Исследование технологии очистки сточных вод кожевенных предприятий методом фильтрации-перколяции на фильтрующем материале из порошка скорлупы плодов баобаба

Вода – один из самых ценных природных ресурсов, ее жизненно важная роль в поддержании жизни на Земле неоспорима [1]. К сожалению, темпы урбанизации, коммерческой и горнодобывающей деятельности в сочетании с промышленным развитием в значительной степени способствовали загрязнению воды различными загрязнителями [2].

Дубильный сектор играет центральную роль в производстве шкур для многих секторов, таких как модная, автомобильная и обувная промышленность. Этот сектор ежедневно потребляет большое количество воды в ходе технологических процессов, образуя значительные объемы сточных вод, содержащих широкий спектр загрязняющих веществ, включая органические соединения, тяжелые металлы, красители и химикаты, используемые в процессе кожевенного производства.

Эти сточные воды, если их не очистить должным образом, могут оказать пагубное воздействие на водные экосистемы, ресурсы пресной воды и здоровье человека. Поэтому глубокая очистка сточных вод кожевенных заводов является серьезной проблемой для окружающей среды и здоровья.

Из-за наличия в этих водах тяжелых металлов (хрома) они относятся к наиболее загрязнённым категориям промышленных сточных вод. Тяжелые металлы не поддаются биоразложению, но они биоаккумулируются, а также наносят вред водным животным и окружающей среде [3, 4]. Исследования токсичности хрома показали, что при очень низких концентрациях, превышающих допустимые уровни, шестивалентный хром оказывает вредное воздействие на экосистему и человека. Он опасен для здоровья людей, так как является источником канцерогенных и мутагенных рисков [5, 6].

Загрязнение воды тяжелыми металлами может вызвать уничтожение водной флоры и фауны и снижение ее репродуктивного потенциала [7]. Поэтому удаление ионов хрома и других токсичных загрязнителей из сточных вод перед их сбросом в окружающую среду имеет важное значение для промышленников этого сектора. Однако существует несколько традиционных методов удаления тяжелых металлов (хрома) и органических загрязнений, но большинство из них не обеспечивает полного удаления этих загрязнителей. Кроме того, они характеризуются высокими эксплуатационными затратами, большим расходом реагентов, энергии и образованием вторичных загрязнителей [8, 9].

В контексте поиска инновационных решений по очистке сточных вод кожевенных заводов использование материалов биологического происхождения в качестве адсорбентов вызывает все больший интерес. Материалы природного происхождения имеют определенные преимущества, в частности, их доступность и низкая цена [10]. Оболочка плодов баобаба демонстрирует многообещающие свойства в качестве биоадсорбентов.

В Мали, точнее в районе Кайес и Сегу, баобабы встречаются в изобилии. Они играют важную экономическую роль, производя около 100 000 тонн плодов и листьев баобаба в год. Целлюлозу боабаба перерабатывают в порошок и масла, экспортируемые для пищевой промышленности [11]. На местном уровне плоды баобаба используются недостаточно и в основном потребляются из-за мякоти, которая составляет менее 10 % от общей массы плода [12, 13]. Однако при потреблении плодов баобаба образуется значительное количество скорлупы в качестве отходов, которые необходимо утилизировать.

Для решения проблемы обращения с потенциально утилизируемыми твердыми отходами были проведены исследования по использованию скорлупы плодов баобаба в качестве фильтрующего материала для очистки сточных вод кожевенных заводов.

Скорлупа плодов баобаба имеет некоторую ценность, а именно: золу плодов шелухи используют для изготовления мыла в связи с наличием калия. Учитывая наличие в скорлупе плодов бао- баба некоторых соединений, в том числе полисахаридов и фенольных веществ, его стали использовать в процессах очистки сточных вод. Некоторые авторы изучали использование древесного угля, изготовленного из скорлупы плодов баобаба, для удаления метиленового синего из водного раствора (Эдуард Мбарик Ндиай и др., 2022) [11].

Другие исследователи использовали скорлупу плодов баобаба для удаления тяжелых металлов из водных растворов (Jane M. Misihairabgwi et al. (2013); F. Chigondo et al. (2013);) для удаления фенолов (Radhia Nedjai et al. (2021)). Адсорбционная способность органических загрязнений изучалась Кодзвой и др. (2015). Был сделан вывод, что активированный уголь из скорлупы плодов баобаба способен удалять органические загрязнения из воды [14]. Все эти исследования проводились в псевдоожиженном слое с химически или физически модифицированным адсорбентом.

Основная цель данного исследования – оценить эффективность скорлупы плодов баобаба в качестве фильтрующего материала (адсорбента) для очистки сточных вод кожевенных заводов. Этот подход, с одной стороны, способствует повышению ценности возобновляемых и распространенных материалов, таких как скорлупа плодов баобаба, а с другой стороны, он предлагает перспективный способ для глубокой очистки сточных вод кожевенных заводов, богатых как органическими, так и неорганическими загрязнениями.

Материалы и методы

Приготовление адсорбента из скорлупы плодов баобаба . После сезона сбора плодов баобаба с марта по май 2023 года в деревне Уалия, расположенной в регионе Кайес в Мали, скорлупа, была отобрана, а затем очищена, чтобы удалить волоски, которые были на их поверхности.

Сначала очищенную скорлупу толкли в ступке, а затем отправляли на мельницу, чтобы получить очень мелкие частицы. Затем их осторожно сушили на солнце при температуре 40 °C в течение нескольких дней. После сушки их превращали в порошок в механической мельнице. Порошок последовательно просеивали через сита диаметром 1, 0,50, 0,25 и 0,125 мм. Для проведения исследования были отобраны семена диаметром 0,125 мм.

Адсорбент, приготовленный в Мали, был аккуратно помещен в коробку и затем доставлен в Российскую Федерацию (Астрахань), где проводились экспериментальные исследования по очистке сточных вод.

Отбор проб и характеристика сточных вод. Сточные воды, с которыми проводили исследования, были собраны на кожевенном заводе после стадий известкования и хромового дубления. Обе пробы были отобраны в один и тот же день и в одно и то же время в полиэтиленовые бутыли. Затем их помещали в холодильник для обеспече- ния безопасной транспортировки. По прибытии в пункт назначения бутыли хранились в холодильнике при температуре 4 °С до дня проведения эксперимента. При проведении эксперимента пробы сточных вод после процессов известкования и дубления смешивали поровну до получения гомогенизированной пробы.

По окончании эксперимента две пробы (исходная и очищенная сточная вода) были доставлены в Астраханскую агрохимическую лабораторию для определения физико-химических показателей с целью оценки эффективности исследуемой технологии. Следует отметить, что определение концентрации ионов хрома и БПК 5 проводилось в лаборатории АГТУ.

Протокол эксперимента. Фильтрационная колонка, используемая в этом исследовании, идентична той, которую использовал Эль Каррач Карима (2020) [15]. В колонку помещали 200 г адсорбента (порошок скорлупы плодов баобаба). Эксперимент проводили с несколькими повторностями в течение двух месяцев.

По окончании всех экспериментов нам удалось собрать фильтрат. Фильтрат и необработанный образец были проанализированы для оценки эффективности очистки.

Результаты и их обсуждение

Физико-химические характеристики сырого гомогенизированного образца. Физико-химические характеристики сточной воды определяли согласно стандартным методикам. Результаты анализов показаны в табл. 1.

Результаты показывают, что гомогенизированные сточные воды кожевенных заводов содержат разнообразный спектр загрязнений. Большинство параметров превышает нормативы сброса, поэтому необходимо очищать эту воду перед сбросом. Соотношение ХПК/БПК 5 = 2,66, что доказывает, что данная вода очень трудно поддается очистке биологическими методами, поэтому необходима физикохимическая очистка. Концентрация хрома значительно превышает существующие нормы, поэтому его присутствие в природе может нанести ущерб окружающей среде и здоровью человека.

Результаты эксперимента

После обработки полученный фильтрат анализировали по тем же показателям, что и неочищенную воду. Результаты экспериментальных исследований процесса фильтрационно-перколяционной очистки сточных вод кожевенных предприятий представлены в табл. 2.

Кинетика pH. После фильтрации было отмечено увеличение pH с 9 до 11. Вероятно, это увеличение объясняется присутствием щелочей в порошке из оболочек плодов баобаба. Концентрация ионов щелочных минералов (кальций, магний и калий) в скорлупе могла увеличиться во время обработки.

Таблица 1

Физико-химические характеристики сточных вод кожевенного завода

Наименование определяемого показателя	Единица измерения	Фактическое значение	Метод испытания
Водородный показатель рН		11	ПНД Ф 14.1:2:3.1-95 (2017)
ХПК	мг/дм3	7000	ПНД Ф 14.1:2:4.190-03 (2012)
БПК 5	мг/дм3	2630	ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 (2004)
Взвешенные вещества	мг/дм3	1650	ПНД Ф 14.1:2:3.110-97 (2016)
Ион аммония	мг/дм3	117	М101
Нитрат-ион	мг/дм3	6,20	М101
Нитрит-ион	мг/дм3	88	М101
Фосфат-ион	мг/дм3	< 0,1	М101
Сульфат-ион	мг/дм3	6900	М101
Общий хром	мг/дм3	10	ПНД Ф 14.1:2:4.214-06
Сероводород и сульфиды	мг/дм3	< 2	ПНД Ф 14.1:2.109-97 (2004)

Таблица 2

Показатели очистки сточных вод кожевенного завода фильтрованием на органическом адсорбенте

Наименование определяемого показателя	Единица измерения	Исходные воды	Очищенные воды
Водородный показатель рН		9	11
БПК	мг/дм3	2630	350
ХПК	мг/дм3	7000	450
Взвешенные вещества	мг/дм3	1630	90
Сероводород и сульфиды	мг/дм3	< 2	0
Общий хром	мг/дм3	10	0

Снижение органических веществ ( по ХПК и БПК 5 ) . Очищенные сточные воды демонстрируют значительное снижение органических загрязнений по ХПК – до 93 %. Фильтрация-перколяция позволила существенно снизить органические загрязнения по БПК₅ до 86,70 %. Щелочной pH водного раствора способствует адсорбция органических веществ за счет образования органоминеральных комплексов [16]. Кроме того, показатели очистки, полученные в этом исследовании, выше, чем полученные A. Bellarbi et al. (2018). Эти авторы получили 87 и 76 % соответственно по ХПК и БПК 5 , они использовали смесь песка и активированный уголь электростанции для очистки сточных вод целлюлознобумажной промышленности.

Лучшие результаты (78 % по ХПК и 86 % по БПК5) показали исследования, проведенные Палой и Токой (2002). Они использовали активированный уголь для фильтрации сточных вод кожевенных заводов. Таким образом, скорлупа плодов баобаба обладает меньшей очищающей способностью от органических загрязнений по сравнению с активированным углем.

Восстановление органических веществ путем адсорбции достигается за счет двух механизмов [17]. К ним относятся:

• 1)    химическая адсорбция, при которой устанавливается обмен ионов на поверхности;

• 2)    физическая адсорбция, при которой непо лярные вещества могут поглощаться микропорами Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2024. Т. 24, № 2. С. 48–54

адсорбента или адсорбироваться на поверхности адсорбента.

Уменьшение взвешенных веществ. В процессе исследований отмечено явное снижение содержания взвешенных веществ (до 94,47 %). Этот объясняется улавливанием взвешенных частиц в сыпучей массе. Явления адсорбции действуют таким образом, чтобы нейтрализовать их заряды, способствовать их агломерации и обеспечить их декантацию. Таким образом, взвешенные вещества будут улавливаться зернистой массой фильтра и образовывать агрегаты за счет флокуляции, что и объясняет их максимальное снижение [18]. С другой стороны, размер частиц также играет роль в удержании мелких частиц. Чем мельче зерна, тем больше сокращается пространство между ними, что также способствует удержанию взвешенных веществ.

Сокращение сульфидов. Анализ фильтрата показывает полное восстановление сульфидов с исходной концентрацией менее 2 мг/л. Начальная концентрация сульфидов уже соответствует нормативам.

Восстановление ионов хрома. Зафиксировано общее снижение ионов хрома при начальной концентрации 10 мг/л, что можно объяснить наличием нескольких центров адсорбции благодаря большой массе адсорбента в колонке (200 г), имеющего потенциал для фиксации ионов хрома благодаря богатой клетчатке и другим органическим соединениям. Процесс адсорбции тяжелых металлов интенсифицируется с увеличением дозы адсорбента. Чем больше масса адсорбента, тем больше центров адсорбции. Кроме того, размер частиц адсорбента играет важную роль в процессе адсорбции загрязняющих веществ, поскольку последние могут поглощаться микропорами или адсорбироваться на меньшей поверхности.

Сырая биомасса оболочки плодов баобаба содержит такие функциональные группы, как: карбонильная и гидроксильная группа [19]. Эти два фактора могут способствовать полярности поверхности адсорбента, тем самым улучшая ее сродство к заряженным ионам металлов. Таким образом, наличие карбонильных и гидроксильных групп в адсорбенте облегчает адсорбцию ионов металлов за счет создания дополнительных мест связывания и модуляции свойств поверхности адсорбента. Полное удаление ионов хрома можно объяснить также химическими характеристиками биомассы использованной скорлупы плодов баобаба, а также временем контакта хрома с адсорбентом.

Заключение

Результаты настоящего исследования продемонстрировали эффективность технологии, применяемой при очистке композиционной кожевен- ной воды с использованием биологического материала (скорлупы плодов баобаба) в качестве фильтрующего носителя. Эффективность очистки процесса составляет 86, 70 %, 93 %, 94,47 % и 100 % соответственно для БПК5, ХПК, материалов, сульфидов и хрома.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что фильтрационноперколяционная очистка стоков кожевенных предприятий оказалась экономически и экологически эффективной. Использование порошка, полученного из сырой скорлупы плодов баобаба, в качестве фильтрующего материала при очистке сточных вод кожевенных заводов предлагает многообещающий подход, который сочетает в себе эффективность процесса фильтрации и повышение ценности отходов агро- и лесного хозяйства, тем самым открывая путь к более экологически безопасным методам в кожевенной промышленности.

Тем не менее, дальнейшие исследования будут необходимы для совершенствования технологии и ее внедрения в более широком масштабе, что будет способствовать комплексному и рациональному управлению водными ресурсами и устойчивости кожевенной промышленности.