Доочистка сточных вод химического предприятия от неорганических веществ с использованием элодеи и роголистника (90

На правах рукописи

БОРИСОВА СВЕТЛАНА ДМИТРИЕВНА

ДООЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ХИМИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ ОТ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛОДЕИ И РОГОЛИСТНИКА

03.02.08– Экология (в химии и нефтехимии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань – 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время проблема сохранения и восстановления качества пресных вод особенно актуальна. К районам с повышенной экологической опасностью их загрязнения относится и Поволжский регион, где одним из развитых индустриальных центров является Республика Татарстан.

В условиях ограниченности водных ресурсов и ухудшения их качественного состояния при постоянном повышении требований контролирующих органов к качеству воды, очистка вод, используемых на производственных предприятиях, становится одним из основных критериев их работы.

Проблемы водопользования на предприятиях различных отраслей промышленности, в том числе и химических производствах, могут быть решены, в том числе, путем применения биогидроботанического метода на базе водоемов, расположенных вблизи предприятий.

Биогидроботанический способ, в котором основную функцию выполняет высшая водная растительность, находит все более широкое применение в очистке производственных сточных вод (Морозов, 2001; Стольберг, 2003; Садчиков, 2005; Гоготов, 2005).

Поскольку сточные воды часто характеризуются сложным химическим составом и повышенной кислотностью, выбор видов водной растительности является актуальным. Эта задача требует подбора видов макрофитов, эффективно удаляющих загрязняющие вещества в различных экологических условиях, способных выдерживать повышенную щелочность или кислотность промышленных стоков и сточных вод с территории химических и других предприятий.

Цель работы: исследование, анализ и применение биогидроботанического способа доочистки производственных сточных вод от неорганических веществ с использованием двух видов высших водных растений: элодеи канадской (Elodea canadiensis L.) и роголистника темно-зеленого (Ceratophyllum demersum L.).

Основные задачи исследования:

-провести анализ современного состояния вопроса по применению высшей водной растительности в очистке и доочистке сточных вод;

-изучить особенности изменения концентраций загрязняющих веществ (фосфатов, сульфатов, нитритов, нитратов, железа, меди, цинка, марганца, никеля) в производственных сточных водах в присутствии элодеи и роголистника;

-исследовать способность элодеи и роголистника к аккумуляции таких загрязняющих веществ как ионы железа, меди, цинка, марганца, никеля;

-получить исходные данные для разработки технологии доочистки производственных сточных вод с использованием элодеи канадской и роголистника темно-зеленого.

Научная новизна работы. Получены кинетические зависимости концентраций загрязняющих веществ в производственных сточных водах в процессе их доочистки с помощью элодеи и роголистника в условиях постоянной

3

и изменяющейся нагрузки по фосфатам, сульфатам, нитритам, нитратам, железу, меди, цинку, марганцу и никелю.

Получены зависимости изменения концентрации тяжелых металлов (меди, цинка, железа, марганца, никеля) в фитомассе элодеи и роголистника от времени в процессе их культивирования в химически загрязненных водах.

Построена математическая модель доочистки сточных вод с помощью элодеи и роголистника.

На основе полученных экспериментальных данных расчетным путем определены значения коэффициентов диффузии тяжелых металлов из воды в водные растения.

Практическая значимость работы. Получены исходные данные для разработки технологии доочистки сточных вод химического предприятия от неорганических веществ с помощью элодеи и роголистника. Определено качество исходной сточной воды предприятий для ее последующей доочистки до заданных значений нормативных показателей.

Разработана компьютерная программа моделирования работы водоочистного сооружения с использованием высшей водной растительности «CLEANING», которая позволяет моделировать процесс доочистки загрязненных вод до нормативных значений и объемы водной растительности для последующей утилизации; рассчитать объем очистного сооружения и его загрузки; анализировать работу очистного сооружения во времени с учетом периодической замены растительной массы; разрабатывать оптимальные технологические схемы очистки вод; оценивать эффективность очистки («самоочистки») водными растениями в естественных проточных водоемах; анализировать работу водоочистного сооружения с загрузками любой природы при известных эквивалентных параметрах загрузки.

Даны рекомендации по утилизации биомассы водной растительности, образующейся при ее использовании в доочистке вод.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Научной студенческой конференции, посвященной «Дню энергетика» (Казань, декабрь 2004г.), Международной конференции «Современные проблемы водной токсикологии» (Борок, сентябрь 2005г.), VI Международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, октябрь 2005г.), IX аспирантско – магистерском научном семинаре КГЭУ (Казань, декабрь 2005г.), 1- ой Всероссийской научной конференции «Ресурсосберегающие, водо- и почвоохранные биотехнологии, основанные на использовании живых экосистем» (Казань, март 2006), VI Международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, ноябрь 2005г.), VII Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, декабрь 2006г.), X аспирантско– магистерском научном семинаре КГЭУ (Казань, апрель 2006г.), VIII Всероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Пищевые технологии» (Казань, апрель 2007г.), Международной научнопрактической конференции «Проблемы патологии, иммунологии и охраны здоровья рыб и других гидробионтов – 2» (Борок, июль 2007г.), XI аспирантско – магистерском научном семинаре КГЭУ (Казань, ноябрь 2007г.), II молодежной Международной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, декабрь, 2007г.),

4

молодежных Международных научных конференциях «Тинчуринские чтения», посвященной 40-летию КГЭУ (Казань, апрель 2008, 2009), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной выдающимся педагогам Петровской академии (Москва, июнь 2008г.).

Разработанный способ биогидроботанической доочистки сточных вод был представлен на IV международной конференции «Инновации в науке и образовании-2006» (Калининград, октябрь 2006).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 9 статьях в научных журналах, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, а также 11 тезисах докладов на конференциях различного уровня. Получено свидетельство РФ о регистрации компьютерной программы моделирования процесса очистки вод с помощью водных растений.

Личный вклад автора в работу состоит в непосредственном участии на всех этапах работы и обсуждения полученных результатов, подборе методик, написании статей и тезисов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и 2 приложений. Содержит 151 страницу, 84 рисунка, 10 таблиц. Список литературы включает 230 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы

изадачи исследования. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

Впервой главе дана общая характеристика высшей водной растительности как важного компонента водной экосистемы, проведен анализ биотехнологий очистки сточных вод с использованием высшей водной растительности, рассмотрен вопрос аккумуляции загрязняющих веществ высшими водными растениями, изучены современные способы утилизации биомассы водных растений.

Во второй главе описаны материалы и методы исследования.

Всего отобрано и обработано 60 образцов вод и 100 образцов водных растений. Экспериментальные исследования проводились с сентября 2004 года по 2009 год. Исследовались поверхностно-ливневые и производственные сточные воды химического предприятия оборонного профиля г. Казани и поверхностноливневой сток с территории ТЭЦ, входящей в состав химического предприятия. Эти воды после локальной обработки сбрасываются в старое русло р. Казанка, из которой насосной станцией перекачиваются в р. Волга. Для анализа химического состава сточных вод были отобраны пробы с четырех станций. Определение острого токсического действия вод до начала и в конце эксперимента проводилось методом биотестирования по стандартным методикам. В качестве тест-объектов были использованы зеленая протококковая водоросль хлорелла

(Chlorella vulgaris Beijer) и дафнии (Daphnia magna Straus). Химически

5

загрязненные сточные воды, поступающие на доочистку, отличались острой токсичностью. После доочистки водными растениями не было отмечено острой токсичности для исследованных водных проб.

Обработка проб воды проводилась по 10 показателям на базе химической заводской лаборатории. Контроль проводился в соответствии со стандартными методиками. В экспериментальных водах культивировались отдельно и совместно высшие водные растения: Elodea canadiensis L. и Ceratophyllum demersum L. В качестве контрольной воды использовалась вода р.Волга выше места впадения вод из старого русла р.Казанка. Исследовано содержание тяжелых металлов в элодее и роголистнике до и после их культивирования в загрязненных сточных водах методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии.

Проведены серии экспериментов с использованием постоянной и переменной концентрации ряда тяжелых металлов (железо, медь, марганец, цинк). На основе экспериментальных данных рассчитаны значения коэффициентов диффузии железа, меди, марганца и цинка из воды в биомассу элодеи и роголистника, характеризующие скорость переноса загрязняющих веществ из воды в растения через клеточные мембраны и влияющие на избирательное накопление элементов в тканях растений.

В третьей главе изучены особенности процесса выведения загрязняющих веществ из сточных вод с помощью Elodea canadiensis L. и Ceratophyllum demersum L. в процессе их отдельного и совместного культивирования в загрязненных производственных сточных водах; получены зависимости изменения концентрации ряда тяжелых металлов в воде при доочистке с помощью элодеи и роголистника во времени.

Поскольку р. Волга - водный объект рыбохозяйственного использования и имеет значительное хозяйственно-бытовое, культурно-питьевое и рыбохозяйственное значение, впадающие в реку загрязненные воды должны соответствовать нормативам вод рыбохозяйственного значения.

Сточные и поверхностно-ливневые воды химического предприятия характеризуются высокими концентрациями меди, никеля, марганца, сульфатов, нитритов и фосфатов. Для этих вод характерна кислая реакция воды (рН 4,7±0,2). В период проведения экспериментальных исследований в рамках данной работы неоднократно в емкости - накопителе насосной станции перед сбросом в р. Волга были зафиксированы высокие концентрации таких тяжелых металлов как медь, цинк и марганец. Значения ПДК по этим веществам были превышены в 87 - 450 раз, что свидетельствует о крайней степени важности очистки этих вод перед их сбросом в р. Волга. В настоящее время для предварительной обработки сточных вод на предприятии используется их первичное отстаивание и нейтрализация.

При экспериментальном культивировании элодеи и роголистника в загрязненных сточных водах отмечено снижение концентраций ряда загрязняющих веществ (рис.1).

6

Рисунок 1 - Изменение концентрации загрязняющих веществ в производственных сточных водах при культивировании в них элодеи и роголистника

7

Как видно из данных, приведенных на рис.1, наиболее быстрое снижение концентрации сульфатов и нитритов отмечено у элодеи, фосфатов – у роголистника. Наиболее быстрое снижение концентрации железа и марганца отмечено у элодеи, меди и цинка - у роголистника. До нормативов, используемых для водоемов рыбохозяйственного назначения, концентрация железа снижается за 25-27, меди - 26-35, цинка - 25-28, марганца – 22-35 суток в присутствии элодеи. В присутствии роголистника концентрация железа снижается до ПДКрыбохоз. за 28-30, меди - 25-26, цинка - 7-15, марганца - 30-32 суток.

Поскольку в процессе очистки за один и тот же период времени должны быть выведены различные тяжелые металлы, то были проведены эксперименты по совместному содержанию элодеи и роголистника в загрязненных водах. До значений ПДКрыбохоз. они очистили загрязненные воды от железа за 21-25 суток, от меди - за 21-23 суток, цинка - за 10-19 суток, марганца - за 24-26 суток.

На рис.2 приведено снижение аккумулирующей способности элодеи и роголистника по отношению к железу, меди, цинку и марганцу при последовательном помещении растений в воды с одинаковыми начальными концентрациями загрязняющих веществ каждые 7 сут. эксперимента.

Приведенные на рис.2 данные показывают, что наибольшее количество загрязняющих веществ водные растения выводят в первые две недели. Отмечено снижение способности элодеи и роголистника к выведению всех исследованных металлов: если в течение первой недели отмечалось снижение концентрации железа на 1,3 мг/л, то к концу четвертой недели – на 0,6 мг/л. Концентрация меди снижалась на первой неделе на 0,03 мг/л, к концу четвертой – на 0,01 мг/л; концентрация цинка на первой неделе снижалась на 0,17 мг/л, к концу четвертой

– на 0,09 мг/л; концентрация марганца на первой неделе снижалась на 0,04 мг/л, к концу четвертой на 0,01 мг/л.

Рисунок 2 - Снижение аккумулирующей способности элодеи и роголистника при последовательном помещении растений в воды с одинаковыми начальными концентрациями загрязняющих веществ

Изученная способность водных растений к выведению загрязняющих веществ в процессе доочистки (рис.2), позволяет определить время наиболее эффективного использования водных растений и замены водной растительности в очистном сооружении. Таким образом, в экспериментальных исследованиях была показана способность элодеи и роголистника к выведению загрязняющих веществ из производственных сточных вод до нормативных значений.

8

В четвертой главе проведено исследование способности Elodea canadiensis L. и Ceratophyllum demersum к аккумуляции загрязняющих веществ;

получены зависимости изменения концентрации ряда тяжелых металлов в элодее и роголистнике во времени в процессе их экспериментального культивирования в производственных сточных водах; полученные зависимости позволили экспериментально определить коэффициенты диффузии тяжелых металлов; получены коэффициенты биологического поглощения цинка, железа, меди и марганца элодеей и роголистником при культивировании их в сточных водах.

Одним из важных показателей, характеризующих избирательность поглощения химических элементов водными растениями и их способность к накоплению элементов, является коэффициент биологического поглощения (КБП). Элодея и роголистник в процессе их совместного культивирования в загрязненных и контрольной водах наиболее интенсивно аккумулируют в себе железо (КБП=120-800), КБП железа погруженными водными растениями из природных водоемов составляет 100-160. КБП цинка элодеей и роголистником в загрязненных водах составляет 800-900, в природных водах - 206-840. КБП марганца элодеей и роголистником, содержащихся в загрязненных водах - 905-980, в природных водах - 203-507. В наименьшей степени элодея и роголистник аккумулируют в себе медь (КБП=381-422). КБПмеди водными растениямиприродных водоемовсоставляет18-42. Максимальные КБПдлядругихводоемовпоэтимзагрязняющим веществам составили: железа - 910, меди - 400, цинка - 970, марганца – 1100 (Карасев, 2001; Ермаков, 2005; Кузнецов,2006).

Отмечено, что в процессе экспериментального культивирования элодеи и роголистника в загрязненных сточных водах промышленных предприятий концентрации железа, цинка, меди и марганца в водных растениях увеличиваются (рис. 3).

Рисунок 3 - Изменение концентраций некоторых тяжелых металлов в биомассе элодеи и роголистника в процессе их экспериментального культивирования в загрязненных производственных сточных водах

Удельная концентрация ряда тяжелых металлов в элодее и роголистнике в процессе экспериментального исследования снижалась (рис.4).

9

Рисунок 4 - Изменение удельной концентрации некоторых тяжелых металлов в элодее и роголистнике в процессе их культивирования в загрязненных производственных сточных водах

Удельная концентрация железа (мг/г) в элодее снижалась с 64 до 0,06, в роголистнике – с 4,3 до 0,44; меди в элодее - с 0,72 до 0,06, в роголистнике - с 1 до 0,09; цинка в элодее - с 1,76 до 0,15, в роголистнике - с 4 до 0,35; марганца в элодее - с 0,32 до 0,03, в роголистнике - с 4,2 до 0,37 (рис.4). Полученные удельные концентрации ряда тяжелых металлов в элодее и роголистнике не превышают нормативы их содержания в кормах сельскохозяйственных животных, сельскохозяйственных удобрениях и продуктах питания.

Снижение удельной концентрации ряда тяжелых металлов связано с увеличением биомассы водных растений, приведенной на рис. 5. Проведенные экспериментальные наблюдения за ростом элодеи и роголистника как в условиях загрязненных, так и в условиях контрольной вод (рис.5) показали, что наибольший прирост биомассы отмечен в первые 10-14 суток (среднесуточный прирост составил 46 % от начальной массы водных растений), а к 30 суткам эксперимента отмечено снижение скорости роста водных растений (среднесуточный прирост составил 14% от начальной массы водных растений).

Рисунок 5 - Изменение биомассы элодеи и роголистника в процессе их культивирования в загрязненной и контрольной водах

Таким образом, экспериментально установлено, что элодея и роголистник в процессе их совместного культивирования в загрязненных и контрольной водах

10