CC BY
2БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА Ширинова Д.Б.1, Мухтарва Т.Ф.2, Насирова И.М.3
1Ширинова Дурдана Бакир кызы - кандидат технических наук, доцент, Мухтарва Тамара Фикрет кызы - магистрант, кафедра Нефтехимическая технология и промышленная экология, Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности,
г. Баку,
3Насирова Ирада Маммед кызы-старший преподаватель
кафедра химической технологии и экологии Сумгаитский государственный университет, г. Сумгаит Азербайджанская Республика
Аннотация: в нашем исследовании была рассмотрена эффективность использования растения Eichhomia crassipes (водяной гиацинт) для биологической очистки сточных вод, образующихся при производстве метанола. Сточные воды содержали загрязняющие вещества, такие как углекислый газ, метан, аммиак и другие органические вещества. Процесс очистки проводился в контейнерах объемом 25 литров в течение 14 дней с использованием Eichhornia crassipes. Результаты показали значительное снижение концентрации загрязняющих веществ. Концентрация углекислого газа снизилась с 350 мг/л до 70 мг/л, метан с 60 мг/л до 12 мг/л, аммиак с 15 мг/л до 2 мг/л, а общие органические вещества уменьшились с 400 мг/л до 100 мг/л. Исследование демонстрирует эффективность Eichhornia crassipes в биологической очистке сточных вод, образующихся при производстве метанола.
Ключевые слова: производство метанола, сточные воды, биологическая очистка, Эйхорния.
УДК 579.695
Введение
Метанол является одним из важных сырьевых материалов химической промышленности и используется в различных областях, особенно в энергетике, производстве химикатов и в качестве топлива. Однако в процессе производства метанола образуются сточные воды, которые могут оказать серьезное воздействие на окружающую среду. Эти сточные воды богаты загрязняющими веществами (такими как углекислый газ, метан, аммиак и органические вещества) и при сбросе в водную среду представляют серьезную угрозу для экосистем.
При очистке сточных вод производства метанола применяют физические методы (осаждение, фильтрация, выпаривание), физико-химические методы (сорбция, коагуляция), мембранные технологии (нанофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос), химические методы (окисление), биологические методы (с растениями, с микроорганизмами).
Указанные методы не позволяют в ряде случаев добиться требуемого эффекта при очистке воды, загрязненной метанолом, и одновременно очистить смеси сточных вод этого производства. По этой причине биологическая очистка отходов производства метанола имеет большое значение с точки зрения охраны окружающей среды и здоровья человека. Процессы биологической очистки осуществляются путем разложения загрязняющих веществ микроорганизмами и растениями. Эти методы, помимо снижения энергопотребления и использования химикатов, также помогают очистить окружающую среду [1]. Этот метод является экологически более подходящим методом биологического разложения и очистки загрязняющих веществ естественным путем, поскольку вредные вещества нейтрализуются естественным путем [2].
В ходе исследования была предпринята попытка очистки сточных вод, образующихся при производстве метанола, биологическим методом. Эйхорния - растение, которое быстро растет и уменьшает загрязнение водной среды. Его корни помогают восстановить экологический баланс водной среды, загрязняя ее [3].
Чтобы эффективно использовать растение Эйхорния, важно правильно его содержать. Растение Эйхорния любит солнечный свет, но при недостатке света его развитие прекращается, поэтому важно держать его в месте, которое получает 12-16 часов солнечного света в течение дня. Оптимальная температура для идеального развития растений находится в пределах 20-30 °С, тогда как в более холодных условиях рост замедляется и растение ослабевает.
Эйхорния поглощает своей корневой системой тяжелые металлы, органические соединения и другие вредные вещества из воды, что делает ее эффективной для очистки загрязнений. Это растение также поглощает из воды такие питательные вещества, как азот и фосфор, уменьшает их количество и очищает
воду. Благодаря этой особенности соединение эйхорнии может играть важную роль в процессе очистки сточных вод при производстве метанола. Корневая система эйхорнии также эффективно удаляет из воды плавающие загрязняющие вещества, прикрепляя их к ней [4].
Использование водных установок для очистки сточных вод экономически и экологически выгодно, помимо реализации естественного процесса аэрации.
К водным растениям относятся тростник озерный, рогоз широколистный, тростник обыкновенный, ряска мелкая и треугольная, эйхорния, водяной папоротник, водяной гиацинт и др. они обладают способностью очищать загрязненную воду до необходимой степени очистки. Растения в прудах осуществляют фильтрацию (осаждение взвесей), адсорбцию (поглощение биогенных элементов и некоторых органических веществ), накопление-собирание (собирание некоторых металлов и органических веществ, трудно поддающихся разложению), окислительную (вода обогащается кислородом в процессе фотосинтеза) и осуществляют детоксикацию (растения способны собирать токсичные вещества и превращать их в нетоксичные) [5].
Растение Эйхорния ускоряет процесс очистки воды за счет биологической фильтрации. В этом процессе фильтрации растение работает с микроорганизмами, расщепляя загрязняющие вещества в воде. В частности, научными исследованиями доказана эффективность эйхорнии в снижении концентрации таких загрязняющих веществ, как аммиак, метан и углекислый газ.
Исследователи провели сравнительный анализ эйхорнии и озерного тростника при очистке воды, загрязненной бензолом и фенолом. Эксперименты проводились в одинаковых условиях для обоих циркуляторов. Установлено, что можно очистить бензол на 95%, а фенол на 89% [6].
Тяжелые металлы в сточных водах представляют серьезную угрозу для водных экосистем и живых организмов. Растение Эйхорния обеспечивает поглощение и нейтрализацию этих металлов. В частности, он удаляет из воды тяжелые металлы, такие как цинк, медь и свинец, и обеспечивает их удаление из отложений.
Растение Эйхорния добавляет кислород в воду посредством фотосинтеза, что важно для здоровья других организмов в водных экосистемах. Увеличение уровня кислорода помогает восстановить кислородный баланс в водной экосистеме и помочь организмам развиваться более здорово.
Применение растения Эйхорния не ограничивается очисткой воды. Помимо улучшения качества воды, это растение снимает с воды покров, позволяя большему количеству солнечного света проникать в воду. Это обеспечивает более здоровое развитие подводных растений [6-7].
Метод и материалы
Аналитические методы применялись по каждому веществу отдельно для расчета исходных количеств загрязняющих веществ в сточных водах. Количество диоксида углерода (CO2), метана (CH4) и общего органического вещества (ТОС) в сточных водах определяли с помощью газового хроматографа Agilent 7890B, а количество аммиака (NH3) определяли титрованием. В результате анализа установлено содержание воды, взятой для пробы, количество углекислого газа составило 350 мг/л, количество метана - 60 мг/л, количество общего органического вещества-400 мг/л, количество аммиака-15 мг/л. Для определения pH, важного в процессе очистки, использовался прибор Ionomer T-740.
Для проведения экспериментов были использованы сточные воды производства метанола в Гарадагском районе. Сточные воды помещаются в емкости емкостью 25 л. В каждый контейнер добавляли по 100 г растения эйхорнии. Для определения очищающего эффекта ежедневно проверялось количество загрязняющих веществ в воде и водородный показатель (рН) воды. Эксперименты продолжались в течение 14 дней. На следующем рисунке представлена принципиальная последовательность процесса очистки сточных вод с помощью растения эйхорнии в лабораторных условиях (рис. 1).
ЛВС
Рис. 1. Биологическая очистка воды эйхорнией На этом изображении (рис.1.А) в загрязненную воду добавлены корни растения. Воду готовят для процесса очистки и используют способность растений поглощать токсины и другие загрязняющие вещества.
Отражено размещение растения Эйхорния целиком в воде (рис.1.Б). Здесь корневая система растения полностью погружена в воду, что повышает эффективность его очистки воды.
На третьем снимке показано строение растения эйхорния крупным планом. Разветвленная корневая система растения повышает его способность поглощать загрязняющие вещества в воде, что свидетельствует о его эффективности в процессе биологической очистки [8].
Пробы сточных вод отбирались в разное время производственного процесса (один раз в день) и помещались в 25-литровые контейнеры для очистки. В каждый контейнер добавляли по 100 г растения эйхорнии. Дважды в день каждый день во время процесса. в 10:00 и в 16:00 отбирали пробы отдельно из каждого контейнера и измеряли водородный индекс воды. Эти измерения позволили отслеживать изменения, происходящие в течение суток.
В первые сутки показатель рН сточных вод составлял 7,5, а через 14 суток этот показатель составил 6,8. Обычно при биологической очистке значение рН должно находиться в пределах 6,5-8,5, и важно, чтобы водное растение оставалось здоровым, что, в свою очередь, повышает эффективность очистки [9-10].
Это изменение произошло в результате биохимической активности растения эйхорнии. Деятельность растений вызывала изменение степени кислотности или щелочности воды.
Ежедневно проводились измерения для определения влияния растения эйхорния на загрязняющие вещества и очищающий эффект [11-12]. Результаты экспериментов приведены в таблице ниже.
Таблица 1. Суточные изменения концентраций загрязняющих веществ в сточных водах и эффект очистки.
Загрязняющие вещества, мг/л 1-й день 7-й день 14-й день эффективность очистки, в %
Углекислый газ 350 150 70 80
Метан 60 30 12 80
Аммиак 15 7 2 86,67
Всего органического вещества 400 250 100 75
500 400 300 200 100 0
Заглавие диаграммы
I
14-й день
1-й день 7-й день
■ Углекислый газ ■ Метан ■ Аммиак
Рис. 2. Суточные изменения концентраций загрязняющих веществ в сточных водах.
эффективность очистки, в %
Всего органического вещества
В результате экспериментов выяснилось, что растение эйхорния обладает высокой эффективностью в процессе биологической очистки. Для сравнительного анализа суточных измерений были выбраны начальные (первые сутки), седьмые и четырнадцатые сутки концентрации загрязняющих веществ. Установлено, что из загрязняющих веществ в сточных водах в течение 7 суток снизилась концентрация углекислого газа, 50% метана и 52% аммиака, а показатель рН составил 7,5, однако на 14 сутки эти показатели существенно изменились, концентрация углекислого газа и содержание метана снизились на 80%, содержание аммиака на 86,667% и содержание общего органического вещества на 75%, значение рН составило 6,8. (рис. 2). Как видно, время и рН оказывают большое влияние на процесс очистки.
Использование растения Эйхорния в процессе биологической очистки показало положительные результаты по эффективному снижению выбросов загрязняющих веществ, образующихся при производстве метанола. Данное исследование демонстрирует возможность применения биотехнологических подходов в решении экологических проблем растения эйхорния.
Заключение
Результаты исследования показали эффективность использования эйхорнии растения для биологической очистки сточных вод производства метанола. Так, с помощью этой установки можно существенно снизить концентрацию других загрязняющих веществ, а не только метанола, в сточных водах производства метанола. Концентрация углекислого газа (CO2) с 350 мг/л до 70 мг/л, концентрация метана (CH4) с 60 мг/л до 12 мг/л и концентрация аммиака (NH3) с 15 мг/л до 2 снизилась до мг/л. л. CO2- 80%, CH4- 80% и NH3 -86,67% наблюдалось снижение концентраций этих веществ. При этом концентрация общего органического вещества (ООУ) снизилась на 75% с 400 мг/л до 100 мг/л.
Эйхорния значительно улучшила качество водной среды за счет биосорбции и биодеградации. Эти результаты раскрывают потенциал растения по восстановлению экосистемного баланса в водной среде и обеспечению экологической безопасности. Применение растения Эйхорния экологически выгодно с точки зрения биологической очистки сточных вод производства метанола, а также помогает защитить водную среду и местные экосистемы.
Список литература
1. Khan A. et al. (2020). "Environmental Impact of Methanol Production: A Review." Journal of Cleaner Production, 253, 119974. doi:10.1016/j.jclepro. 2019.119974.
2. Jiang X. & Zhu J. (2019). "Mitigation of Environmental Pollution from Methanol Production: A Review of Strategies." Environmental Science & Technology, 53(5), 2452-2464. doi:10.1021/acs.est.8b04678.
3. Ghayyath A.A. & Prasad S. (2019). "Current Trends in Wastewater Treatment." Desalination and Water Treatment, 154, 1-17.
4. Zhang Y. et al. (2021). "Technological Advances in Methanol Production and Their Environmental Impacts." Renewable and Sustainable Energy Reviews, 135, 110192. doi:10.1016/j.rser. 2020.110192.
5. Shirinova D.B., Bayramova A.S. Reconstruction of industrial enterprises and purification of domestic waters of the city of Agdam. // News of Azerbaijan Higher Technical Educational Institutions. Proceedings of international ii conference of the Azerbaijan state oil and industrial university. Vol. 24. № 2. s. 91-95. s. 54-58. ADNSU, Baki, 2022.
6. Ширинова Д.Б., Байрамова А.С., Аллахвердиева У.Э. Исследование процесса биологической очистки вод, загрязненных ароматическими углеводородами // Азербайджанское нефтяное хозяйство, №03, Баку, 2022. D0I.10.37474/0365-8554/2022-03-54-58.
7. Kumar M. et al. (2019). "Phytoremediation potential of aquatic plants: A review." Environmental Science and Pollution Research, 26(2), 1109-1121.
8. Исмаилова С. (2018). «Экологическая роль Eicharia crassipes и ее использование для очистки водной среды». Журнал экологии и природных ресурсов, 25 (2), с. 45-50.
9. Гулиев М. (2020). «Методы очистки растений: растение эйхория». Книга природных ресурсов Азербайджана, 15, с. 90-100.
10.Mishra M. et al. (2016). "Role of aquatic plants in heavy metal remediation: A review." International Journal of Environmental Sciences, 6(4), 104-115.
11. Tiwari P. et al. (2020). "Bioremediation of wastewater using aquatic plants." Water Science & Technology, 81(5), 823-830.
12. Рзаев Э. (2019). «Биологические характеристики Eicharia crassipes». Журнал биологии и экологии, 32 (4), 15-20.
