Доочистка сточных вод цеолитом

Основными загрязняющими веществами в России являются соединения азота, нефтепродукты, сульфаты, хлориды и тяжёлые металлы. Кроме того, в ряде регионов остро стоит проблема очистки воды от соединений железа. Одним из возможных путей решения данных проблем является использование недорогих и эффективных сорбентов-ионообменников — природных цеолитов.

Минералы обладают высокой селективностью к крупным катионам, способностью удерживать воду, соединения тяжёлых металлов и радионуклидов, пролонгировать действие питательных веществ минеральных удобрений, кормов, лечебных препаратов. Природные дегидратированные цеолиты способны сорбировать молекулы разных веществ, поглощать воду, газы, жидкости и твёрдые вещества. Интенсивность адсорбции обусловлена огромной внутренней поверхностью кавернозной структуры минерала, достигающей 47%, в то время как у искусственных цеолитов этот показатель составляет 50%, а стоимость выше в разы.

К достоинствам природных цеолитов следует отнести их способность к регенерации, и как следствие, возможность применения в многоцикловом режиме.

Как полезное ископаемое цеолит имеет необычайно широкую сферу использования в промышленности и сельском хозяйстве. Его применяют для очистки питьевых и технических вод, в нефтехимии — как осушитель газов и сред, для извлечения радионуклидов в качестве катализатора, в строительстве, для улучшения почвы, в качестве удобрения, для подкормки животных и т. д.

В отличие от кварцевого песка цеолитовые фильтры позволяют улучшить качество очищаемой воды и повысить технологические параметры работы очистных сооружений. Такие фильтры надёжны в эксплуатации. Фильтр с цеолитовой загрузкой удаляет цветность, мутность, фитопланктон, при этом цеолитовому фильтру присуще более равномерное распределение задерживаемого осадка по толщине загрузки, чем кварцевому песку, следствием чего является меньшая потеря напора и более продолжительное защитное действие. Высокий коэффициент формы зёрен, значительная межзерновая пористость обеспечивают высокую грязеёмкость цеолитовых фильтров, превышающую этот показатель для песчаных фильтров в два-шесть раз. Двухлетний опыт эксплуатации загрузочного материала продемонстрировал его положительные эксплуатационные качества.

Сорбционный и ионообменный потенциал позволяет использовать цеолит в процессах очистки сточных вод в качестве фильтрующей (фракции с зернением 1–3, 1–4 и 3–5 мм) загрузки и как активную добавку (пылевидная фракция цеолита — искусственный замутнитель).

Сорбционные свойства цеолита позволяют эффективно удалять из воды вещества в дисперсной и коллоидной форме: взвешенные вещества, мелкодисперсная взвесь и нефтепродукты.

Ионообменный потенциал позволяет удалять из воды ионные формы загрязнителей, к которым цеолит имеет селективное действие: тяжёлые металлы (Pb2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+, Co2+, Ni2+, Hg2+, Cr6+), радионуклиды (137Cs, 90Sr, 222Rn, 103Ru …) и аммонийный азот (NH4+).

При использовании цеолитов для очистки сточных вод можно достичь эффекта удаления органических примесей и неорганических веществ на следующие показатели:

  • снижение содержания алюминия до 44%;
  • снижение содержания соединений хлора от 46 до 64%;
  • снижение содержания фенола до 83%;
  • снижение содержания свинца до 94%;
  • снижение содержания железа до 86%;
  • снижение содержания меди на 80%.

Результаты опытов по практическому применению данного минерала показали его высокую эффективность в качестве фильтрующего материала. При использовании цеолита вместо песка удаётся повысить объём фильтруемой воды в полтора-два раза и грязеёмкость фильтра — на 20–50%.

Для очистки воды лучше всего использовать статичный фильтр с направлением движения фильтруемой жидкости сверху вниз. Скорость фильтрования должна быть не менее 15–20 м³/ч. В этом случае поглощается порядка 90% медных примесей и 50% цинка. Ещё более высоких показателей можно достичь при использовании двухступенчатого режима. Таким образом можно достичь извлечения 90% цинка.

С учётом того, что цеолит имеет высокую устойчивость к слабощелочным и слабокислым средам, а также благодаря его высокой механической прочности, данный материал можно считать наилучшим для очистки бытовых и промышленных стоков, как с экономической точки зрения, так и с учётом качественных показателей.

Сокращение эксплуатационных расходов благодаря использованию цеолита возможно благодаря нескольким основным моментам: возможность объединить на одном этапе очистки фильтрацию очищаемой воды и абсорбцию. Кроме того, использование цеолита позволяет уменьшить число оборудования, необходимого при очистке сточной воды.

Результаты практического применения природных цеолитов позволяют с уверенностью утверждать, что с их помощью можно решить значительное количество назревших проблем в сфере охраны окружающей среды, снизить стоимость и повысить эффективность очистки промышленных и бытовых сточных вод.

В СНГ наибольшее распространение и практическое применение в экологических программах и очистке питьевой и сточной воды получили природные цеолиты Сокирницкого месторождения — так называемые «сокирниты».

В 1980–1990-е годы ведущие институты Украины в рамках комплексной научно-исследовательской программы «Цеолиты СССР» провели исследования цеолитовой породы Сокирницкого месторождения. Широкое практическое применение и дальнейшее изучение свойств сокирнита проводилось в рамках программы по ликвидации последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС.

Цеолиты Сокирницкого месторождения являются цеолитами вулканического происхождения клиноптилолитового типа. Для фильтрующей загрузки используется сокирнит с содержанием клиноптилолита не менее 65%, что определяет его высокую сорбционную ёмкость. Химический состав сокирнита был исследован в Институте геологии и минералогии им. В. С. Соболева (Новосибирск) СО РАН в 2011 году методом рентгенофлюоресцентного анализа (РФА). Данные исследований приведены ниже в табл. 1.

В нашей стране свойства минерала были подробно изучены в рамках реализации государственной научно-исследовательской и практической программы «Цеолиты России», реализованной в 1990-е годы. В рамках этой программы были доказаны огромные экономические и экологические эффекты. Известно около 40 видов цеолитов. Наиболее распространёнными являются клиноптилолит, морденит и гейландит (табл. 2).

Доочистка сточных вод керамзитом

Одним из самых важных свойств керамзита является его развитая активная поверхность, обуславливающая способность к извлечению загрязнений, фильтрации и обеззараживанию сточных вод. Керамзит состоит из сырья натурального происхождения — глины, которая при термообработке превращается в мелкие черепки, вспученные снаружи и пористые внутри. Именно пористая структура, присущая всем абсорбентам, позволяет гранулам керамзита пропускать через себя значительное количество воды и задерживать все посторонние примеси. Применение керамзита в качестве среды для доочистки сточных вод, обусловлено отсутствием высокоэффективных местных доступных загрузок и низкими показателями работы фильтров очистных сооружений. Исследуемый фильтрующий материал предназначен для глубокой очистки сточных вод, прошедших полную биологическую очистку.

Для изучения свойств и характеристик керамзита были проведены полупроизводственные испытания на фильтре «Оксипор», разработанном В НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды Академии коммунального хозяйства (АКХ) им. К. Д. Памфилова — аэрируемом крупнозернистом фильтре, схема которого представлена на рис. 1. Такие фильтры выполняют роль биологического сооружения, так как в них протекают процессы биологического окисления органических загрязнений в аэрируемом слое загрузки и обычных скорых фильтров, в которых происходит задержание взвешенных веществ и избытка биоплёнки. На глубине фильтра 0,5–0,7 м расположена воздушная распределительная система, через которую осуществляется постоянная подача воздуха. Восстановление фильтрующей загрузки осуществляется водо-воздушной промывкой. Очистка воды на фильтре происходит путём механического задержания взвешенных веществ и высокоэффективного биологического окисления загрязнений микроорганизмами в аэрируемой части фильтра.


Рис. 1. Фильтр конструкции «Оксипор», разработанный во ВНИИ коммунального водоснабжения и очистки воды АКХ им. К. Д. Памфилова (обозначения: A — область развития биоплёнки, Б — область скорого фильтра, В — область задержания избыточного активного ила; 1 — подача биологически очищенной сточной жидкости; 2 — сбор доочищенной сточной воды; 3 — слои собственно загрузки; 4 — пригрузочный слой; 5 —  воздухораспределительная система; 6 — поддерживающий слой; 7 — дренажно-распределительная система)

Благоприятный кислородный режим приводит к развитию аэробных микроорганизмов, обладающих высокой окислительной способностью, низким приростом биомассы и высокой флокулирующей способностью, следствием чего является хорошее задержание взвеси слоем фильтрующей загрузки.

В процессе испытаний установки доочистки сточных вод конструкции «Оксипор», имеющей загрузку из кварцевого песка (первая колонка) и керамзита (вторая колонка), полученные данные сведены в табл. 3.

Сравнение эффективности работы загрузок (табл. 3) установило улучшение условий фильтрования, в частности, при средней скорости фильтрации свыше 4,5 м/ч продолжительность фильтроцикла повышена по сравнению с кварцевым песком более чем в 1,8 раза. Эффективность обеззараживания сточных вод по содержанию бактерий группы E. Coli составляет свыше 90,9%.

Основным требованием является то, чтобы фильтруемая вода не обогащалась веществами вредными для людей в хозяйственно-питьевых водопроводах или для технологии того производства, где она используется. С этой целью произведён спектральный анализ, результаты которого приведены в табл. 4.

 

Выводы

Исходя из всего сказанного выше, приходим к выводу, что и цеолит, и керамзит являются качественными фильтрующими материалами, каждый из которых обладает рядом преимуществ.

Гигиеническая оценка показала, что с применением цеолитовой загрузки в воде снизилось содержание азота, понизилась жёсткость, щёлочность и перманганатная окисляемость, уменьшился запах, цветность, количество микроорганизмов. Отмечено стабильное снижение в осветлённой воде коли-индекса, общего числа бактерий, фитои зоопланктона. С помощью цеолитов возможна очистка воды от бензапирена. Концентрация в растворе этого вещества уменьшалась в 260 раз. Доказана эффективность цеолита в очистке воды от фтора.

Применение керамзитовой загрузки при повышенной загрязнённости сточных вод в диапазоне скоростей фильтрования от 15 до 45 м/ч обеспечивает продолжительность фильтроцикла 32–24 ч, а эффективность очистки содержащихся в сточной воде взвешенных веществ и маслопродуктов, соответственно, 65,8–58,5 и 78,5–70,3%.

Керамзит в качестве среды для доочистки сточной жидкости предназначен для глубокой обработки стоков, прошедших цикл биологической очистки. Вследствие образования биоплёнки на поверхности зёрен загрузки, в процессе фильтрования наблюдается постепенное улучшение качества доочищенной воды.

Биоценоз биоплёнки оптимально работающего фильтра представлен распространёнными видами достаточно подвижных аэробов, преобладание же анаэробных бактерий, приводящее к быстрой кольматации загрузки, является причиной ухудшения качества очистки. Однако благодаря принятым мерам принудительной интенсивном аэрации пористого слоя загрузки и его развитой активной поверхности, устранён этот недостаток: продолжительность фильтроцикла увеличилась более чем в 1,8 раза с улучшением показателей доочищенной воды, что позволяет считать полученный керамзит эффективной фильтрующей загрузкой нового поколения