Использование лузги гречихи (гранулированной) в очистке городских поверхностных сточных вод

Полный текст

В 2022 году в России стартовал новый федеральный проект под названием «Экономика замкнутого цикла». Проект включает в себя шесть направлений, одно из которых − стимулирование использования вторичных ресурсов, т. е. переход страны от простого потребления ресурсов к их многократному использованию и переработке. Поставлена задача к 2030 г. добиться использования 40 % вторичных ресурсов в строительстве, 50 % − в сельском хозяйстве, 34 % − в промышленности. Эти цифры сопоставимы с зарубежными показателями: в Германии во вторичный оборот вовлекается 68 % отходов, а в Швеции – 49 % [1−4].

Согласно мониторингу Института конъюнктуры аграрного рынка (ИКАР), крупяная промышленность России за 10 месяцев крупяного сезона (сентябрь 2021 − июнь 2022 гг.) достигла рекордного производства продукции [5−7]. В натуральном выражении наибольший прирост достигнут за счет гречки и риса [8]. По данным Минсельхоза, в 2022 г. собрано 1,2 млн т гречихи. Это больше на 39 %, чем итоговый сбор за 2021 г. (918 тыс т). Урожайность увеличилась на 14 % и составила в среднем по стране 11,3 ц/га [9, 10].

Одним из основных отходов при производстве гречихи является лузга − полые гречневые оболочки (чешуйки), которые снимают с ядрышек при их обработке. Образуется примерно 200 кг лузги на 1 т зерна, объем лузги вместе с мучкой составляет 20−30 % от массы зерна [11].

В небольших объёмах лузга гречихи используется в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. В сельском хозяйстве: в качестве кормовой добавки для животных; органических удобрений (использовании золы); для изготовления упаковочных материалов [12]; в пищевой промышленности: в качестве пищевого красителя − меланина [13−16]; в рецептурах и технологии бисквитных полуфабрикатов [17]; для улучшения хлебопекарных показателей пшеничной хлебопекарной муки, для производства растительного масла [18]; в качестве субстрата для выращивания грибов (вешенки обыкновенной) [19]; для умягчения воды (эффективность умягчения воды составляет от 31 % для растворов с высокой концентрацией и до 62 % – для слабо концентрированных) [20].

Известно использование лузги гречихи для изготовления фурфурола и в качестве топлива котельных крупозаводов [11, 19, 21].

Существует ряд исследований, направленных на использование лузги гречихи в сорбционных технологиях: разработка сорбента на основе лузги гречихи для очистки воды от соединений никеля [22]; получение активных углей из лузги гречихи для использования в очистке сточных вод, а также в промышленных процессах по извлечению тяжёлых металлов из растворов [23]; изготовление адсорбента при ликвидации последствий разливов нефти и нефтепродуктов (материал обладал селективностью по отношению к нефти и нефтепродуктам до 5 г/г) [24].

Во всех перечисленных работах в качестве сорбента использовалась лузга в виде чешуек без грануляции.

Целью данной работы является повышение эксплуатационных характеристик лузги гречихи за счёт грануляции, оценка сорбционной способности гранулированной лузги при очистке поверхностных сточных вод с урбанизированных территорий.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования является система гранулированная лузга гречихи (сорбент) – поверхностные сточные воды с урбанизированных территорий города Челябинска (сорбат).

По литературным данным лузга гречихи состоит из трудно гидролизуемых полисахаридов, в основном целлюлозы и части гемицеллюлоз – 25–30 %, пентозанов (19,8 %), лигнина (31–35 %), минеральных веществ (5%), белка (около 4 %), крахмала (около 2 %), микроэлементов. Состав приведён в расчёте на сухое вещество [6].

Процесс грануляции лузги гречихи проводили по технологии производства топливных пеллет, состоящей из следующих этапов: измельчение сырья (перетирание в опилки или в муку специальными мельницами); увлажнение (для дальнейшей прессовки); прессовка сырья (производится под давлением пресс-гранулятора при температуре 120 ˚С); охлаждение.

Основное отличие процесса получения гречневых гранул: отсутствие нагрева, что сокращает время и затраты энергии и дополнительных химических реагентов.

Сточные воды урбанизированных территорий, в том числе г. Челябинска, являются серьезным фактором загрязнения окружающей среды. В Челябинске нет системы очистки ливневых вод, которые собирают растворимые соединения тяжёлых металлов со всей территории города. Ливневые воды транспортируют поллютанты в водные объекты.

Поверхностные сточные воды с урбанизированных территорий Челябинска отбирали согласно общепринятым методикам.

Эффективность сорбционного процесса оценивали в различных условиях:

• в статических условиях использовали метод ограниченного объема при соотношении твёрдая фаза – жидкость, равном 1:20. Температуру системы изменяли от 0 до 20 ˚С. Время экспозиции составляло 3–168 ч;
• в динамических условиях исследовали фильтрацию сточных вод на лабораторной установке. Максимальная скорость потока − 0,15 л/ч. Масса пробы гранулированной лузги гречихи − 105,27 г.

При проведении исследований использовали электронный растровый микроскоп JEOL JSM-6460 LV с приставкой для микрорентгеноспектрального анализа, эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой OPTIMA 2100DV Perkin Elmer», США. В качестве фонового раствора использовали воду особой степени очистки, полученную на приборе «Simplicity UV» (Франция), рн-метр 150МИ.

Результаты и их обсуждение

Электронно-микроскопический анализ гранулированной лузги гречихи показал, что гранулы имеют форму цилиндров с гладкой поверхностью. Размер гранул меняется от 5,0 до 26,0 мм. Исследование микрорельефа поверхности проводилось при различной степени увеличения: верхний снимок − увеличение среза образца в 100 раз, средний и нижний − увеличение в 500 раз. Средняя микрофотография – это стенка материала, а нижняя − срез гранулы (рис. 1).

 

Рис. 1. Микрофотографии гранулированной лузги гречихи и данные микрорентгеноспектрального анализа

 

По данным микрорентгеноспектрального анализа исследуемые гранулы состоят из C, O, K, Mg, Ca (табл. 1).

 

Таблица 1. Элементный состав лузги гречихи (гранулированной), %

Элемент	C	O	K	Mg	Ca
Содержание элемента, мас. %	54,3	44,2	0,8	0,4	0,3

 

Химический состав смешанной пробы сточных (ливневых) вод города Челябинска приведен в табл. 2.

 

Таблица 2. Химический состав поверхностной сточной воды г. Челябинска, мг/л

Показатель	Максимальное значение
Водородный показатель (рН)	6,66
Алюминий	2,707
Кобальт	0,004
Хром	0,002
Медь	0,028
Магний	12,306
Натрий	35,939
Кремний	10,403
Цинк	0,286

 

Данные табл. 2 показывают, что сточные ливневые воды загрязнены компонентами, которые не наносят вреда окружающей среде (магний, натрий, кремний) и тяжёлыми металлами (хром, медь, цинк). В воде присутствует значительное количество ионов алюминия, разрушающего корневую систему растений.

В табл. 3 приведены результаты исследования эффективности сорбционного процесса в системе гранулированная лузга гречихи − сточная (ливневая) вода в статических условиях.

 

Таблица 3. Эффективность очистки ливневого стока гранулированной лузгой гречихи при изменении температуры и времени контакта

Показатель	Эффективность очистки, %
	0 °С			10 °С			20 °С
	3 ч	6 ч	168 ч	3 ч	6 ч	168 ч	3 ч	6 ч	168 ч
Алюминий	41,18	76,47	82,35	58,82	82,35	94,12	82,35	94,12	94,12
Кобальт	100	100	100	100	100	100	100	100	100
Хром	100	100	100	100	100	100	100	100	100
Медь	100	100	100	100	100	100	100	100	100
Магний	72,20	61,94	58,03	66,64	55,99	48,16	70,87	68,91	55,60
Натрий	76,31	79,16	94,06	68,07	78,03	83,69	74,94	78,27	83,08
Кремний	76,87	81,59	95,65	71,14	78,17	80,20	76,13	79,19	80,76
Цинк	100	100	100	100	100	100	100	100	100

 

Полученные результаты показывают, что сорбция алюминия в температурном интервале от 10 до 20 °С наиболее эффективно происходит при контакте с сорбатом в течение 168 ч (94,12 %). При 0 °С скорость адсорбции несколько ниже (82,35 %).

Кобальт, хром, медь, цинк полностью извлекаются из сточной воды через 3 ч сорбции независимо от изменения температуры. Магний можно максимально удалить на 72,2 % при температуре 0 °С через 3 ч контакта сточной воды с сорбентом. С повышением температуры и времени контакта происходит уменьшение эффективности сорбции катионов магния, что, по-видимому, связано с переходом в сточную воду магния из лузги. Очистка от натрия и кремния максимально эффективно проходила при 0 °С через 7 сут. Увеличение температуры приводит к их переходу в воду.

На рис. 2 приведена зависимость водородного показателя от температуры и времени контакта в системе сорбент − сорбат.

 

Рис. 2. Изменение рН при изменении температуры и времени контакта сорбента (гранулированная лузга гречихи) с сорбатом (сточная вода)

 

Через 3 часа контакта в интервале температур 10−20 °С наблюдается повышение водородного показателя, связанного с переходом катионов магния из гранул лузги в сточную воду. Увеличение времени контакта сорбента с сорбатом приводит к незначительному снижению водородного показателя из-за обратного перехода магния в структуру сорбента.

При оценке эффективности гранулированной лузги для очистки сточных вод в динамическом режиме оптимальную скорость фильтрации выбирали исходя из того, что при увлажнении происходит увеличение объёма гранулированной лузги. Скорость подачи сточной воды 0,15 л/ч обеспечивает соотношение объёма гранул и объёма пор в загрузке, при котором не возникают технологические трудности.

На рис. 3 приведена диаграмма, которая позволяет оценить эффективность извлечения поллютантов из сточных вод при динамическом режиме фильтрования.

 

Рис. 3. Эффективность извлечения поллютантов из сточных вод при динамическом режиме фильтрации

 

Полученные данные показывают, что гранулы гречневой лузги обеспечивают полное извлечение тяжёлых металлов (кобальта, хрома, меди) из сточной ливнёвой воды. Концентрация катионов алюминия снижается на 67 %. Наблюдается уменьшение концентрации катионов натрия и кремния.

Проведённые исследования показали высокую эффективность гранулированной гречневой лузги при очистке городских сточных ливневых вод от катионов тяжёлых металлов в статическом и динамическом режимах. Экспериментальные данные являются основой для разработки экологически безопасной сорбционной технологии на основе отходов сельскохозяйственного производства. Перехват сточных вод и их очистка на локальных сооружениях позволят эффективно решить несколько важнейших экологических проблем: предотвратить попадание поллютантов в водные объекты и утилизировать многотоннажные отходы агропромышленного комплекса (лузги гречихи).

Заключение

1. Проведена работа по созданию технологии грануляции лузги гречихи с целью повышения эксплуатационных характеристик.
2. Получены данные по эффективности сорбционной способности гранулированной лузги гречихи при очистке поверхностных сточных вод с урбанизированных территорий.
3. Установлено, что в системе гранулированная лузга гречихи – сточная вода при статическом режиме тяжёлые металлы (кобальт, хром, медь, цинк) полностью извлекаются из сточной воды через 3 ч сорбции независимо от изменения температуры.
4. Сорбция алюминия в температурном интервале от 10 до 20 °С наиболее эффективно происходит при контакте с сорбатом в течение 168 ч (94,12 %).
5. При динамическом режиме фильтрации сточной воды через гранулы лузги гречихи происходит полное извлечение тяжёлых металлов (кобальта, хрома, меди) из сточной ливневой воды. Концентрация катионов алюминия снижается на 67 %.
6. Проведённые исследования показали высокую эффективность гранулированной гречневой лузги при очистке городских сточных ливневых вод от катионов тяжёлых металлов в статическом и динамическом режимах. Экспериментальные данные являются основой для разработки экологически безопасной сорбционной технологии на основе отходов сельскохозяйственного производства. Многообещающей областью для будущих исследований, вероятно, будет создание многокомпонентного сорбента на основе лузги гречихи.

Об авторах

Олеся Александровна Самодолова

Южно-Уральский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: samodolova@mail.ru

аспирант кафедры градостроительства, инженерных сетей и систем

Россия, 454080, г. Челябинск, пр. В.И. Ленина, 76

Дмитрий Владимирович Ульрих

Южно-Уральский государственный университет

Email: ulrikhdv@susu.ru

доктор технических наук, доцент, директор архитектурно-строительного института

Россия, 454080, г. Челябинск, пр. В.И. Ленина, 76

Татьяна Мопровна Лонзингер

Южно-Уральский государственный университет

Email: lonzingertm@susu.ru

кандидат технических наук, доцент, научный сотрудник кафедры материаловедения и физико-химии материалов

Россия, 454080, г. Челябинск, пр. В.И. Ленина, 76

Список литературы

Дополнительные файлы