Защита водных ресурсов от загрязнения стоками угольной промышленности методами электрофлотации и биофильтрации

• Автор: Золотухин, Игорь Александрович
• Шифр специальности: 25.00.36
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 358 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВЕДЕНИЕ
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
1.1. Проблемы очистки воды в угольной промышленности
1.2. Флотационная очистка воды
1.3. Биологическая очистка воды
1.4. Направления исследований
2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО МЕТОДА
2.1. Исследование технологических свойства шахтных вод и разработка режимов рагентной обработки
2.1.1. Коагулируемость взвешенных веществ
2.1.2. Кинетика флотации с раздельным и совместным применением электролизных газов
2.1.3. Влияние реагентов на процесс электрофлотации
2.1.4. Электрокоагуляция-флотация взвешенных частиц
2.1.5. Влияние электрофлотационной обработки шламовых вод
на флотационное обогащение угля
2.2. Исследование работы электродных систем из различных материалов
2.2.1. Электрохимическое разрушение электродов
2.2.2. Газонасыщение при электролизе
2.3. Исследование конструкции электрофлотационных аппаратов
2.3.1. Требования к конструкции и методика исследований
2.3.2. Электрофлотация в противоточном аппарате
2.3.3. Электрофлотация в аппарате комбинированного типа
2.3.4. Электрофлотация в прямоточном аппарате
2.3.5. Оптимизация конструкции прямоточного аппарата
2.4. Теоретический анализ результатов экспериментальных исследований
2.4.1. Математическая модель процесса электрофлотации
2.4.2. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов
2.5. Выводы
3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ И ПАРАМЕТРОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО МЕТОДА
3.1. Исследование процессов очистки шахтных вод с использованием водорослей
3.1.1. Биологическая флокуляция взвешенных веществ
3.1.2. Влияние микроводорослей естественных биоценозов на осветление шахтной воды
3.1.3. Выращивание микроводорослевого биоценоза в лабораторных условиях
и его использование для очистки воды
3.1.4. Снижение концентрации бактерий в воде под воздействием микроводорослевого биоценоза
3.1.5. Микроводорослевый биоценоз натуральной шахтной воды
и его влияние на процесс осветления
3.1.6. Светопроводящие свойства мутной воды как среды для выращивания фотоавтотрофных организмов
3.1.7. Сравнительная эффективность осветления воды микроводорослевыми
и синтетическими волокнистыми системами
3.2. Исследование возможности применения высших растений для очистки сточных вод
3.2.1. Требования к растениям

3.2.2. Определение адаптированности к культивированию в водной
слабо минерализованной среде
3.2.3. Определение максимальной длины, скорости роста и развития корней
3.2.4. Положение адаптированных видов в системе высших растений
3.2.5. Экологическая валентность видов по влажности и температуре среды
3.2.6. Снижение общей концентрации солей и фосфатов растениями
3.3. Выводы
4. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫМ И БИОЛОГИЧЕСКИМ МЕТОДАМИ
4.1. Разработка промышленного аппарата электрокоагуляции-флотации (ЭКФ)
4.1.1. Лабораторная и экспериментальная модели промышленного аппарата
4.1.2. Масштабный переход и результаты опытно-промышленных испытаний
4.2. Разработка биологического аэрируемого отстойника-фильтра БАОФ-
4.2.1. Основные принципиальные варианты конструкции
4.2.2. Разработка системы дополнительного питания растений
4.2.3. Масштабный переход при использовании растений
4.3. Выводы
5. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОФИЛЬТРАЦИИ СОВМЕСТНО С СУЩЕСТВУЮЩИМИ МЕТОДАМИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
5.1. Очистка от микроэлементов биофильтрацией с предварительной
электрообработкой
5.1.1. Методика
5.1.2. Очистка без предварительной электрообработки
5.1.3. Очистка с предварительной электрообработкой
5.1.4. Устойчивость эффекта и механизм удаления из воды микроэлементов
5.2. Очистка от взвешенных веществ биофильтрацией с предварительным реагентным осаждением
5.2.1. Методика
5.2.2. Особенности развития растений
5.2.3. Удаление дисперсных примесей
5.2.4. Накопление микроэлементов в растениях
5.3. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЯ:
1. Химический состав исследуемых вод
2. Градуировочные графики и таблицы
3. Математическое планирование эксперимента при определении оптимальных концентраций реагентов
4. Акт испытаний экспериментального образца флотационной установки ,
5. Петрографическое исследование продуктов флотации
6. Акт испытаний опытно-промышленного электрокоагулятора-флотатора
7. Техническое задание на разработку электрокоагулятора-флотатора
8. Акты внедрения
9. Микрофотографии водорослей
10. Фотографии корневых систем
11. Графики изменения адгезионной способности, длины корневых систем
и pH среды
12. Содержание микроэлементов в растениях

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Угольная промышленность отличается существенным негативным влиянием на все основные компоненты окружающей среды. Особенно специфично и значительно её воздействие на водные ресурсы. По данным Минэнерго предприятиями угольной промышленности в 2000 г. в водные объекты сброшено 524 мл.м3 шахтных и карьерных вод. Кроме того, существуют и другие источники загрязнённых вод, такие как обогатительные фабрики, машиностроительные заводы, автобазы, банно-прачечные комбинаты и т.д. В отрасли эксплуатируется около 400 очистных сооружений общей мощностью 1351 млн.м3, однако только 38% из них обеспечивают нормативную очистку в объёме 235,9 млн.м3 или 27,4% от объёма воды, требующей очистки [4]. Наиболее специфичными компонентами сточных вод являются взвешенные вещества, нефтепродукты, минеральные соли, соли тяжёлых металлов, органические соединения. Очистка сточных вод в отрасли осуществляется главным образом методами гравитационного осаждения. Для этого используют сгустители и отстойники различных конструкций, а также пруды-осветлители, в отдельных случаях используют фильтрование (Горшков, 1981; Харионовский и др., 2000).
Основными недостатками гравитационного осветления являются невысокие удельные нагрузки, высокая влажность (95-99%) и большой объём образующегося осадка - 8-10 % от объёма очищаемой воды. Это затрудняет его дальнейшую обработку и обезвоживание. Работа наклонных отстойников, осветлителей и фильтров существенно нарушается при повышенном содержании в воде нефтепродуктов. Этих недостатков лишены флотационные методы очистки. Скорость всплывания флокул при флотации значительно выше скорости гравитационного осаждения, влажность пенного продукта (осадка) значительно ниже (90-95 %), а объёмы образующегося осадка в 2-10 раз меньше. К тому же флотация позволяет эффективно удалять нефтепродукты, ионы металлов, микроэлементы, ПАВ. Одними из первых работ по флотационной очистке сточных вод в нашей стране являются работы М.В. Герасимова (I960, 1962), С.В. Яковлева с соавторами (1972), А.Н. Мацнева

Общим недостатком всех выше перечисленных типов очистных сооружений с использованием высших растений является низкая производительность и, как следствие, большие занимаемые площади, быстрое заиливание при достаточно больших технических трудностях регенерации (восстановления) заиленных сооружений. Зимой сооружения работают не эффективно [330]. К этому следует добавить, что в медленно текущих потоках весьма плохо протекают диффузионные процессы, лежащие в основе энерго- и массообмена. В частности, из-за низкой интенсивности аэрации резко снижается окислительная мощность сооружений.
Все эти недостатки полностью или частично устраняются в очистных сооружениях в виде длинных нешироких каналов с высшими растениями [6]. Скорость течения в каналах намного выше, чем в прудах и на ботанических площадках, что создаёт некоторую дополнительную турбулентную составляющую диффузии и усиливает аэрацию. При заиливании каналы легко могут быть очищены техническими средствами. Большая длина каналов обеспечивает их стабильную и эффективную работу даже в условиях значительных колебаний расхода [79]. В канале глубиной 0,4 м и нагрузке по БПК5 6 г/м2'сут за 4 суток получены эффекты: по БПК5 95 %; по нитратам 90 % и по фосфатам 75 %[358]. Работы по использованию каналов ведутся в Дании, ФРГ, Австрии, Франции, Бельгии, Люксембурге и Нидерландах [318]. На Кубе, где каналы называют окислительными, они считаются экономически наиболее целесообразными [371].
1.3.5. Биофильтрация
Корни растений, находящиеся в грунте, работают не эффективно. В связи с этим получили распространение конструкции, в которых дно канала или резервуара засыпается крупнозернистым материалом (гравий, щебень и т.д.), в котором развивается корневая система. Вода фильтруясь через крупные поры хорошо контактирует с корневой системой [27]. Эксперименты с камышом и стрелолистом при слое зернистого материала 0,45 м за 42 ч обработки дали