CC BY
30
HayKOBHH BicHHK .HbBiBCbKoro HamoHaraHoro ymBepcurery BeTepHHapHOi MegnuUHH Ta öioTexHonoriH iMeHi C.3. f^H^Koro Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies
ISSN 2519-2698 print ISSN 2518-1327 online
http://nvlvet.com.ua/
УДК 628.381
Порiвняльний аналiз використання природних сорбен^в у процесах очищення стоюв пiдприeмств АПК
О.В. Мацуська, Б.М. Калин, I.O. Павлюк [email protected], [email protected]
Львiвський нацюнальний ^верситет ветеринарног медицини та бютехнологт iменi С.З. Гжицького,
вул. Пекарська, 50, Львiв, 79010, Украша
Переробка сгльськогосподарськоI сировини супроводжуеться споживанням значноЧ кглькостг води, яка тсля и промис-лового використання збагачуеться оргашчними речовинами, а також рядом бюгенних елементгв, насамперед сполук Нт-рогену та Фосфору. Надходження цих елементгву воднг об'екти елжтуючим для водноIрослинностг, спричиняючи явище евтрофгкацп. Внаслгдок бурхливого розвитку рослинностг ргзко зменшуеться розчинений у водг Оксиген, порушуеться процес И самоочищення, що призводить до загибелг аеробноI флори та фауни. Особливо небезпечними для людей, тварин г рослин е сполуки Штрогену, яю мають здатшсть нагромаджуватись у поверхневих та грунтових водах, а також у повт-ри
Концентрация амоншного азоту у стоках м 'ясопереробних тдприемств коливаеться в межах 20-60 мг/дм I перевищуе 1х гранично допустиму концентрацю (ГДК МИ4+ < 20 мг/дм3), тому стЧчш води перед скидом з тдприемства потребують обов 'язкового очищення.
Усунення шюдливих домгшок зг стгчних вод можливе ргзними способами. З огляду на те, що очищенню тдлягають знач-т об'еми стгчних вод, найбыьш економгчно доцыьним е застосування природних сорбентгв. У дангй роботг дослгджено та поргвняно сорбцшш властивостг цеолту г торфу щодо можливостг та ефективностг вилучення йотв амотю з води.
Ключовi слова: АПК, забруднення, стгчш води, амоншний азот, цеолт, торф, очищення, адсорбщя.
Сравнительный анализ использования природных сорбентов в процессе
очистки стоков предпреятий АПК
Львовский национальный университет ветеринарной медицины и биотехнологий имени С.З. Гжицкого,
ул. Пекарская, 50, г. Львов, 79010, Украина
Переработка сельскохозяйственного сырья сопровождается потреблением значительного количества воды, которая после ее промышленного использования обогащается органическими веществами, а также рядом биогенных элементов, прежде всего соединениями азота и фосфора. Поступления этих элементов в водные объекты являются лимитирующим для водной растительности, вызывая их эвтрофикацию. Вследствие бурного развития растительности резко уменьшается растворенный в воде кислород, нарушается процесс ее самоочищения, что приводит к гибели аэробной флоры и фауны. Особенно опасными для людей, животных и растений являются соединения азота, которые обладают способностью накапливаться в поверхностных и почвенных водах, а также в воздухе.
Концентрация аммонийного азота в стоках мясоперерабатывающих предприятий колеблется в пределах - 2060 мг/дм3 и превышает их предельно допустимую концентрацию (ПДК NN/<20 мг/дм3), поэтому сточные воды перед сбросом с предприятия требуют обязательной очистки.
Устранение вредных примесей из сточных вод возможно разными способами. Учитывая то, что очистке подлежат значительные объемы сточных вод, наиболее экономически целесообразным является применение природных сорбентов. В
Citation:
Matsuska, O.V., Kalyn, B.M., Pavlyuk, I.O. (2017). The comparative analysis of the use of natural sorbents in wastewater cleaning processes in agricultural industry. Scientific Messenger LNUVMB, 19(79), 159-162.
О.В. Мацуська, Б.Н. Калын, I.O. Павлюк [email protected], [email protected]
Scientific Messenger LNUVMB, 2017, vol. 19, no 79
159
данной работе исследовано и сравнено сорбционные свойства цеолита и торфа касательно возможности и эффективности извлечения ионов аммония из воды.
Ключевые слова: АПК, загрязнения, сточные воды, аммонийный азот, цеолит, торф, очистка, адсорбция.
The comparative analysis of the use of natural sorbents in wastewater cleaning
processes in agricultural industry
O.V. Matsuska, B.M. Kalyn, I.O. Pavlyuk [email protected], [email protected]
Stepan Gzhytskyi National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies Lviv, Pekarska Str., 50, Lviv, 79010, Ukraine
Processing offarm products requires usage of great quantity of water which after its industrial use is enriched with organic substances and also a number of biogenic elements, first of all nitrogen and phosphorus compounds. The occurrence of these elements in water objects is limiting for water vegetation causing eutrophication. As a result of rapid growth of the vegetation, the oxygen dissolved in water is sharply reduced, the process of its self-cleaning is disturbed, that causes perishing of aerobic flora and fauna. The nitrogen compounds, which are capable to accumulate in surface and ground waters and also in air, are especially dangerous for humans, animals and plants.
Concentration of the ammonium nitrogen in sewage water from meat processing plants ranges within 20-60 mg/dm3 and exceeds their maximum allowable concentration (MAC of NH4+ < 20 mg/dm3), therefore the sewage water before discharge from the plant requires cleaning.
Harmful impurities may be removed from the sewage water by various methods. Viewing the fact that great volumes of the sewage water are subject to cleaning, the most economically reasonable is usage of natural sorbents. In this paper it is investigated and compared the sorption properties of zeolite and peat in relation to the possibility and efficiency of removal ammonium ion from water.
Key words: agricultural industry, pollution, sewage water, ammonium nitrogen, zeolite, peat, purification, adsorption.
Вступ
З кожним роком проблема щодо забезпечення УкраГни яшсною питною водою стае все гостршою. Це е результатом штенсивного антропогенного наван-таження як на поверхнев1, так 1 на тдземш водш об'екти. Будь-яка галузь д1яльносл для забезпечення своГх потреб використовуе чисту питну воду, а при-родоохоронш технологи, яш б мали забезпечувати ефективне очищения стоив, на бшьшосп тдприемств з кожним роком втрачають Гх експлуатацшну спро-можнють або взагал ввдсутш.
Така проблема ниш спостертаеться 1 в агропроми-словому сектора Адже м'ясопереробш тдприемства для свое! д1яльносп потребують значно! шлькосп св1жо! води, 95% якоГ скидаеться 1з виробничих цех1в у вигляд1 сильно забруднених промислових стоив. Так, витрати на забш 1 обробку одшеГ туш1 дорослоГ рогато! худоби становлять 1500 л, свиней - 880 л, телят - 550 л, птиц ~ 35 л. На технолопчш потреби на 1 тонну яловичини затрачаеться 4900 л води, а для свинини - 1100 л (Рагатак, 2008).
Це небезпечт спчт води, яш надходять 1з баз утримання худоби, забшних цех1в, а також внаслвдок пдрозмиву робочих примщень 1 обладнання, миття м'яса, промивання шлуншв та кишок, повторне вико-ристання яких е неможливим (Tkachenko, 2002). Стоки тдприемств АПК е складними багатокомпонент-ними системами, що потребують поетапного вилу-чення забруднишв, адже мютять у своему склад1 зна-чну шльшсть завислих часточок, х1м1чних речовини як оргатчного (жири, бшки), так 1 мшерального по-ходження (азот амоншний, фосфати), патогент м1к-рооргашзми.
1снуе ряд способ1в очищення даних слчних вод. Одним 1з метод1в вилучення бюгенних елементш з1 стокiв е застосування процесу адсорбцп, зокрема на цеолт (Humnytskyy, 2011). Тому пошук нових при-родних сорбенпв, як б забезпечували ефективтсть та маловщходтсть технологш очищення, е важливим завданням сьогодення.
Робота присвячена дослвдженню та пор1вняльнш характеристик адсорбцшних властивостей природ-них сорбенпв: цеолту (клиноптилолиу-Жа) та торфу родовища Гамалпвка-Грибович1 щодо вилучення йотв амотю 1з водного середовища.
Матерiал i методи дослщжень
Для очищення води ввд йотв амонш використано природний мшеральний сорбент - клиноптилол1т Сокирницького родовища ЗакарпатськоГ району, що е найб1льш багатим на цеол1товм1сш породи, сумарт запаси 1 прогнозуюч1 ресурси якого сягають близько 900 млн т. (Рагатак, 2008) та торф (верховий 1 низин-ний) 1з родовища Гамалпвка-Грибович1. В1домо, що у межах Льв1вськоГ обласп нал1чують 168 родовищ торфу, площа промисловоГ глибини яких становить 48 123 га (В^Ько, 2012).
Для визначення адсорбцшно! емносп йотв амотю у скляш колби в1дм1ряли по 200 мл розчину за-брудника, приготованого у дистильованш вод1 р1зних початкових концентрацш (Споч 10-60 мг/дм3) 1 додавали однаков1 наважки клиноптилол1ту (~1г). Ддапа-зон концентрацш в1дпов1дав концентрац1ям амоншноГ групи у реальних спчних водах. Колби герметично закривали 1 залишали при перюдичному перем1шу-ванш на дв1 доби при температур! +20 ° С. Сорбент
Scientific Messenger LNUVMB, 2017, vol. 19, no 79 160
ыдд1ляли в1д розчину, якии анал1зували на вмют ио-шв амошю на фотоелектроколориметр! за ввдомою методикою (Metodyka fotometrychnoho vyznachennia amonii-ioniv z геак1ууот Neslera V stichnykh vodakh).
З метою встановлення сорбцшно! здатносп проб торфу щодо Иошв амошю до попередньо змодельова-них розчишв (по 100 мл) !з концентращею Иошв амо-нш в д1апазош 20-70 мг/дм3 додавали висушеш зраз-ки торфу (~ по 3,5 г). Х1д дослщжень процесу сорбци Иошв амошю !з розчишв на зразках торфу та визна-чення вмюту даного забрудника у них аналопчний до попередньо описаного досаду.
Результати та 1х обговорення
Дослщження сорбцшних властивостей даних при-родних сорбенлв здшснювали в статичних умовах, це коли часточки рщини не перемщуються щодо часто-чок сорбенту. Вони рухаються разом з останшми (апарати з пристроями для перемшування). Статична активтсть сорбенту характеризуеться максимальною шльшстю речовини, яка поглинаеться одини-цею об'ему або маси сорбенту до моменту досягнення р1вноваги за сталих температури рщини 1 початково! концентраци речовини.
М1ж кшьшстю речовини, адсорбовано! сорбентом 1 залишено! в розчиш, в розбавлених розчинах настае р1вновага, яка пвдпорядковуеться закону розподшу. Сорбщя - процес зворотниИ, тобто адсорбована речо-вина (сорбат) може переходити !з сорбенту знову в розчин. За р1зних однакових умов швидк1сть перебиу прямого (сорбци) 1 зворотного (десорбцп) процеав пропорцшш концентраци речовини в розчиш та на поверхш сорбенту. Тому на початку сорбци, тобто за максимально! концентраци речовини в розчиш, шви-дшсть сорбци також максимальна. У м1ру шдвшцен-ня концентрацп розчинено! речовини на поверхш сорбенту збшьшуеться к1льк1сть сорбованих молекул, яш повертаються назад у розчин. Якщо кшьшсть сорбованих !з розчину за одиницю часу молекул до-р1внюе кшькосл молекул, як1 надходять з поверхш сорбенту в розчин, концентращя розчину стае сталою 1 називаеться р1вноважною.
Якщо шсля досягнення адсорбцшно! р1вноваги дещо збшьшити концентращю забруднишв у розчиш, то сорбент може вилучити з нього ще деяку к1льк1сть розчинено! речовини. Проте порушена таким чином р1вновага буде ввдновлюватися лише до повного ви-користання сорбц1Ино! емност1 (здатност1) певного сорбенту. Шсля цього шдвищена концентрац1я речовини в розчиш не змшюе величини адсорбци.
До основних технолопчних характеристик адсор-бц1Иного процесу належить насамперед питома витра-та адсорбенту на очищения одинищ стоку. Для визна-чення цього показника потр1бно знати, як використо-вуеться емшсть адсорбенту (Иого адсорбц1Ина здат-шсть), чи залежить процес сорбци ввд рН середовища 1 яким мае бути Иого оптимальне значення.
Адсорбцшну емн1сть сорбенту визначали за такою формулою:
де С1ШЧ- початкова концентращя забрудника в розчин!, г/дм3; С1Й- шнцева концентращя забрудника в розчин!, г/дм3; п - наважка сорбенту, г; V- об'ем розчину взятого для дослщження, дм3.
1зотерми сорбц!! Ион!в амон!ю на цеолт та на верховому ! низинному зразках торфу показан! на рис. 1, 2.
Рис. 1. 1зотерма сорбци йошв амошю на природному цеолт
Особливютю цеолтв е тоИ факт, що вони висту-пають ! як адсорбенти, ! як Ионообмшники (Humny-tskyy, 2011). У другому випадку протиИонами е Иони натрш, як1 мають здатн!сть обмшюватись з додатньо-зарядженими кат!онами з розчину. Отже, як видно за результатами дослвджень, р!вноваги сорбц!! Иошв амон!ю !з розчин!в, як1 моделюють ст!чн! води м'ясопереробних пвдприемств, показують, що клино-птилол!т досить ефективно вилучае цеИ забрудник. Анал!зуючи !зотерму адсорбц!! Иону амон!ю на цеоль т!, бачимо, що крива !зотерми лежить в д!лянц! низь-ких концентрац!И ! е першою стад!ею переб!гу !зотер-ми Ленгмюра, а отже даним сорбентом може погли-нутись значно б!льше даного забрудника.
А =
,
(2)
1С 20 50 40 50 Й0 Ршноважна кониешрацш ]юнш амошю (Ср }П14 ), мг/дм'
Рис. 2. 1зотерма сорбщ! йонiв амошю на торфi ро-довища ГамалТвка-Грибовичк 1 - низинна проба; 2 - верхова проба
ЦеИ процес може бути описаниИ прямолшшним р!внянням Генр!:
ЗС^ПЙГЮ Messenger LNUVMB, 2017, vol. 19, ПО 79 161
де _ р1вновага адсорбцп амоншного азоту, мг/г; - рiвноважна концентрацiя забруднюючо! речо-
»V
вини, мг/дм3; т - коефщент пропорцiйностi у рiвнян-ш Генрi.
Як уже згадувалось, практично кожен сорбент ви-ступае i в ролi йонообмiнника. Данi властивосп торфу зумовленi наявнiстю високодисперсно! фракци - ко-ло!дних речовин, представлених переважно гумшо-вими речовинами, що мiстять значну к1льк1сть карбо-ксильних -СООН та фенольних -ОН груп. Понад 50% йонного обмiну припадае на карбоксильнi групи, оск1льки фенольш гiдроксили при слабокислому се-редовищi практично не дисоцiйованi та вступають у йонний обмiн лише при рН = 9-10. Макромолекули гумшових речовин за рахунок водневих зв'язшв та полiвалентних йонiв можуть «зшиватися» з утворен-ням просторових структур, яш здатнi поглинати та утримувати велику к1льк1сть води з розчиненими в нш речовинами, що пояснюе !х адсорбцiйнi властивостi (Matsuska, 2017). Нами встановлено значну втрату вологи в результата сушiння проб торфу (Т - 60 ± 3 °С): 55-62% та 20-27% - у низинному та верховому зразках вщповщно, що пiдтверджуе дане твердження.
Аналiзуючи iзотерми сорбцп йонiв амонiю на да-них видах торфу, спостерйаемо також значне погли-нання даного забрудника iз водних розчинiв, шо роз-ширюе сферу його застосування. За характером криву iзотерми, на нашу думку, можна зарахувати до iзоте-рми I типу (зпдно з класифiкацiею iзотерм адсорбцп) (2аро^ко^, 2000), яку добре описуе рiвняння Ленг-мюра:
* ьс
СЕ — -— -
1+&С
де а,, - гранична юлькють поглинено! речовини адсорбентом, мг/г; а* - кшыасть поглинено! речовини адсорбентом, мг/г; Ъ - константа; С - концентращя забруднюючо! речовини, г/дм3.
Якщо порiвнювати сорбцшш властивостi торфу та цеолiту щодо йонiв амонш, то бачимо, що адсорбцш-на здатнiсть цеолiту (клиноптилоллу №+) е значно вищою, н1ж торфу, проте, враховуючи еколого-економiчнi характеристики даних сорбентiв, варто надалi вивчати можливостi !х застосування у техноло-гiчних процесах очищення водного середовища.
Висновки
Перевiрено сорбцiйнi властивосп природних сор-бентiв: цеолiту (Сокирницького клиноптилолiту) та верхового i низинного зразшв торфу родовища Гама-лi!вка-Грибовичi до найбiльш поширеного забрудника спчних вод АПК - амонiйного азоту.
Встановлено сорбцшш здатносп даних сорбенлв до йону амонiю, як1 показують, що цеолгг ~ у 10 разiв краще поглинае даний забрудник. Даш сорбцшш
властивосп подано також у вигляд1 ввдповщних i30-терм сорбцп;
Одержанi данi щодо можливосп застосування торфу як сорбента у процесах очищення води значно розширюють сферу його застосування.
Перспективи подальших дослгджень. Природш сорбенти е дешевою та ефективною сировиною для виршення багатьох екологiчних проблем сьогодення. От наприклад, маючи чималий вмют вуглецю 50-60% (i3 теплотою згоряння 24 МДж/кг), торфи часто само-займаються, що тягне за собою чималi екологiчнi наслвдки. Проте багатий його склад, а особливо структура - привертають увагу до торфу в багатьох сферах застосування: цшна хiмiчна сировина для проми-словостi, добриво у сшьському господарствi, паливо для побутових потреб, лшувальний природний ресурс, а у перспективi - сорбент для очищення води. Спчш води АПК е багатокомпонентними системами, а отже, дослвдження щодо можливосп та ефективнос-тi вилучення iнших забрудник1в iз даних стокiв за допомогою торфу е сьогодш актуальними.
Бiблiографiчнi посилання
Paraniak, R.P. (2008). Ekolohichna otsinka stichnykh vod m'iasopererobnykh pidpryiemstv ta fizyko-khimichni metody yikh ochyshchennia. Silskyi hospodar. 1-2, 38-42 (in Ukrainian). Tkachenko, S.I. (2002). Biokonversiia orhanichnykh vidkhodiv APK ta ekolohichno zbalansovani tekhnolohii. Ekolohichnyi visnyk. 5-6, 6-7 (in Ukrainian).
Humnytskyy, Y. (2011). Statics and kinetics of ammonium nitrogen sorption on natural zeolite under periodic conditions. Chemistry and chemical technology. 5(1), 7-11.
Paraniak, R.P. (2008). Zahalna kharakterystyka pryrodnykh sorbentiv ta yikh vykorystannia u promyslovosti ta silskomu hospodarstvi. Silskyi hospodar. 5-6, 18-20 (in Ukrainian). Blazhko, N. (2012). Analiz stanu vykorystannia torfovykh resursiv Lvivskoi oblasti. Visnyk Lvivskoho natsionalnoho universytetu. 40(1), 107-113 (in Ukrainian).
Metodyka fotometrychnoho vyznachennia amonii-ioniv z reaktyvom Neslera v stichnykh vodakh. KND 211.1.4.030-95 (in Ukrainian). Zapolskoho, A.K. (2000). Fizyko-khimichni osnovy tekhnolohii ochyshchennia stichnykh vod. Kyiv, «Libra» (in Ukrainian). Matsuska, O.V. (2017). Perspektyvy vykorystannia torfu dlia vyrishennia ekolohichnykh problem APK. Zbirnyk naukovykh prats VI Vseukrainskoho z'izdu ekolohiv z mizhnarodnoiu uchastiu, Vinnytsia, 185 (in Ukrainian).
Received 29.09.2017 Received in revised form 23.10.2017 Accepted 26.10.2017
Scientific Messenger LNUVMB, 2017, vol. 19, no 79 162
