после фильтрации 9л раствора с концентрацией 0,4г/л. Аналогичные результаты были получены Лукашевым Е.А., Квитка Л.А. по сорбции хлорорганических соединений (ХОС) из дистиллированной воды активированным углем. Емкость поглощения составила 180мкг/л т.е. 1кг активированного угля может поглотить 180г ХОС, что наблюдалось и в опыте с СОРБЭКСом. Поэтому можно предположить, что поглотительная способность СОРБЭКСа по отношению к ХОС достаточно высока. Расчетами установлено и подтверждено опытами, что 1кг сорбента может поглотить до 100г ХОС, что подтверждает возможность его использования для очистки ДСВ.

Оценку кинетики сорбции тяжелых металлов выполняли в лабораторных статических условиях. Для этого автором был проведен следующий эксперимент. В дистиллированной воде были растворены соли цинка, меди и свинца. В подготовленный раствор добавляли 90г порошкообразного сорбентмелиоранта СОРБЭКС. Для получения экспериментальных кинетических зависимостей раствор перемешивался и отстаивался в течение 10 дней. После этого были отобраны пробы. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица!

Содержание тяжелых металлов в исходной воде и после проведения опыта (среднее значение из 3-х повторностей)

Наименование показателя Содержание веществ, мг/л

в исходной воде после проведения опыта

Медь 910 30

Цинк 780 20

Свинец 740 12

Полученные результаты свидетельствуют о том, что сорбентмелиорант СОРБЭКС может очищать воду от меди, цинка, свинца. В частности, от меди - на 96,7%, от цинка - на 97,4%, от свинца - на 98,4%. Для улучшения потребительских

свойств сорбентмелиоранта СОРБЭКС было решено использовать его не только в виде порошка, но и в виде гранул, что значительно упростит работы по практическому применению сорбента в фильтрах или очистных сооружениях.

Гранулирование сорбента проводилось в лабораторных условиях. Из порошкообразного сорбента формировались шарики диаметром 2-3 см. Далее проводился их обжиг в специальной муфельной печи при 1=800°С в течение 7 часов. Гранулы получаются светлокоричневого цвета, достаточно прочные и не размокающие в воде.

С целью установления влияния гранулирования на поглотительную способность нами был проведен следующий лабораторный эксперимент по поглощению тяжелых металлов. В 1л дистиллированной воды разводили соли цинка, меди и свинца. Опыт проводился в 3-х кратной повторности. В колбы наливали по 300 мл раствора солей и добавляли по 50 г порошкообразного и гранулированного сорбента. Отдельно в колбе оставляли контрольный раствор. Все колбы стояли с ежедневным перемешиванием 40 дней. Потом были отобраны пробы. Результатам эксперимента показаны в табл. 2.

Таблица 2.

Содержание тяжелых металлов в пробах воды при применении порошкообразного и гранулированного сорбентмелиоранта СОРБЭКС (среднее из Зх определений)

Наименование металлов Содержание тяжелых металлов в растворе, мг/п Коэфф-т поглощения (отношение кол-ва поглощенного металла к исход.содерж)

исходное (раствор) с порошком сорбента с гранулами

порошок гранула

медь 380 0,05 0,8 0,99 0,98

ЦИНК 1190 1,73 3,3 0,99 0,98

свинец •ч-со 0,001 0,9 0,99 0,98

По результатам эксперимента видно, что порошкообразный сорбентмелио-рант СОРБЭКС позволяет очистить воду от меди, цинка и свинца на 99%. Гранулированный СОРБЭКС очищает воду от меди, цинка и свинца на 98%. Это свидетельствует о том, что в зависимости от конкретных условий возможно применение для очистки воды от тяжелых металлов как порошкообразного, так и гранулированного сорбентмелиоранта СОРБЭКС.

По результатам опыта произведен расчет адсорбционной емкости А1 по формуле:

А(= (Со - СП . УУ, где (1)

. т

Со—исходная концентрация тяжелых металлов в растворе; & — концентрация тяжелых металлов в растворе в момент времени 1;

W- объем пробы воды; т- навеска адсорбента.

Суммарная адсорбционная емкость составила 10,14мг/г.

Динамика сорбции гранулированным сапропелем, гранулированным СОРБ-ЭКСом и цеолитом нами исследовалась на фильтрационных приборах типа Тима-Каменского. Прибор представляет собой параллелепипед высотой 20см и площадью поперечного сечения 10см2., имеющий внизу сливной патрубок. Объем прибора позволяет загружать до 1,5кг гранулированного сорбента.

Исследовалась возможность поглощения биогенных веществ СОРБЭКСом и сапропелем. Для этой цели были использованы коммунапьно-бытовые стоки, имеющие биогенное загрязнение.

Коммунально-бытовые стоки были отобраны на станции водоочистки и представляли собой осветленную, очищенную от взвесей жидкость.

Приборы заполнялись гранулированным сорбентом и сапропелем. Стоки фильтровались сверху вниз. Опыт проводился в 3-х кратной повторности.

Для контроля процесса сорбции через каждые 500мл фильтрата с помощью германского прибора СВ-570 определялся рН, электропроводность, температура и содержание кислорода в фильтрате.

Результаты опытов представлены в табл. 3,4.

Таблица 3.

Использование в качестве сорбента гранулированного сапропеля (среднее из 3-х лоагорностей)

Наименование ингредиентов Взвешенные вещества,мг/д мЗ Нитрит-ион, мг/дмЗ Нитрат-ион, мг/дмЗ Фосфаты, мг/дмЗ

Исходная вода из очистных сооружений 60 0,18 0,15 7,0

После фильтрации через гранулирован, сапропель 300 1,2 6,25 <2,0

ПДК для рыбохозяйствен-ных водоемов 0,08 40,0 2,0

Таблица 4.

Фильтрация через гранулированный СОРБЭКС (среднее из 3-х повторностей)

Наименование ингредиентов

Вгвешенны е вещества мг/дмЗ

Аммоний-ион, мг/дмЗ

Нитрит-ион, мг/дмЗ

Нитрат-

ион, мг/дмЗ

Фосфор, мг/дмЗ

Исходная вода из очистных сооружений

102,5

0,6

0,19

46,0

2,0

7,6

Проба N«3 после фильтрации через СОРБЭКС.. ...

67

0,78

0,19

36,3

3,0

9,8

Проба N4

76,5

0,6

0,18

40,3

2,8

8,2

ПДК для рыбохозяй-ственных водоемов

0,5

0,08

40,0

2,0

Анализ результатов эксперимента при фильтрации через гранулированный СОРБЭКС показал, что происходит снижение взвешенных веществ, количество ионов аммония, нитратов и нитритов практически не изменяется.

При фильтрации через гранулированный сапропель наблюдается увеличение взвешенных веществ за счет размыва гранул сапропеля. Происходит также повышение концентрации нитратов и нитритов в 5-7 раз. Это связано с наличием данных биогенов в сапропеле и их вынос из них. Количество фосфатов понижается более чем в 3 раза за счет сорбции.

Таким образом, применение этих сорбентов не позволяет добиться нужного уровня очистки воды от нитритов и нитратов, так как они не поглощают одновалентные ионы, поэтому при очистке дренажного стока, загрязненного биогенами, может возникнуть необходимость в создании дополнительных сооружений.

Учитывая, что новый сорбент СОРБЭКС имеет многокомпонентный состав и, как указывалось выше, разные механизмы сорбции, автором не 'ставилась задача получения изотерм сорбции для отдельных ионов, а исследовались процессы адсорбции из конкретных стоков. Ввиду того, что в дренажной воде концентрация ТМ незначительна, для более представительного анализа применялись загрязненные городские поверхностные стоки. Отбор воды для исследований осуществлялся непосредственно из последней камеры водоочистного сооружения «Тушино 2» г. Москвы.

Опыт проводился на вышеописанных фильтрационных приборах автором совместно с В.М. Яшиным в 3-х вариантах - с гранулированным сорбентом СОРБЭКС; с гранулированным сапропелем; с дробленным цеолитом. Такая постановка исследований позволила не только оценить эффективность СОРБЭКСа, но и роль его составляющих компонентов в процессах адсорбции.

Результаты опыта представлены в табл. 5.

Таблица 5.

Результаты очистки городских стоков г. Москвы (Тушино 2) сорбентами

NN п/п Определяемые показатели ПДК, мг/л Исходная вода, мг/л Смешанная проба из 4-х порций после фильтрации, мг/л

СОРБЭКС Сапропель Цеолит

1 РН 6.5-8.5 8.1 11.4 7.41 7.05

2 БПК 3 3.7 2 7.2 2.2

3 Нефтепродукты 0.05 0.69 <0.05 0.15 0.09

4 Хлориды 300 734 51.7 298 192

5 Сульфаты 100 1000 104 402 43.7

6 Железо 0.1 2.97 0.39 0.4 0.52

7 Свинец 0.01 0.1 0.032 0.007 0.0025

8 Хром 0.07 0.015 <0.01 не обн. <0.01

9 Цинк 0.01 0.11 0.098 0.089 0.046

10 Никель 0.01 0.01 0.0023 0.011 0.0057

На рис. 1 представлена диаграмма очистки городских поверхностных стоков от тяжелых металлов.

Рис. 4 . Диаграмма степени очистки городских стоков от тяжелых металлов.

По результатам опыта можно говорить о том, что БПК5 после фильтрации через СОРБЭКС уменьшается, а при фильтрации через сапропель значительно увеличивается, так как'в состав сапропеля входит большое количество кислородосодер-жащих бактерий. При фильтрации через все сорбенты содержание нефтепродуктов значительно уменьшается. Однако сорбентмелиорант СОРБЭКС уменьшает количество нефтепродуктов в 14 раз, сапропель - в 5 раз, цеолит - в 8 раз. Высокая степень очистки от хлоридов наблюдается при фильтрации через СОРБЭКС. Фильтрация через цеолит позволяет очищать воду от сульфатов практически в 2 раза. При фильтрации через СОРБЭКС и сапропель значение сульфатов увеличивается.

Результаты опыта свидетельствуют и о высокой степени очистки СОРБЭКСа и сапропеля от тяжелых металлов. СОРБЭКС очищает воду от железа на 72%, от свинца - на 98%, от цинка - на 52%, от кобальта - на 91 % , от никеля - на 60%.

Проведенный эксперимент подтверждает проведенный ранее статический опыт по поглощению сорбентмелиорантом СОРБЭКС тяжелых металлов.

Учитывая, что степень адсорбции сорбентами для каждого иона различная, выполнена сравнительная оценка очистки воды исследуемыми сорбентами (табл. 6).

Таблица 6.

Оценка результатов очистки городских стоков по трудноустранимым загрязнителям, %

Показатель СОРБЭКС сапропель цеолит

нефтепродукты 100 100 50

железо 60 60 50

свинец 121 120 125

хлориды 117 99 64

сумма 398 379 289

За 100% приняты нормативы ПДКдля рыбохозяйственных водоемов. Оценка производилась по следующей системе: при очистке сорбентом вод до нормативного уровня ему присваивалось 100%, при данных лучших, чем норматив, процент очистки превышал 100%, а при недостаточной степени очистки - оценка снижалась. Проведенное сравнение наглядно показывает преимущества предлагаемого сорбента СОРБЭКС. Для более точной оценки в дальнейшие расчеты введен показатель относительной опасности веществ. Расчет проводился аналогичным методом Результаты расчета приведены в табл. 7.

Таблица 7.

Расчет ранга по скорректированной оценке

название сорбента Вещества суммарн ая оценка суммарная скорректированная оценка Ранг

нефтепро дукты железо свинец хрориды

15.0* 3.0 25.0 0.05

СОРБЭКС 100 60 121 117 398 4710,85 1

Сапропель 100 60 120 99 379 4684,95 2

Цеолит 50 50 125 64 289 4028,2 3

К - показатель относительной опасности

Таким образом, можно сделать вывод о том, что сорбентмелиорант СОРБЭКС является наиболее эффективным для очистки дренажно-сбросных и других стоков по сравнению с другими исследованными нами сорбентами.

Проведенные автором лабораторные исследования и данные ЮжНИИГиМа позволяют выполнить сравнение СОРБЭКСа с наиболее широкоиспользуемым активированным углем и дать рекомендации по применению сорбентов для очистки ДСВ (табл. 8).

Таблица 8.

Оценка сорбции загрязнителей различными сорбентами (% задержки)

Определяемые показатели Вид сорбента

Активный уголь^ Бентонитовая глина** Глауко- НИТОВЫЙ песок^ Сапропель 03. Неро Цеолит (<Эрл. обл.) СОРБЭКС

Пестициды 98.5-99.9 15.8-48.5 14.4-42.9 Н. д. Н. д. 100

Никель 100 100 100 не сниж. 43 77

Кобальт 100 100 100 96 98 91

Медь 68.2 87.3 88.2 98 Н. д. 96.7-98

Железо 54.6 63.0 н.д. 86 82 72

Свинец 100 190 100 98 75 98

рН 5.45 6.75 6.40 7.41 7.05 11.4

' - данные ЮжНИИГиМ

Результаты сравнения подтверждают достаточную сорбционную способность СОРБЭКСа, а экономическая оценка (стоимость 1кг активированного угля на мировом рынке составляет 2$ USA, а себестоимость СОРБЭКСа 0,3$ USA) отдает ему приоритет.

В четвертой главе приводятся исследования по оценке эффективности применения сорбентмелиоранта СОРБЭКС и гранулированного сапропеля в специальных локальных очистных сооружениях на дренажной системе, которые позволили бы эффективно проводить очистку дренажных и сбросных вод от антропогенных загрязнителей и корректировать их ионный состав. Во ВНИИГиМе предложен и запатентован способ очистки дренажного стока с применением съемного фильтрующего элемента.

Предложенный способ очистки дренажного стока включает удаление механических примесей, ионов тяжелых металлов, остатков пестицидов и удобрений. Удаление загрязнителей осуществляется непосредственно в дрене, пропуском дренажных вод через специальный волокнистый материал, затем двухслойный фильтр, об-

работанный сорбентмелиорантом, и гранулированный сорбентмелиорант со скоростью не выше 40м/сут„ изменяющий ионный состав дренажных вод с последующей аккумуляцией очищенной воды в накопительной емкости. Устройство устанавливается на каждую дрену, что позволяет избирательно решать вопрос об очистке воды в зависимости от исходного качества дренажной воды (рис. 2).

При прохождении воды через этот фильтр происходит механическая адсорбция пестицидов и физико-химическое поглощение и обмен ионов, находящихся на поверхности коллоидных частиц на эквивалентное количество ионов раствора.

В соответствии с установленными нами в работе закономерностями поглощение возрастает с увеличением атомной массы Мд< Са < Со <Сс1 и т.д., поэтому тяжелые металлы Си, РЬ, Zn, Со, Сс1 и др. будут активно поглощаться сорбентом из водного раствора, что подтверждается лабораторными испытаниями, описанными главе 3.

Очищенная этим фильтром дренажная вода поступает на следующий фильтр, который представляет собой гранулированный сапропель, предварительно обработанный известью не более 30% по массе, или гранулированный СОРБЭКС.

Фильтрация через гранулированный сапропель или СОРБЭКС приводит к частичной деминерализации и коррекции ионного состава, которая происходит за счет выпадения в осадок труднорастворимых солей ( например, Са504, СаСОЗ), а коррекция ионного состава - за счет замещения Са в почвенно-поглощающем комплексе на что подтверждено лабораторными испытаниями.

Указанное техническое решение позволяет осуществлять очистку дренажных вод на каждой конкретной дрене, если дрена входит в открытый коллектор. Однако, в последнее время в орошаемой зоне РФ создавались дренажные системы, на которых коллекторы строились закрытыми. Дренажный сток поступает в закрытый дре-нособиратель и сбрасывается либо в открытый коллектор, либо в водоприемник. В этом случае автором предложено локальное очистное сооружение в виде фильтрующего колодца, которое сможет обслуживать определенную дренируемую площадь (рис.3).

Предлагаемое локальное очистное сооружение (ЛОС) представляет собой фильтрующий колодец по СНиП 2.04.03-85, в котором дополнительно устанавливается съемный фильтрующий пакет, состоящий из защитнофильтрующего материала и гранулированного сорбента СОРБЭКС.

Дренажный Г~ трубопровод

Фи »цр Алл ТГЧТГетЯПГГВТКсгн

/ \ {Накопите

Накопительная емысть

ЧПатррн с грану-«мроваимын сорБсмтом

Рис. 2. Съемный фильтрующий элемент

Песчано-

*л** ******* V ***********

* ******** *л4*

1шяммшяяяяяшяш9

а) Схема съснного фильтрумщего эленеша ЗФМ

г ■■ " I Гранулированный ■ 1 я сорбент

Рис. 3. Принципиальная схема фильтрующего колодца

Рис. 4. Фильтрующая траншея, комплексиропанная с бионлато

Предлагается 2 варианта устройства ЛОС:

- на дренажной системе при впадении дренособирателя е закрытый коллектор более высокого порядка;

- на коллекторе в месте сброса дренажных вод в водоприемник. Возможен и такой случай, когда очищенные дренажные воды фильтруются в водоносный горизонт.

При размере колодца 1,5 х 1,5м и толщине съемного фильтрующего пакета 1м требуется около 2т сорбентмелиоранта для его засыпки. Такое количество сорбен-тмелиоранта при емкости поглощения 250мг-экв/100г способно удержать 100 кг загрязняющих веществ ( тяжелых металлов, пестицидов, нитратов и др.). После этого необходимо либо заменить съемный фильтрующий пакет на новый, либо регенерировать его на месте, путем промывки его обратным током подкисленной воды до восстановления первоначальной емкости поглощения.

Исходя из ограничения на скорость фильтрации через фильтрующий пакет определяется площадь, обслуживаемая ЛОС по следующей формуле:

F = Vflon*B/g max, (2)

где Vflon - максимально допустимая скорость фильтрации , В - площадь сечения фильтрующего элемента, g max - модуль дренажного стока.

Проведенными исследованиями было установлено, что СОРБЭКС практически не поглощает ионы нитратов, нитритов и аммонийный азот.

В дренажно-сбросных водах эти ионы могут присутствовать, поэтому возникает необходимость в дополнительных технических решениях, одним из которых может быть комплексирование ЛОС с биоплато, которое позволяет очищать дренажный сток за счет поглощения биогенных веществ водными растениями, фильтрации и осаждением взвешенных веществ.

В случае, если вода, прошедшая через локальное очистное сооружение, будет сбрасываться в открытый коллектор, доочистка от биогенов может происходить непосредственно в открытом коллекторе, где основным фактором биологического самоочищения также служат водные растения (рис.4).

Технология очистки ДСВ на гидромелиоративной системе состоит в следующем. Очистка должна производится отдельно для сбросных и дренажных вод в силу того, что эти воды значительно отличаются как по количеству так и по качественному составу. Применение съемного фильтрующего элемента возможно на участках с

модулем дренажного стока <0,05л/с га.

При необходимости очистки воды с определенной дренируемой площади целесообразно использовать локальные очистные сооружения в виде фильтрующих колодцев. При проектировании этих сооружений для достижения требуемой степени очистки необходимо учитывать ограничения по скорости фильтрации. Лабораторными экспериментами установлено, что скорость фильтрации через сорбент должна быть не более 40м/сут. Локальные очистные сооружения целесообразно устраивать на площадях с модулем дренажного стока >0,05л/с га.

При модуле дренажного стока 0,05л/с га., размере колодца 1,5x1,5м и толщине съемного фильтрующего пакета 1м дренируемая площадь, обслуживаемая одним ЛОС, составляет 20га. Для загрузки такого пакета требуется 2т сорбента. Проведенные в работе расчеты, свидетельствуют о том, что фильтрующий пакет необходимо менять 1 раз в год.

При модуле дренажного стока более 0,1 л/с га строительство ЛОС не является рациональным, так как 1 фильтрующий колодец потребовался бы на Юга дренируемой площади. Нами предложено устройство фильтрующей траншеи с несколькими последовательно расположенными фильтрующими пакетами. Количество пакетов определяется исходя из размеров дренируемой площади, которую необходимо очистить. Так, для площади 250га необходимо устраивать фильтрующую траншею с 2-3-мя последовательно расположенными фильтрующими пакетами. Целесообразно использовать фильтрующую траншею вместе с биоплато, если она создается в сбросном канале или на выходе в водоприемник. В случае, если фильтрующие пакеты устанавливаются в коллектор, следует проводить его частичную реконструкцию с посадкой соответствующей растительности.

Технологическая схема внутрисистемного регулирования качества дренажно-сбросных вод на гидромелиоративной системе с указанием сооружений для очистки вод показана на рис.5.

Условные обозначения:

9 10 А

Б В

река

водосбросное сооружение

насосная станция

магистральный канал

подпорное сооружение

напорный трубопровод

дорога

плотина

водохранилище

пруд

фильтрующая траншея комп-лексированная с биоплато фильтрующие колодцы съемные фильтрующие

Рис. 5 Схема дренажной системы с внутрисистемным регулированием качества волы.

Выводы.

1. На основе изучения литературных источников и проведенных исследований выполнен анализ влияния мелиоративной и сельскохозяйственной деятельности на качество сбросных, дренажных и поверхностных вод, который показал, что в результате мелиоративной деятельности как на орошаемых, так и на осушаемых землях увеличивается миграция химических элементов в почве, грунтах и подземных водах. Это приводит к формированию значительных объемов загрязненных сбросных и коллекторно-дренажных вод, которые, попадая в поверхностные водоисточники, ухудшают качество последних и нарушают экологическое равновесие. В дренажно-сбросных водах обнаруживаются пестициды до 200 мкг/л, нитраты до 60 и более мг/л, тяжелые металлы.

2. Изучены существующие методы очистки и коррекции ионного состава природных, сбросных и дренажных вод. Выполненный анализ показал, что перспективным для улучшения качества дренажно-сбросных вод может оказаться применение природных сорбентов, что связано с практически неограниченными сырьевыми ресурсами, малыми энергозатратами и близким к естественному процессу очистки.

3. Для очистки дренажной воды был выбран разработанный во ВНИИГиМе новый сорбентмелиорант СОРБЭКС, состоящий из 65% сапропеля, 25% цеолита и 10% сульфата алюминия. СОРБЭКС имеет высокую емкость поглощения ( 250 мг-экв/ЮОг), большую удельную поверхность (160 м2/г) и нейтральную реакцию рН= 66,5.

4. Изучены свойства нового сорбентмелиоранта СОРБЭКС и механизм его взаимодействия с водой, который состоит из физического, химического и физико-химического поглощения.Сульфат алюминия, входящий в состав СОРБЭКСа, способствует протеканию в воде ряда химических реакций, благодаря которым освобождаются дополнительные емкости в сорбенте. Это обеспечивает поглощение тяжелых металлов сорбентом и их переход в водонерастворимые соединения, что приводит к снижению их концентраций в дренажной воде и, как следствие, препятствует их поступлению со сбросными водами в водоприемник.

5. Выполнена оценка сорбционного действия сорбентмелиоранта СОРБЭКС и его составных ингредиентов, которая подтвердила, что СОРБЭКС снижает концентрацию подвижных форм тяжелых металлов на 96-98%, концентрацию пестицидов -на 100%. Сапропель снижает концентрацию подвижных форм тяжелых металлов на

62-96%, цеолит хорошо очищает воду от цинка, никеля и свинца. Также наблюдается высокая степень очистки воды сорбентмелиорантом СОРБЭКС от нефтепродуктов, хлоридов и сульфатов. В ходе исследований установлено, что 100г сорбента способны поглотить до 5мг пестицидов. 1т сорбента способна поглотить 87кг Си, 81кг Ъп, 129кг РЬ, до 57кг КЬ .

6. На основании экспериментальных исследований предложена технология внутрисистемного улучшения качества дренажно-сбросных вод в локальных очистных сооружениях с использованием сорбентмелиоранта СОРБЭКС, включающая съемный фильтрующий элемент, фильтрующий колодец и фильтрующую траншею.

7. Для внутрисистемного регулирования качества дренажного стока предлагается комплексирование фильтрующих колодцев с биоплато, что повысит степень очистки и обеспечит благоприятные экологические условия прилегающих территорий. При установке фильтрующих элементов в коллектор рекомендуется реконструкция его части с целью обеспечения доочистки коллекторно-дренажных стоков водной растительностью.

На предлагаемые локальные очистные сооружения разработаны технические требования.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Улучшение качества дренажных вод с использованием природных сорбентов // Мелиорация и водное хозяйство.-1998.- №1. (в соазторстве).

2. Дренажные системы XXI века II Вопросы мелиорации,- 1998.- Вып. 1-2. (в соавторстве).

3. Улучшение качества дренажного стока природными сорбентами. // Тез. докладов научно-технической конференции МГУП.- М.,1998.

4. Очистка дренажного стока от пестицидов, тяжелых металлов, ядохимикатов с помощью съемных фильтров. //Материалы международного конгресса «Вода: экология, технология»: Тезисы докладов. - М.,1998

5. Исследование природных сорбентов с целью их использования для очистки дренажных вод / ВНИИГиМ,- М.,1997,- с.8. - библиогр.: 5 назв.-Деп. в ЦНТИ « Мелио-водинформ» 25.06.97, N781.

6. Внутрисистемное регулирование качества дренажно-сбросных вод на гидромелиоративной системе. /ВНИИГиМ,- М.,1998.- с.5: рис.5.- Деп.в ЦНТИ «Мелиоводинформ» 12.03.98, N 789.