Экспериментальная оценка целесообразности каталитической деструкции органических соединений в сточных водах

Характер загрязнений от промышленных предприятий определяется профилем предприятия. Для машиностроительных заводов – это тяжелые металлы, автотранспортные предприятия сбрасывают сточные воды, загрязненные нефтепродуктами, сточные воды пищевых предприятий показывают устойчивое превышение ПДК по БПК и жирам.

Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные системы, в состав которых входят неорганические, органические и биологические вещества.

К неорганическим загрязнениям относятся частицы грунта, неорганические соли, кислоты, щёлочи; к органическим - нефтепродукты, жиры, синтетические моющие средства, углеводы, аминокислоты; к биологическим - грибки, бактерии, дрожжи, в том числе болезнетворные.

Органические загрязнения в стоках, в зависимости от размера составляющих их частиц, могут находиться в коллоидном (0.001-1.0 мкм), растворенном (менее 0.001 мкм) и нерастворенном (более 1.0 мкм) состояниях.

Методы, применяемые для очистки производственных и бытовых сточных вод, можно разделить на четыре группы: механические, химические, физико-химические, биологические. В комплекс очистных сооружений, как правило, входят сооружения механической очистки. В зависимости от требуемой степени очистки они могут дополняться сооружениями биологической либо физико-химической очистки, а при более высоких требованиях в состав очистных сооружений включаются сооружения глубокой очистки. Перед сбросом в водоем очищенные сточные воды обеззараживаются, а образующийся на всех стадиях очистки осадок или избыточная биомасса поступает на сооружения по обработке осадка.

Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%.

При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д.

Среди методов очистки сточных вод большую роль играет биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

Процесс биологической очистки загрязняющих веществ в аэротенках происходит при непосредственном контакте сточных вод с оптимальным количеством организмов активного ила в присутствии соответствующего количества растворенного кислорода (в течение необходимого периода времени) с последующим отделением активного ила от очищенной воды во вторичных отстойниках. Активный ил – искусственно выращиваемый биоценоз при аэрации антропогенно загрязненных вод, населенный гелепродуцирующими бактериями гетеротрофами, хемотрофами, простейшими и многоклеточными животными, которые трансформируют загрязняющие вещества и очищают сточные воды в результате биосорбции, биохимического окисления, выедания бактерий и простейших.

Предлагается наряду с известными методами утилизации органических отходов использовать метод каталитической деструкции с использованием в качестве катализатора смесь металлов в наноструктурированной форме при введении их на стадии первичного остывания.

Оценка эффективности каталитической деструкции органических соединений оценивалось экспериментально следующем образом:

• Исследовалось влияние наноматериалов на процесс деструкции органических соединений;
• Определялось кинетические характеристики процесса каталитической деструкции органических соединений;
• На основе полученных результатов, разрабатывались рекомендации по внедрению наноструктурированных катализаторов для промышленной реализации.

Экспериментальная установка для оценки влияния катализаторов в наноструктурированной форме на процесс деструкции органических соединений в сточной воде (рис.1).

Рис. 1. Экспериментальная установка
Экспериментальная установка состоит из: 1 – штатив; 2 – держатель; 3 – привод; 4 – мешалка; 5 – емкость с водой; 6 – источник света; 7 – дозатор для наноматериалов

Сточная вода заливалась в емкость объемом 4 литра. Здесь она перемешивалась с помощью рамной мешалки, частота оборотов которой составляет 50 об/мин. Благодаря перемешиванию, взвешенные вещества не оседают на дно. Суспензия наноматериалов (металлы Fe, Cu, Ni) в определенном количестве подавалась в емкость, которая готовилась следующим образом: навеску наноматериала массой 0,005 г вводилось в 10 мл дистиллированной воды и выстаивалась в присутствии очищенного речного песка массой 1 г в течении 20-40 минут. Длительность эксперимента составляло 5 часов при искусственном освещении.

Чтобы оценить вид загрязнения (минеральное или органическое), определяются потери при прокаливании из высушенной фазы твердых веществ. При температуре 500-600 °С выгорают и улетучиваются углерод, водород, азот, сера и другие органические вещества и некоторые неорганические примеси. Эти примеси выражают абсолютное количество улетучившихся веществ. Если потери при прокаливании большие (более 50%) от содержания взвешенных веществ, то значит, загрязнений в городских сточных водах представлены в основном - в органической форме, если они 30% и менее, то, в основном - в минеральной. Особенно важно оценивать потери при прокаливании при контроле качества слабо очищаемых сточных вод, поскольку, если загрязнения в таких водах в основном будет представлено в минеральном виде, то питание для активного ила будет недостаточным.

Зольность – отношение массы остатка после прокаливания к массе первоначально взятого твердого образца, выраженное в процентах. Сравнение содержания взвешенных веществ в очищаемой воде химического потребления кислорода (ХПК) позволяет судить о том, в каком виде представлено основное загрязнение (растворенном, нерастворенном).

Общее содержание примесей в воде характеризуется сухим остатком, т.е. суммой всех примесей воды, определяемой выпариванием, высушиванием и взвешиванием. Сухой остаток – это количество в натуральной пробе с удаленными газами, летучими компонентами и веществами, разлагающимися с образованием легколетучих компонентов.

Грубую оценку сухого остатка можно получить, если суммировать взвешенные и растворенные вещества в пробе сточных вод. Сухой остаток – это очень важный, сильно изменяющийся, контрольный показатель работы всех звеньев биологической очистки, назначением которых утилизировать взвешенные и коллоидные вещества.

Идеальный метод определения уровня содержания органических веществ в воде тот, при котором все они окисляются почти на 100%. Только метод ХПК дает представление о присутствии в пробе практически всех органических загрязняющих веществ и минеральных примесей воды, которые могут быть окислены сильным химическим окислителем.

Биологическое потребление кислорода (БПК) является мерой содержания только тех органических веществ, которые могут служить субстратом для микроорганизмов. Присутствие в пробе веществ, не подвергшихся биохимическому распаду, не отражаются на определяемой величине БПК, при лабораторном определении БПК бактерии. Окисляющие субстрат как источник питания, часть органики расходуют на посторенние своего тела, часть – на энергетические нужды. Продукты окисления – СО2, Н2О и метаболиты.

Наиболее употребляемый метод определения БПК – метод разбавления. Исследуемая проба разбавляется так, чтобы хватило растворенного кислорода на дыхание и метаболизм бактерий, для чего разбавляющая вода насыщается кислородом.

В табл. 1-6 и рис. 2-7 представлены результаты каталитической деструкции органических соединений без катализатора и с его использованием.

Таблица 1

Содержание органических веществ в воде во времени по традиционной технологии

Рис. 2. Содержание органических веществ в воде во времени по традиционной технологии

Таблица 2

Содержание органических веществ в воде во времени при введении нанокатализатора №1

Рис. 3. Содержание органических веществ в воде во времени с использованием нанокатализатора №1

Таблица 3

Содержание органических веществ в воде во времени при введении нанокатализатора №2

Рис. 4. Содержание органических веществ в воде во времени с использованием нанокатализатора №2

Таблица 4

Содержание органических веществ в воде во времени при введении нанокатализатора №3

Рис. 5. Содержание органических веществ в воде во времени с использованием нанокатализатора №3

Таблица 5

Показатели ХПК по традиционной технологии и при использовании нанокатализаторов

Рис. 6. Величина ХПК после стадии отстаивания: 1 – традиционная технология; 2 – с использованием н.к. №1; 3 – с использованием н.к. №2; 4 – с использованием н.к. №3

Таблица 6

Показатели БПК по традиционной технологии и при использовании нанокатализаторов

Рис. 7. Величина БПК после стадии отстаивания: 1 – традиционная технология; 2 – с использованием н.к. №1; 3 – с использованием н.к. №2; 4 – с использованием н.к. №3

Выводы

• Исследовано влияние наноматериалов на процесс деструкции органических соединений;
• Показано, что применение нанокатализатора №1 является наиболее эффективным. Снижается количество ХПК (с 422,4 до 81,4); БПК (с 207,4 до 4,8); а также общее содержание органических веществ (с 0,031 до 0,018).