Исследование донных отложений поверхностных водоемов и обезвреживание их от тяжелых металлов
На правах рукописи
Чекренев Сергей Александрович
ИССЛЕДОВАНИЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОЕМОВ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ИХ
ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Специальность – 03.00.16 – экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Санкт-Петербург
2009
Работа выполнена на кафедре инженерной химии и промышленной экологии
ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Панов Виктор Петрович
Официальные оппоненты:
доктор химических наук, профессор Ивахнюк Григорий Константинович
кандидат химических наук, доцент Ибрагимова Римма Ильгизовна
Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный Морской технический университет
Защита состоится 24 ноября 2009 г. в 11 00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.236.03 при Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 18, ауд. 241
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна
Автореферат разослан « 20 » ____октября_____ 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Е.С. Сашина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одной из актуальных экологических проблем до сих пор остается предотвращение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ), в том числе донных отложений (ДО) поверхностных водоемов. Накопление тяжелых металлов в донных отложениях водоемов, рек и каналов обусловлен рядом причин, в том числе достаточно высоким содержанием фосфат - ионов в поверхностных водах, образованием труднорастворимых фосфатных соединений, их переходом в донные отложения. При очистке рек, каналов, внутренних водоемов Санкт-Петербурга от накопления донных отложений на полигоны вывозится ежегодно около 2 млн. тонн ДО. По данным экспертов более 70% грунтов, поднимаемых со дна рек и каналов, относятся к 3-му классу отходов, вследствие их загрязнения тяжелыми металлами. Вместе с тем в ДО содержатся биогенные элементы (N, P, K), гуминоподобные вещества, т.е. при обезвреживании ДО они могли бы быть утилизированы. Одним из препятствий возможной утилизации донных отложений в качестве органоминеральных удобрений или структурирующих элементов почв в сельском и садово-парковом хозяйствах городов является превышение концентраций тяжелых металлов нормативов для осадков, разрешенных для использования в сельском хозяйстве. Отсутствие экономичных методов и технологий обезвреживания ДО от ТМ привело к накоплению ДО на полигонах, в шламонакопителях. Требуются все большие площади, возможно загрязнение грунтовых вод. Вследствие этого необходимо изыскание методов обезвреживания илов и ДО. Решение этой проблемы актуально не только для России, но и для западных стран. Вместе с тем, следует отметить и крайнюю ограниченность сведений о компонентном составе ДО, что сдерживает разработку технических решений по их утилизации.
Цель работы: на основе изучения компонентного состава и свойств донных отложений поверхностных водоемов Санкт-Петербурга обосновать пути решения проблемы обезвреживания донных отложений от тяжелых металлов.
В соответствии с целью работы сформулированы следующие задачи:
– исследовать состав илов и донных отложений рек и каналов Санкт-Петербурга, установить содержание в них тяжелых металлов, биогенных элементов, органических соединений;
– изучить закономерности аккумуляции тяжелых металлов и их распределение по составляющим донных отложений;
– на основе анализа твердой фазы донных отложений и ранее проведенных исследований по извлечению тяжелых металлов из илов биологических очистных сооружений (БОС) разработать физико-химические основы обезвреживания донных отложений с применением кальциевых материалов и интенсификации процесса с использованием магнитных воздействий;
– исследовать технологические параметры осуществления процесса и разработать практические рекомендации.
Работа выполнена при поддержке Правительства Санкт-Петербурга (грант ПСП № 080221 для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук 2008), в рамках международного сотрудничества с Высшей Технической Школой (г. Крефельд, Германия) и в соответствии с тематикой фундаментальных исследований Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна в рамках тематических планов по заданию Рособразования 2007-2009 г.
Научная новизна работы:
– впервые методом газовой хроматографии установлено наличие в ДО ряда органических веществ, в том числе, сквалена, 2-этилгексанола, ацетамида, 2,5-фурандиона и обоснованы источники их поступления в ДО;
– также впервые проведен анализ состава отвалов ДО поверхностных водоемов Санкт-Петербурга и количественно установлено содержание в них полисахаридов, белковых, гуминоподобных веществ, неорганического остатка;
– установлено распределение ТМ по группам составляющих ДО, охарактеризованы формы связывания металлов составляющими ДО;
– выявлена возможность извлечения тяжелых металлов из ДО путем замены их на кальций при введении малорастворимых солей кальция;
– установлено существенное увеличение степени извлечения тяжелых металлов при введении в ДО кальциевых солей и воздействии импульсным магнитным полем.
Практическая значимость работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований обоснован способ обезвреживания донных отложений, содержащих тяжелые металлы. Предложены технические решения извлечения ТМ из донных отложений, использование которых существенно снизит загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами в местах складирования донных отложений или позволит создать предпосылки для утилизации обезвреженных складированных донных отложений в качестве удобрений или структурирующего вещества почв.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального исследования состава донных отложений рек и каналов Санкт-Петербурга на содержание в них тяжелых металлов, биогенных элементов и классов органических соединений.
2. Основные закономерности распределения ТМ по составляющим донных отложений и механизмы их связывания составляющими ДО.
3. Физико-химические основы и количественные показатели процессов извлечения тяжелых металлов из донных отложений.
4. Технологические решения выделения тяжелых металлов из водной фазы после обезвреживания донных отложений.
5. Принципиальная схема обезвреживания донных отложений от ТМ.
Личный вклад автора состоял в обосновании направлений исследования, постановке конкретных задач, непосредственном выполнении основных экспериментов, анализе полученных результатов и их обобщении.
Достоверность полученных результатов подтверждена взаимной согласованностью данных, полученных при использовании комплекса физико-химических методов исследования: ИК-спектроскопии, газовой хроматографии, атомно-абсорбционной спектроскопии, элементного анализа, химического фазового анализа.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на Всероссийской научно-техническая конференции студентов и аспирантов (Санкт-Петербург, 2004), конференции “Современные экологические проблемы и их решение: взгляд молодежи» (Санкт-Петербург, 2008), Всероссийской научно-техническая конференции студентов и аспирантов (Санкт-Петербург, 2008), Международной научной конференции “Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов” (Санкт-Петербург, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ: 3 статьи, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, и тезисы 5 докладов на конференциях различного уровня.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка (120 наименований), приложений А и Б. Основной текст изложен на 177 стр., включая 29 рис. и 23 табл.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование выбора темы диссертации, показана ее актуальность, определены цели и задачи исследования.
Глава 1 Современное состояние и проблемы обезвреживания донных отложений от тяжелых металлов
Проведен анализ современной отечественной и зарубежной литературы по природе образования донных отложений, источников загрязнения их тяжелыми металлами; даны физико-химические основы аккумуляции тяжелых металлов в донные отложения; проведен анализ технических решений проблемы утилизации илов и донных отложений (согласно проектным расчетам в Санкт-Петербурге в период 2005—2017 гг. необходима организация места захоронения, которое должно вместить до 13 млн. м3 грунта) и их переработки.
Показано, что разработка рациональной технологии обезвреживания ДО требует изучения закономерностей накопления тяжелых металлов донными отложениями, а также форм их существования. Известные данные, характеризующие процессы накопления ТМ донными отложениями, не систематизированы и противоречивы, что требует комплексного исследования процесса накопления с выявлением основных механизмов и последующей разработкой способов извлечения тяжелых металлов из ДО. Установлено практическое отсутствие в литературе сведений о компонентном составе донных отложений, распределении ТМ по составляющим ДО, без которых нельзя обоснованно подходить к поиску технических средств обезвреживания ДО от ТМ. Это предопределило необходимость подробного исследования состава ДО,
Учитывая наличие в донных отложениях различных магнитовосприимчивых соединений металлов и возможность их сепарирования от других веществ, для интенсификации технологических процессов обоснована целесообразность использования магнитной обработки совместно с ранее предложенным методом обезвреживания илов БОС малорастворимыми кальциевыми соединениями для обезвреживания донных отложений от тяжелых металлов. Отсутствие сведений по данному вопросу обусловило проведение соответствующих исследований.
Приведены нормы и критерии оценки загрязненности донных отложений.
Глава 2 Объекты и методы исследования
Исследования проводились на реальных донных отложениях, отобранных на отвалах, расположенных вблизи Финского залива около устья реки Красненькая, а также на донных отложениях, изъятых из рек и каналов Санкт-Петербурга.
Качественное и количественное содержание ТМ определяли методом рентгено-флуоресцентной спектрометрии с использованием аппарата “Спектроскан МAKC-GV”, а также SPECTROMETER SPECTRO XEPOS 76004814 на базе лаборатории инструментальной аналитики Высшей технической школы г. Крефельда (Германия).
На приборе Фурье-спектрометр (ФСМ-1201) были произведены измерения оптических спектров в инфракрасной (ИК) области экстрактов органических фракций донных отложений.
Определение анионного состава веществ в донных отложениях проводилось на ион-хроматографе "690 ION CHROMATOGRAPH".
Для выявления состава органической составляющей донных отложений применена газовая хроматография на масс-селективном детекторе (GC/MS).
Атомно-абсорбционный спектрометр КВАНТ-2А использовали для проведения количественного элементного анализа.
Для изучения состава органических компонентов донных отложений и распределения тяжелых металлов по группам органических веществ применен метод, основанный на различной растворимости соединений (рисунок 1). Рисунок 1 – Схема разделения ДО на фракции
Химическое потребление кислорода определяли с помощью анализатора Флюорат 02-2М, в качестве вспомогательного оборудования применялся термореактор Термион.
Магнитная обработка заключалась в сепарации фракций донных отложений постоянным магнитом. Исследования проводились на кафедре обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского Горного университета на электромагнитном валковом сепараторе ЭВС-10/5.
Глава 3 Исследование состава донных отложений
Для выявления состава органической составляющей донных отложений проведены исследования с использованием газовой хроматографии на масс-селективном детекторе (GC/MS). В пробах было обнаружено более 60 органических веществ. Среди выявленных органических соединений (рисунок 2) наиболее интенсивен пик №20, характерный для 2,6,10,15,19,23-гексаметил-2,6,10,14,18,22-тетракозагексаен (сквален). Сквален встречается в значительном количестве в хрящевых рыбах, откуда становится ясным его появления в донных отложениях.
В значительных количествах в донных отложениях присутствуют:
– 2-этилгексанол (№13), используемый при получении полимерных композиций, при
Рисунок 2 – Хроматограмма органических изготовлении кабельной изоляции;
соединений в пробе донных отложений – ацетамид (№25), CH3CONH2 - представи-
тель алифатических амидов карбоновых кислот, амид уксусной кислоты.
– 1Н-пироль (№14) - твердая нефтеполимерная смола, которая используется в производстве красок для разметки дорог, для подводных частей морских судов.
– 2,5-фурандион (№26), С4Н2О3 - малеиновый ангидрид, применяемый в производстве ненасыщенных полиэфирных смол, покрытий, фармпрепаратов, агрохимикатов, ПАВ, добавок к пластикам.
Определение содержания тяжелых металлов в усредненных пробах донных отложений, отобранных на отвалах Санкт-Петербурга, и их сопоставление с предельно допустимыми концентрациями в почвах согласно гигиеническому нормативу ГН 2.1.7.2041-06 показало существенное превышение ПДК практически по всем тяжелым металлам (таблица 1).
Таблица 1 – Концентрация тяжелых металлов в усредненных пробах донных отложений,
отобранных на отвалах
| Металл | Концентрация, мг/кг | ПДК, мг/кг |
| Ni | 21 | 4 |
| Рb | 128 | 32 |
| Сr | 79 | 6 |
| Мn | 330 | 1500 |
| Сu | 61 | 33 |
| Zn | 125 | 55 |
| As | 26 | 2 |
| Sr | 185 | 5 |
| Cd | 5 | 0,5 |
Согласно экспериментальным данным в пробах донных отложений в значительных количествах содержатся биогенные элементы:
K (1.3%), P (0.07%), Ca (1.8%), Mg (0.03%), Na (0.2%), S (0.1%), I (0.001%)
Для получения количественной информации о формах нахождения тяжелых металлов в донных отложениях и их распределении по составляющим ДО использовали схему химического фазового анализа, предложенную Г.М. Варшал, включающую последовательную обработку твердой фазы донных отложений 1%-ным раствором НСl, 0,1 м NaOH, 10%-ным НСl, царской водкой, смесью плавиковой и хлорной кислот.
Такое фракционирование в сочетании с последующим определением тяжелых металлов в растворах методами рентгено-флуоресцентной и атомно-абсорбционной спектрометрии позволило получить данные о распределении основных загрязняющих компонентов донных отложений по составляющим (таблица 2).
Таблица 2– Доля металлов в экстрагентах, в % от валового содержания, при последовательном их извлечении из ДО
| Элемент | Растворы, использованные при обработке | ||||
| 1 %НСl | 0,1 м NaOH | 10%НСl | царская водка | HF + HClO4 | |
| Pb | 21,2 | 22,4 | 44,3 | 3,0 | 9,1 |
| Мn | 59,8 | 20,1 | 7,0 | 3,7 | 9,4 |
| Zn | 26,0 | 52,3 | 9,2 | 4,0 | 8,5 |
| Fe | 23,2 | 52,1 | 10,9 | 2,9 | 10,9 |
Для изучения основных форм тяжелых металлов в донных отложениях, влияющих на их миграционную способность при его депонировании и/или внесении в почву, а также для определения доли соосажденных металлов с гидроксидами железа (III), марганца (IV), карбонатами кальция и магния использовали метод химического фазового анализа (таблица 3). Из многочисленных схем последовательного элюирования тяжелых металлов использовали схему, предложенную У. Миллером.
Таблица 3– Доли (в % от валового содержания) разных форм тяжелых металлов в донных отложениях
| Форма металла | Доля (% от валового содержания) | |||
| Pb | Мn | Zn | Fe | |
| Водорастворимая | 4,7 | 8,5 | 3,1 | 3,2 |
| Обменная | 20,9 | 45,1 | 19,3 | 17,9 |
| Органическая | 19,8 | 19,8 | 20,1 | 40,2 |
| Соосажденная с карбонатами кальция и магния | 25,5 | 7,1 | 26,4 | 15,4 |
| Соосажденная с гидроксидами марганца (IV) | 22,0 | 3,8 | 22,7 | 10,8 |
| Соосажденная с гидроксидами железа (III) | 3,7 | 4,5 | 3,1 | 3,0 |
| Остаток | 3,4 | 11,2 | 5,3 | 9,5 |
Основными формами соединений металлов являются формы, связанные с органическими веществами, а также в виде гидроксокомплексов, соосажденных с карбонатами магния и кальция, гидроксидами железа и алюминия
Установлено, что ~20% свинца связывается с органическими веществами донных отложений по механизму ионного обмена, ~20% связывается с органическими веществами и глинистыми минералами по механизму комплексообразования, и ~50% соосаждается с карбонатами кальция и магния, гидроксидами марганца и железа; ~50% марганца связывается с органическими веществами донных отложений, глинистыми минералами по механизму ионного обмена и ~20% марганца связывается с органическими веществами ДО по механизму комплексообразования; основное количество железа и цинка (~20-40%) связывается с органическими веществами донных отложений по механизму комплексообразования. Соосаждение происходит за счет образования адсорбционного поверхностного комплекса.
Изучение химического состава донных отложений по методу, основанному на различной растворимости соединений, показало (рисунок 3), что в твердой фазе донных отложений более 55% приходится на неорганический остаток. Основными компонентами органической составляющей донных отложений являются полисахариды - 23%, липиды и гуминоподобные вещества примерно по 5%, белки — около 3%.
Полисахариды в кислой и нейтральной среде обладают очень малой склонностью к комплексообразованию с d-металлами.
Наличие в оксикислотах и аминокислотах двух и более функциональных групп (–OH и –COOH, –NH2 и –COOH и т. д.) способствует росту их ком-плексообразующих свойств. Аминокислоты являются луч-шими комплексообразователя-ми по сравнению с окси-кислотами, так как группа –NH2 – более сильный донор элект-ронной пары, чем гидроксидная
Рисунок 3 – Состав донных отложений –ОН. Имеется сильная тенден-
ция к снижению устойчивости комплексов при переходе от аминокислот к пептидам и полипептидам, которая обусловлена уменьшением числа сильных электронодонорных –NH2– и –СОО -групп и появлением слабых карбамидных –CO–NH– -групп. Еще менее прочны комплексы с белками. Полученные данные хорошо согласуются с результатами исследований д.х.н. Зыковой И.В.
С гумусоподобными веществами возможны взаимодействия металлов по реакциям:
(1)
(2)
(3)
(4)
Для уверенного отнесения органических соединений к определенному классу было проведено исследование их с помощью ИК-спектроскопии. Анализируя ИК-спектр (рисунок 4) поглощения веществ, экстрагированных водой, можно увидеть, что наиболее выраженными являлись валентные колебания полосы поглощения при ~1050 см-1 характерными для сахаров и гликозидных связей. Наблюдаемые полосы при ~1000 см-1 и 1540 см -1 обусловлены присутствием в составе этих соединений соответственно протеинов и полисахаридов.
Рисунок 4 – ИК-спектр фракции, содержащей водорастворимые полисахариды
Таким образом, в связывании донными отложениями металлов принимают участие органические вещества донных отложений, из которых основную роль играют белковые молекулы и гуминоподобные вещества.
Глава 4 Извлечение тяжелых металлов из донных отложений
Для извлечения тяжелых металлов из донных отложений использован ранее предложенный в СПГУТД метод, основанный на замещении тяжелых металлов на кальций при введении в избыточные илы малорастворимых соединений кальция CaSO4·2H2O, СаСО3, Са3(РО4)2 и др. Удаление тяжелых металлов происходит за счет замещения ионов тяжелых металлов на кальций в результате взаимодействия металлов с карбоксильными и гидроксильными группами. Результатами экспериментов доказана возможность его применения к донным отложениям.
Адсорбированные на поверхности кальциевых материалов органические вещества, попадают в условия высокой концентрации ионов кальция, вследствие частичного растворения минерального вещества. Благодаря этому возможен ионный обмен тяжелых металлов на кальций.
Металлы, образующие соли с нуклеиновыми кислотами, аминокислотами, белками, и другими соединениями органической составляющей донных отложений по механизму ионного обмена на поверхности кальциевого материала обмениваются на ионы кальция:
(5)
При образовании координационных соединений при введении в донные отложения кальциевого материала тяжелые металлы способны замещаться ионами кальция:
(6)
Изучено влияние различных факторов на процесс извлечения тяжелых металлов из донных отложений, таких, как различные виды кальциевых материалов, доза кальциевого материала, продолжительность перемешивания системы, температура проведения, pH среды в интервале 4 – 8, влажность системы. На основании проведенных экспериментов, были выявлены условия наиболее полного извлечения тяжелых металлов из донных отложений при использовании кальциевых материалов; лучшие результаты достигнуты при:
– использовании гипса (CaSO4 ·2H2O);
– дозе гипса - 10% от массы твердой фазы пробы донных отложений;
– температурах 20-25 °С;
– продолжительность обработки при механическом перемешивании 1 час;
– pH 6 - 6,5.
Метод с применением кальцийсодержащих материалов при обработке ДО позволяет снизить в них содержание тяжелых металлов на 18 - 53% (таблица 4).
Таблица 4 – Степень извлечения тяжелых металлов из донных отложений (при дозе гипса 10% от массы донных отложений, продолжительности процесса 60 мин, pH среды 6,5, влажности системы 90 %)
| Металл | Концентрация ТМ в исходной пробе ДО, мг/кг | Концентрация ТМ в ДО после обработки гипсом, мг/кг | Степень перехода металла в жидкую фазу, % |
| Ni | 21 | 15 | 25 |
| Рb | 128 | 92 | 25 |
| Сr | 79 | 54 | 29 |
| Мn | 330 | 224 | 29 |
| Сu | 61 | 26 | 53 |
| Zn | 125 | 96 | 21 |
| As | 26 | 16 | 37 |
| Sr | 185 | 122 | 31 |
| Cd | 5 | 4 | 18 |
Для получения количественной информации о тяжелых металлах в донных отложениях и их распределении по фракциям после контакта с кальцийсодержащими материалами использовали схему химического фазового анализа, аналогичную представленной ранее.
Рисунок 5 – Перераспределение ТМ по фракциям донных
отложений, обработанных гипсом
Из диаграммы (рисунок 5) видно, что основное количество марганца и железа содержится в полисахаридах. Связывание полисахаридами соединений этих металлов с образованием нерастворимых веществ происходит по механизму ионного обмена. Основное количества соединений свинца после обработки ДО кальциевым материалом содержится в белках. Соединения цинка в различных фракциях распределяются практически равномерно.
Проведенные исследования позволяют выявить основные механизмы извлечения тяжелых металлов из донных отложений при введении в систему кальцийсодержащих материалов: 1) ионный обмен из соединений, в которых металлы связаны с органическими веществами по механизму ионного обмена; 2) реакции замещения из соединений, в которых металлы связаны с компонентами илов по механизму комплексообразования; 3) возможен процесс пептизации, при котором металлы, связанные с белковоподобными веществами, переходят в водную фазу донных отложений; 4) нарушение адсорбционного равновесия между комплексом металла и компонентами минеральной составляющей условно твердой фазы донных отложений.
Вместе с тем степень извлечения ТМ из ДО существенно меньше, чем из илов БОС, т.к. в донных отложениях практически не содержится микроорганизмов. Это определило поиск технических средств, позволяющих увеличить степень извлечения ТМ из ДО. Учитывая наличие в донных отложениях различных магнитовосприимчивых соединений металлов и возможность их сепарирования от других веществ, целесообразно применение магнитной обработки для обезвреживания ДО от ТМ.
В таблице 5 приведены магнитные характеристики редкоземельных магнитов NdFeB и ферритовых магнитов, использованных для извлечения тяжелых металлов из донных отложений.
Таблица 5– Технические характеристики постоянных магнитов
| Обозначение | Редкоземельный магнит NdFeB | Ферритовый магнит | |
| Остаточная магнитная индукция (Br) | Тл | 1.04-1.08 | 0.37-0.40 |
| Коэрцитивная сила по индукции (Hcb) | кА/м | 780-812 | 175-210 |
| Коэрцитивная сила по намагниченности (Hcj) | кА/м | >1990 | 180-220 |
| Максимальная магнитная энергия (ВН) max | кДж/м3 | 207 - 223 | 26-30 |
| Диапазон рабочих температур | 0С | -60...+180 | -60...+350 |
| Покрытие (никель) | Ni | 10-15 микрон. | - |
| Плотность | г/см3 | 7.4 - 7.5 | - |
Результаты исследований очистки донных отложений различными видами магнитов показали (таблица 6):
– при обработке пробы донных отложений извлечение тяжелых металлов происходит практически одинаково, как при сухой, так и при мокрой сепарации;
– процесс извлечения тяжелых металлов из донных отложений наиболее полно проходит при использовании редкоземельных магнитов.
– воздействие постоянными магнитами (ферритовыми и редкоземельными) на сырье приводит к лучшим результатам по извлечению тяжелых металлов из донных отложений, по сравнению с электромагнитной обработкой;
Таблица 6– Содержание тяжелых металлов в магнитных фракциях, извлеченных из донных отложений различными видами магнитов
| Металл | Концентрация, в исходной пробе, мг/кг | Концентрация ТМ (мг/кг с.м.) в магнитной фракции (сухая сепарация) после обработки: | Концентрация ТМ (мг/кг) в магнитной фракции (мокрая сепарация, влажность 80%) после обработки: | |||
| электро-магнитом | феррито-вым магнитом | редко-земельным магнитом | Феррито-вым магнитом | редко-земельным магнитом | ||
| Pb | 128 | 134 | 219 | 420 | 292 | 395 |
| Cr | 79 | 120 | 291 | 450 | 405 | 428 |
| Mn | 330 | 550 | 1000 | 2310 | 1800 | 3100 |
| Zn | 125 | 170 | 320 | 750 | 609 | 783 |
| As | 26 | 26 | 33 | 80 | 50 | 76 |
Диамагнитные вещества (цинк, медь, свинец, мышьяк), обладают способностью к слабонамагничиванию, но в ДО указанные элементы возможно частично находятся в виде малорастворимых сульфидов, которые обладают уже ферромагнитными свойствами. Результаты анализа содержания серы (рисунок 6) показали значительное увеличение интенсивности излучения (в 7 раз) магнитной фракции, по сравнению с
исходными ДО. Это доказывает, что соединения парамагнитных и диамагнитных веществ с серой в ДО обладают ферромагнитными свойствами.
Для интенсификации процесса и повышения степени извлечения тяжелых металлов была применена обработка донных отложений кальциевыми материалами с последующей импульсной магнитной обработкой в течение 5 минут.
По предложенному методу обработки суспензии донных отложений кальциевыми материалами и импульсным магнитным полем увеличивается степень извлечения тяжелых металлов (таблица 7), причем для Ni, Pb, Сr, As это увеличение значительно.
Рисунок 6 – Содержание серы в донных
отложениях и в магнитной фракции
Таблица 7 – Состав донных отложений после обработки гипсом и редкоземельным магнитом (мокрая сепарация)
| Металл | Концентрация металла в пробе ДО, мг/кг | Концентрация металла (мг/кг) в ДО после обработки: | Степень извлечения металла (%) после обработки: | ||||
| гипсом | магнитом | гипсом и магнитом | гипсом | магнитом | гипсом и магнитом | ||
| Ni | 21 | 15 | 12 | 4 | 25 | 41 | 72 |
| Рb | 128 | 92 | 90 | 51 | 23 | 27 | 55 |
| Сr | 79 | 54 | 67 | 40 | 28 | 14 | 45 |
| Мn | 330 | 224 | 228 | 181 | 29 | 28 | 41 |
| Сu | 61 | 26 | 48 | 22 | 53 | 18 | 58 |
| Zn | 125 | 96 | 55 | 52 | 21 | 51 | 54 |
| As | 26 | 16 | 15 | 12 | 36 | 38 | 50 |
| Sr | 185 | 122 | 167 | 111 | 31 | 9 | 36 |
| Cd | 5 | 4 | 4 | 4 | 18 | 18 | 18 |
На рисунках 7, 8 представлены диаграммы распределения различных тяжелых металлов по фракциям донных отложений в зависимости от метода обработки.
Рисунок 7 – Распределение Fe по фракциям донных Рисунок 8 – Распределение Cr по фракциям
отложений в зависимости от метода обработки донных отложений в зависимости от метода
обработки
Представленные выше диаграммы показывают, что в результате обработки ДО гипсом и магнитным полем содержание железа во фракции полисахаридов уменьшилось в 1,5 раза; хрома во фракциях полисахаридов, белков, неорганического остатка ~ в 2 раза.
Таким образом, результаты проведенного исследования свидетельствуют о возможности достаточно глубокого извлечения ТМ из ДО при обработке импульсным магнитным полем после введения малорастворимых кальциевых солей. Остаточные содержания ТМ в обезвреженных ДО отвечают требованиям к осадкам, разрешенным для использования в сельском хозяйстве. Такой метод утилизации конкурентоспособен, учитывая наличие в ДО биогенных элементов и гуминоподобных веществ.
Глава 5 Выделение тяжелых металлов из водной фазы, образующейся после обезвреживания донных отложений
В водную фазу, полученную после обработки донных отложений, металлы переходят в ионном виде, в соединениях металлов с полисахаридами, фульвокислотами и белковоподобными веществами, в том числе в виде коллоидов.
На основе экспериментальных данных показано существенное увеличение концентраций тяжелых металлов в водной фазе в сравнении с исходной водной фазой, в которой Cu, Pb, Cr, As находятся в следовых количествах, а Zn, Ni в количестве 0,3-0,7 мг/дм3 (рисунок 9).
Одним из наиболее широко применяемых в практике различных производств методов выделения тяжелых металлов из водных сред является осаждение металлов в виде гидроксидов. Так как полученная после очистки донных отложений водная фаза является многокомпонентной системой, то процесс осаждения конкретных тяжелых металлов, сопровождается процессами соосаждения, комплексообразования, что приводит к отклонению от расчетных значений pH осаждения.
Для осаждения тяжелых металлов из водной фазы, полученной после очистки донных отложений кальциевыми материалами и магнитной обработки, применялся раствор карбоната натрия. Осаждение производили в интервале значений pH от 7,0 до 11,0. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о возможности осаждения ионов тяжелых металлов при pH 8 практически до следовых концентраций.
Рисунок 9 – Содержание тяжелых металлов в водной
фазе, образующейся после обезвреживания ДО
Полученный в результате очистки донных отложений шлам составлял до 5 % от твердой массы ДО. Он может быть захоронен на специальных полигонах, а также вовлечен во влажном состоянии в состав глиняной массы при производстве керамзита (высокотемпературная цементация).
Глава 6 Технологические основы обезвреживания донных отложений
На основе обобщения данных по составам и результатам настоящего исследования предложена принципиальная схема технологии обезвреживания осадков от тяжелых металлов (рисунок 10).
Рисунок 10 – Принципиальная технологическая схема обезвреживания ДО
Донные отложения, поднятые со дна рек, каналов и озер, либо привезенные с отвалов, направляются в смеситель (1), где происходит смешение с гипсом, поступающим из бункера (2). Интенсификации процесса извлечения тяжелых металлов в смесителе и достижению более глубокого извлечения способствует перемешивание системы. После часового перемешивания происходит кратковременное отстаивание суспензии (5-10 мин), отстоявшаяся водная фаза отводится. Для более полного извлечения тяжелых металлов, смесь ДО и гипса перемещают в емкость (3), где в течение 5-10 минут происходит обработка магнитным полем. По окончании процесса намагничивания фракция, накопившаяся на магните, отправляется на захоронение, а обезвреженная твердая фаза отправляется на фильтр-пресс (4) для обезвоживания. Водная фаза, содержащая ионы тяжелых металлов, подается в реактор (6), где при добавлении Na2CO3 из бункера (5) тяжелые металлы осаждаются. Осадок направляется на захоронение.
Проведенная оценка класса опасности обезвреженных донных отложений показала, что после обработки кальциевыми материалами и магнитным полем класс опасности ДО по тяжелым металлам изменился с 3-го на 4-й. Расчет был проведен по программе “Расчет класса опасности отходов” (Версия 2.1)© ИНТЕГРАЛ 2001-2006, в соответствии с "Критериями отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды", утвержденными приказом МПР России 15 июня 2001 г. N 511.
Выводы
1. Установлено превышение ПДК тяжелых металлов в пробах донных отложений. Основные загрязнители, согласно полученным данным: никель, свинец, хром, медь, кобальт, мышьяк, стронций и кадмий. Концентрации тяжелых металлов в пробах донных отложений в среднем составляют в мг/кг сухой массы: никель 21, свинец 128, хром 79, медь 61, цинк 125, мышьяк 26, стронций 185, кадмий 5.
2. Показано, что в твердой фазе донных отложений более 62% массы приходится на неорганический остаток, на долю полисахаридов примерно 25%, другие составляющие распределяются следующим образом: липиды и гуминоподобные вещества - примерно по 5%, белки — около 3 %. В пробах донных отложений с помощью газовой хроматографии было обнаружено более 60 органических веществ, в том числе 2,6,10,15,19,23-гексаметил-2,6,10,14,18,22-тетракозагексаен (сквален), 2-этилгексанол, ацетамид, 1Н – пироль, 2,5-фурандион.
3.Исследовано распределение тяжелых металлов по группам органических соединений, обнаруженных в ДО. Установлено, что основную роль в связывании металлов играют белковые молекулы и гуминоподобные вещества, а также минеральные компоненты ДО – силикаты и алюмосиликаты. Тяжелые металлы присутствуют в твердой фазе ДО в форме растворимых и нерастворимых комплексных соединений с неорганическими и органическими лигандами, в сорбированной по ионному механизму на глинистых минералах и гумусовых веществах форме. Тяжелые металлы частично связаны по механизму комплексообразования с функциональными группами гумусовых кислот и других органических компонентов ДО.
4. Установлено, что разработанный ранее метод обезвреживания избыточных илов замещением тяжелых металлов на кальций при введении малорастворимых соединений кальция, например CaSO4•2H2O, применим и для обезвреживания донных отложений. Извлечение тяжелых металлов из донных отложений при введении в систему кальцийсодержащих материалов протекает за счет: 1) ионного обмена из соединений, в которых металлы связаны с органическими веществами и другими компонентами донных отложений по механизму ионного обмена; 2) реакций замещения из соединений, в которых металлы связаны с компонентами ДО по механизму комплексообразования; 3) нарушения адсорбционного равновесия между комплексом металла и компонентами минеральной составляющей донных отложений.
5. Предложен и опробован технический прием повышения степени извлечения тяжелых металлов из донных отложений – применение совокупности обработки донных отложений кальциевыми материалами и импульсной магнитной обработки. Проведенный анализ состава донных отложений после обработки гипсом и магнитом показывает, что степень извлечения ТМ из донных отложений увеличивается до 60%. Процесс существенно интенсифицируется, сокращаются материальные затраты, что подчеркивает большую перспективность данного метода для решения обезвреживания донных отложений от тяжелых металлов. Показано распределение тяжелых металлов по фракциям донных отложений в зависимости от метода обработки, при этом установлено существенное уменьшение содержания ТМ по всем фракциям донных отложений как при обработке гипсом, так и при последовательной обработке гипсом и магнитным полем.
6. Предложен метод обезвреживания донных отложений от тяжелых металлов до остаточного уровня их содержания, не превышающего установленные нормативы для осадков, разрешенных к использованию в сельском хозяйстве. Процессы осуществляются при нормальных температурах, в открытых емкостях, при небольшой продолжительности, без применения дорогостоящих реагентов. Внедрение данного метода может проводиться с максимальным использованием существующего оборудования, не требует больших капиталовложений. Качество обезвреженных донных отложений соответствует нормам СанПиН 2.1.7.573–96, ГОСТ Р 17.4.3.07–2001 и ХЕЛКОМа.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
- Чекренев, С.А. Извлечение тяжелых металлов из активного ила [Текст] / С.А. Чекренев, В.П. Панов, Ю.Шрам // Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов ”Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности”. – СПб. СПГУТД, 2004. – С. 90 – 91.
- Чекренев, С.А. К проблеме утилизации донных отложений городских рек, каналов и других водоемов [Текст] / С.А. Чекренев, В.П. Панов // Научно-производственный журнал “Вестник ДИТУД”, 2006, №4(30). – С. 39 – 41.
- Чекренев, С.А. Обезвреживание донных отложений водоемов крупных городов от тяжелых металлов [Текст] / С.А. Чекренев, М.В. Михеева, В.П. Панов // Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов ”Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности”. – СПб.: СПГУТД, 2008. – С. 210 – 211.
- Чекренев, С.А. Тяжелые металлы в окружающей среде и очистка от них донных отложений [Текст] / С.А. Чекренев, В.П. Панов, И.В. Зыкова // Современные экологические проблемы и их решение: взгляд молодежи: материалы конференции. – СПб.: ПИЯФ РАН, 2008 – С. 119 – 123.
- Чекренев, С.А. Очистка донных отложений от тяжелых металлов [Текст] / С.А. Чекренев, В.П. Панов, И.В. Зыкова // Международная научная конференция “Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов”. – СПб.: СПГУТД, 2008. – С.59.
- Чекренев, С.А. Анализ компонентного состава донных отложений [Текст] / С.А. Чекренев, Н.Е. Панова // Международная научная конференция “Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов”. – СПб.: СПГУТД, 2008. – С. 60.
- Панов, В.П. Тяжелые металлы: промышленность и защита окружающей среды [Текст] / В.П. Панов, И.В. Зыкова, С.А. Чекренев // Химические волокна. – 2008. – №3. – С.55 – 59.
- Чекренев, С.А. Воздействие магнитной обработки на извлечение тяжелых металлов из донных отложений [Текст] / С.А. Чекренев, А.А. Сундучков // Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности". – СПб.: СПГУТД, 2009. – С. 152.
- Зыкова, И.В. Взаимодействие гуминовых кислот ила биологических очистных сооружений с металлами [Текст] / И.В. Зыкова, В.П. Панов, С.А. Чекренев // Известия вузов. Технология легкой промышленности.– 2009. –№3.– C.15 –19.
