Модернизация прудов-отстойников предприятий теплоэнергетического комплекса с применением высокоселективных сорбентов в габионных фильтрационных кассетах

Благодарности . Проект поддержан Краевым фондом науки по теме 2020021006020 «Получение высокоэффективных биосорбентов на основе водоугольной суспензии».

Цитирование: Дубровская О. Г. Модернизация прудов-отстойников предприятий теплоэнергетического комплекса с применением высокоселективных сорбентов в габионных фильтрационных кассетах / О. Г. Дубровская, Т. А. Кулагина, Т. И. Савченко // Журн. Сиб. федер. ун- та. Техника и технологии, 2023, 16(4). С. 426–433. EDN: MUSGQZ необходимо модернизировать стандартную систему перелива с внедрением фильтрационного блока как элемента разделительно-фильтрационного габиона с использованием фильтрационных загрузок с высокими сорбционными показателями.

Методы исследования

В испытательной лаборатории Инженерно-строительного института СФУ (ИЛ СМиХАВ) была смоделирована система очистки сточных вод от предприятий ТЭК, которая в процессе исследований подвергалась изменениям путем внедрения разных блоков очистки. В процессе натурного эксперимента в систему очистки внедрялись сорбционные фильтрующие колонны, которые показали высокую эффективность, что подтвердило целесообразность и необходимость введения стадии фильтрационной очистки. С целью равномерного движения стока в пруде-отстойнике было предложено каскадное устройство дна отстойника для стабилизации скорости движения очищаемого стока.

Таким образом, предлагается внедрение каскадного фильтрования с целью обеспечения равномерной скорости фильтрации за счет естественных сил и установка сменных габионных фильтровальных кассет с высокоселективной сорбционной загрузкой. Инженерные элементы каскадно-фильтровальных прудов-отстойников хорошо вписываются в стандартную конструкцию имеющегося пруда-отстойника (рис. 1).

В габионном фильтрационном блоке создаются условия, схожие с самоочисткой воды в природе. Каскадное устройство пруда-отстойника позволяет обеспечить движение воды за счет ее потенциальной энергии, которая переходит в кинетическую. Перегородки пруда-отстойника выполняются в виде габионов, стенки и основание – из матрасов Рено и системы Террамеш. Подобная модернизация легко возводимая, не требующая создания фундамента. Стоит отметить, что при строительстве такого пруда-отстойника не наблюдается эрозия почвы за счет стабилизации потока воды, выходящего из водосбросных лотков.

В качестве сорбционного материала, применяемого в габионных фильтровальных кассетах, предлагается использовать экспериментально полученную загрузку на основе водоугольных суспензий. Сырьем для получения данного сорбента является порода добычи бурого угля.

Рис. 1. Cхема фильтрационного пруда-отстойника: 1 – шунгит; 2 – сорбент СТК-А; 3 – геотекстиль; 4 – гидроизоляция; 5 – дренажный слой

Fig. 1. Scheme of the filtration pond-settlement: 1 – shungite; 2 – sorbent STK-A; 3 – geotextile; 4 – waterproofing; 5 – drainage layer

Высокая температура, отсутствие кислорода в угольных пластах приводят к спеканию ряда пород и химических элементов.

Был исследован сорбент марки СТК-А с целью оценки его эффективности при кондиционировании стока с высоким содержанием нефтепродуктов. Сорбент подвергался щелочной обработке и кавитационной активации в аппарате при угловой скорости 3000 об/мин в течение 90 с [3]. Используя различные типы активации сорбента, определяли основные физико-химические свойства и параметры гранул сорбента, эффективность извлечения нефтепродуктов и ряда тяжелых металлов из обрабатываемой сточной воды. Эксперимент показал, что сорбент проявил стабильную активность к следующим металлам: Fe, Cd, Mn, Pb, Zn. В меньшей степени к As, Cu. А к таким элементам, как P, Sr, Cr, Ni, сорбент не проявил активности. В ходе проведенных исследований установлено, что сорбционные свойства рассматриваемого сорбента снижаются в кислых средах и при значении pH более 8 эффективность процесса протекает в зоне оптимума.

Результаты исследования

Результаты исследования представлены в табл. 1. Наиболее эффективной оказалась модификация угольного сорбента с кавитационной обработкой. Сравнительный анализ эффективности сорбции представлен диаграммой (рис. 2).

Отличительной чертой сорбционной способности активированного угольного сорбента является эффективность сорбции при различных температурных режимах. Эксперименталь-

Таблица 1. Характеристики сорбента

Table 1. Characteristics of the sorbent

Показатель	Угольный сорбент под действием термокислотной активации	Угольный сорбент, модифицированный кавитационной обработкой с режимом 3000 об/мин
Морфофизические параметры	Гранулы свободной формы, размер гранулы 1,15–1,3 мм, цвет от серого до черного	Гранулы свободной формы, размер гранулы 0,03–0,3 мм, цвет черный
Сорбционная емкость по меди, мг / г	18,32–26,7	16,87–24,9
Температура применения, ºС	+ 4…+ 25	+ 4…+ 25
Степень извлечения тяжелых металлов	83,3 %	96,3 %
Cu	64 %	86,9 %
Fe	86,6 %	98,9 %
Pb	92,2 %	99,7 %
Нефтепродукты	76,4 %	87,9 %
Максимальная доза сорбента	5–13,1 г / л	5–9,9 г / л
Доза выгружаемого сорбента	0,7 мг / л	0,68 мг / л
Расчетная высота сорбционной загрузки в адсорбере	В зависимости от диаметра сорбционного фильтра 0,80–1,50 м	В зависимости от диаметра сорбционного фильтра 0,45–0.60 м

■ угольный сорбент, термокислотной активации угольный сорбент, активированный гидротермодинамическим методом показатель

Си; 86,90% Ее; 98,90% РЬ; 99,70% ■ Нефтепродукты; 87,90%

• ■ Си; 64%     ■ Fe; 86,60% ■ РЬ; 92,90% ■ нефтепродукты; 76,40%

Рис. 2. Сравнительный анализ результатов сорбции

• Fig. 2. Comparative analysis of sorption results

Таблица 2. Эффективность очистки

Table 2. Cleaning efficiency

№ линии Исходная концентрация нефтепродуктов в воде, мг / дм3 Условия фильтрации Конечная концентрация (угольный сорбент, модифицированный кавитацией), мг / дм3 Эффект очистки (угольный сорбент, модифицированный кавитацией), % 1 47 Нормальные условия (20 ± 2 °C) 5,03 89,3 2 47 Нагрев (40 ± 2 °C) 3,06 93,5 3 47 Охлаждение до + 0,1…+ 0,4 °C 5,78 87,7 ные данные показали, что независимо от температуры подаваемой на очистку воды, эффективность угольного сорбента остается неизменно высокой и составляет в среднем 90,16 %. Результаты эксперимента представлены в табл. 2.

Обсуждение результатов исследования

Выбор габионного фильтра с исследуемой сорбционной загрузкой основывается на следующих преимуществах: простота конструкции, несложность эксплуатации, максимальное использование объема фильтра, экономичность и высокая эффективность очистки воды. Эксперимент показал, что в качестве сорбционной загрузки наиболее эффективно работает сорбент, активированный в кавитационной установке на основе гидротермодинамических эффектов. Гидротермодинамические эффекты создают на поверхности сорбента микро-, мезо- и макропоры, которые увеличивают площадь развитой поверхности и, как следствие, приводят к увеличению сорбционной емкости материала. В лабораторных испытаниях на опытной фильтрационной установке степень очистки нефтепродуктов составила 87,9 % (конечная концентрация нефтепродуктов – до 0,05 мг / л).

Таким образом, применение сорбента, активированного гидротермодинамическим методом в габионных фильтрационных кассетах, позволяет достичь требуемой степени очистки стока ТЭС для оборотного водопользования. Модификация существующих сооружений очистки сточных вод предприятий ТЭС с устройством каскадного фильтрования и внедрением габионных фильтрационных кассет решает задачу повышения эффективности очистки для оборотного водопользования.

Выводы

Предложенные технические решения позволяют достичь требуемого качества воды для повторного использования. Главными достоинствами модернизации пруда-отстойника являются:

• 1.    Использование отходов угледобычи в качестве сорбента с задаваемыми вариативными параметрами сорбции;

• 2.    Возможность применения различных типов активации сорбента;

• 3.    Сокращение площадей, отводимых под пруды-отстойники, за счет каскадного устройства дна и повышения эффективности очистки;

• 4.    Повышение эффективности очистки стока ТЭЦ, что способствует ускорению процесса очистки и возможности применения в оборотном водопользовании.

Разрабатываемые варианты инженерной модернизации гидросооружения позволят в значительной степени снизить экологические риски от использования прудов-отстойников предприятий теплоэнергетического комплекса.

Введение блоков габионных фильтрационных кассет с активированной загрузкой, имеющей высокие сорбционные свойства при очистке промышленного стока и кондиционировании технической воды, позволит сформировать замкнутый оборотный цикл водопользования и значительно снизить эксплуатационные затраты предприятий ТЭК.