Разработка технологической схемы биологической очистки сточных хромсодержащих вод
Автор: Кондратьев Денис Андреевич,
химико-биологический лицей, 11 класс
Научный руководитель: Макаренко Зинаида Петровна,
заместитель директора по
научно-экспериментальной работе
химико-биологического лицея, к. т. н.,
старший научный сотрудник
г. Киров
Введение.
Гальванические цеха машиностроительных заводов сбрасывают достаточно большие объемы сточных вод, содержащие тяжелые металлы, которые, попадая на городские очистные сооружения, загрязняют осадки, делая их непригодными для использования с сельском хозяйстве в качестве органических удобрений. В связи с этим разработка технологии локальной очистки сточных вод гальванических производств является очень актуальной. Целью исследовательской работы являлась разработка технологии биологической очистки сточных хромсодержащих вод. На основании результатов проведенных исследований разработана технологическая схема биологической очистки хромсодержащих сточных вод.
Произведен
расчет экологического ущерба при сбросе не очищенных сточных вод гальванических
производств.
1.
Литературный обзор.
В связи в наличием практически на
всех предприятиях машиностроительной промышленности цехов для нанесения
защитных и декоративных гальванических покрытий, проблема очистки этих вод
является очень актуальной.
Только
в г. Кирове 17 предприятий имеют гальванические цеха с линиями хромирования. 6
из них сбрасывают хром в сточные воды. Содержание этих металлов в воде после
локальной очистки приведено в таблице 1.
Эффективность
работы локальных очистных сооружений предприятия низкая (30 – 60 %),
минимальное соответствие состава очищенных стоков требованиям Горводоканала
достигается их разбавлением за счет высокого водопотребления и использования
неучтенных источников воды.
Масса
хрома в сбросах сточных вод Кировской области в 1993,1994,1997,1998, 1999гг.
приведена в виде диаграмм на рисунке 1.
Как
показано на рисунке 1 в сбросах сточных вод с 1993 года привходит резкое
уменьшение содержания хрома. Это не связано с внедрением в эксплуатацию
локальных установок очистки от хрома на предприятиях, а с резким сокращением
объемов производства.
В
1976 году В.Н. Кореньков предложил способ биологической очистки сточных вод.
Предлагаемый способ биологической очистки сточных вод активным илом отличается
тем, что целью очистки от хроматов и бихроматов в качестве микроорганизмов
используют штамм Bacterium dechromaticans Romanenko
[1].
Практическое
применение нашел процесс восстановления шестивалентного хрома в растворах.
Известны бактерии, которые в анаэробных условиях восстанавливают шестивалентный
хром до трехвалентного, последний затем осаждается в виде гидроксида
трехвалентного хрома. Процесс идет при рН=8-9, причем в качестве источника
органических веществ для бактерий можно использовать хозяйственно-бытовые
сточные воды или аэробный (не адаптированный) активный ил. [1].
2. Методики,
используемые при проведении исследований.
Колометрическое определение с дифенилкарбазидом.
Хроматы и бихроматы реагируют в кислой среде с дифенилкарбазидом с образованием растворимого соединения красно- фиолетового цвета. Полученную пробу пропускают через ФЭК-56, полученные данные обрабатывают с помощью калибровочной кривой.
Методика определения кинетики отстаивания
анаэробного активного ила.
Для снятия
кинетики отстаивания брали цилиндр высотой 50 см. и диаметром 50 мм. В цилиндр
заливали смесь активного анаэробного ила и сточной хромсодержащей воды в
соотношении 1/3 и через определенное время замеряли высоту осветленного слоя и
осадка.
3. Разработка
технологии биологической очистки
хромсодержащих
сточных вод.
3.1
Теоретическое обоснование метода очистки.
Способ
биологической очистки сточных вод от шестивалентного хрома был предложен В.Н.
Кореньковым в 1969 г. Автором была
высказана гипотеза, что соединения шестивалентного хрома (ион) могут быть донорами кислорода для
микроорганизмов, окисляющих органические соединения, поэтому очистка может идти
в анаэробных условиях, но не за счет сбраживания, а при одновременном окислении
органики и использовании связанного кислорода.
Cr+6O-2+2R=Cr+3+2RO2 -биологический процесс
Cr+3+3HOH=Cr(OH)3+3H+ -химический процесс
где R-органическое вещество.
В
ИБВВ АН СССР Кореньковым В.Н. совместно с Романенко В.И. ,Кузнецовым С.И. была
получена обогатительная культура, из которой была выделена чистая культура
бактерий, восстанавливающая хроматы в анаэробных условиях. Она была названа Pseudomonas dechromaticans Romanenkovy. Выделенный штамм восстанавливает хроматы и
бихроматы до гидроокиси хрома со скоростью 1г хромата калия (по хрому) за трое
суток на 1г. сухого вещества бактериальной массы. В качестве органического
субстрата данный штамм может использовать разнообразные органические вещества:
пептон, органические кислоты (муравьиная, уксусная, масляная и т.д.), спирты
(метиловый, этиловый, глицерин), мясные и рыбные экстракты, органические
вещества биологических очистных сооружений (ил, биопленка).
Культура бактерий
развивается в широком диапазоне температур и редуцирует хроматы в диапазоне
17-46 oC. Оптимум температуры 18-20 oC [2,3].
Активный
анаэробный ил после многократного использования в процессе биологической
очистки от шестивалентного хрома насыщается гидроокисью трехвалентного хрома.
Далее необходимо отделить гидроокись хрома от активного ила и перевести её в
химическое соединение, которое можно было бы вторично использовать в
промышленности. Одним из вариантов является получение из гидроокиси трехвалентного хрома карбида хрома
по следующей реакции
6Cr(OH)3+2C+9H2 1895oC 2Cr3C+18H2O
3.2
Результаты по очистке хромсодержащих сточных вод
биологическим методом.
В сосуде находится активный аэробный ил, привезенный с очистных сооружений г. Кирова. Ил продувался воздухом, который нагнетался компрессором. Из сосуда брались различные объемы активного ила и разбавлялись различными объемами сточной воды. Потом полученный препарат делился надвое, одна часть ставилась в комнатные условия (температура
18 oC), а вторая часть ставилась в термостат. Термостат изготовлен автором, и представляет собой деревянный корпус, внутри обшитый пенопластом. В его нижней части расположена лампа, мощностью 100 Вт, покрытая медной пластиной. Там же находится регулятор ТРЭ- 104, предназначенный для автоматического двухпозиционного регулирования и сигнализации температуры в системе термостатирования, в комплекте с датчиком температуры 50Т, расположенном на полке для исследуемых проб. На ней также расположен контрольный термометр.
С использованием этой установки были проведены опыты по получению активного анаэробного ила; была определена оптимальная температура процесса биологической очистки
хромсодержащих сточных вод; определено оптимальное соотношение активного анаэробного ила и хромсодержащей сточной воды; была определена оптимальная доза органического субстрата (активного аэробного ила) для подпитки.
Проведенные опыты показали, что в исходной сточной хромсодержащей воде содержится 46 мг/л шестивалентного хрома, а ПДК (для сброса в рыбохо-зяйственные водоемы) для него 0,05 мг/л, следовательно, идет превышение ПДК в 920 раз, следовательно, такую воду сбрасывать нельзя.
Получение адаптированного активного ила. Для адаптации активного аэробного ила в колбу, объемом 300 мл помещают 100 мл активного аэробного ила и добавляют 200 мл сточной хромсодержащей воды, с концентрацией 46 мл/л, которая была взята из гальванического цеха ОАО "Лепсе" с участка хромирования деталей. Процесс адаптации идет в течение трех суток. В течение пяти дней ежедневно в колбу для подпитки добавляют 5 мл аэробного активного ила (в качестве органического субстрата). Колба помещается в термостат с температурой 30 oC. Через каждые 24 часа активный ил отстаивается, сточная вода сливается методом декантирования. А в колбу доливалось 200 мл новой сточной хромсодержащей воды и 5 мл аэробного активного ила для подпитки, и колба вновь ставилась в термостат. В результате получился анаэробный активный ил, который отличался от аэробного тем, что имел темно серый цвет и крупные хлопья. Этот ил использовался для очистки хромсодержащих сточных вод, для определения оптимального соотношения анаэробного активного ила и хромсодержащей сточной воды, когда брались соотношения 1:2, 1:3, 1:8, 2:1 соответственно, при температуре процесса 30 oC и 18-20 oC.
Результаты исследования приведены в таблицах 2 и 3. Из рисунков следует, что наиболее эффективно очистка идет при соотношении 2:1 за два часа (при Т=30 oC), за 1,8 часа (при Т=20 oC), но в этом случае требуется активного ила в два раза больше, чем хромсодержащей сточной воды, а, следовательно, емкостей для содержания активного ила во много раз больших его объема. При соотношении 1:2 очистка идет за 4 часа, а при соотношении 1:3 за 5(6) часов, следовательно, наиболее эффективно использовать соотношение 1:2.
В результате исследований была определена оптимальная доза органического субстрата (аэробного активного ила) для подпитки анаэробного активного ила. Для эксперимента было взято шесть сосудов объемом 400 мл. Их наполнили смесью анаэробного активного ила со сточной хромсодержащей воды в соотношении 1/3. Целью эксперимента было подбор такого количества органического субстрата, для ежедневной подпитки, чтобы очищающая способность активного ила существенно не снижалась как можно дольше. Для этого ежедневно в каждый из сосудов добавляли 1,3,5,7,10,12 мл. Аэробного активного ила. В результате, в течение пяти дней, в первом сосуде время очистки ежедневно в среднем увеличивалось на 40 мин., во втором – на 20 мин., в третьем, четвертом, пятом, шестом - практически не изменялось. На основании полученных данных можно сделать вывод, что оптимальным вариантом является количество субстрата помещаемого в третий сосуд, то есть 5 мл.
3.3 Разработка
технологической схемы биологической
очистки
хромсодержащих сточных вод.
На основании проведенных экспериментальных исследований предлагается следующая технологическая схема биологической очистки хромсодержащих сточных вод, представленная на рисунке 2.
Технологическая схема работает следующим образом. Привозной активный ил закачивается в приемный бункер 1, оттуда по трубопроводу 2 благодаря насосу 3 он попадает в резервуар для содержания активного ила 4. Для того чтобы активный ил не погиб он продувается воздухом, который закачивается компрессором 5 и нагревается до температуры 20 oC в теплообменнике 6. В то же время из ванн промывки по трубопроводу 7 в накопительный резервуар 8 подается хромсодержащая сточная вода. Сточная вода и активный ил через дозиметры подаются в смесительный резервуар 9, где перемешиваются в течение пяти часов мешалкой с двигателем 10. Затем смесь отстаивается в течение пяти часов (за это время основной объем активного ила оседает на дно резервуара), верхние слои воды содержащие незначительное количество активного ила по трубопроводу 11 декантируется в отстойник 12. По прохождении многократно этого цикла, отработанный активный ил по трубопроводу 13 перекачивается в отстойник. Оттуда по трубопроводу 14 отработанный активный ил поступает в накопительный резервуар 15. По мере наполнения этого резервуара отработанный активный ил подается насосом 16 в печь для прокаливания при Т=1895 oC 17, а затем в установку для сжигания отработанного активного ила разработанную финской фирмой "Темпелла". Полученная зола представляет собой карбид хрома, который используется в качестве добавки при выплавке стали.
4.
Микробиологическая оценка флоры ила.
Для оценки использовалась
жидкая тиогликолевая среда. Для создания анаэробных условий на поверхность
среды наносили слой вазелинового масла толщиной 1,5-2,0 см. Кроме этого стерилизация
среды проводилась с уже нанесенным маслом, среды хранились при повышенной
температуре.
Посевы
производились следующим образом: на объем среды, равный 50 мл, высеивалась
0,01 кубика активного ила, перемешивалось и ставилось термостатировать при температуре
18-20 oC.
Оценку
результатов проводили путем микроскопирования, определяя оптическую
концентрацию микробных тел по стандарту мутности (ГИСК им. Тарасевича).
Результаты исследования были
следующими: аэробных - в пределах 15-30 млрд. микробных тел, анаэробных – 5
млрд. микробных тел.
Аэробная
группа имела формы коков, алоидов, палочек. Были подвижные и неподвижные формы,
причем, подвижных форм было гораздо больше, чем неподвижных.
Анаэробная
группа в большинстве своем включала длинные, подвижные, состоящие из двух и
более клеток палочки также небольшое количество неподвижных структур, а также
структур коковидной формы. Также было замечено большое количество слизи.
5. Оценка экологического ущерба, наносимого
окружающей среде хромсодержащими сточными водами.
С целью примерной оценки экологического ущерба был выбран метод предварительной платы за загрязнение окружающей природы солями хрома 6 предприятиями города Кирова.
По
последним данным в 1999 году на очистные сооружения г. Кирова было сброшено
9,42 тонн хрома.
Экономическая
оценка удельного ущерба (рублей/ год) от сброса загрязняющих примесей в
любой водоём источником загрязнения
вычисляется по следующей формуле:
Ув=γ*σк*М
Где: γ – константа, численное значение, которое рекомендуется принимать в размере 400руб./усл.т. для сбросов в водоемы после 1995 года;
σк – константа, имеющая разные значения для разных водохозяйственных участков, в нашем случае она равна 0,8;
Показатель
М рассчитывается по формуле М=(1г./1м.)/ ПДК*м
Для сточных вод содержащих хром экономическая оценка следующая:
Ув=400 * 0,8 * (1/0,05) * 9,42= 60288 (руб./год.).
К примеру, если учесть что сумма платежей на несколько порядков ниже экологического
ущерба, наносимого окружающей среде, то разработка технологии очистки хромсодержащих сточных вод является важной задачей г. Кирова.
Выводы.
1. Анализ литературных данных показал, что в связи с наличием в г. Кирове шести предприятий, сбрасывающих хромсодержащую воду, разработка эффективной, экономически выгодной технологии очистки сточных вод весьма актуальна.
2.
Дано теоретическое обоснование метода биологической очистки.
3.
Исследования по очистке сточных хромсодержащих вод биологическим
методом показали, что эффективность очистки достигает 90% при:
·
соотношении
анаэробного активного ила и сточной хромсодержащей сточной воды 1/3;
·
при
добавлении 5 мл органического субстрата (аэробного активного ила) к 300мл смеси
анаэробного активного ила и очищаемой сточной воды ежедневно;
·
оптимальная
температура 18-20 oC.
Процесс очистки идет за пять часов.
4. Изучена кинетика отстаивания анаэробного активного ила, и определено, что полное отстаивание происходит через 2 часа 14 мин. 15 сек.
5. Микробиологические исследования показали, что в анаэробной форме содержится большое количество подвижных структур состоящих из двух и более клеток, которые принимают весомое участие в процессе очистки сточных хромсодержащих вод.
6. Разработана технологическая схема очистки сточных хромсодержащих вод биологическим методом.
7. Произведен расчет экологического ущерба наносимого окружающей среде сбросами хромсодержащих вод, он составляет 60 288 руб. в год.
Список литературы
1.
Способ
Коренькова биологической очистки сточных вод. РоманенкоВ.И. Кузнецов С.И.
Кореньков В.Н. Авт.св. СССР кл. СО2С5/10 № 521234,заявл.20.11.73 № 1971152
опубл. 20.07.76г.
2.
Романенко
В.И. Кореньков В.Н. Чистая культура бактерий, использующих хроматы и бихроматы
в качестве акцепторов водорода при развитии в анаэробных условиях.
Микробиология, 1977, том XLVI, вып. III.-М.:
АН СССР 1977, с.414-417.
3.
А.С.
521234 (СССР) Способ В.Н. Коренькова биологической очистки сточных вод. Опуб. в
Б.И. 1976, № 26 Авторы: В.Н. Кореньков, В.И. Романенко, С.И. Кузнецов.
|
I |
|
||||||
|
|
Таблица 1. |
|
|||||
|
|
СОДЕРЖАНИЕ СОЛЕЙ ХРОМА
В ВОДЕ ПОСЛЕ ЛОКАЛЬНОЙ ОЧИСТКИ |
|
|||||
|
|
|||||||
|
|
№ п/п |
Предприятия |
Удельное |
Содержание хрома в воде
после |
|
||
|
|
|
|
водопотребление |
локальной очистки в мг/л с 1997-98 г.г., |
|
||
|
|
|
|
|
превышающее ПДК для рыбо-хозяйствен- |
|
||
|
|
|
|
|
ных водоемов (ПДК=0,05мг/л) |
|
||
|
|
|
|
|
1997г. |
1998г. |
|
|
|
|
1. |
Сельмаш |
1,07 |
15 |
30 |
|
|
|
|
2. |
Маяк |
1,2 |
1 |
2 |
|
|
|
|
3. |
Физприбор |
0,25 |
18 |
36 |
|
|
|
|
4. |
Почвомаш |
0,6 |
0,65 |
1,3 |
|
|
|
|
5. |
Крин |
0,48 |
36,5 |
73 |
|
|
|
|
6. |
Веста |
0,7 |
2 |
4 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|
||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица
2. |
|
|
||||||