Очистка вод от нефтепродуктов

 Для круглогодичного беспрерывного  функционирования над очистительным  каскадом сооружается тепличное  легкое сооружение, где тепло  в зимнее время поддерживается  сточной водой, а в теплое время  года в нем формируется "тропический  климат", за счет сильного испарения  воды и накопления тепла, что  значительно усиливает рост водных  растений и их очистительную  функцию. В конце вегетации срезают  метелки, султаны с семенами высших  растений и застилают ими поверхность  очистительных емкостей. В султанах  и метелках семена прорастают, не смываются сточной водой. Затем  срезают оставшуюся часть надземной  массы водных растений с высотой  стебля 5 - 10 см выше уровня сточной  воды, что исключает смещение  срезанных метелок и султанов  сточной водой к одной стороне  очистительной площадки и создает  возможность поступления через  стебли кислорода к корням  водных растений. Все это, наряду  с тепличным сооружением, обеспечивает  беспрерывное функционирование  предлагаемой системы.

 

После последовательного передвижения сточной воды через очисти-тельную емкость с манником, затем камышом, аиром, ирисом, рогозом концентрация вредных веществ в исходной сточной воде (фосфатов, аммонийного азота, нитритов, соединений железа, нефтепродуктов) снижалась до ПДК, увеличивалось в воде количество растворенного кислорода, улетучивался неприятный запах. Вода становилась пригодной для сброса в естественные водоемы, для повторного использования.

 В целом каскад несложен  в изготовлении. Для емкостей  можно использовать низкосортные  бетонные, кирпичные, железные материалы. Для ячеистых перегородок можно  использовать списанные решетки  с зерноочистительных машин ОВП-20 А, СВУ - 5 и другие. Стены тепличного сооружения (до высоты емкостей) можно возвести из листов шифера, горбыля и между ними пространство заполнить опилками, сухим навозом, сухой глиной и т.д. Тепло в теплице будет в основном поддерживаться сточной водой. Все другие материалы, как и водные растения, доступны, находятся на месте и не требуют дальней перевозки [7].

 

2. Подбор биоценоза

 

При выборе высшего водного растения для использования его в дальнейшем в лабораторных исследованиях следует исходить из его свойств очищать воду от существующих загрязнителей, присутствующих в стоках, и условий его произрастания. Необходимо использовать погруженное в воду растение, не требующее для своего роста и развития грунт. Эти условия выполняются для того, чтобы осуществлялась очистка воды от растворенных в ней загрязнителей, и не происходило загрязнение взвешенными веществами.

 

При поиске биоценозов для проведения экспериментов исходили из того, чтобы обеспечение растениями происходило с минимальными затратами. Из большого многообразия ВВР, представленных в Ботаническом саду Самарского Государственного Университета, были взяты следующие виды: частуха подорожниковая (Alisma plantago-aquatica, сем. Частуховые), ряска (Lemna, сем. сем. Рясковые), уруть мутовчатая (Myriophyllum verticillatum L. сем. Сланоягодниковые).

 

 

 Рис. 7. Высшие водные растения

 

Для использования в лабораторных условиях применялась уруть мутовчатая Myriophyllum verticillatum L. сем. Сланоягодниковые. Ряска располагается на поверхности воды и не способна сорбировать загрязнители, растворенные в толще воды. Для частухи подорожниковой необходим грунт и, вследствие этого, при использовании данного вида растений в качестве

 фитосорбента, возможно загрязнение воды взвешенными веществами. По-этому от использования этих видов в лабораторных условиях отказались.

 

Уруть мутовчатая растет в основном в стоячей воде на открытых солнечных местах или в полутени, морозоустойчива, поэтому лабораторные условия жизни для нее приемлемы. По литературным данным она способна очищать воду от нефтепродуктов.

 

3. Исследование процесса фитоочистки воды от бензола

 

Объектами исследования являются модельный раствор бензола, а также высшее водное растение – Уруть мутовчатая.

 

При выборе объекта исследования на начальных этапах проведения экспериментов использовались приготовленные на основе дистиллированной воды растворы углеводородов – ундекана, гептадекана, бензола и керосина. Предварительные исследования показали целесообразность использования для лабораторных опытов растворов на основе бензола. Для эксперимента использовался 0,1% раствор бензола, данная концентрация была принята исходя из свойств этого ароматического соединения и его содержания в сточных водах.

 

3.1 Методика анализа воды на  основной загрязнитель

 

Так как эксперимент предполагает определение характеристик воды, то при его проведении качество воды контролировалось по показателю ХПК.

 В качестве методов анализа  воды изначально использовалась  методика определения содержания  нефтепродуктов в сточных водах.

 

Методика определения ХПК была выбрана после серии анализов по определению нефтепродуктов в воде. Выбранная методика является наиболее оптимальной для применения ее в лаборатории, так как она показывает наилучшую сходимость результатов при проведении экспериментов, менее затратная с точки зрения времени проведения и используемых реактивов.

 

3.2 Методика определения ХПК

 

Метод измерений

 

Бихроматный метод измерений ХПК основан на окислении органических веществ, присутствующих в сточных водах, бихроматом калия в кислой среде при кипячении. Для повышения полноты окисления органических веществ к пробе прибавляют в качестве катализатора сульфат серебра. Избыток бихромата определяют титрованным раствором соли Мора.

 Мешающее влияние хлоридов  при концентрациях ниже 1г/л устраняют  способом, описанным в разделе  «Выполнение измерений». Если концентрация  хлоридов больше 1г/л, следует прибавлять  сульфат ртути (ΙΙ) в количестве, превышающем в 15 раз содержание хлоридов. Одно-временно вводят 5 мл концентрированной серной кислоты для лучшего растворения сульфата ртути (ΙΙ). Мешающее влияние сульфидов можно устранить, прибавив бихромат калия в небольшое количество серной ки-слоты к пробе пере определением и оставив смесь на несколько минут в холодном месте.

 

Средства измерений, реактивы и материалы.

 

Плитка электрическая по ГОСТ 306-76.

 Штативы лабораторные ШЛБ, ТУ 79 РСФСР 265-72.

 Колбы стеклянные термостойкие  лабораторные по ГОСТ 10394-72 вместимостью 250 мл.

 Обратные холодильники, ГОСТ 9499-70.

 Приборы мерные лабораторные  стеклянные 2 кл. точности, ГОСТ 6709-72, вместимостью: пипетки 10и 20 мл; бюретки 25 мл исполнения 1.

 Посуда мерная лабораторная  стеклянная, 2 кл. точности, ГОСТ 1770-74, вместимостью: цилиндры 100 мл; колбы 1000 мл.

 Стеклянные шарики, кусочки  пемзы.

 

Реактивы:

 Вода дистиллированная по ГОСТ 6709-72.

 Бихромат калия, фиксанал 0,1н, ТУ 6-09-2540-72 или по ГОСТ 4220-75.

 Кислота серная концентрированная  по ГОСТ 4204-77.

 Сульфат ртути (ΙΙ).

 Сульфат серебра, ТУ 6-09-3703-74.

 Соль Мора по ГОСТ 4208-72.

 Моногидрат 1,10-филантролина. Сульфат  железа (ΙΙ) по ГОСТ 4148-78.

 N-фенилантрониловой кислота, ТУ 6-09-3592-74.

 Гидроксид натрия по ГОСТ 4328-77.

 Все реактивы должны быть  квалификации х.ч. или ч.д.а.

 

Подготовка к выполнению измерений.

 

Приготовление 0,25 н раствора бихромата калия.

 В дистиллированной воде  растворяют 12,258 г K2Cr2O7, высушен-ного в течение 2 часов при 105 °С, и разбавляют при температуре 20 °С до 1 л.

 Приготовление 0,25 н раствора соли Мора.

 

Растворяют 98 г соли Мора Fe(NH4)2(SO4)2*6H2O в дистиллированной воде, прибавляют 20 мл концентрированной серной кислоты и после охлаждения разбавляют смесь до 1 л дистиллированной водой. Титр раствора должен устанавливаться для каждой серии определений следующим образом. Разбавляют 25 мл 0,25 н раствора бихромата калия дистиллированной водой приблизительно до 250 мл, прибавляют 20 мл концентрированной серной кислоты и после охлаждения титруют 0,25 н раствором соли Мора при добавлении 5 капель раствора №-фенилантраниловой кислоты.

 Приготовление раствора №-фенилантраниловой кислоты, индикато-ра.

 Растворяют 0,25 №-фенилантраниловой кислоты в 12 мл 0,1 н раствора едкого натра и разбавляют дистиллированной водой до 250 мл.

 

Выполнение измерений.

 

Сильно загрязненные воды разбавляют перед определением так, чтобы на окисление расходовалось не более 50% добавляемого бихромата калия.

20 мл пробы (в случае разбавления  меньший ее объем, доведенный  дистиллированной водой до 20 мл), помещают в колбу со шлифом  для кипячения. Прибавляют 0,4 г двухвалентной  ртути, 0,4 г сульфата серебра, 10 мл 0,25 н раствора бихромата калия и стеклянные шарики или кусочки пемзы. Смесь перемешивают. Осторожно помешивая, приливают 30 мл концентрированной серной кислоты.

 Присоединяют обратный холодильник  и нагревают до слабого равномерного  кипения, которое поддерживают 2 часа. Кипячение проводят в вытяжном  шкафу под тягой. Затем смесь  охлаждают до комнатной температуры. Отсоединяют холодильник, смывают  продукты реакции из холодильника  в колбу 25 мл дистиллированной  воды и смесь вновь охлаждают до комнатной температуры. Затем добавляют 5 капель №-фенилантраниловой кислот и титруют избыток бихромата калия титрованным раствором соли Мора с известным титром (0,25 н) до изменения окраски индикатора из травянисто-зеленой в изумрудно-зеленую.

 

Таким же образом проводят холостой опыт с 20 мл дистиллированной водой.

 Необходимо следить, чтобы при  кипячении сохранялся золотисто-желтый  оттенок жидкости. Если проба  становится желто-зеленой, значит добавленного количества бихромата не хватает на полное окисление. В этом случае следует обеспечить необходимое разбавление пробы.

 

Вычисление результатов измерения

 Величина ХПК сточных вод (Х) в мг О2/л вычисляют по формуле [8]:

 

Х = (а - b)*2000/ V,

 

где а – количество титрованного раствора соли Мора, израсходованного на холостой опыт, мл;

 b – количество титрованного раствора соли Мора, израсходованного на титрование пробы, мл;

V – количество пробы, взятой  для определения, мл.

 

3.3 Результаты эксперимента

 

Условия эксперимента:

Объект: модельный раствор: бензол : вода

Температура: t = const (20°С)

Кислородный режим: аэрация + перемешивание;

Сравнительный анализ: наличие двух проб – с растениями и без них;

Время проведения аэрации: не менее двух часов;

Метод анализа пробы: определение ХПК.

 

Наиболее важным этапом очистки сточных вод является аэрация ки-слородом воздуха, поэтому она применялась во всех опытах. Были рассмотрены различные варианты аэрации – средне и мелкопузырчатая, для проведения эксперимента выбрали среднепузырчатую аэрацию (наиболее часто применяемый способ в промышленных установках). При помощи нее в растворе также происходило перемешивание, что является важным условием проведения эксперимента.

 

В проводимых опытах сравнивали эффективность применения чистой аэрации и аэрации с растениями, то есть параллельно ставили две пробы раствора бензола.

 В результате проведенных  опытов были получены следующие  данные:

 

1. Оптимальное время обработки

 

В условиях данного опыта была проведена серия экспериментов для определения оптимального времени аэрации. Аэрировали раствор с урутью мутовчатой в течение длительного промежутка времени. В таблице 2 представлены значения ХПК, мгО2/л при различной продолжительности времени проведения аэрации.

 

Из полученных результатов следует, что целесообразно проводить аэрацию не менее двух часов, так как по истечении данного времени происходит минимальное снижение ХПК.

 

Таблица 2. Зависимость значения ХПК от времени аэрации

 

 

 

 Рис. 8. Снижение ХПК в зависимости  от времени проведения аэрации

 

2. Эффективность очистки воды  с использованием урути мутовча-той

 

Проведенные эксперименты показали, что при использовании урути мутовчатой для очистки сточных вод происходит снижение содержания загрязняющего вещества в воде (рис. 9).

 В среднем, ХПК снижается  с исходного значения 222 до 47,5 при  проведении чистой аэрации и 16,5 мгО2/л при очистке с использованием урути мутовчатой.

 

 

 Рис. 9. График зависимости эффективности  очистки воды от бензола

 

 

 Рис. 10. Зависимость эффективности  очистки воды от бензола

 

Эффективность очистки без растений с аэрацией составляет 84-94%, с урутью – 90-97%, то есть эффективность выше на 4-13% [9].

 

3. Эффективность очистки воды  с учетом поглощения загрязнителя  микроорганизмами

 

В серии экспериментов для определения данной зависимости принимали участие модели урути мутовчатой, которые были разработаны с целью обеспечения достоверности прохождения процесса очистки за счет работы растения. Искусственные модели урути представляют собой волокнистый материал, закрепленный на носителе (проволока, пластик). Использование искусственных моделей («Проволочная, «Зеленая»), которые содержатся длительное время совместно с растением, позволило сделать вывод о возможности очистки воды микроорганизмами и бактериями, закрепленными на поверхности растения или его модели

 

 

 Рис. 11. Зависимость эффективности  фитоочистки и микробиологической очистки воды от бензола

 

По рис. 11 видно, что наивысшая эффективность очистки достигается при совместном использовании урути мутовчатой и аэрации, а при совместном использовании моделей (работа микроорганизмов) и аэрации эффективность очистки даже меньше, чем при использовании просто одной аэрации [10].