V003493 Дипломная работа Апробация минеральных сорбентов для очистки воды от микробиологических загрязнений

Введение

Актуальность работы. Данное исследование является актуальным, по причине усиления техногенного и антропогенного воздействия на гидросферу Российской Федерации. Усиление техногенного воздействия на природную среду РФ в свою очередь, влечет к ряду экологических проблем, которые охватывают все среды обитания живых организмов.

Одна из главных проблем - некачественная очистка сточных вод, которая приводит к ухудшению качества природных водоемов вследствие к развитию опасных бактерий и микроорганизмов, заражающие человека инфекционными заболеваниями.

В настоящее время сточные воды подразделяются на две основные группы. Бытовые стоки – стоки от жилых помещений и санитарных узлов и производственные стоки – воды которых используют в технологических процессах. Все крупные предприятия в последние несколько лет, переходят на использование воды по закрытой технологии, обеспечивающей минимальный забор и утечку недостающей воды из окружающей среды. Для бытовых вод подобную закрытую технологию не используют, так как степень очистки не соответствует санитарным нормам качества подачи воды для бытовых помещений. Бытовые стоки после некоторой очистки сбрасывают в водный бассейн.

А ведь от чистоты водоемов, рек, озер, морей зависит многообразие животного и растительного водного мира, и как следствие благосостояние нации и развитие экономики страны в целом. Когда речь идет о сточных водах, то люди часто не задумываются о масштабах этой проблемы. Сточные воды, являясь одним из активнейших загрязнителей окружающей среды, поражают биоценоз не только водоемов, но и близлежащих к ним территорий. Поэтому, нарушая биоценоз водного мира, мы нарушаем биогеоценоз в целом. Вода - одна из составляющих абиотических факторов любого биогеоценоза.

Патогенные микроорганизмы, содержащиеся в питьевой воде, главная причина таких возбудителей заболевания как холера, амебиаз, диарея (до 5-ти летнего возраста) и шистосомоз, повлекли к большому числу умерших. Практически все самые тяжелые инфекционные болезни человечества вызваны бактериями (чума, сибирская язва, дифтерия) люди до сих пор помнят ужасы тех эпидемий.

Поэтому перед нами стоит очень важная задача, усовершенствовать сорбционный метод очистки воды от микробиологических загрязнений. Сорбционный метод очистки сточных вод от микроорганизмов и бактерий является наиболее эффективным и экологически приемлемым методом. Преимуществом метода является высокая глубина очистки, отсутствие вторичных загрязнений, управляемость процессом и небольшая площадь, занимаемая установкой сорбционных фильтров.

Цель исследования: Изучение эффективности очистки воды от микробиологических загрязнений с помощью природного минерального сорбента глауконита и его модификаций.

В соответствии с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1. Подбор оптимального фракционного состава сорбентов и изучение их гидродинамических характеристик.

2. Изучение физико-химических характеристик глауконита.

3. Изучение эффективности очистки водных сред от микробиологических загрязнений с использованием глауконита разных фракций

4. Исследование эффективности очистки водных сред от микробиологических загрязнений с использованием модифицированного глауконита

Научная новизна и практическая значимость исследования.

• Впервые предложено использование глауконита для извлечения бактерий из водных сред и химическая обработка поверхности минералов для получения сорбентов.

• В работе доказана возможность применения глауконита для очистки водных сред от бактерий, что существенно расширяет спектр практического применения минерала.

Глава 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.1 Необходимость очистки сточных вод.

На сегодняшний день все страны мира ставят перед собой цель защитить водоемы от превышения определенных максимальных концентраций вредных для водоемов веществ.

То, до какой степени чистоты необходима очистка, зависит прежде всего, от соответствующего водоприемника. Если раньше очисткой сточных вод достигались цели удаления осаждаемых веществ, а затем растворимых органических соединений углерода, то сегодня необходимо также удаление питательных веществ – азота и фосфора, а вследствие антропогенного воздействия на гидросферу, усиленное удаление следов вредных веществ и возбудителей заболеваний – патогенных микроорганизмов. Болезнетворные микроорганизмы наиболее опасные возбудители инфекционных заболеваний [1].

Бактериологическая загрязненность представляет прямую угрозу здоровью человека, она определяется общим числом бактерий и микробов, находящихся в воде. При этом следует помнить, что в процессе своей жизнедеятельности даже считающиеся безопасными бактерии выделяют органические вещества, которые в свою очередь отрицательно влияют на органолептические свойства воды, также, вступая в химические реакции с галогенидами, могут создавать ядовитые и канцерогенные соединения.

Нахождение в питьевой воде микроорганизмов может привести к серьезным последствиям, особенно колиморфные бактерии и энтеровирусы, вызывающие вирус гепатита, такие болезни как брюшной тиф, дизентерия и поражающие желудочно-кишечный тракт. Микроорганизмы из городских канализаций попадают в воду, разносятся сточными водами с полей, которые удобряются навозом. Микрофлора начинает очень бурно развиваться там, где разливы рек и дожди смывают навоз в водоемы. Хлорируют воду для того чтобы обеззаразить ее от микроорганизмов. Но не следует уповать на этот способ обеззараживания как безопасный. Есть группы вирусов, на которые действие хлора не распространяется.

Инфекционные болезни, вызываемые патогенными бактериями, вирусами и паразитами (например, протозойными и гельминтами) представляют собой наиболее общий и широко распространенный риск для здоровья, связанный с питьевой водой. Масштабы медико-санитарной проблемы определяются тяжестью заболеваний, обусловленных патогенами, их инфекционностью и числом людей, подвергшихся этой опасности. Нарушение безопасности водоснабжения может привести к крупномасштабному загрязнению и, потенциально, к заметным вспышкам заболеваний. Другие нарушения и незначительное, потенциально неоднократное загрязнение могут приводить к крупным спорадическим вспышкам заболеваний, однако эпиднадзор может и не связывать их с источниками питьевой воды. Выявлению и регулированию рисков, в особенности связанных со спорадическими заболеваниями, может помочь количественная оценка риска [2-4].

То, до какой степени чистоты необходима очистка, зависит, прежде всего, от соответствующего водоприемника (аспекты вредного воздействия). Если раньше очисткой сточных вод достигались цели удаления осаждаемых веществ, а заем растворимых органических соединений углерода, то сегодня необходимо также удаление питательных веществ – азота и фосфора, а в будущем – усиленное удаление следов вредных веществ и возбудителей заболеваний. В Европейском союзе, к очистке сточных вод предъявляются минимальные требования, которые установлены законами и постановлениями. Особые проблемы могут возникнуть из-за сточных вод промышленности и сельского хозяйства. В большинстве случаев очистка, например, промышленных сточных вод также опирается в основном на знания, полученные при очистке бытовых сточных вод.

Затраты на очистку сточных вод возрастают с повышением требований к очистке. Во многих случаях требуются значительные долгосрочные инвестиции. Отсюда возникает необходимость постоянной работы по усовершенствованию экономически выгодных методик и эффективной эксплуатации имеющихся сооружений.

1.2 Показатели качества питьевой воды и их санитарно- токсикологическая характеристика.

Показатели качества питьевой воды делятся на – химические которые характеризуют химический состав воды (минерализация, содержание неорганических и органических веществ, щелочность и жесткость, водородный показатель воды pH), физические (температура, запах, привкус, цветность, мутность), санитарно-бактериологические показатели (общая бактериальная загрязненность питьевой воды, содержание радиоактивных и токсичных компонентов, загрязненность воды кишечной палочкой), эпидемические показатели. Вода для размножения бактерий и микробов может являться идеальной средой: возбудителей холеры, дизентерии, паратифов, возбудителей брюшного тифа, вирусного гепатита и т.д. так же может являться разносчиком различного рода глистов. Анализ воды проводят по «показательным» микробам (к примеру, кишечной палочке), в связи с большим содержанием патогенных организмов [5]. Требования СанПиН - в 100 мл воды не должно быть кишечной палочки, количество бактерий в 1 мл воды не должно превышать 50.

Физические показатели:

Температура – является важным параметром для всех естественных процессов. Биологические, химические и физические процессы в воде зависят от температуры. Повышение температуры на 3 К означает удвоение биологической деятельности бактерий. Одновременно с этим возрастает растворимость кислорода в воде.

Запах – причина присутствия запаха в питьевой воде может быть связана с наличием химических загрязнителей в ней. Например, о неблагоприятном микробиологическом состоянии питьевой воды свидетельствует сероводородный запах. При загрязнении воды промышленными стоками присутствует фенольный запах. Хлорный запах говорит о излишней концентрации хлора, применяемого для обеззараживания воды.

Вкус и привкус – наличие специфического вкуса у питьевой воды указывает на ее загрязненность органическими веществами. Зависит от содержания в ней растворенных веществ либо газов.

Различают горький, кислый, соленый и сладкий вкусы. Горький вкус сообщает о наличие хлорида натрия, кислый – о большом количестве минеральных вод [6-7].

Химические показатели:

Жесткость воды и значение рН. Жесткость воды выражает содержание в воде ионов кальция и магния и определяет буферную емкость по отношению к кислотам. Она зависит в первую очередь от геологической структуры регионов протекания.

Значение рН многих естественных проточных водоемов находится возле нейтральной точки рН=7. Оно колеблется у слабоизвестковых – от олиго- до мезотрофных – водоемов с небольшой буферной емкостью от рН=6 до 7, а при средней и высокой рН жесткости воды – от 7,0 до 8,5. В торфяных водоемах значение рН находится в пределах 5,0-6,5 и ниже. Суточные ритмические повышения значения рН более 10 могут возникать вследствие приема диоксида углерода водными растениями при фотосинтезе.

Неорганические питательные вещества. Растения особо нуждаются в фосфоре. Этот макроэлемент в наземных водоемах находится в различных соединениях, преимущественно в виде фосфат-анионов.

Аммоний – это продукт распада белков и аминокислот, которые попадают в почву и водоемы из отмершей биомассы. При достаточном поступлении кислорода возникает нитрификация. Автотрофными бактериями аммоний окисляется до нитрита и затем да нитрата. Как аммоний, так и нитрат могут потребляться и ассимилироваться растениями в качестве источника азота. При аноксических условиях нитрат может восстанавливаться определенными бактериями до молекулярного азота при помощи многоступенчатого процесса. При этом данные бактерии используют нитрат как источник кислорода для окисления органических соединений [8].

Органические питательные вещества. Важнейшим веществом для жизни в воде является кислород. Он в первую очередь определяет жизнь и состав живых сообществ в водоемах. В отличие от живых сообществ на суше, где кислород постоянно имеется в равном количестве, в водоемах количество газообразного растворенного кислорода легко может сократиться до минимума, ограничив рост многих водных организмов или даже воспрепятствовав ему. Кроме того, растворимость сильно зависит от температуры, содержания солей и давления воздуха. Температура воды заслуживает здесь особого внимания. Обычно минимальные значения О2 < 6 мг/л обозначаются как пониженные, < 4 мг/л – как низкие, а < 2 мг/л – как очень низкие. В каждом водоеме в пограничном слое воды и воздуха кислород растворяется с соблюдением равновесия в растворах.

Жизненно важный элемент углерод находится в атмосфере в основном в виде CO2, который хорошо растворим в воде и распадается в зависимости от значения рН на различные продукты диссоциации (углекислоту, гидрокарбонат, карбонат). Растения и прочие автотрофные организмы нуждаются в диоксиде углерода, чтобы сроить свою клеточную массу и тем самым обеспечивать круговорот питательных веществ либо создание другого органического вещества [9].

Токсикологические воздействия загрязнений водоемов на человека возможны вследствие подготовки питьевой воды (из грунтовых вод, ключевой, наземной воды и берегового фильтрата). Острые отравления питьевой водой, однако, редки и зачастую являются следствием происшествий или явных нарушений технологического процесса, так как предельные значения всех вредных и опасных веществ должны соблюдаться согласно Предписанию по питьевой воде. Однако, что касается предельных значений вредных для здоровья веществ в питьевой воде и ядов для окружающей среды, следует отметить как проблемный тот аспект, что при сочетании различных токсических веществ могут возникнуть неизвестные взаимодействия, а небольшие, аналитически трудноопределимые концентрации при остатке хронического токсического действия, возможно, могут быть определены только по прошествии долгого времени.

1.3 Используемые методики очистки питьевой воды от микроорганизмов.

Проблема очистки питьевой воды с каждым годом становится более актуальна, из-за постоянно растущего дефицита водоснабжения. Микробиологические загрязнения занимают особое место, среди различного рода загрязнений находящихся в воде, имеют антропогенное происхождение и вносятся в водную среду через множество источников[10-12].

Можно выделить следующие вещества, продукты и товары, способствующие образованию микрозагрязнений:

• Медикаменты для людей и животных;

• Продукты личной гигиены;

• Средства обработки растений и борьбы с вредителями;

• Средства огнезащиты;

• Средства дезинфекции;

• Вещества гормонального действия;

• Промышленные химикаты;

• Поверхностно-активные вещества (ПАВ);

• Рентгеноконтрастные препараты, а также

• Метаболиты вышеназванных веществ.

Микрозагрязения в сточных водах могут быть удалены из очистного сооружения или сокращены различными методами. Важнейшие процессы – это сорбция и биологическое разложение.

Сорбция может быть подразделена:

• На абсорбцию: прием атома, молекулы или иона в другую фазу;

• Адсорбцию: накопление веществ из газа или жидкости на поверхности (пограничной плоскости) твердого тела.

Для повышения показателя удаления микрозагрязнений либо активизации процессов сорбции и биологического разложения можно применять различные эффективные методы, к которым относятся мембранный метод, метод окисления и сорбционные методы [13-14].

Адсорбция активированным углем

Это метод, пригодный для сокращения количества микрозагрязнений. При его использовании различаются преимущественно две методики: первая

– это применение фильтра с гранулированным активированным углем, а вторая – добавление порошка активированного угля с последующей флокуляционной фильтрацией или другими методами отделения. Большая часть исследованных микрозагрязнений хорошо сорбируется активированным углем. Кроме того, возможное биологическое воздействие в фильтре из активированного угля может быть важным с точки зрения биологического преобразования некоторых веществ для сокращения количества микрозагрязнений. Если в грунтовых водах или необработанной воде обнаруживаются органические вещества в малых дозах, например средства защиты растений, то в большинстве сооружений по водоподготовке применяется дополнительная фильтрация активированным углем. Лишь некоторые исключения, например антибиотик сульфаметаксозол и некоторые йодированные рентгеноконтрастные препараты, не демонстрируют оптимальных адсорбционных свойств. Что касается рентгеноконтрастных препаратов, неионные рентгеноконтрастные препараты сорбируются лучше, чем ионные. Для предотвращения проникновения ионных рентгеноконтрастных препаратов после фильтра из активированного угля необходима заблаговременная регенерация активированного угля [15].

Окисление

Применение методов окисления приводит к химическому изменению синтетических соединений. Могут использоваться различные окисляющие средства, в том числе озон, УФ-свет, хлор, диоксид хлора, перекись водорода и т.п.

В целом можно признать, что применение окисления дает возможность удалить микрозагрязнения, но необходимо учитывать большие затраты и угрозу образования более вредных продуктов разложения.

Мембранный метод

Изначально область применения мембранного метода – это подготовка питьевой воды из смеси речной и морской воды или из морской воды.

Действие мембранных методов основано на разности потенциалов (разнице давлений) между обеими сторонами мембраны, при которой возникает поток веществ через мембрану. Благодаря этому потоку веществ осуществляется разделение веществ, т.е. растворяющая среда вытесняется из концентрированного раствора, и в нем накапливаются твердые вещества.

При помощи ультрафильтрации микрозагрязнения удаляются недостаточно. При нанофильтрации и обратном осмосе возможно сокращение этих веществ на 93-99%, следовательно, эти методы эффективны; однако для достижения такой степени удаления необходимо применить давление от 10 до 150 бар. Мембранный метод удаления микрозагрязнений неэкономичен из-за высоких энергозатрат, затрат на удаление концентрата и инвестиционных затрат.

Комбинации методов

Как адсорбция, так и окисление имеют избирательное, т.е. зависящее от вещества, действие.

Таким образом, для целенаправленного удаления определенных веществ рекомендовано, например, комбинировать друг с другом различные окислители; в подготовке питьевой воды освоено озонирование с последующей адсорбцией активированным углем. Этим сочетанием методов удаляется почти полный спектр микрозагрязнений, а кроме того, эффективно устраняется путем окисления или биологически разлагается ядовитый остаточный озон и метаболисты окисления [16].

Сорбционные процессы

Природные сорбенты - цеолиты, сокирниты, глаукониты, опал- кристобаллитовые породы, бентониты и другие играют немаловажную роль в техническом прогрессе очистки сточных вод, благодаря своим физико- химическим свойствам.

Изучение и промышленное использование природных сорбентов началось только в середине XX в. Во время открытия крупных месторождений цеолитовых пород.

С каждым годом все больший интерес проявляют к изучению свойств минеральных сорбентов, для выведения из воды дисперсных примесей, нефтепродуктов, красителей, микробиологических загрязнений и других.

Минералы и горные породы входят в группу природных сорбентов, которые обладают высокими адсорбционными и фильтровальными свойствами. Для минеральных сорбентов характерны такие механизмы сорбции, как: молекулярная сорбция, ионная сорбция. Разный минеральный состав сорбентов приводит к изменению величины сорбционной емкости и кинетики.

Активные центры сорбентов являются гидроксильными группами поверхности, которые представлены с избыточным отрицательным зарядом, определенным изоморфизмом, связанным с многообразными структурными позициями и ненасыщенными связями на границе структурных слоев, а также с обменными катионами, восполняющими избыточный заряд кристаллической решетки.

Некоторые виды природных сорбентов вступают в реакцию на основе катионного обмена как ионообменники, к примеру, цеолиты, бентониты, глаукониты, а другие относят к минеральным образованиям с поверхностно- активными свойствами. В основе сорбционной активности аморфных природных сорбентов лежит молекулярный обмен.

Некоторые сорбенты, кроме того, могут проявлять и каталитические свойства. Такие характеристики как водостойкость и механическая прочность имеют большое значение для их практического использования.

Сорбционный метод применяемый для очистки воды основан на двух процессах адсорбции и ионного обмена. Процесс адсорбции - извлечение молекул из раствора, ионный обмен – извлечение иона из раствора.

Адсорбция – поглощение адсорбентом (твердым нерастворимым телом) молекул растворенного в воде вещества. Происходит поглощение за счет хемосорбции либо физической сорбции на сформированной поверхности адсорбента.

Адсорбенты – твердые нерастворимые тела, которые обладают развитой поверхностью (до 1000 м2 /г) за счет значительной пористости.

Самыми общераспространенными в природе адсорбентами являются активированные угли всевозможных марок. Это порошкообразные, пористые либо зерненые углеродные тела, имеющие значительную площадь поверхности. Неоднородная масса, которая состоит из кристаллов аморфного графита и углерода, определяет пористую структуру активированных углей и их свойства.

Количеством модельного вещества обычно оцениваются адсорбционные свойства активных углей, сорбированного временем защитного действия единицы количества угля до окончательного его насыщения и единицей массы активного угля при определенных условиях.

Чаще всего микропорами определяют адсорбционные свойства углей, которые в основном составляют до 90% всей площади активного угля. На этой площади и происходят процессы адсорбции, в основе которых лежит взаимодействие молекул адсорбируемых веществ с энергетически ненасыщенными атомами углерода. Процесс сорбции вещества хуже происходит в ионной форме, лучше – в молекулярной [17-20].

Способность органических веществ к сорбции снижается в ряду:

гликоли > спирты > кетоны > сложные эфиры > альдегиды

>недиссоциированные кислоты >ароматические соединения.

С ростом температуры и молекулярной массы повышается способность к сорбции.

Очень большое значение имеют физико-химические характеристики используемые для оценки качества зерненых активных углей, которые используются для загрузки во всевозможные типы адсорбентов. Такие характеристики как: насыпная плотность, зернение, механическая прочность.

Активные угли отличаются по форме и размеру частиц бывают дробленные и гранулированные (размер частиц 0,5-5 мм), волокнистые (длина несколько сантиметров, а диаметр частиц < 0,1 мм) и порошкообразные (размер частиц < 0,1 мм).

Для очистки воды не более одного раза на городских станциях водоподготовки используют активные угли порошкообразного типа, которые вводят после коагуляции либо во время ее.

В аппаратах с полным слоем сорбента типа механического фильтра воды, дробленные и гранулированные угли используются для очистки воды методом фильтрация. Угли могут регенерироваться реагентами либо острым паром все зависит от типа. Чаще всего уголь при очистке воды используют один раз из-за потерь угля, невыполнимой окончательной его регенерации и сложности организации такого процесса.

В фильтрах воды специальной конструкции волокнистые активные угли могут использоваться так как они имеют самую большую эффективную площадь поверхности. И они пользуются большим спросом в фильтрах бытового назначения.

Изготовления активных углей возможно из полимерных волокон, древесных и каменноугольных основах. Материал основы обрабатывают при высокой температуре без доступа воздуха, процесс их производства принято называть пиролизом. Затем активные угли из древесного угля обрабатывают острым паром для дополнительной активизации.

Высокая емкость древесных углей следствие большой удельной поверхности, высокой пористости (от 1 до 2 см3/г) и широким распределением пор по размерам. В тоже время древесные угли имеют очень низкую удельную массу и механическую прочность. Вследствие этого в системах водоподготовки используются в малогабаритных производственных фильтрах и в бытовых фильтрах очистки воды.

В сорберах с движущимся и неподвижным слоем любых габаритов позволяют применять угла на каменноугольной основе так как они имеют значительно лучшие механические и гидравлические характеристики [21].

1.4 Методы дезинфекции сточных вод.

Для дезинфекции сточных вод имеются различные физические или химические методы [22]. Основные из них:

Химические:

• Окисление хлором и соединениями, выделяющими хлор, или диоксидом хлора либо другими окислителями;

• Озонирование; Физические:

• Термическая обработка;

• УФ-облучение;

• Мембранная фильтрация.

Химические методы

Органические вещества и биологические загрязнения придают воде цветность, запах, привкус, служат источниками заражения болезнетворными микроорганизмами. Одним из путей улучшения качества водя является обработка ее окислителями. Первоначально окислители применялись только с целью обеззараживания и лишь позднее для улучшения цветности, вкуса, привкуса и запаха.

Основными окислителями, используемыми в водоподготовке являются:

• Кислород воздуха;

• Хлор-газ Cl2;

• Другие галогены: Br, I;

• Диоксид хлора ClO2;

• Гипохлорит натрия NaClO;

• Гипохлорит кальция Ca(ClO)2;

• Хлорная известь (хлорид-хлорат кальция);

• Хлорамины;

• Озон O3;

• Перманганат калия KMnO4;

• Пероксид водорода H2O2;

При содержании в воздухе около 20 % кислорода, он является достаточно слабым окислителем. Для биологических объектов кислород является важнейшим элементом для их размножения и существования, так как он практически не влияет на растворенные органические вещества. Растворенные катионы тяжелых металлов легче гидролизуются и далее удаляются фильтрованием, после окисления их кислородом до их высших валентностей. Для дезинфекции и дезодорирования водя используют более сильные окислители, которые окисляют не только неорганические ионы [23].