Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Монтаев С.А. 1 Першин В.Ф. 2 Таскалиев А.Т. 1 Монтаева А.С. 1

---

1 Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир хана

2 Тамбовский государственный технический университет

В работе приведены результаты исследований по разработке составов микропористого композиционного органоминерального биоматериала на основе кремнистой породы – опоки для применения в биофильтрации и очистки воды. Разработаны новые композиции органоминерального биоматериала для производства отечественных микропористых наполнителей для биофильтров и сорбентов для биологической очистки воды на основе кремнистой породы – опоки. Установлено, что разработанные новые композиции неорганического биоматериала отличаются тем, что они обладают одновременно высокими показателями микропористости и сорбционной способности. При этих характеристиках создаются идеальные условия для заселения большого количества колоний полезных аэробных бактерий, что гарантированно обеспечивают эффективную биологическую очистку и высокое качество воды. Установлено, что бактерии в заселенном пористом пространстве и на поверхности разработанного органоминерального биоматериала непрерывно очищают и осветляют воду в аквариумах и бассейнах рыбного хозяйства замкнутого водообеспечения. При этом позволяют увеличить срок замены биологических наполнителей до 18–24 месяцев и сэкономить расход воды, предназначенной для замены на 45–50 % по сравнению с существующими аналогами.

Статья в формате PDF

170 KB

органоминеральный биоматериал

опока

бентонит

фильтрация

очистка воды

1. Камалов С.М., Ли К.А. География размещения месторождений полезных ископаемых Уральской области и их народнохозяйственное значение. – Уральск: Творч. фирма «Диалог», 1992. – 156 с.

2. Перушкина Е. В. Биообезвреживание серосодержащих сточных вод в процессах культивирования сероокисляющих микроорганизмов : дис. ... канд. техн. наук. – Казань, 2008. – 145 с.

3. Перспективы производства керамических фильтров на основе опок Таскалинского месторождения Республики Казахстан / В.Ф. Першин, А.М. Воробьев, С.В. Першина, С.А. Монтаев, А.Т. Таскалиев, Н.С. Монтаева // Сб. науч. тр. Sworld. – Одесса: ООО «Научный мир», 2014. – Т. 7, № 1. – С. 71-73.

4. Семенова Е. Н. Микробная трансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод : дис. ... канд. техн. наук. – Казань, 2008. – 136 с.

5. Исследования керамической композиции в системе опока – монтмориллонитовая глина – углерод для создания природного сорбента для фильтрации и очистки воды / С.А. Монтаев, А.С. Монтаева, А.Т. Таскалиев, Н.Б. Адилова, Н.С. Монтаева // С-П.: Научный журнал «Globus», 2016. – С. 73–78.

В Казахстане в последние годы в регионах развивается аквакультура, и одним из важных составляющих компонентов при строительстве заводов по выращиванию рыб являются биофильтры для очистки воды.

Фильтр для биологической очистки воды от продуктов жизнедеятельности в условиях выращивания рыб в условиях замкнутого водообеспечения является актуальной задачей. Именно в фильтре происходит разложение вредных аммиачных соединений, губительных для рыб замкнутого водоема.

Что касается актуальности касательно очистки воды, то с каждым годом увеличивается забор воды из природных водохозяйственных бассейнов на 15–20 %. Это связано с появлением новых потребителей воды. Проведенные исследования по анализу химического состава воды показывают, что с каждым годом увеличивается уровень загрязнения природных водохозяйственных бассейнов примесями железа, марганца, алюминия, гуминовых веществ, аммония и ионами тяжелых металлов, что требует более тонкой очистки забираемой воды.

Имеются труды ученых, которые посвящены решению проблем комплексной очистки воды. При этом доказано, что необходимы новые композиционные материалы и конструкции фильтров для биохимической очистки воды с организацией оборотного водоснабжения [1–5].

Основная часть

Цель работы: Разработка составов технологии композиционного органоминерального биоматериала на основе кремнистой породы – опоки и научно-экспериментальные исследования по практическому применению их в биофильтрации и очистки воды.

 Все применяемые фильтрующие материалы должны удовлетворять следующим требованиям:

• обладать высокой механической прочностью,
• химической и термической стойкостью,
• высокой пористостью,
• хорошими адгезионными свойствами по отношению к удаляемым загрязнениям.

Кроме того, они должны легко регенерироваться и иметь относительно низкую стоимость.

Исходя из анализа литературы, установлено, что наиболее перспективными источниками природного сырья для создания органоминеральных наполнителей для биофильтрации воды является кремнистая порода – опока, бентонитовая глина и уголь. Кроме того, учитывалось наличие их значительных запасов в Республике Казахстан. Поэтому в качестве объекта исследований выбраны следующие сырьевые материалы: кремнистая порода – опока Таскалинского и бентонитовая глина Погодаевского месторождений Западно-Казахстанской области и уголь Карагандинского месторождения.

Научно-экспериментальные работы проводились по следующей последовательности:

• подготовка сырьевых материалов для проведения экспериментов путем дозирования с помощью электронных весов;
• проведение совместного помола в лабораторной шаровой мельнице для получения органоминерального порошка с высокой удельной поверхностью;
• перемешивание сырьевой смеси с водой до получения однородной органоминеральной биологической массы;
• приготовление органоминерального биологического материала в виде гранул и цилиндриков со сквозным отверстием различного диаметра и длины;
• обжиг органоминерального биологического материала в виде гранул и цилиндриков в скоростной вращающейся и камерной печи;
• научно-экспериментальные исследования по изучению комплексных свойств и эффективности при биофильтрации и очистки воды.

Научно-экспериментальным исследованиям подвергались следующие свойства органоминерального биологического материала:

1. Прочность при сжатии – МПа, с целью обеспечения необходимых прочностных показателей при различных воздействиях статических и динамических нагрузок (транспортировка, перекладывания в процессе установки в биофильтры и т.п.);
2. Средняя плотность – кг/м³, с целью обеспечения необходимой легкости, т. е. органоминеральный биоматериал не должен быть слишком тяжелым, что создает определенные трудности при транспортировке, при упаковке к потребителям, при установке к биофильтрам и т.п.;
3. Открытая пористость – %, с целью обеспечения необходимой микропористой структурой, обеспечивающей максимальные аэробные условия для заселения колонии бактериями при биофильтрации воды;
4. Водостойкость – %, с целью обеспечения необходимой стойкости к разрушению под длительным действием воды при биофильтрации и очистке воды;
5. Морозостойкость – циклы, с целью обеспечения необходимой стойкости к разрушению органоминерального биологического материала на воздействия отрицательных температур (замерзание);
6. Сорбционная способность – г/см², с целью обеспечения необходимой степени очистки воды от вредных примесей.

Для достижения поставленных целей и задач проекта на начальном этапе были проведены экспериментальные работы по определению оптимального компонентного состава органоминерального биологического материала, обеспечивающего самые лучшие показатели исследуемых свойств.

Исследования проводились в следующих предельных концентрациях выбранных сырьевых материалов, мас. % : кремнистая порода – опока – 50–60, бентонитовая глина –  20–35, уголь – 15–20.

Сначала сырьевые материалы дозировались согласно указанным составам с помощью электронных весов и высушивались в сушильном шкафу при температуре 80 ^оС до остаточной влажности 5–6 %. Затем высушенная смесь загружалась в лабораторную шаровую мельницу и подвергалась совместному помолу до удельной поверхности 4000 г/см².

Полученные порошки выгружались из шаровой мельницы в сферическую чашу для дальнейшего перемешивания с водой. Для получения формовочной массы смесь тщательно перемешивали с добавлением воды в количестве 25–27 % от массы сухого компонента до получения однородной пластической органоминеральной массы (керамическая биомасса).

Из органоминеральной массы (керамической биомассы) вручную формовались наполнители для биофильтров в виде гранул и в виде цилиндриков со сквозным отверстием.

 Приготовленные таким образом наполнители для биофильтров в виде цилиндриков со сквозным отверстием и в виде гранул снова сушились в сушильном шкафу при температуре 65–70 ⁰С до остаточной влажности 5–7 %.

Высушенные образцы обжигались во вращающейся печи при температуре 700–750 ⁰С.

Термообработанные готовые образцы наполнителей для биофильтрации воды подвергались исследованию их физико-механических свойств.

Анализ полученных данных экспериментальным путем позволяет заключить следующее:

• с увеличением содержания кремнистой породы – опоки и угля за счет уменьшения количества бентонитовой глины наблюдается небольшое снижение прочности при сжатии. Общее снижение составляет от 10,5 до 7,2 МПа;
• при этом наблюдается резкое снижение показателей средней плотности и повышение общей пористости. Средняя плотность снижается от 825,6 до 613,1 кг/м³, а открытая пористость повышается 64, 0 до 95,6 %;
• снижение показателей водостойкости незначительны и составляют от 0,89 до 0,81 %;
• снижение показателей морозостойкости также незначительное и составляет от 48 до 45 циклов;
• с увеличением содержания угля значительно повышается сорбционная способность органоминерального биоматериала, которая составляет 1800 г/см².

По результатам проведенного анализа выбран оптимальный состав органоминерального биоматериала исходя из минимальных показателей средней плотности, максимальных показателей открытой пористости и сорбционной способности. При таких показателях прочности, водостойкости и морозостойкости наполнители соответствуют требуемым качествам без признаков разрушения при длительном использовании их при биофильтрации и очистке воды. Дальнейшим этапом исследования было проведение сопоставительного анализа свойств предлагаемого органоминерального биоматериала по сравнению с существующими аналогами.

Ниже приводим результаты сравнительного анализа (таблица).

Результаты сопоставительного анализа свойств предлагаемого органоминерального биоматериала по сравнению с существующими аналогами

Как показывают результаты сопоставительного анализа свойств, сравниваемые объекты не обладают такими важными свойствами, как открытая пористость и сорбционная способность. Отсутствие в них открытой пористости не обеспечивает заселения колонии бактериями, являющимися основными участниками биофильтрации воды. А отсутствие сорбционной способности в них является основным фактором, что они вовсе не участвуют в дополнительном процессе по очистке воды от вредных примесей.

Для достижения поставленных целей была изготовлена опытно-промышленная партия органоминерального биоматериала в условиях научно и учебно-производственного центра НИИ «Инжиниринга и ресурсосбережения» ЗКАТУ им. Жангир хана.

Изготовленный органоминеральный биоматериал собственного производства был подвергнут испытанию для биофильтрации воды в условиях аквариумной системы и на базе опытно-производственного участка «Аквакультура» по выращиванию осетровых рыб в условиях замкнутого водообеспечения ЗКАТУ им. Жангир хана.

Сначала органоминеральный биоматериал собственного производства был подвергнут испытанию в условиях аквариумной системы.

Для этого в аквариуме наполнитель импортного производства был заменен на органоминеральный биоматериал собственного производства для биофильтрации и очистки воды.

Вторым этапом научно-экспериментальных работ была замена наполнителей импортного производства на органоминеральный биоматериал собственного производства на базе действующего опытно-производственного участка «Аквакультура» по выращиванию осетровых рыб в условиях замкнутого водообеспечения.

Результаты исследований показали, что, используя разработанный новый органоминеральный биоматериал в аквариумах, можно добиться значительно меньших вредных показателей для жизнедеятельности рыб в условиях замкнутого водообеспечения.

Полная замена импортных наполнителей на органоминеральный биоматериал собственного производства в условиях аквариумной системы и бассейна действующего опытно-производственного участка «Аквакультуры» позволили получить следующие эффективные результаты:

- сократилась продолжительность лаг – фазы до 12 дней (против 25–30 дней при использовании импортных наполнителей), т.е. период адаптации бактерий к новой среде обитания происходит почти в 2–2,5 раза меньше. Следовательно, процесс биофильтрации воды происходит в короткие сроки, что является немаловажным фактором для создания благоприятной среды для жизнедеятельности и роста рыб.

Заключение

1. Разработаны новые композиции органоминерального биоматериала для производства отечественных микропористых наполнителей для биофильтров и сорбентов для биологической очистки воды на основе кремнистой породы – опоки.
2. По результатам научно-экспериментальных работ доказана их биологическая эффективность при использовании их в качестве наполнителей и сорбентов для биофильтрации воды.
3. Установлено, что разработанные новые композиции неорганического биоматериала отличаются тем, что они обладают одновременно высокими показателями микропористости и сорбционной способности. При таких характеристиках создаются идеальные условия для заселения колонии большим количеством полезных аэробных бактерий, что гарантированно обеспечивают эффективную биологическую очистку и высокое качество воды.
4. Установлено, что бактерии в заселенном пористом пространстве и на поверхности разработанного органоминерального биоматериала непрерывно очищают и осветляют воду в аквариумах и бассейнах рыбного хозяйства замкнутого водообеспечения. При этом позволяют увеличивать срок замены биологических наполнителей до 18–24 месяцев и сэкономить расход воды предназначенных для замены на 45–50 % по сравнению с существующими аналогами.
5. Установлено, что разработанные новые композиции органоминерального биоматериала благодаря высокой сорбционной способности позволяют использовать их в качестве сорбента в составе конструкции насыпных фильтров для очистки воды хозяйственного и питьевого назначения.
6. Разработанные новые композиции неорганического биоматериала благодаря своим высоким показателям микропористости, сорбционной способности и биологической эффективности позволяют рекомендовать их использование на станциях биологической очистки сточных вод городов и населенных пунктов.

Библиографическая ссылка