RU2704438C1

RU2704438C1 - Adsorption treatment method of surface water sources

Info

Publication number: RU2704438C1
Application number: RU2018129385A
Authority: RU
Inventors: Аминат Ахмедовна Атаева; Алексей Васильевич Кошелев; Жарадат Сулеймановна Абубакарова; Елена Ивановна Тихомирова
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2019-10-28

Abstract

FIELD: water and air purification technology.

SUBSTANCE: topicality of the problem of provision of the population of the Chechen Republic with quality drinking water is related to change of natural waters under action of discharges of domestic, industrial and storm waste water of various degree of contamination. Industrial waste accounts for nearly 17 % of the total volume of waste water, the rest – for housing and communal complex. Purification of surface waters by conventional methods is insufficient. Adsorbent consists of fine minerals (not over 10 mcm) of bentonite and brucite, its preparation is carried out in an aqueous medium using ultrasound. Obtained granules undergo thermal treatment in range of 550–600 °C, high mechanical strength, high specific surface and adsorption capacity of substances of different nature.

EFFECT: method of purifying waters of surface sources from pollutants of various nature using a complex mineral adsorbent.

1 cl, 3 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к области промышленной экологии и может быть использовано для очистки вод поверхностных источников (реки, озера, пруды и т.п.) до нормативных требований по предельно-допустимым концентрациям содержания загрязнителей.The invention relates to the field of industrial ecology and can be used to purify water from surface sources (rivers, lakes, ponds, etc.) to the regulatory requirements for maximum permissible concentrations of pollutants.

Известно, что воды с цветностью более 30 градусов по платино-кобальтовой шкале и содержанием взвешенных примесей более 100 мг/л очищаются через стадию коагулирования (Водоподготовка: Справочник. / Под ред. д.т.н. С.Е. Беликова. М: Аква-Терм, 2007. - 240 с., Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод. - М.: Стройиздат, 1977. - 208 с.). Процесс очистки (осветления) проводится в специальных резервуарах с добавлением в очищаемую воду коагулянтов, например, сульфата алюминия или оксихлорида алюминия с дальнейшей очисткой через песчаные фильтры. Однако очистка сточных вод коагуляцией требует значительных затрат времени, введения дополнительных реактивов и наличия емкостного оборудования. При этом загрязняющие вещества, находящиеся в растворенном состоянии, остаются в очищаемой воде.It is known that waters with a chromaticity of more than 30 degrees on a platinum-cobalt scale and a suspended impurity content of more than 100 mg / l are purified through the coagulation stage (Water Treatment: Reference Book / Ed. By Doctor of Technical Sciences S.E. Belikova. M: Aqua-Therm, 2007. - 240 p., Zhukov A.I., Mongayt I.L., Rodziller I.D. Methods for the treatment of industrial wastewater. - M .: Stroyizdat, 1977. - 208 p.). The purification (clarification) process is carried out in special tanks with the addition of coagulants, for example, aluminum sulfate or aluminum oxychloride, with further purification through sand filters. However, wastewater treatment by coagulation requires a significant investment of time, the introduction of additional reagents and the availability of capacitive equipment. In this case, pollutants in a dissolved state remain in the purified water.

Известно, что мелкоизмельченный алюмосиликатный адсорбент, добавляемый в очищаемую воду на длительное время, является эффективным адсорбентом для тяжелых металлов. Например, в патенте РФ 2412756, кл. B01J 20/00, опубл. 2011 предложен способ очистки стоков мелкодисперсным алюмосиликатным сорбентом, получаемого как отход производства. Сорбцию свинца и кадмия осуществляют при перемешивании жидкой фазы с сорбентом в течение 6-32 часов. Недостатками способа являются низкая скорость сорбции и необходимость отделения значительного количества мелкодисперсного алюмосиликатного адсорбента, который в водной среде может дополнительно диспергироваться до микроразмеров.It is known that finely ground aluminosilicate adsorbent added to the purified water for a long time is an effective adsorbent for heavy metals. For example, in the patent of the Russian Federation 2412756, cl. B01J 20/00, publ. 2011 proposed a method of treating wastewater with a finely dispersed aluminosilicate sorbent obtained as a waste product. Sorption of lead and cadmium is carried out with stirring of the liquid phase with the sorbent for 6-32 hours. The disadvantages of the method are the low sorption rate and the need to separate a significant amount of finely dispersed aluminosilicate adsorbent, which in the aqueous medium can be additionally dispersed to microdimensions.

Известен также способ очистки вод адсорбентом «Глинт», взятый нами за прототип. Адсорбент «Глинт» (ТУ 2163-001-15191069-2003) получают спеканием глины и соединений щелочно-земельных элементов, разработанный и применяемый для очистки промышленных и поверхностно-ливневых сточных вод путем осаждения катионов тяжелых металлов (см. Инструкция по применению. Активированный алюмосиликатный адсорбент Глинт. ЗАО "Квант минерал". Санкт-Петербург.2007 г., 6 с.). При большом сроке службы адсорбента и возможности его многократных промывок при использовании в существующих технологических схемах очистки сточных вод к недостаткам адсорбента «Глинт» следует отнести ограничения по кислотности обрабатываемых стоков (рН 7,5÷8,0), что требует предварительной подготовки стоков (2-3-ступенчатая очистка). К недостаткам адсорбента «Глинт» можно отнести и ограниченную сорбционную емкость по ионам тяжелых металлов (2,5÷5,6 г/дм), что приводит к необходимости частых промывок фильтрующей системы, а это существенно усложняет технологический процесс очистки воды.There is also a known method of water purification with the Glint adsorbent, which we have taken as a prototype. Glint adsorbent (TU 2163-001-15191069-2003) is obtained by sintering clay and compounds of alkaline-earth elements, developed and used for the treatment of industrial and surface-storm sewage by precipitation of heavy metal cations (see. Instructions for use. Activated aluminosilicate Glint adsorbent. CJSC "Quantum mineral. St. Petersburg. 2007, 6 pp.). With a long service life of the adsorbent and the possibility of multiple washing it when used in existing wastewater treatment schemes, the Glint adsorbent disadvantages include the acidity limits of the treated effluents (pH 7.5 ÷ 8.0), which requires preliminary treatment of effluents (2 3-step cleaning). The disadvantages of Glint adsorbent include a limited sorption capacity for heavy metal ions (2.5–5.6 g / dm), which leads to the need for frequent washing of the filter system, and this significantly complicates the process of water purification.

Исследованиями Атаевой А.А. с соавторами (2009-2017) показано, что в воде из поверхностных водоисточников Чеченской республики присутствуют ионов таких тяжелых металлов как стронций, цинк и никель в сочетании с литием и галогенами. Это способствует образованию целого комплекса солей этих металлов, которые не элиминируются в процессе водоподготовки и могут влиять на состояние жизненно важных систем и органов человека. Приоритетными загрязнителями поверхностных вод ЧР являются нефтепродукты, СПАВ, тяжелые металлы, которые в некоторых источниках обнаружены в концентрациях выше предельно-допустимых в среднем на 12,9%.Research Ataeva A.A. et al. (2009-2017) showed that ions from such heavy metals as strontium, zinc and nickel combined with lithium and halogens are present in water from surface sources of the Chechen Republic. This contributes to the formation of a whole complex of salts of these metals, which are not eliminated in the process of water treatment and can affect the state of vital human systems and organs. The priority pollutants of surface waters of the Czech Republic are oil products, surfactants, heavy metals, which in some sources are found in concentrations higher than the maximum permissible average of 12.9%.

Предлагаемое нами изобретение направлено на решение важной экологической проблемы - высокоэффективную очистку поверхностных высокозагрязненных вод.Our invention is aimed at solving an important environmental problem - highly efficient treatment of surface highly contaminated waters.

Технический результат предлагаемого изобретения - разработка наиболее надежного, экологически чистого и экономически эффективного способа очистки вод поверхностных источников до нормативных требований, предъявляемых к питьевой воде по предельно допустимым концентрациям загрязнителей.The technical result of the invention is the development of the most reliable, environmentally friendly and cost-effective way of treating surface water sources to the regulatory requirements for drinking water at the maximum allowable concentrations of pollutants.

Способ адсорбционной очистки поверхностных вод, отличающийся тем, что загрязнители различной природы (гуминовые вещества, ионы тяжелых металлов, взвеси, синтетические поверхностно-активные вещества и т.п.) поглощаются (адсорбируются) на минеральных гранулах высокой поглотительной емкости, состоящих из бентонита и брусита (природный минерал, представляющий собой гидроокись магния). Исходные компоненты - бентонит и брусит - измельчаются до размеров частиц не более 10 мкм. Такой размер частиц смешиваемых веществ позволяет достигнуть высокой степени однородности адсорбционного материала. Повышенная поглотительная способность адсорбента достигается за счет рецептуры геля, из которого формуются гранулы, его ультразвуковой активации и режима обжига гранул (термообработки).The method of adsorption treatment of surface water, characterized in that pollutants of various nature (humic substances, heavy metal ions, suspensions, synthetic surfactants, etc.) are absorbed (adsorbed) on mineral granules of high absorption capacity, consisting of bentonite and brucite (a natural mineral that is magnesium hydroxide). The initial components - bentonite and brucite - are crushed to a particle size of not more than 10 microns. Such a particle size of the miscible substances makes it possible to achieve a high degree of uniformity of the adsorption material. The increased absorption capacity of the adsorbent is achieved due to the formulation of the gel from which the granules are formed, its ultrasonic activation and the regime of firing of granules (heat treatment).

Состав геля - бентонит : вода : брусит=10:30:2. Этот состав определен экспериментально как оптимальный исходя из стойкости полученных гранул в слабокислой среде. Гель производится двухстадийно в ультразвуковом (УЗ) поле реактора мощностью более 10 Вт/см². На первой стадии в УЗ-реакторе готовится суспензия брусита в воде в течение времени не менее 5 мин. На второй стадии добавляется бентонит и обработку получаемого геля ведут 8-10 минут. Под действием ультразвука происходит равномерное распределение смешиваемых компонентов и образование геля. Далее гель сушится до заданной влажности (50-60%). Гранулы из полученного геля формуются методом экструзии. Режим термообработки полученных гранул - 2 часа при 550°С - 600°С. Найденный экспериментально оптимальный режим термообработки позволяет получать гранулы с развитой поверхностью и устойчивые к водной среде в широком диапазоне рН. В таблице 1 (см. в графической части) приведены сравнительные характеристики полученного нами адсорбента и адсорбента «Глинт».The composition of the gel is bentonite: water: brucite = 10: 30: 2. This composition is determined experimentally as optimal based on the resistance of the obtained granules in a slightly acidic environment. The gel is produced in two stages in an ultrasonic (ultrasound) field of a reactor with a capacity of more than 10 W / cm ² . At the first stage, a suspension of brucite in water is prepared in an ultrasonic reactor for a period of at least 5 minutes. In the second stage, bentonite is added and the resulting gel is processed for 8-10 minutes. Under the influence of ultrasound, a uniform distribution of the mixed components and the formation of a gel occur. Next, the gel is dried to a predetermined humidity (50-60%). The granules from the obtained gel are formed by extrusion. The heat treatment mode of the obtained granules is 2 hours at 550 ° C - 600 ° C. The experimentally found optimal heat treatment mode allows one to obtain granules with a developed surface and resistant to an aqueous medium in a wide pH range. Table 1 (see the graphic part) shows the comparative characteristics of the adsorbent and Glint adsorbent that we obtained.

Пример 1. Приготовление адсорбента. Использовался бентонит Даш-Салахлинского месторождения, Республика Азербайджан, и брусит, предоставленный ООО «Русское горно-химическое общество». Исходные компоненты - бентонит и брусит, измельчаются на лабораторной установке до размеров частиц не более 10 мкм. Рецептура рассчитывается на 1,5 литра воды (объем УЗ-реактора - 2 литра) На первой стадии в ультразвуковом реакторе при подаваемой мощности 12 Вт/см² готовится суспензия брусита (100 г) в воде (соотношение брусит : вода=30:2) в течение 5 мин. На второй стадии добавляется бентонит 500 г из расчета 10 частей бентонита на 30 частей воды. Гель подсушили в термошкафу при температуре 50°С до влажности 50%. Гранулы адсорбционного материала размером 0,5-2 мм получены на лабораторном экструдере. Термообработка выполнена в муфельной печи. Режим термообработки - 600°С в течение двух часов.Example 1. Preparation of an adsorbent. The bentonite of the Dash-Salakhlinskoye deposit, the Republic of Azerbaijan, and brucite provided by the Russian Mining and Chemical Society LLC were used. The initial components - bentonite and brucite, are ground in a laboratory setup to a particle size of not more than 10 microns. The recipe is calculated for 1.5 liters of water (the volume of the ultrasonic reactor is 2 liters). At the first stage, a suspension of brucite (100 g) in water is prepared in an ultrasonic reactor with a supplied power of 12 W / cm ² (brucite: water ratio = 30: 2) within 5 minutes In the second stage, 500 g of bentonite is added at the rate of 10 parts of bentonite to 30 parts of water. The gel was dried in an oven at a temperature of 50 ° C to a humidity of 50%. Granules of adsorption material with a size of 0.5-2 mm were obtained on a laboratory extruder. Heat treatment is performed in a muffle furnace. The heat treatment mode is 600 ° C for two hours.

Пример 2. Оценка эффективности использования предлагаемого способа на примере очистки поверхностных вод Гойтинского водозабора р. Терек, г. Грозный. Отбор проб воды исследуемых водных объектов осуществляли согласно ГОСТ Р 51593-2000. Проводили измерение мутности и цветности (ГОСТ 3351-74 «Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности» и ГОСТ Р 52769-2007 «Вода. Методы определения цветности»), определяли нитриты (ПНД Ф 14.1:2.3-95), хлорид-ионы (ПНД Ф 14.1:2.96-97), нитраты (ГОСТ 18826-73), общее солесодержание (ПНДФ 14.1:2:3:4.121-97). В таблице 2 (см. в графической части) приведены результаты исследования воды из Гойтинского водозабора.Example 2. Evaluation of the effectiveness of the proposed method on the example of surface water treatment of the Goitinsky water intake p. Terek, the city of Grozny. Water sampling of the studied water bodies was carried out according to GOST R 51593-2000. Turbidity and color were measured (GOST 3351-74 “Drinking water. Methods for determining taste, smell, color and turbidity” and GOST R 52769-2007 “Water. Methods for determining color”), nitrites were determined (PND F 14.1: 2.3-95) , chloride ions (PND F 14.1: 2.96-97), nitrates (GOST 18826-73), total salt content (PNDF 14.1: 2: 3: 4.121-97). Table 2 (see the graphic part) shows the results of the study of water from the Goitinsky water intake.

Установлено улучшение большинства определяемых показателей качества воды при фильтрации через фильтр с разработанным адсорбционным материалом: в среднем на 25%, показатель мутности снизился на 80%, а цветности - на 70%.The improvement of most of the determined indicators of water quality was established during filtration through a filter with developed adsorption material: on average by 25%, the turbidity index decreased by 80%, and color - by 70%.

Пример 3. Оценка эффективности использования предлагаемого способа на примере очистки поверхностных вод Сунженского водозабора, г. Грозный. Отбор проб воды исследуемых водных объектов осуществляли согласно ГОСТ Р 51593-2000. Проводили измерение мутности и цветности (ГОСТ 3351-74 «Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности» и ГОСТ Р 52769-2007 «Вода. Методы определения цветности»), определяли нитриты (ПНД Ф 14.1:2.3-95), хлорид-ионы (ПНД Ф 14.1:2.96-97), нитраты (ГОСТ 18826-73), общее солесодержание (ПНДФ 14.1:2:3:4.121-97). В таблице 3 (см. в графической части) приведены результаты исследования воды Сунженского водозабора. Установлено улучшение большинства определяемых показателей качества воды при фильтрации через фильтр с разработанным адсорбционным материалом. Исходные пробы воды из Сунженского водозабора характеризовались высоким содержанием гуминовых веществ, обуславливающих цветность, взвешенных частиц и иловых остатков, повышающих мутность. Фильтрование этих вод через экспериментальный фильтр с разработанным адсорбционным материалом сопровождалось снижением цветности на 96%, мутности - на 99%. Особенно была эффективной очистка от микробного загрязнения.Example 3. Evaluation of the effectiveness of the proposed method on the example of surface water treatment of the Sunzhensky water intake, Grozny. Water sampling of the studied water bodies was carried out according to GOST R 51593-2000. Turbidity and color were measured (GOST 3351-74 “Drinking water. Methods for determining taste, smell, color and turbidity” and GOST R 52769-2007 “Water. Methods for determining color”), nitrites were determined (PND F 14.1: 2.3-95) , chloride ions (PND F 14.1: 2.96-97), nitrates (GOST 18826-73), total salt content (PNDF 14.1: 2: 3: 4.121-97). Table 3 (see the graphic part) shows the results of a study of the water of the Sunzhensky water intake. The improvement of most of the determined indicators of water quality was established during filtration through a filter with developed adsorption material. The initial water samples from the Sunzhensky water intake were characterized by a high content of humic substances that determine color, suspended particles and silt residues that increase turbidity. Filtration of these waters through an experimental filter with developed adsorption material was accompanied by a decrease in color by 96%, turbidity - by 99%. Microbial contamination was especially effective.

Claims

The method of adsorption treatment of water from surface sources, characterized in that pollutants of various nature (humic substances, heavy metal ions, suspended matter) are absorbed (adsorbed) on mineral granules of high absorption capacity, consisting of bentonite and brucite, crushed to particle sizes of not more than 10 microns, and the high absorption capacity of the mineral adsorbent is achieved due to the formulation of the gel from which the granules are formed, its ultrasonic activation and the regime of firing of granules (heat treatment), moreover, a gel - bentonite: water: brucite = 10: 30: 2, the preparation of the gel produced in the ultrasonic field capacity of more than 10 W / cm ² in an ultrasonic reactor of the gel pellets are formed by extrusion, thermal treatment of the obtained granules - 2 hours at 550 ° C - 600 ° C.