диплом - Исследования в Гимназии №1505

ГБОУ Гимназия № 1505
«Московская городская педагогическая гимназия – лаборатория»
ДИПЛОМ
Изучение влияния рН ливневых сточных вод на образования в них
дисперсных систем
автор: Кравченко Анна 10 «Б»
руководитель: к.х.н., доц. Гордова Анна Фирсовна
Москва
2014
Оглавление
Введение…………………………………………………………………………...3
Глава I. Обзор литературы…………………………………………………..........4
1.1. Ливневые сточные воды. Образование и классификация…………………4
1.2. Дисперсные системы. Основные признаки, классификация,
устойчивость………………………………………………………………….6
1.3. Очистные сооружения стока с автодорог, площадок
промышленных предприятий и селитебных территорий………………………8
1.3.1. Формирование стока с автодорог…………………………………………9
1.3.2. Состав сточных вод с автомобильной дороги…………………………..10
1.3.3.Очистка сточных водсавтомагистралей………………………………….10
1.3.4.Ливневая канализация……………………………………………………..13
Глава II. Экспериментальная часть……………………………………………..15
2.1. Реактивы и материалы……………………………………………………...15
2.2. Методики экспериментов…………………………………………………..17
2.2.1. Приготовление дисперсной системы «дизельное топливо/вода»……...17
2.2.2.Приготовление дисперсной системы «дизельное топливо/глина/вода».20
2.3. Обсуждение результатов …………………………………………………..21
Выводы…………………………………………………………………………...25
Заключение……………………………………………………………………….26
Список литературы……………………………………………………………...27
Приложения……………………………………………………………………...28
Приложение 1……………………………………………………………………28
Приложение 2…………………………………………………………………….31
2
Введение
В настоящее время экология города Москвы находится в сложном
состоянии. Город стремительно растет, сливается с городами-спутниками.
Средняя плотность населения Москвы на данный момент составляет 8.9 тыс.
чел. на 1 кв. км. Сотни тысяч источников выбрасывают в воздух огромное
количество вредных веществ. Промышленные предприятия дают очень
много пыли, железа, кальция, магния, кремния. В год на одного москвича
приходится около 46 кг тяжелых металлов и вредных веществ.
Больший вред наносится автомобилями: выхлопные газы автомашин
дают основную массу свинца, износ шин – цинк, дизельные моторы –
кадмий. Эти тяжелые металлы относятся к сильным токсинам. Эти вещества
способствуютзагрязнению воздуха, а так же поверхностных вод города
Москвы.
Водные объекты города в процессе хозяйственной деятельности
испытывают мощные техногенные и антропогенные нагрузки, при этом они
обеспечивают регулирование и отвод поверхностного и грунтового стока,
несут рекреационные нагрузки, используются для хозяйственно-питьевого и
технического водоснабжения. Для очистки сточных вод необходим
определенный затрат энергии и времени и процесс очистки проходит в
несколько этапов. В результате воздействия факторов загрязнения внешней
среды возможно изменение кислотности ливневых сточных вод Москвы
(ливневые сточные воды могут иметь кислотную, нейтральную или
щелочную среду в зависимости от показателя рН). Однако влияет ли это на
образование в них дисперсных систем, способствует ли это ускорению
процесса очистки или же затрудняет его?
Цель проекта: изучить влияние рН ливневых сточных вод на
образование в них дисперсных систем.
Задачи работы:
1) изучить источники формирования ливневых сточных вод в Москве;
2) изучить характерные признаки дисперсных систем;
3) на модельных системах изучить влияние рН на устойчивость
дисперсных систем: «дизельное топливо – вода», «дизельное топливо –
глина – вода»;
4) изучив работу очистных сооружений стока с автодорог, площадок
промышленных предприятий и селитебных территорий, оценить, как
образование дисперсных систем в ливневых сточных водах может
влиять на работу очистных сооружений ливневого стока.
3
Глава I.Обзор литературы
1.1 Ливневые сточные воды. Образование и классификация
«Ливневые сточные воды – это любые воды и атмосферные осадки,
отводимые в водоёмы с территорий промышленных предприятий и
населённых мест через систему канализации или самотёком, свойства
которых оказались ухудшенными в результате деятельности человека».[4]
Сточные воды могут быть классифицированы по различным
признакам.
Одним из таких признаков является источник происхождения. По
данному признаку ливневые сточные воды могут подразделяться на:

производственные
(промышленные)
сточные
воды
(образующиеся в технологических процессах производств), отводятся через
систему промышленной или общесплавной канализации;

бытовые (хозяйственно-бытовые) сточные воды (образующиеся в
результате бытовой жизнедеятельности человека), отводятся через систему
хозяйственно-бытовой или общесплавной канализации;

поверхностные сточные воды (делятся на дождевые и талыеобразующиеся при таянии снега, льда, града), отводятся, как правило, через
систему ливневой канализации. Так же могут называться «ливневые
стоки».[4].
Ливневые стоки в городах и населенных пунктах являются предметом
особого внимания. В природе осадки необходимы для роста и развития всего
живого. В городе и на производствах те же дожди являются помехой в работе
и создают определенную опасность для окружающей природы. Это связано с
тем, что ливни вымывают из территорий промышленных и бытовых объектов
большое количество различных загрязнений из мест хранения отходов,
транспортировки и хранения всевозможных материалов и веществ.
В отличие от атмосферных сточных вод, производственные сточные
воды не имеют постоянного состава. Это дает нам еще один признак для
классификации ливневых сточных вод:
Ливневые сточные воды можно разделить:
1)
по составу загрязнителей на:

загрязнённые по преимуществу минеральными примесями;

загрязнённые по преимуществу органическими примесями;

загрязнённые как минеральными, так и органическими
примесями.
2)
по концентрации загрязняющих веществ:

с содержанием примесей 1—500 мг/л;

с содержанием примесей 500—5000 мг/л;

с содержанием примесей 5000—30000 мг/л;

с содержанием примесей более 30000 мг/л.
4
3)
по свойствам загрязнителей
4)
по кислотности:

неагрессивные (pH 6,5—8);

слабоагрессивные (слабощелочные — pH 8—9 и слабокислые —
pH 6—6,5);

сильноагрессивные (сильнощелочные — pH>9 и сильнокислые —
pH<6).
5)
по токсическому действию и действию загрязнителей на водные
объекты:

содержащие вещества, влияющие на общесанитарное состояние
водоёма (напр., на скорость процессов самоочищения);

содержащие вещества, изменяющие органолептические свойства
(вкус, запах и др.);

содержащие вещества, токсичные для человека и обитающих в
водоёмах животных и растений. [2].
Ливневые сточные воды могут оказывать влияние на формирование
химического состава природных вод. «Формирование химического состава
природных вод определяют в основном две группы факторов:

прямые факторы, непосредственно воздействующие на воду (т.е.
действие веществ, которые могут обогащать воду растворенными
соединениями или, наоборот, выделять их из воды): состав горных пород,
живые организмы, хозяйственная деятельность человека;

косвенные факторы, определяющие условия, в которых протекает
взаимодействие веществ с водой: климат, рельеф, гидрологический режим,
растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр.»[2]
Факторы, воздействующие на формирования химического состава
природных вод совершенно различны по характеру. Они могут быть
геологическими(состав
горных
пород,
тектоническое
строение,
гидрогеологические условия), физико-химическими (рельеф, климат,
выветривание, почвенный покров), биологическими (деятельность растений
и живых организмов) и антропогенными(все факторы, связанные с
деятельностью человека).
Загрязнение ливневых сточных вод относится к последней группе
факторов.[2]
В условиях городских территорий все воды, формирующие сток
закрытой ливневой канализации и открытых водотоков (речек, ручьев,
прудов), входящих в водосточную сеть, представляют собой поверхностные
воды.
Наиболее динамичной частью поверхностных вод являются,
безусловно, атмосферные осадки. Среднемноголетнее количество осадков в
Москве составляет 640 мм с разделением на норму теплового (420 мм) и
холодного периода (220мм). «На настоящее время установлено для г.
Москвы, что 40%
от годового количества осадков обращается
непосредственно в поверхностный сток и 30% инфильтруется в грунты. В
5
целом, поверхностный сток складывается из 70% осадков холодного и 25 %
осадков теплого периода». [3]
1.2 Дисперсные системы. Основные признаки,
классификации,устойчивость
«Дисперсная система (ДС) – система, в которой хотя бы одно вещество
находится в раздробленном состоянии». Два характерных признака
дисперсной системы: гетерогенность и дисперсность. Гетерогенность
означает, что в состав системы входит минимум две фазы. [1]
Коллоидная химия – наука, изучающая дисперсные системы.
Основная особенность дисперсной системы в том, что одна из фаз
обязательно должна быть раздробленной, ее называют дисперсной фазой.
Существует ряд признаков определения дисперсной фазы:
 вещество раздроблено только по высоте, следовательно, образуются
пленки (ткани, пластины ит.д.);
 вещество раздроблено и по ширине, и по высоте, образуются волокна,
нити, капилляры;
 вещество раздроблено по всем трем направлениям, дисперсная фаза
состоит из дискретных частиц.
Характерным свойством дисперсной системы является наличие
большой межфазовой поверхности, а характерные для дисперсной системы
процессы те, что протекают на поверхности, а не внутри фазы.
Для характеристики дисперсной системы используют три величины:
- поперечный размер ([d] –см, диаметр сферы для кубических частиц),
-дисперсность ( [D] – величина, обратная поперечному размеру частиц)
D = 1/d
[D] = см-1
- удельная поверхность Sуд(межфазовая поверхность, приходящаяся на
единицу объема дисперсной фазы (V) и ее массы (m)).
[Sуд] = см-1
Sуд= S1,2/V;
[Sуд] = см2∙г-1
Одной их основных классификаций дисперсных систем является
классификация по свойству дисперсности.
а) грубодисперсные системы (d ≥ 10-3 см);
б) микрогетерогенные системы (10-5 ≤ d ≤ 10-3 см);
в) коллоидно-дисперсные системы или коллоидные растворы (10-7 ≤ d
≤ 10-5 см);
г) истинные растворы (d ≤ 10-7см).[1]
6
Другая очень важная классификация дисперсных систем –
классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной
среды.
Таблица 1
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию
дисперсной фазы и дисперсионной среды[1]
Агрегатное
состояние
дисперсной фазы
Жидкость
Твёрдое
Жидкость
Газ
Твёрдое
Газ
Жидкость
Агрегатное
состояние
дисперсионной
Газ
Газ
Жидкость
Жидкость
Жидкость
Твёрдое
Твёрдое
Условное
обозначение
Название
системы
Ж/Г
Тв/Г
Ж/Ж
Г/Ж
Тв/Ж
Г/Тв
Ж/Тв
Аэрозоли
Твёрдое
Твёрдое
Тв/Тв
Эмульсии
Пены
Суспензии
Твердые пены
Твердые
эмульсии
Твердые золи
История изучения дисперсных систем начинается с древнейших
времен. «Многие коллоидные растворы были известны и глубокой древности
– в Египте, Греции и Риме.В древнерусской рецептурной литературе
встречаются многочисленные указания на применение коллоидов – белков,
желчи, различных клеев и красок. Самые первые ремесла имели прямое
отношение к объектам коллоидной химии: получение керамики, глазури,
выделывание кож.
В XVI-XVII вв. коллоидные растворы применялись как лечебные
препараты».[1]
Становление коллоидной химии как самостоятельной науки произошло
в период с 1860-е гг. – XIXв. Основоположником коллоидной химии считают
шотландского химика Т.Грэма.
Обнаружив неспособность частиц
коллоидных растворов, в отличие от обычных молекулярных растворов,
проникать через пористые мембраны, он пришел к выводу, что все вещества
делятся на коллоиды ( не проходят мембрану) и кристаллоиды.
Великий русский химик Д.И. Менделеев много внимания уделял
коллоидным раствором и в «Основах химии» подробно описал свойства
некоторых из них. Менделеев писал, что « вопросы коллоидной химии
должно считать передовыми и могущими иметь большое значение во всей
физике и химии». [1].
Наука, изучающая дисперсные системы, является научной основной
многочисленных технологических процессов, включающих использование
или образование дисперсных систем. Вследствие большого разнообразия
объектов, изучаемых коллоидной химией и решаемых ею задач, происходит
7
обособление некоторых разделов в самостоятельные научные дисциплины,
использование ее методов в смежных областях науки. С проблемами свойств
ДС связано изучение биологических мембран, биохимия, биофизика и др.
Большинство дисперсных систем термодинамическинеустойчивы. Для
их приготовления нужно затратить энергию и со временем они должны
самопроизвольно разрушиться. Относительная устойчивость разных ДС
колеблется в достаточно широких пределах. Это дает возможность
утверждать, что существуют определенные причины существования
дисперсных систем, несмотря на их термодинамическую неустойчивость.
Устойчивость ДС можно разделить на седиментационную и агрегативную.
«Седиментационная устойчивость – способность ДС сохранять
неизменным во времени распределение частиц по объему системы,
т.е.способность системы противостоять действию силы тяжести [1].
Агрегативная устойчивость – способность ДС сохранять неизменной во
времени степень
дисперсности, т.е. размеры частиц и их
индивидуальность»[1].
Для стабилизации, то есть для увеличения устойчивости,
микрогетерогенных дисперсных систем (суспензий, эмульсий, пен,
порошков) используются поверхностно-активные вещества (ПАВы).
Проблема устойчивости дисперсных систем – одна из важнейших
проблем коллоидной химии.Изучение устойчивость ДС помогает нам узнать
возможность их нахождения в исходном состоянии неопределенно долгое
время и использовать результаты в технологических процессах. А так же это
поможет решить вопрос очистки ливневых сточных вод?
1.3. Очистные сооружения стока с автодорог, площадок
промышленных предприятий и селитебных территорий
Сбор и последующее отведение дождевых и талых сточных вод могут
стать серьезной проблемой для промышленных предприятий, имеющих в
собственности или аренде значительные по размеру земельные территории.
Для того чтобы осветить проблему подробнее, необходимо разобраться в
терминологии. По существующим определениям ливневым стоком
называют смешанные городские сточные и поверхностные воды, которые
образуются в процессе таяния снега или после сильных дождей.
Под городскими сточными водами понимают те смешанные по
происхождению воды (как бытовые, так и промышленные), которые
поступают в городскую канализацию.
Поверхностный сток с автодорог, площадок промышленных
предприятий и селитебных территорий является интенсивным источником
загрязнения окружающей среды. В них присутствуют примеси техногенного
и природного характера. «Водным законодательством запрещается выброс в
воду неочищенных до принятых нормативов талых, дождевых и
8
поливомоечных вод, которые отводятся с автохозяйств, строительных
площадок, промышленных зон и загрязненных участков, расположенных на
селитебных территориях населенных пунктов. Для отведения, сбора и
очистки подобных стоков перед попаданием в водоёмы необходима ливневая
канализация, отвечающая всем требованиям законодательныхактов». [5]
1.3.1. Формирование стока с автодорог
На территории России не были проведены исследования сточных вод
с автодорог и всесторонняя оценка работоспособности систем очистки
стоков. Это и послужила причиной затруднения разработки и реализации
проектов очистных сооружений стока с автодорог.
По статистике начала 2000-х годов выхлопные газы от работающего
автотранспорта составляли более 80% всех свинцовых выбросов, более 40%
всех выбросов оксида азота и более 20% выбросов всех летучих
органических соединений.
В развитых странах постоянно ищутся новые пути снижения
негативного воздействия автотранспорта, чаще всего эти меры относятся к
уменьшению выброса вредных веществ автомобилей в атмосферу.
Чтобы провести объективные исследования состава сточных вод,
необходимо прямо на месте подготовить исследовательскую аппаратуру и
измерить концентрации веществ в ливневых стоках во время дождя. После
нескольких практических измерений, было выявлено, что концентрации
нефтепродуктов находятся в диапазоне 0,2 - 15,0 мг/л с медианой для ряда
наблюдений, составляющей 2 мг/л.
Интенсивность дождя является фактором, оказывающим влияние на
концентрации загрязняющих веществ. Продолжительность периода без
дождя, величина транспортного потока на дороге, периодичность уборки
улицы также имеют большое значение на концентрацию загрязняющих
веществ.
Другой причиной загрязнения ливневых сточных вод являются
противогололедные смеси. Основными компонентами этих смесей являются
соли: хлорид натрия или хлорид кальция. В процессе таяния снега соляные
компоненты попадают в поверхностные талые воды и в грунт придорожной
полосы. Засаливание почвенного покрова может приводить к гибели
придорожных растений и лесистых насаждений.
Очистка сточных вод с поверхности автодорог от хлоридов на практике
не всегда возможна. Поэтому единственный доступный способ снизить
концентрации солей в сточных водах — использовать метод разбавления
концентрированных стоков с незагрязненными природными поверхностными
водами.[5].
9
1.3.2. Состав сточных вод с автомобильной дороги
В результате выпадения осадков или таяния снега образуются
значительные объемы поверхностных сточных вод. Они стекают с
водонепроницаемого асфальтового полотна на прилегающую территорию,
просачиваются в грунт и попадают в водоемы с поверхностными водами.
Эти стоки сильно загрязнены веществами, концентрации которых во
много раз превышают допустимые показатели.
Углеводородные соединения (бензол, стирол, ксилол, толуол,
бензапирен) в составе нефтепродуктов обладают самостоятельными
токсичными эффектами на живые организмы. Попадая в водоемы,
нефтепродукты образуют поверхностную пленку, препятствующую
проникновению кислорода и вызывая гибель водных организмов.
Противогололедные реагентымогут содержать в себе соли (хлорид
натрия, соединения калия или кальция), карбамид, гипс, цианиды и другие
вещества. «Зарубежные исследования показывают, что хлориды в составе
реагентов способны воздействовать на химические показатели прилегающих
грунтов, изменять кислотный показатель почвы и пагубно влиять на состав
растительности.
Отечественные исследования снежного покрова вблизи автодорог с
интенсивным движением транспорта обнаружили в снегу повышенное
содержание тяжелых металлов — свинца, меди, марганца, алюминия,
никеля, ванадия, молибдена и титана».[6]
Моторные масла и смазки могут быть еще более ядовиты, чем
нефтепродукты. От эксплуатации транспорта зачастую образуются опасные
отходы, которые не утилизируются должным образом. Смывы с отходов
просачиваются в грунт и загрязняют почву, подземные воды и
поверхностные водоемы. [6].
1.3.3. Очистка сточных водсавтомагистралей
«К наиболее загрязненной части сточных вод с поверхности дорог
относят дождевой сток, талый сток, сточные воды от мойки дорожных
покрытий. Эти воды составляют до 70% годового объема стока и должны
направляться на очистные сооружения автомагистрали.
Для уменьшения количества загрязняющих веществ и стоков с
автодорог непосредственно на проезжей части применяют следующие меры:
 сбор ливневых вод с автодорог через водосборные лотки и
предбордюрные углубления для дальнейшего отвода на очистные
сооружения;
 недопущение эрозии земляных откосов и околодорожной территории,
своевременная очистка водосборных канав, обочин и откосов;
 регулярная очистка поверхности дороги, уборка водоотводных систем;
 своевременный ремонт дорожного полотна;
10
 контроль за употреблением противогололедных реагентов;
 запрет на сброс убранного зимой снега в водоемы или на ледовую
поверхность;
 подбор безопасных для окружающей среды материалов для дорожной
разметки».[5]
Собранный с поверхности автодороги ливневый и талый сток должен
направляться на очистные сооружения.
«Все методы очистки сточных вод, применимых для поверхностного
стока автодорог, можно разделить на две большие группы.
 Локальные очистные сооружения (ЛОС) в которых очистка сточной воды
с автомагистралей проходит в результате физических, химических и
физико-химических процессов. Преимущество этого типа очистки —
возможность доведения состава воды до очень строгих показателей
качества. Недостатки способа — высокие производственные и
эксплуатационные затраты (реагенты, электроэнергия, замена фильтров,
обслуживание установок). Примерная стоимость одной установки ЛОС
— 1-5 млн руб.
 Гидроботанические площадки (ГБП), принцип действия которых основан
на естественных процессах самоочищения биоценозов. Естественные
биохимические процессы в почве и водоемах связаны с эффектами
усвоения, задержания и разложения многих загрязняющих веществ в
результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов».[5]
Локальные очистные сооружения
На очистных сооружениях последовательно реализуются все или
несколько из следующих этапов очистки стоков: механическая очистка,
химическая очистка, физико-химическая и биологическая очистка.
Механическая очистка стоков от загрязнителей осуществляется с
помощью механических решёток, песколовок, отстойников, нефтеловушек,
гидроциклонов, фильтров, растительных полос и т. д. Такая очистка удаляет
из стоков крупный мусор, существенно понижает содержание взвешенных
веществ и подготавливает стоки к дальнейшим стадиям очистки.
Химическая очистка стоков(хлорирование, озонирование)применяется
после механической очистки и перед поступлением стоков на биологическую
очистку. Или же используется как конечный этап очистки.
Физико-химические методы очистки (методы флотации*, коагуляции**
(осветления), адсорбции*** и т. д.) относятся к глубоким стадиям
очистки.Данный метод позволяет убрать из воды большинство токсичных
химических соединений, находящихся в растворенном виде.
Биохимические методы очистки основаны на способности некоторых
микроорганизмов перерабатывать растворенные химические соединения. Эти
методы
имеют
свои
особенности,
связанные
с
нормальным
11
функционированием микрорганизомов — необходимо, чтобы концентрации
химических веществ были в заданных рамках, и чтобы в стоках
отсутствовали тяжелые металлы. [5]
Гидроботанические площадки (ГБП)
Способы, основанные на естественных процессах самоочищения
водоемов, реализуются в гидроботанических площадках (ГБП).
Производительность очистных сооружений варьируется от нескольких
десятков до нескольких сотен литров в секунду.
Сточная вода, прошедшая очистку в гидроботанических прудах,
освобождается от значительного количества загрязняющих веществ —
взвесей, нефтепродуктов, тяжелых металлов.
«ГБП как способ биологической очистки сточных вод широко
используются по всему миру. В нашей стране также накоплена практика
использования подобных сооружений.
Недостаток метода — недостаточная проработанность расчетов ГБП
для очистки поверхностных стоков.
Преимущества метода очистки в гидроботанических прудах:
1.
Возможность использовать под эти цели небольшие естественные
водоемы.
2.
Можно усовершенствовать очистку, добавляя фильтрующие
блоки.
3.
Способность задерживать аварийные разливы нефтепродуктов.
4.
Возведение сооружений не требует помещений или
использования спецтехники.
5.
Стоимость ГБП меньше стоимости аналогичного ЛОС в 5-6 раз.
6.
Периодичность очистки иловых отложений — раз в 10 лет. Для
ЛОС период очистки в 20-30 раз чаще.
7.
Не потребляют электроэнергию, не требуют содержания
постоянного обслуживаемого персонала.
Отношение средней величины капиталовложений к единице объема
очищенных стоков показывает, что удельная экономическая эффективность
ГБП в 4 раза превышает показатель для ЛОС.
Гидроботанический пруд включает следующие этапы очистки:

отстойник,

коалесцирующие поверхности (растения),

шунгитовый фильтр,

бон с нефтесорбирующим материалом.
Материал шунгит, из которого изготавливают шунгитовый фильтр,
отличает высокая механическая прочность, сорбционные, бактерицидные и
каталитические (восстановительные) свойства. Это позволяет использовать
его как один из этапов фильтрования нефтесодержащих стоков.
Нефтеловушки для пленочной нефти обычно устанавливаются в
соединительной канаве между прудами. По мере зарастания пруда
12
растениями, основную роль в задержании и разложении нефтепродуктов
будут выполнять они».[5]
1.3.4. Ливневая канализация
Ливневая канализация предназначена для очистки самой загрязненной
части сточной воды. С территорий предприятий, которые могут содержать
токсичные вещества или большое количество взвешенных веществ, на
очистные сооружения ливневых стоков отводится 100% стока.«Очистные
сооружения ливневых стоков в зависимости от качественных характеристик
очищаемой воды могут содержать следующие виды и элементы
оборудования:
 пескоуловители,
 нефтеуловители,
 сорбционные фильтры,
 станции УФ-обеззараживания;
 канализационные насосные станции (КНС),
 разделительные камеры;
 аккумулирующие емкости,
 отстойники» [6]
На рис. 1-3 представлены различные ракурсыи технологическая схема
ливневых очистных сооружений.
Рис. 1. Ливневые очистные сооружения. Вид с поверхности.[6]
13
Рис.2. Ливневые очистные сооружения. Расположение в грунте[6]
Рис 3. Ливневые очистные сооружения. Схема с изображением
аппаратов очистки [7]
Поверхностные сточные воды на первом этапе подаются в
разделительную камеру. Далее наиболее загрязненная часть сточных вод в
самотечном режиме подается на очистные сооружения, а «условно-чистые»
стоки отводятся по обводной линии в соединительную камеру и
сбрасываются без очистки.На первом этапе очистки сточные воды попадают
в аккумулирующую емкость. Данная емкость выполняет функцию
отстойника-усреднителя и служит для обеспечения первичного улавливания
взвесей и плавающих нефтепродуктов.Из аккумулирующей емкости при
помощи погружного насосного агрегата сточные воды подаются в
пескоуловитель ЛОС-П, который входит в состав ливневой канализации.
Здесь, за счет тонкослойных модулей, сконструированных по противоточной
схеме удаления «тяжелых» примесей, обеспечивается осаждение взвешенных
веществ и песка (не менее 80%) и частичное выделение нефтепродуктов (не
менее 50%). Взвешенные вещества,песок выпадают на дно установки,
14
Рис. 4.Технологическая схема очистных сооружений ливневой
канализации[6].
откуда при помощи спецтехники через стояки для откачки по мере
накопления вывозятся на утилизацию.Из пескоуловителя сточные воды в
самотечном режиме подаются в нефтеуловитель. В данной установке, при
прохождении воды через каскад фильтров, происходит выделение
плавающих и растворенных нефтепродуктов, а так же выделение остаточных
содержаний взвешенных веществ.Затем очищенные сточные воды отводятся
в самотечном режиме в соединительную камеру, откуда в дальнейшем,
смешиваясь с «условно-чистыми» стоками, подаются на станцию УФобеззараживания. [6]
Таким образом, важнейшие вещества, загрязняющие ливневые сточные
воды – нефтепродукты и взвешенные частицы.Образование дисперсных
систем, в состав которых входят эти вещества, может затруднить работу
основных аппаратов ливневых очистных сооружений: пескоуловителя и
нефтеуловителя. На образование дисперсных систем может влиять
рНливневых сточных вод. Как именно влияет водородный показатель (рН)
ливневых сточныхвод на образование в них дисперсных систем будет
рассмотрено в Главе II«Экспериментальная часть».
15
Глава II. Экспериментальная часть
2.1.Реактивы, материалы, оборудование
Таблица 2
Реактивы
Дистиллированная вода
Дизельное топливо
Стандарт-титры
АЗС «Лукойл»
для
приготовления ГОСТ 8.135-2004
буферных растворов IIразряда
Гидроксид натрия
NatronlAuge
Veb AR2NEIMITTERWER
Dresden
C = 0,25 M 061289A7
ТУ 9692-001-81758948-98
Наполнитель туалетов для кошек «Кузя»
(глина)
Оборудование
1. Аналитические весы
2. Сушильный шкаф
3. Фингер - 1 шт.
4. Пипетка (10 мл) – 5 шгт.
5. Пипетка (2 мл) – 1 шт.
6. Мерный цилиндр (10 мл) – 1 шт
7. Секундомер
8. Полиэтиленовая пленка – 1 уп.
9. Пробирки (15 мл) – 30 шт.
10. Шпатель – 1 шт.
11. Толстостенная колба (50 мл) – 1 шт.
12. Коническая колба – 1 шт.
13. Делительная воронка (100 мл) – 2 шт.
14. Складчатый фильтр – 1 шт.
15. Индикаторные полоски для определения рН
16. Стеклянная воронка
16
2.2. Методики экспериментов
Влияние рН ливневых сточных вод на образование в них дисперсных
систем изучали при помощи модельных систем. Модели ливневых сточных
вод (растворы с заданными рН с добавками или без добавок глины) готовили
в лаборатории при помощи стандартных буферных растворов и растворов
гидроксида натрия. Затем проводили их контактирование с нефтепродуктом
– дизельным топливом и исследовали устойчивость образовавшихся
дисперсных систем. Взвешенные частицы (частицы глины) получали
измельчением в ступке гранул наполнителя для кошек «Кузя».
2.2.1. Приготовление дисперсной системы «дизельное топливо/вода»
В градуированную пробирку помещали 5 мл раствора водной фазы, с
различным рН и 5 мл дизельного топлива. Пробирку закрывали крышкой и
энергично встряхивали до образования однородной массы. Затем наблюдали
расслаивание дисперсных систем, рассчитывалидолю объема отслоившихся
фаз в процентах. На рис. 5, на рис. 6 (а, б, в) и рис. 7 представлены стадии
расслаивания дисперсной системы (эмульсии) «дизельное топливо/вода». На
рис. 1 (начало процесса расслаивания) видно, что отслоилось приблизительно
0,8 мл органической фазы. Это составляет:
0,8 : 5 · 100% = 16%,
так как объем органической фазы равен 5 мл.
Рис 5. Начало расслаивания дисперсной системы
17
На рис. 6б видно, что отслоилось приблизительно 1,8 мл органической
фазы (1,8 : 5 · 100% = 36%) и 2,4 мл водной фазы (2,4 : 5 · 100% = 48%)
а)
б)
в)
Рис. 6. Процесс расслаивания дисперсной системы
По результатам наблюдения за процессом расслаивания составили
таблицу (Таблица 3) и построили график зависимости доли отслоившихся
органической и водной фаз дисперсной системы (эмульсии) от времени.
18
Рис. 7.Окончание процесса расслаивания дисперсной системы. Эмульсия
расслоилась на 2 фазы: органическую и водную.
Таблица 3
Зависимость доли объема отслоившихся фаз эмульсии от времени
Время
0 мин
1 мин
2 мин
3 мин
4 мин
5 мин
6 мин
7 мин
8 мин
9 мин
10 мин
11 мин
12 мин
13 мин
14 мин
15 мин
16 мин
17 мин
18 мин
19 мин
20 мин
21 мин
22 мин
23 мин
24 мин
Доля отслоившейся
органической фазы
Доля отслоившейся водной фазы
0%
16%
20%
40%
60%
80%
88%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
0%
0%
0%
0%
0%
4%
8%
10%
20%
24%
29%
34%
39%
43%
48%
52%
57%
62%
69%
75%
80%
84%
91%
96%
100%
19
Доля объёма отслоившейся фазы, %
100%
90%
80%
70%
Доля
объема
отслоивш
ейся
органичес
кой фазы
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Время, мин
Доля
объема
отслоивш
ейся
водной
фазы
Рис. 7. Зависимость доли объема отслоившихся органической и водной фаз
дисперсной системы (рН водной фазы – 5,65)без добавления глиныот
времени
Аналогично обрабатывали результаты наблюдений за процессом
расслаивания других дисперсных систем. Графики их расслаивания
приведены в Приложении 1.
2.2.2. Приготовление дисперсной системы
«дизельное топливо/глина/вода»
В градуированную пробирку помещали0,025 г глины, 5 мл раствора
водной фазы с различным рН и 5 мл дизельного топлива. Пробирку
закрывали крышкой и энергично встряхивали до образования однородной
массы. Затем наблюдали расслаивание дисперсных систем, рассчитывали
процент расслоившихся фаз.По результатам наблюдения построили графики
зависимости доли отслоившейся органической и водной фаз от времени.
20
Доля объема отслоившейся
фазы, %
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Доля объема отслоившейся
водной фазы
Доля объема отслоившейся
органической фазы
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Время, сек
Рис. 8. Зависимость доли объема отслоившихся органической и водной фаз
дисперсной системы (рН водной фазы – 5,65) с добавлением глиныот
времени
Аналогично обрабатывали результаты наблюдений за процессом
расслаивания других дисперсных систем, содержащих добавки глины.
Графики их расслаивания приведены в Приложении 2.
2.3. Обсуждение результатов
Используя данные
составили таблицу.
графиков
расслаивания
дисперсных
систем,
Таблица 4
Время полуотслаивания фаз (Т 50%) и полного расслаивания (Т 100%)
дисперсных систем с различным рН водной фазы, содержащих и не
содержащих добавки глины
рН
водной фазы
1,68
2,01
5,65
8,01
Водная фаза
Т 50%
Т 100%
Без
С
Без
С
глины глиной глины глиной
2 мин
60 сек
3 мин
180 сек
35 сек
40 сек
Органическая фаза
Т 50%
Т 100%
Без
С
Без
С
глины глиной глины глиной
30 сек
2 сек
45 сек
5 сек
6 мин
70 сек
12 мин
150 сек
45 сек
3 сек
15 мин
30 сек
24 мин
120 сек
3,5 мин
13 сек
50 мин
257 сек
900
мин
360 сек
38 мин
65 сек
21
78,5
сек
7,5 мин
90 сек
900
мин
180 сек
60 сек
2 мин
10,03
194 сек
6 мин
360 сек
3 мин
54 сек
6 мин
150 сек
На рис. 10а и 10б
приведены диаграммы зависимости
времениполуотслаиванияводной и органической фаз дисперсных систем
«Дизельное топливо/вода» без добавок и с добавками глины.
3500
3000
Время, сек
2500
2000
Раствор без глины
1500
Раствор с глиной
1000
500
0
1.68
2.01
5.65
8.01
10.03
рН водной фазы дисперсной системы
Рис. 9а. Время полуотслаивания водной фазы дисперсных систем «Дизельное
топливо / вода» сдобавками и без добавок глины
2500
Время, сек
2000
1500
Раствор без глины
1000
Раствор с глиной
500
0
1.68
2.01
5.65
8.01
10.03
рН водной фазы дисперсной системы
Рис. 9б. Время полуотслаиванияорганической фазы дисперсных систем
«Дизельное топливо / вода» с добавками и без добавок глины
22
Как видно из данных, приведённых в таблице 4 и на рис. 10-11
зависимость устойчивости эмульсий от рН водной фазы проходит через
максимум. Наиболее устойчивы дисперсные системы, не содержащие глины,
с рН водной фазы 8,1. Это подтверждает зависимость времени полного
расслаивания дисперсных систем от рН водной фазы (рис. 12). Известно, что
водонефтяные эмульсии более устойчивы, если рН водной фазы высокий.
1000
900
800
700
Дисперсные системы
без глины
Время, мин
600
500
Дисперсные системы
с глиной
400
300
200
100
0
1.68
2.01
5.65
8.01
10.03
рН водной фазы дисперсной системы
Рис. 10. Время полного расслаивания дисперсных систем «Дизельное
топливо / вода» с добавками и без добавок глины
На устойчивость дисперсных систем оказывает влияние не только рН
водной фазы, который зависит от её состава, но и состав органической фазы.
Состав органической фазы во всех исследуемых дисперсных системах был
одинаковый (дизельное топливо). Поэтому можно предположить, что в
состав дизельного топлива входят поверхностно-активные вещества (ПАВы),
активность которых незначительна при высоких и низких значениях рН. Для
подтверждения этого факта нужны дополнительные исследования.
23
По данным таблицы 4, рис. 10 и рис. 11 видно, что процесс
расслаивания проходит значительно быстрее в дисперсной системе
«дизельное топливо/глина/вода», т.е. частицы глины способствуют
разрушению дисперсных систем «нефтепродукт – вода».
Однако при этом частицы глины могут концентрироваться на границе
раздела фаз при расслаивании дисперсной системы (рис. 12)
Рис. 11. Дисперсная система «дизельное топливо/глина/вода» после
расслаивания
24
Выводы
1.
2.
3.
4.
Основным источником формирования ливневых сточных вод являются
атмосферные осадки.
Одна часть атмосферных осадков создает
поверхностный сток, непосредственно стекающий в ливневую
канализацию и в открытые водотоки. Другая часть атмосферных осадков
инфильтруется
в
грунты
и
затем
дренируется
линевой
канализацией.Большую часть поверхностного стока в Москве
составляют атмосферные осадки холодного периода.
Важная характеристика жидких дисперсных систем – их устойчивость,
которая зависит от составов водной и органической фаз. Для
стабилизации дисперсных систем используют поверхностно-активные
вещества.
Изучение влияния рН на образование дисперсных систем в ливневых
сточных водах на примере модельных систем «дизельное топливо –
водный раствор» показало, что максимальной устойчивостью
характеризуются дисперсные системы с рН водной фазы 8,01. Системы с
более низким или более высоким значением рН водной фазы менее
устойчивы. Добавки глины вызывают значительное снижение
устойчивости дисперсных систем.Частицы глины концентрируются на
границе раздела фаз дисперсной системы после расслаивания.
В состав очистных сооружений ливневого стока входят аппараты:
пескоуловитель и нефтеуловитель. Образование дисперсной системы
«дизельное топливо / вода» может повлиять на работу нефтеуловителя
так как отделить нефтепродукт, входящий в состав дисперсной системы,
значительно сложнее, чем нефтепродукт, находящийся на поверхности
воды. Концентрация частиц глины на границе раздела фаз дисперсной
системы после расслаивания может повлиять на работу пескоуловителя,
так как частицы глины не будут оседать.
25
Заключение
Данное исследование может быть полезно дляповышения
эффективности процесса очистки ливневых сточных вод. Чтобы образование
дисперсных систем «нефтепродукт – вода» не влияли на работу
нефтеуловителя и пескоуловителя, необходимо регулярно определять рН
ливневых сточных вод и при необходимости снижать рН до значения 5,65
(рН чистых атмосферных осадков) добавлением раствора соляной кислоты.
При этом будут образовываться соли соляной кислоты – хлориды.
Концентрацию хлоридов в сточных водах снижают разбавлением
поверхностными водами с низкой минерализацией. Снижение рН ниже
нейтрального не рекомендуется, так как неизвестно, может ли оборудование
на ливневых очистных сооружениях работать при низком значении рН
очищаемой воды. Кроме того, результаты работы показывают, что
присутствиевзвешенных частиц глины тоже приводит к разрушению
водонефтяных дисперсных систем. Поэтому при необходимости
концентрацию взвешенных частиц в сточных водах можно увеличить на
входе в очистные сооружения, а затем воды будут очищены от взвешенных
веществ в пескоуловителе. Для принятия конкретных технологических
решений необходимо периодически проводить физико-химический анализ
очищаемых ливневых сточных вод.
26
Список литературы
Текстовые источники
1. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П./ Коллоидная
химия.2-е изд., стер. - Спб.: Издательство "Лань", 2004. - 336с: ил. (Учебники для вузов.Специальная литература).
2. ГусеваТ.В., МолчановаЯ.П., ЗаикаЕ.А., ВиниченкоВ.Н.,
АверочкинЕ.М. /Гидрохимические показатели состояния
окружающей среды: справочные материалы.; Под ред. Т.В.
Гусевой. – М.: Социально-экологический Союз, 2000. – 148с.
3. Курбатова А.С., Башкин В.Н., Мягков М.С., Савин Д.С.; отв. ред.
Н.С. Касимов. /Экологические решения в Московском мегаполисе
- Смоленск: Манджента, 2004.-576 с.-2 п. л.билл.
Электронные ресурсы
4. Википедия. Сточные воды.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%BE%D1%87%D
0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B
5. Статьи об очистке воды // http://www.vo-da.ru/articles/ochistnyiesoorujeniya-dlya-avtodorog/proekt-ochistnyh-soorujeniy
6. Ливневая канализация, очистные сооружения ливневых стоков
//http://aquakrat.ru/products/ochistnye_sooruzheniya_livnevyh_stochny
h_vod/livnevaya_kanalizaciya_ochistnye_sooruzheniya_livnevyh_stoko
v/
7. Ливневые очистные сооружения
//http://www.standartpark.ru/catalog/livnevye-ochistnye-sooruzheniya/
27
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ГРАФИКИ РАССЛАИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
«ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО / ВОДНАЯ ФАЗА» С РАЗНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ
Доля объема отслоившейся фазы, %
рН ВОДНОЙ ФАЗЫ БЕЗ ДОБАВЛЕНИЯ ГЛИНЫ
100%
90%
80%
70%
60%
Доля объема отслоившейся
органической фазы
50%
40%
Доля объема отслоившейся
водной фазы
30%
20%
10%
0%
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200
Время, сек
Рис. П.1.1. рН водной фазы =1,68
Доля объема отслоившейся фазы,
%
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Доля объема отслоившейся
органической фазы
Доля объема отслоившейся
водной фазы
0
30 60 90 120 150 190 220 250 280 380 490 680
Время, сек
Рис. П.1.2. рН водной фазы = 2,01
28
Доля объёма отслоившейся фазы, %
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Время, мин
Доля
объема
отслоивш
ейся
органиче
ской
фазы
Доля
объема
отслоивш
ейся
водной
фазы
Доля объема отслоившейся фазы, %
Рис. П.1.3. рН водной фазы =5,65
100%
90%
80%
70%
60%
Доля объема отслоившейся
водной фазы
50%
40%
Доля объема отслоившейся
органической фазы
30%
20%
10%
0%
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 220
Время, мин
Рис. П.1.4. рН водной фазы = 8,01
29
Доля объема отслоившейся фазы, %
100%
90%
80%
70%
60%
Доля объема отслоившейся
водной фазы
50%
40%
Доля объема отслоившейся
органической фазы
30%
20%
10%
0%
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
Время, сек
Рис. П.1.5. рН водной фазы = 10,03
30
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ГРАФИКИ РАССЛАИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
«ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО/ ГЛИНА/ ВОДНАЯ ФАЗА»
С РАЗНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ рН ВОДНОЙ ФАЗЫ
100%
80%
70%
60%
Доля объема отслоившейся
органической фазы
50%
40%
Доля объема отслоившейся
водной фазы
30%
20%
10%
0%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Доля объема отслоившейся фазы, %
90%
Время, сек
Рис. П.2.1. рН водной фазы = 1,68
Доля объема отслоившейся фазы, %
100%
90%
80%
70%
60%
Доля объема отслоившейся
водной фазы
50%
40%
Доля объема отслоившейся
органической фазы
30%
20%
10%
0%
0
10
20
30
40
50
60
70 80 90
Время, сек
Рис. П.2.2. рН водной фазы = 2,01
31
100 110 120 130 140 150
Доля объема отслоившейся
фазы, %
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Доля объема отслоившейся
водной фазы
Доля объема отслоившейся
органической фазы
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Время, сек
Рис. П.2.3. рН водной фазы = 5,65
Доля объема отслоившейся фазы, %
100%
90%
80%
70%
60%
Доля объема отслоившейся
водной фазы
50%
40%
Доля объема отслоившейся
органической фазы
30%
20%
10%
0%
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
Время, мин
Рис. П.2.4. рН водной фазы = 8,01
32
Доля объема отслоившейся фазы, %
100%
90%
80%
70%
60%
Доля объема отслоившейся
водной фазы
50%
40%
Доля объема отслоившейся
органической фазы
30%
20%
10%
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
0%
Время, сек
Рис. П.2.5. рН водной фазы =10,03
33