Research of technologies for the extraction of heavy metals from industrial wastewater

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Research of technologies for the extraction of heavy metals from industrial wastewater

Petro Kyriienko, PhD (Tech.sc), docent of Ecology Technogenic Safety

Oleksandr Betin, Dr, Professor of Ecology Technogenic Safety

Mykola Zakharchenko, PhD (Chemistry), docent of Ecology Technogenic Safety Serhii Lobov, PhD (Tech.sc), docent of Ecology Technogenic Safety

Katerina Msallam, PhD (Tech.sc), docent of Graphic Geometry and Computer Modelling

National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, Ukraine

Abstract

heavy metals environment wastewater treatment

The presence of heavy metals in the environment is mainly associated with anthropogenic human activity. These are ferrous and non-ferrous metallurgy, heavy industry, energy. Due to air pollution, heavy metals enter the soil and water. The first place among the polluters of the environment with heavy metals is electroplating industry, where two categories of effluents are formed: spent concentrated effluent sanddiluted washing waters. In reservoirs, heavy metals have the ability to accumulate in the bottom sediments and thus are a source of second air pollution. They are not capable of biodegradation, but are able to accumulate in system components, causing a toxic effect on the animal world, humans and microorganisms. Different heavy metals affect the environment and biota in different ways. They can cause malfunction of the kidneys, liver, pancreas, accumulate in various organs and bones, causing their dysfunction. The greatest danger is heavy metals - chromium, nickel, cadmium, zinc. Their persistence, toxicity, ability to bio accumulate and migrate through trophic chains pose a danger to the existence of hydrobionts, animals and, above all, human health. The authors offer technologies for cleaning wastewater from heavy metals: reagent technologies, bacterial purification technologies, as well as phytotechnologies. Proposed sewage treatment plants for the removal of heavy metals from wastewater. The pollution of surface water sources, human health and living organisms will depend on the reliable extraction of heavy metals from spent galvanic effluents.

Keywords: treatment facilities; heavy metals; galvanic drains; technology reagents; bacterial cleaning technologies; phytotechnology; wastewater treatment scheme.

Анотація

П.Г. Кирієнко, О.В. Бетін, М.І. Захарченко, С.О. Лобов, К. Мсаллам

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», м. Харків, Україна

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЙ ВИЛУЧЕННЯ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ ІЗ ПРОМИСЛОВИХ СТІЧНИХ ВОД

Наявність важких металів в навколишньому середовищі головним чином пов'язана з антропогенною діяльністю людини. Це чорна і кольорова металургії, важка промисловість, енергетика. Через забруднення повітря важкі метали попадають в ґрунт і воду. Перше місце серед забруднювачів навколишнього середовища важкими металами посідають гальванічні виробництва, де утворюються дві категорії стоків: відпрацьовані концентровані стоки та розведені промивні води. У водоймах важкі метали мають здатність накопичуватись у донних відкладах і тим самим є джерелом вторинного забруднення. Вони не здатні до біорозкладання, але здатні накопичуватись в компонентах систем, спричиняючи токсичну дію на тваринний світ, людину та мікроорганізми. Різні важкі метали по-різному впливають на навколишнє середовище і біоту. Вони можуть порушувати функціонування нирок, печінки, підшлункової залози, накопичуватись в різних органах і кістках, спричиняючи їх дисфункцію. Найбільшу небезпеку становлять важкі метали - хром, нікель, кадмій, цинк. Їхня стійкість, токсичність, здатність до біоакумуляції та міграції по трофічних ланцюгах створює небезпеку для існування гідробіонтів, тварин та насамперед здоров'я людини. Автори пропонують технології очищення стічних вод від важких металів: реагентні технології, технології бактеріального очищення, а також фітотехнології. Запропоновані очисні споруди вилучення із стічних вод важких металів. Від надійного вилучення важких металів із відпрацьованих гальванічних стоків буде залежати забруднення поверхневих джерел вод, здоров'я людей і живих організмів.

Ключові слова: очисні споруди; важкі метали; гальванічні стоки; реагентні технології; технології бактеріального очищення; фітотехнології; схема очищення стічних вод.

Постановка проблеми

Важкі метали (ВМ) в навколишнє середовище потрапляють двома шляхами. Перший - це природні аномалії, а другий - це антропогенний вплив промислового виробництва. Природні аномалії можуть вплинути на навколишнє середовище точково, а промислове забруднення - на дуже великі території атмосфери, літосфери і гідросфери. Всі міри середовища нерозривно зв'язані між собою.

ВМ - це група елементів з фізико-хімічними властивостями, які мають відносно високу щільність - понад 8 г/см³ та атомну масу більше ніж 50 г/моль (окрім благородних та рідкісних металів). До ВМ відносяться понад 40 металів періодичної системи Д.І. Мендєлєєва, серед яких, наприклад, Zn (цинк), Cr (хром), Ni (нікель), Cd (кадмій). Цинк - метал сріблясто-блакитного кольору. Цинкові покриття широко застосовують для захисту металів від корозії. Хром - метал блакитно-білого кольору з високою твердістю. Його використовують для нанесення захисних покрить, захисту від корозії, а також в металургії та хімічній промисловості. Кадмій - сріблясто-білий метал з синюватим відливом. Використовується для нанесення захисних покрить на деталі конструкційних матеріалів кріплення оздоблення, а також в хімічній промисловості. Нікель - метал сріблясто-білого кольору. Характеризується високою корозійною стійкістю. Використовується для виробництва нержавіючої сталі, нанесення гальванічних покрить, у хімічній промисловості.

Наявність ВМ в навколишньому середовищі головним чином пов'язана з антропогенною діяльністю людини. Це чорна і кольорова металургія, важка промисловість, енергетика, вихлопні гази двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Через забруднення повітря ВМ попадають в ґрунт і воду.

При попаданні ВМ в ґрунт, підземні і поверхневі води іони ВМ включаються до харчових ланцюгів, де відбувається їх подальше перетворення та нітрування.

Перше місце серед забруднювачів навколишнього середовища ВМ належить гальванічним виробництвам. При одержанні 1 м² покриттів у відходи могли попадати 0,2-2 грами металу [1]. В результаті нанесення покрить утворюються дві категорії стоків: відпрацьовані концентровані стоки та розведені проливні води. Для промивання деталі необхідні значні обсяги води, тому вони є головним джерелом надходження ВМ в стічні води.

У водоймах ВМ мають здатність накопичуватися у донних відкладах і тим самим є джерелом вторинного забруднення. Вони не здатні до біорозкладання, але здатні накопичуватись (акумулюватись) в компонентах екосистем, спричиняючи токсичну дію на живі організми тваринного світу і людину, порушувати рівновагу екосистем.

Актуальність

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Мета роботи

- використання реагентних технологій;

- використання фітотехнологій в очищенні стічних вод від ВМ;

- використання технологій бактеріального очищення.

2) Створення схем очисних споруд для очищення стічних вод від ВМ.

Виклад основного матеріалу

У стічні води ВМ попадають після покрить електролітичним методом з електролітів солей важких металів - цинку, кадмію, нікелю і хрому. На повноту осадження впливають фізичні (розмір часточок осадів, сольовий ефект, природа електроліту та інш.) і хімічні (рН середовища, наявність спільних іонів, комплексоутворювачів) чинники. В найпростіших випадках за відсутності комплексоутворювачів або надлишку спільних іонів можна стверджувати, що осадження ВМ повинно відбуватися відповідно до ряду розчинності їх осадів-гідроксидів або карбонатів.

Для реагентного методу вилучення ВМ із стічних вод використовували наступні реактиви: оксид кальцію CaO, гідроксид кальцію Ca(OH)2, їдкий натрій NaOH, карбонат натрію Na2COs. В якості ВМ в стічних водах будемо досліджувати: кадмій Cd, цинк Zn, нікель Ni, хром Сг (в іонній формі).

Хімічні реакції ВМ в стічних водах і реагентів в іонному виді будуть наступними:

1. Реагент Ca(OH)2.

а) дисоціює в воді (сильний електроліт)

Ca(OH)2 = Ca²⁺+2OH^-, (1)

б) іони важких металів реагують з гідроксид -іонами за наступними реакціями:

Zn²⁺ +2OH^- = Zn(OH)2 1 (2)

Cd²⁺ +2OH^- =Cd(OH)2 1 (3)

Ni²⁺ +2OH^- =Ni(OH)2 1 (4)

Cr³⁺ +3OH^- =Cr(OH)3 1 (5)

Всі гідроксиди металів випадають в осад. Добуток розчинності (ДР) цих речовин наведений в таблиці 1.

Таблиця 1. Добуток розчинності гідроксидів металів при 25⁰С

Із таблиці 1 видно, що у воді вказані іони в лужному середовищі (реагент Са(ОНД) зв`язуються з гідроксид-іонами та випадають в осад. Чим менше значення ДР, тим гірша розчинність гідроксиду металу у воді. Найменша розчинність у воді у Zn(OH)2, а найбільша - у Cd(OH)2. Але і Cd(OH)2 випадає в осад. Розчинність Ni(OH)2 і Cr(OH)2 приблизно рівні, а осади будуть стійкими. Відносно Ca(OH)2, то ДР = 6,1-10^-6, розчинність буде більша за розчинність інших гідроксид металів. Дисоціація цього реагенту дає достатню кількість іонів OH-, необхідних для протікання реакції (2-5).

Розраховані концентрації іонів металів та їх ГДК наведені в таблицях 2, 3.

Таблиця 2. Концентрація іонів металів в розчинах над сполуками

Таблиця 3. Гранично допустимі концентрації (ГДК) іонів металів [15]

Як показують розрахунки, концентрація іонів ВМ при використанні цього реагентного методу (з дотриманням стехіометрії реагентів) в реакціях (2-5) набагато менша, ніж їх ГДК за різними стандартами та в природних водах, в яких є скиди виробничих стічних вод. Гідроксид кальцію, як реагент, характеризується ДР у воді при 25⁰С рівним 6-10^-6 і концентрацією іонів Са²⁺ у воді рівній 100 мг/л для нормативу ЄС, що не перевищує значення максимально допустимої концентрації кальцію для питної води та природних вод зі скиданням промислових стічних вод.

Таким чином, показана ефективність використання реагентного методу очищення стічних вод від іонів ВМ (Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Cr³') сполукою гідроксиду кальцію.

Дослідження використання технологій бактеріального очищення стічних вод від важких металів

В 1964 р. Н. Путиліна із співробітниками опублікували роботу «Микробный метод обесфеноливания сточных вод», в якій запропонували спеціальні селекційовані мікроорганізми для очищення стічних вод з іонами ВМ. Під час очищення гальванічних та інших промислових стічних вод від іонів ВМ деякі бактерії використовують сульфати як окисники органічних сполук. За анаеробних умов внаслідок перебігу цього біологічного процесу утворюється гідроген сульфур, який вступає в хімічну реакцію з іонами ВМ, перетворюючи їх в практично не розчинні у воді сульфіди, які відділяються від води, що очищують, звичайним відстоюванням.

Існує проблема утримання окремих штамів бактерій в очисних спорудах при очищенні стічної води. Їх практично неможливо затримати в активному мулі або іммобілізувати ці бактерії на нерозчинних у воді насадках. Такими насадками можуть бути тканини, полотна, пластини й інші волокнисті речовини. Їх необхідно розвішувати у стічній воді. До цих насадок будуть прилипати і бактерії завдяки адгезії та іншим хімічним і фізичним процесам - це регулярні насадки. Як регулярні насадки можна використовувати кореневу систему. Серед нерегулярних насадок або тих, що рухаються у стічній воді, можуть бути пісок, активоване вугілля та інші.

Облаштування анаеробної стадії на початку процесу очищення стічної води прискорює цей процес, забезпечує вилучення з води ВМ, утворення енергетично багатих газів - метану, водню - істотно зменшує експлуатаційні затрати на очищення води.

Вміст ВМ в рідкій фракції заброджених відходів у надмуловій воді дуже незначний, що спричинено осадженням ВМ у формі твердої фракції нерозчинних сульфідів. Обробка осадів дозволяє видалити з надмулової води: нікель - 89,6%, цинк - 89%, хром загальний (тривалентний та шестивалентний), кадмій - 86%. При цьому під час збрудження суміші відходів з рідкої фракції видалені органічні забруднення. Отже, рідка фракція не потребує доочищення.

Дослідження фітотехнології в очищенні стічних вод від важких металів

Людством давно було помічено, що на болотистих екосистемах, де ростуть лепеха (аїр болотний), рогіз, очерет, комиш та інші вищі водні рослини в невеликих ярах, можна було набрати воду, придатну для питного споживання, приємного смаку. Українським науково-дослідним інститутом екологічних проблем (УкрНДІЕП) м. Харкова було проведено дослідження використання фітотехнологій в очищенні стічних вод (шахтних вод, зливового стоку), а також в підготовці питної води. Там же були запропоновані технологічні схеми з використанням фітотехнології для очищення і підготовки питної води [10].

Нами була запропонована фітотехнологічна схема з використанням вищих водяних рослин - рогозу, лепехи (аїр болотний), комишу, водяного перцю, череди, очерету - в поєднанні з використанням біофільтрів. Коренева система вищих рослин проникає в завантаження біофільтра, збільшує площу контакту із забрудненою водою і може її очистити, в тому числі і від ВМ.

Обговорення результатів

2. Основним методом вилучення ВМ із стічних вод відпрацьованих електролітів є реагентний метод.

3. В якості допоміжних методів очищення стічних вод від ВМ можна використовувати технології бактеріального очищення та фітотехнології.

4. На кожному підприємстві, де використовуються технології електролітичного нанесення покрить, необхідно облаштовувати очисні споруди очищення відпрацьованих електролітів від ВМ.

Список літератури

1. Екологічна безпека гальванотехніки. Частина 1. Стічні води. Механічна та сорбційна очистка: навч. пос. / М.І. Данченко, С.В. Фроленкова - К.: НТУ “КПУ”. 2016-2020.

2. Кирієнко П.Г., Клочко Т.О., Хоменко І.Є., Дурневич Г.М. Дослідження міграції важких металів у рослинних відходах сільського господарства. Екологічна безпека та природокористування, 36(4), 32-40. https://doi.Org/10.32347/2411-4049.2020.4.32-40.

3. Бичков С.А., Кирієнко П.Г., Варламов Є.М., Бетін О.В., Мірсултанова Л.Р. Реконструкція очисних споруд для очищення зливових вод на підприємстві ДП «Антонов». Екологічна безпека та природокористування, 37(1), 35-43. https://doi.Org/10.32347/2411-4049.2021.1.35-43.

4. Кирієнко П.Г., Варламов Є.М., Бетін О.В., Бичков С.А., Мірсултанова Л.Р. Патент на винахід №120726 від 27.01.2021, біол. №2. Пристрій для очищення зливних вод від нафтопродуктів і завислих речовин.

5. Директива 2000/60/ЄС Європейського Парламенту та Ради від 23 жовтня 2000 р. “Про встановлення рамок діяльності співтовариства у сфері водної політики”.

6. Закон України “Про основні засади (стратегію) державної екологічної політики України на період до 2030 року” від 28.02.2019 №2697 - VIII. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/2018-17.

7. Аналіз методів очищення стічних вод від іонів важких металів. Ціпух В.Я., Саблій Л.А. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського.”

8. Черниш Є.Ю. Утилізація осадів стічних вод сульфідогенною асоціацією мікроорганізмів. Суми 2014 - 233 с.

9. Безційний О.О. Відтворення відпрацьованих стічних вод, забруднених іонами важких металів. Харківський національний університет міського господарства ім. О.М. Бекетова, Україна.

10. Режим доступу: www.phytoremediation.com.ua

11. А.К. Запольський, Н.А. Мішкова-Клименко. І.М. Астрелін та ін. Фізико-хімічні основи технології очищення стічних вод: Підручник. - К.: Лібра. 2000 - 552 с.

12. Калькулятор вартості аналізів (Сінево - vitagramma)(spravochnik.synevo.ua).

13. Краткий справочник физико-химических величин. Издание 8-е, переработанное (Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой). - Л.: Химия, 1983 - 232 с.

14. Химическая энциклопедия: в 5т.: т2: Изд. Даффа-Меди / Редкол.: Кнунянс И.П. и др. - М.: Сов. энцик.; 1990 - 671 с.

15. Запольський А.К. Водопостачання, водовідведення та якість води: Підручник. - К.: Вища шк., 2005. - 571 с.

REFERENCES

1. Danchenko, M.I., & Frolenkova, S.V. (2016-2020). Ecological safety of electroplating. Part 1. Wastewater. Mechanical and sorption cleaning: textbook. Kyiv: NTU "KPU" [in Ukrainian].

2. Kyrienko, P.G., Klocko, T.O., Khomenko, I.Y., & Durnevich, G.M. (2020). Analysis of heavy metal migration in vegetable agricultural waste. Environmental Safety and Natural Resources, 36(4), 32-40 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.32347/2411-4049.2020.4.32-40

3. Bychkov, S.A., Kyriienko, P.G., Varlamov, Y.M., Betin, O.V., & Mirsultanova, L.R. (2021). Reconstruction of treatment facilities for wastewater treatment at Antonov State Enterprise. Environmental Safety and Natural Resources, 37(1), 35-43 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.32347/2411-4049.2021.E35-43

4. Kiriienko P.G., Varlamov Y.M., Betin O.V., Bychkov S.A., Mirsultanova L.R. Patent for invention No120726 dated 27.01.2021, biol. No2. Device for cleaning drain water from petroleum products and suspended substances [in Ukrainian].

5. Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 "On establishing the framework for community activities in the field of water policy".

6. Law of Ukraine "On the basic principles (strategy) of the state environmental policy of Ukraine for the period up to 2030" of 28.02.2019 No2697 - VIII. Retrieved from: https://zakon. rada.gov.ua/laws/show/2018-17

7. Tsipukh, V.Ya., & Sabliy, L.A. Analysis of methods for wastewater treatment from heavy metal ions. National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” [in Ukrainian].

8. Chernysh, E.Y. (2014). Utilization of sewage sludge by the sufidogenic association of microorganisms. Sumy [in Ukrainian].

9. Beztsiynyi, O.O. Reproduction of wastewater contaminated with heavy metal ions. Kharkiv National University of Urban Economy named O.M. Beketova, Ukraine [in Ukrainian].

10. Retrieved from: www.phytoremediation.com.ua

11. Zapolsky, A.K., Mishkova-Klimenko, N.A., Astrelin, I.M. at al. (2000). Physicochemical bases of wastewater treatment technology: Textbook. Kyiv: Libra [in Ukrainian].

12. Calculator of the cost of analyzes (Synevo - vitagramma) (spravochnik.synevo.ua).

13. Ravdel, A.A., & Ponomareva, A.M. (Eds.). (1983). A Brief Reference Book of Physical and Chemical Quantities (8th ed., revised). Lviv: Chemistry [in Russian].

14. Knunyans I.P. et al. (Eds.). (1990). Chemical Encyclopedia: in 5 vol. (Vol. 2). Moscow: Sov. Entsik [in Russian].

15. Zapolsky, A.K. (2005). Water supply, sanitation and water quality: Textbook. Kyiv: Vyscha shkola [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru