ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ОПОКИ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕЁ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

Кондрашова А.В¹., Кузьмина Р.И.²

¹Кандидат химических наук, Саратовский государственный аграрный университет

²Доктор химических наук, Саратовский государственный университет

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ОПОКИ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕЁ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

Аннотация

Изучено влияние очистки сточных вод УНПК «Пищевик» природным сорбентом – опокой и иммобилизованными на этом сорбенте микроорганизмами ЭМ-препарата «Байкал ЭМ1». Проведена прокалка дисперсного кремнезёма – опоки, изменяющая адсорбционные свойства данного сорбента. Произведено сравнение эффективности очистки исходной опокой и опокой - носителем микроорганизмов ЭМ-препарата «Байкал ЭМ1». Изучены физико-химические методы очистки сточных вод (определение рН, ионов аммония, азотсодержащих веществ, жиров).

Ключевые слова: сточные воды, эффективные микроорганизмы, препарат «Байкал ЭМ1», природный сорбент – опока, иммобилизация, прокалка, дисперсный кремнезём.

Kondrashova A.V.¹, Kuzmina R.I.²

¹ PhD in Chemistry, Saratov State Agrarian University

² PhD in Chemistry, Saratov State Agrarian University

PHYSICAL, CHEMICAL AND ADSORPTION PROPERTIES OF GAIZE AND ITS USAGE IN WASTE WATER TREATMENT

Abstract

The influence of waste water treatment of UNPK "Pishchevik" on the natural sorbent – gaize and microorganisms immobilized on this sorbent (from "Baikal EM1" EM-preparation) was studied. The calcination of disperse silica - gaize, which changes the adsorption properties of this sorbent was performed. The comparison of the purification efficiency of the initial gaize and gaize-carrier of microorganisms of the EM-preparation "Baikal EM1" was made. Physical and chemical methods of waste water treatment (determination of pH, ammonium ions, nitrogen-containing substances, fats) were studied as well.

Keywords: sewage, effective microorganisms, "Baikal EM1" preparation, natural sorbent – gaize, immobilization, calcination, disperse silica.

Предприятия мясной промышленности потребляют большое количество чистой воды для нужд производства и, как следствие этого, сточные воды этих предприятий существенно загрязнены. Эти воды относятся к категории высококонцентрированных и имеют нестабильные по качеству и количеству показатели. Такие стоки представляют собой сложные полидисперсные системы и содержат большое количество крупных взвешенных частиц (мясо, жир, щетина, обрывки кишок, бумага). Однако особую опасность представляет возможное содержание в сточных водах мясоперерабатывающих предприятий патогенных микроорганизмов [1, С. 77].

Для защиты водоёмов, в которые сбрасываются отходы от производства, применяются мероприятия по очистке сточных вод для уменьшения загрязнений. При этом часто находят методы очистки наиболее лёгкими и дешёвыми средствами. В связи с этим для решения проблемы очистки сточных вод мясного предприятия было решено применить эффективные микроорганизмы препарата «Байкал ЭМ1», дополнительно иммобилизовав их на природном сорбенте - опоке [2, С. 34], который давно привлекает к себе внимание исследователей, работающих в области адсорбции [3, С. 136], [4, С. 37]

Опоки обладают большим объёмом сорбционного пространства, высокой удельной поверхностью (100–130 м²/г) и пористостью (43–48%), характеризуются как высококачественное сорбционное сырьё с высоким содержанием аморфного кремнезема. Этот природный сорбент, в отличие от других минералов, не размокает в воде [5, С. 269].

Также характерной особенностью опоки является мезо-макропористая структура с эффективным диаметром пор 20–110 нм, высокая механическая устойчивость, развитая пористая структура, механическая прочность, устойчивость к воздействию кислот и щелочей, а также дешевизна и доступность, что делает экологически и экономически выгодным использование этого природного сорбента в качестве носителя микроорганизмов в процессах очистки сточных вод [6, С. 52].

Минеральный состав опоки: 5-10% кремнезёма (халцедон), 35-40% кристобалита (опал), 45-50% гидрогеля, 3-5% глинистого вещества, 2-3% кварца, 3-5% глауконита [7, С. 66].

Много информации о кремнистых минералах даёт дифференциальный термический анализ (ДТА), в частности, о свойствах дисперсного кремнезёма - опоки. Этот метод позволяет следить за фазовыми переходами или химическими реакциями на основании измерения количества поглощённого или выделенного тепла. Он удобен для изучения структурных изменений, происходящих в твёрдых веществах при повышенных температурах [8, С. 17].

Был сделан дифференциальный термический анализ (ДТА) образца опоки фракции 3-5 мм, весом 400 мг, при температуре 1000°С на воздухе. Эталоном служил прокалённый оксид алюминия. Температура регистрировалась Pt-Pt/Rh термопарой.

В интервале температур 60-180°С происходит дегидратация (максимум по ДТА 140°С). Убыль массы составила 4,5%. При дальнейшем нагревании происходит медленная убыль массы, не сопровождается тепловыми эффектами. Общая убыль массы к 900°С составляет около 7-8%. После нагревания окраска образца изменилась с серого на бежевый цвет (рис. 1).

Рис. 1 - Термическая диаграмма ДТА опоки фракции 3-5 мм

Для изучения адсорбционных свойств этого природного сорбента были взяты следующие его фракции: 1-3 и 3-5 мм. Также часть полученной опоки фракции 1-3 мм подверглась прокалке в муфельной печи. Прокалка дисперсного кремнезёма - опоки немного, но всё же изменяет адсорбционные свойства данного сорбента [8, С. 18]. Это изменение связано с удалением адсорбированной воды из кремнезёма и, соответственно, увеличением сорбционного пространства. Под влиянием спекания изменяется и структура опоки. Спекание приводит к укрупнению пор и сопровождается усадкой вещества. Процесс спекания опоки начинается уже при температуре около 500°С. Поэтому одна часть этого сорбента была прокалена при температуре 500°С.

Опоку выше указанных фракций загружали в две стеклянные колонки диаметром 10 см и с разной высотой слоя сорбента 6-8 см. Через сорбент пропускалась сточная вода с определённой скоростью (3,5–4,0 мл/мин.). Затем брали пробы сточной воды, которые анализировались на определённые показатели.

Далее проводилась пропитка природного минерала - опоки ЭМ-препаратом «Байкал ЭМ1» для того, чтобы на неё адсорбировались полезные микроорганизмы в течение разных промежутков времени: 1 и 2 часа.

Данный препарат представляет собой устойчивое сообщество эффективных микроорганизмов, ассоциация как аэробных, так и анаэробных представителей микробного мира. В состав ЭМ-препарата «Байкал ЭМ1» входят семейства молочнокислых, фотосинтезирующих, азотфиксирующих бактерий, дрожжей, а также продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Вместе они составляют устойчивый симбиоз. Для того, чтобы данный комплекс микроорганизмов заработал, необходимо активировать их добавлением питательной среды - мёд, варенье, патока [9, С. 20]. Также данным биопрепаратом пропитывалась исходная опока и опока, прокалённая при температуре 500^оС.

Так как сточная вода после каждого проведенного опыта исследовалась на одни и те же показатели, то в эксперименте бралась параллель исследований: обычная опока фракций 1-3 и 3-5 мм, прокалённая опока и опока, иммобилизованная микроорганизмами ЭМ-препарата «Байкал ЭМ1».

Таблица 1 - Результаты очистки сточной воды после её пропускания через исходную опоку фракцией 1-3 мм

Наименование показателя	Проба сточной воды	Очищенная вода исходной опокой фракцией 1–3 мм	Единицы измерения	ПДК
Нитриты	0,89	0,70	мг/дм3	0,08
Аммоний - ион	0,60	0,38	мг/дм3	0,05
Жиры	3,50	3,48	мг/дм3	не норм.

Как видно из данных таблицы 1 и рисунка 2, при очистке сточной воды исходной опокой фракции 1-3 мм нормы загрязняющих веществ снизились на несколько сотых и даже десятых. Во внимание берутся такие показатели, как нитриты, ион аммония и жиры. Но при очистке сточной воды исходной опокой фракции 3-5 мм (табл. 2, рис. 3) данные показатели изменились несущественно.

Таблица 2 - Результаты очистки сточной воды после её пропускания через исходную опоку фракцией 3-5 мм

Наименование показателя	Проба сточной воды	Очищенная вода исходной опокой фракцией 3–5 мм	Единицы измерения	ПДК
Нитриты	0,89	0,88	мг/дм3	0,08
Аммоний - ион	0,70	0,69	мг/дм3	0,05
Жиры	3,50	3,40	мг/дм3	не норм

Рис. 2 - Результаты очистки сточной воды после её пропускания через исходную опоку фракцией 1-3 мм

Рис. 3 - Результаты очистки сточной воды после её пропускания через исходную опоку фракцией 3-5 мм

По полученным данным, самый лучший результат получается после очистки сточной воды исходной опокой фракции 1-3 мм. Это объясняется тем, что чем меньше зерно сорбента, тем выше его адсорбционная поверхность. Поэтому в дальнейших исследованиях применяли опоку только фракции 1-3 мм.

Судя по данным, полученным в первом эксперименте, нас устроила тенденция очистки сточных вод дисперсным кремнезёмом - опокой. Поэтому было решено увеличить адсорбционные свойства. Для этого часть опоки (фракция 1-3 мм) прокалили в муфельной печи при температуре 500°С.

Далее пропитывали исходную и прокалённую опоку фракцией 1-3 мм готовым раствором ЭМ-препарата «Байкал ЭМ1» в течение 1 и 2 часов.

Сначала проводили опыт, в котором использовали исходную и прокалённую опоку, пропитанную ЭМ-препаратом в течение 1 часа. Физико-химические показатели исследуемой сточной воды представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Очистка сточной воды после пропускания ЭМ-препарата «Байкал ЭМ1» через исходную и прокалённую опоку (фракция 1-3 мм) (1 час)

Наименование показателя	Проба сточной воды	Вода пробы через исходную опоку, пропитанную ЭМ-препаратом	Вода пробы через прокалённую опоку, пропитанную ЭМ-препаратом	Единица измерения	ПДК
1	2	3	4	5	6
рН	7,43	7,38	7,37	ед. рН	6,5-8,5
Аммоний-ион	0,60	0,11	0,13	мг/дм3	0,05
Нитрит-ион	0,89	0,69	0,67	мг/дм3	0,08
Жиры	3,50	3,46	3,47	мг/дм3	не норм.

Как видно из полученных результатов таблицы 3, адсорбция опоки, пропитанной ЭМ-препаратом, также успешно проходит, как и адсорбция непропитанной, исходной опоки.

Далее нами была проведена пропитка исходной и прокалённой опоки ЭМ-препаратом «Байкал ЭМ1» в течение 2-х часов. Полученные физико-химические данные представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Очистка сточной воды после пропускания ЭМ-препарата «Байкал ЭМ1» через исходную и прокалённую опоку (фракция 1-3 мм) (2 часа)

Наименование показателя	Проба сточной воды	Вода пробы через опоку, пропитанную ЭМ-препаратом	Вода пробы через прокалённую опоку, пропитанную ЭМ-препаратом	Единица измерения	ПДК
1	2	3	4	5	6
рН	7,43±0,01	7,30±0,01	7,40±0,01	ед. рН	6,50-8,50
Аммоний-ион	0,60±0,21	0,11±0,04	0,15±0,05	мг/дм3	0,05
Нитрит-ион	0,89±0,06	0,68±0,05	0,70±0,04	мг/дм3	0,08
Жиры	3,50±0,39	3,20±0,38	3,22±0,38	мг/дм3	не норм

Результаты, полученные в ходе эксперимента с пропитанной опокой в течение 2-х часов, удовлетворительны. Хотя показания содержания жиров хотелось бы улучшить.

Таким образом, по всем полученным данным проведённых исследований можно судить о том, что адсорбционные свойства исходной опоки, а также исходной опоки, пропитанной ЭМ-препаратом и прокалённого сорбента, пропитанного тем же биопрепаратом, велики. После очистки сточной воды через опоку, пропитанную ЭМ-препаратом, многие показатели уменьшились, достигнув значения норм ПДК: концентрация ионов аммония уменьшилась в 1,58 раз, нитриты – приблизительно в 1,27 раз, а также ненамного, но уменьшились, значения жиров. В результате проведённых опытов можно говорить, что совокупность биологического и адсорбционного методов очистки работает, но пока только на малых объёмах и в лабораторных условиях.

Список литературы / References

1. Сатыбалдиева, Д.К. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих предприятий / Д.К. Сатыбалдиева, Ж.Б. Намазбекова // Вестник КГУСТА. – 2014, № 4. – С. 77-80
2. Кондрашова, А.В. Природная опока в очистке сточных вод /А.В. Кондрашова, В.А. Лоскутова //Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития современной науки и образования». – Москва: ООО «Консалт», 2015. – С. 34-35
3. Никифоров И.А., Кузьмина Р.И. Дисперсный кремнезём: сорбент и катализатор // Катализ в нефтехимии и экологии - Саратов: СГАП, 1999. - С. 135-143
4. Кузьмина, Р.И. Физико-химические свойства дисперсного кремнезёма – опоки / Р.И. Кузьмина, А.В. Кондрашова // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. – 2012. – Т. 12, № 2. – С. 37-40
5. Кондрашова, А.В. Природные минералы в процессах очистки сточных вод / А.В. Кондрашова // Science Time. – 2015. - № 3 (15). – С. 269-270
6. Климов, Е.С. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод / Е.С. Климов, М.В. Бузаева. – Ульяновск: УлГТУ, 2011. – 201 с.
7. Кондрашова, А.В. Опока для очистки сточных вод / А.В. Кондрашова // Вестник научных конференций. – 2015. - № 2-1 (2). – С. 66-67
8. Кондрашова, А.В. Влияние термоактивации на адсорбционные свойства природной опоки / А.В. Кондрашова // Международная научно-практическая (заочная) конференция «Наука и образование: актуальные вопросы и перспективы развития». – М.: ООО «СВИВТ», 2014. – С. 17-18
9. Новицкий, А.А. ЭМ-технология в растениеводстве / А.А. Новицкий, В.А. Гнитецкий // Вестник Омского государственного аграрного университета. – 2012, № 4 (8). – С. 20-24

Список литературы на английском языке / References in English

1. Satyibaldieva, D.K. Ochistka stochnyih vod myasopererabatyivayuschih predpriyatiy [Wastewater treatment of meat processing enterprises] / D.K. Satyibaldieva, Zh.B. Namazbekova // Vestnik KGUSTA [Vestnik of the Kyrgyz state University of construction, transport and architecture] - 2014. - № 4. – Р. 77-80. [in Russian]
2. Kondrashova, A.V. Prirodnaya opoka v ochistke stochnyich vod [Natural silica in the wastewater treatment] / A.V. Kondrashova, V.A. Loskutova // Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya «Aktualnyie problemyi razvitiya sovremennoi nauki i obrazovaniya» [International scientific-practical conference "Actual problems of development of modern science and education»]. – Moskva: OOO «Konsalt», 2015. – Р. 34-35 [in Russian]
3. Nikiforov, I.A., Kuzmina, R.I. Dispersnyii kremnezem: sorbent i katalizator [Particulate silica: absorbent and catalyst] // Kataliz v neftehimii i ekologii [Catalysis in petrochemistry and ecology] - Saratov: SGAP, 1999. – P. 135-143 [in Russian]
4. Kuzmina, R.I. Fiziko-chimicheskie svoistva dispersnogo kremnezema – opoki [Physico-chemical properties of disperse silica spheres] / R.I. Kuzmina, A.V. Kondrashova // Izvestiya Saratovskogo universiteta. Novaya seriya. Seriya: Chimiya. Biologiya. Ekologiya. [Izvestiya of Saratov University. New series. Series: Chemistry. Biology. Ecology]. – 2012. – V. 12. - № 2. – Р. 37-40 [in Russian]
5. Kondrashova, A.V. Prirodnyie mineralyi v processach ochistki stochnyich vod [Natural minerals in wastewater treatment processes] / A.V. Kondrashova // Science Time. – 2015. - № 3 (15). – Р. 269-270 [in Russian]
6. Klimov, E.S. Prirodnyie sorbentyi i kompleksonyi v ochistke stochnyih vod [Natural sorbents and chelating agents in wastewater treatment] / E.S. Klimov, M.V. Buzaeva. – Ulyanovsk: UlGTU, 2011. – 201 Р [in Russian]
7. Kondrashova, A.V. Opoka dlya ochistki stochnyih vod [Flask for wastewater treatment] / A.V. Kondrashova // Vestnik nauchnyih konferencii [Bulletin of scientific conferences]. – 2015. - № 2-1 (2). – Р. 66-67 [in Russian]
8. Kondrashova, A.V. Vliyanie termoaktivacii na adsorbcionnyie svoistva prirodnoi opoki [The effect of thermoactivation on adsorption properties of natural moulding boxes] / A.V. Kondrashova // Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya (zaochnaya) konferenciya «Nauka i obrazovanie: aktualnyie voprosyi i perspektivyi razvitiya» [International scientific-practical (part-time) conference "Science and education: current issues and prospects of development"]. – M.: OOO «SVIVT», 2014. – Р. 17-18 [in Russian]
9. Novickii, A.A. EM-technologiya v rastenievodstve [EM-technology in crop production] / Novickii, A.A., V.A. Gniteckii // Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of Omsk state agrarian University]. – 2012. - № 4 (8). – Р. 20-24 [in Russian]