Email this article Using granuated buckwheat husks in urban surface runoff treatment
- Authors: Samodolova O.A.1, Ulrikh D.V.1, Lonzinger T.M.1
-
Affiliations:
- South Ural State University
- Issue: Vol 13, No 1 (2023)
- Pages: 37-44
- Section: WATER SUPPLY, SEWERAGE, CONSTRUCTION SYSTEMS FOR PROTECTION OF WATER RESOURCES
- URL: https://journals.eco-vector.com/2542-0151/article/view/326473
- DOI: https://doi.org/10.17673/Vestnik.2023.01.05
- ID: 326473
Cite item
Full Text
Abstract
In recent years, the Russian Federation has paid more attention to protecting the environment from the negative impact of various pollutants. The goal of the Closed Loop Economy federal project, for example, was to stimulate the use of recyclable material. The agro-industrial complex produces a huge amount of waste during the processing of crops. One of these wastes is buckwheat husk. There are a number of studies proving the application of buckwheat husks in large quantities as a sorbent for certain wastewater treatment methods. However, the low strength of husk leads to a number of technological difficulties in operation.
The goal of this study is to increase the performance of buckwheat husks through granulation and evaluate the sorption capacity of granulated buckwheat husks when treating urban surface runoff. In this study we used granulated buckwheat husks produced in a method analogous to fuel pellets. Tests were run on real runoff collected from storm sewers in Chelyabinsk. We determined that granulated buckwheat husks effectively remove pollutants from runoff.
In static conditions at a temperature of 10°C to 20°C, aluminum was most effectively sorbed upon contact with the sorbate over 168 hours (94.12%). At 0°C, slightly less aluminum was sorbed (82.35%). Cobalt, chromium, copper, and zinc are completely extracted from runoff after 3 hours of sorption, regardless of temperature changes.In dynamic test conditions, we determined that the buckwheat husk granules totally extract heavy metals (cobalt, chromium, copper) from storm drain runoff. The concentration of aluminum cations was reduced to 68%. Lower concentrations of sodium and silicon cations were also noted.
Keywords
Full Text
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
- Проведена работа по созданию технологии грануляции лузги гречихи с целью повышения эксплуатационных характеристик.
- Получены данные по эффективности сорбционной способности гранулированной лузги гречихи при очистке поверхностных сточных вод с урбанизированных территорий.
- 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.
- Сорбция алюминия в температурном интервале от 10 до 20 °С наиболее эффективно происходит при контакте с сорбатом в течение 168 ч (94,12 %).
- 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 %.
- 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.
About the authors
Olesya A. Samodolova
South Ural State University
Author for correspondence.
Email: samodolova@mail.ru
Postgraduate Student of the Town Planning, Engineering Networks and Systems Chair
Russian Federation, 454080, Chelyabinsk, Lenin Prospekt, 76Dmitrii V. Ulrikh
South Ural State University
Email: ulrikhdv@susu.ru
Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor, Director of the Institute of Architecture and Construction
Russian Federation, 454080, Chelyabinsk, Lenin Prospekt, 76Tatiana M. Lonzinger
South Ural State University
Email: lonzingertm@susu.ru
PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, Researcher of the Materials Science, Physical and Chemical Properties of Materials Chair
Russian Federation, 454080, Chelyabinsk, Lenin Prospekt, 76References
- A new federal project is being launched in Russia. Available at: https://nia.eco/2022/02/08/30188/ (accessed 29 January 2023)
- Federal Project Passport Closed Cycle Economics. Available at: https://docs.yandex.ru/docs/view (accessed 29 January 2023)
- Victoria Abramchenko: in 2022, a federal project to switch to a circular economy will start. Available at: http://government.ru/news/44337/ (accessed 30 January 2023)
- Closed-loop economy through the prism of a federal project. Available at: https://kazanfirst-ru.turbopages.org/kazanfirst.ru/s/articles/600743 (accessed 30 January 2023)
- Russia has reached record cereal production this season. Available at: https://www.interfax.ru/business/854738 (accessed 30 January 2023)
- Russia reaches record cereal production. Available at: https://kaliningrad.bezformata.com/listnews/rekordniy-pokazatel-proizvodstva-krup/107990007/ (accessed 30 January 2023)
- The production of cereals in the Russian Federation in 2022 reached a record, prices will remain stable. Available at: https://agrovesti.net/news/indst/proizvodstvo-krup-v-rf-v-2022-g-dostiglo-rekorda-tseny-sokhranyat-stabilnost.html (accessed 30 January 2023)
- Results−2022: cereal market. Available at: https://agrovesti.net/lib/industries/groats/itogi-2022-rynok-krup.html (accessed 30 January 2023)
- Russia has already collected 1.2 million tons of buckwheat. How will such indicators affect the market? Available at: https://rg.ru/2022/10/28/burnaia-grechka.html (accessed 30 January 2023)
- The collection of buckwheat in Russia has grown 1.4 times. Available at: https://mcx.gov.ru/press-service/news/sbor-grechikhi-v-rossii-vyros-v-1-4-raza/ (accessed 30 January 2023)
- Klincevich V.N., Flyurik E.A. Methods of using sown buckwheat husks. Trudy BGTU. Seriya 2: Himicheskie tekhnologii, biotekhnologiya, geoekologiya [Works of BSTU. Series 2: Chemical Technology, Biotechnology, Geoecology]. 2020, no. 1(229), pp. 68−81. (In Russian).
- Semuhin A.S. Rationale for choosing buckwheat husks as the main ingredient for creating biodegradable food packaging. Innovacionnyj potencial razvitija obshhestva: vzgljad molodyh uchenyh: sb. nauch. ct. 3-j Vserossijskoj nauchnoj konferencii perspektivnyh razrabotok: v 4 t. Tom 3 [Innovative potential for the development of society: the view of young scientists: Sat. scientific. Art. 3rd All-Russian Scientific Conference for Advanced Development: in 4 vols. Volume 3]. Kursk, Southwestern State University, 2022, pp. 240−242. (In Russian).
- Yazev S.G. Use of buckwheat husks in food production. Nauka i sovremennost’ [Science and modernity], 2014. no. 34. pp. 102−105. (in Russian)
- Shkol’nikova M.N., Kadrickaya E.A. Nauchnyj zhurnal NIU ITMO. Seriya: Processy i apparaty pishchevyh proizvodstv [Scientific Journal of NIU ITMO. Series: Food Production Processes and Apparatuses], 2020. no.4(46). pp. 22−28. (in Russian) doi: 10.17586/2310-1164-2020-10-4-22-28
- Urazova Ya.V. Isolation of melanin from herring buckwheat husks. Lomonosovskie chteniya na Altae: fundamental’nye problemy nauki i tekhniki: sbornik nauchnyh statej mezhdunarodnoj konferencii: elektronnyj resurs. Otvetstvennyj redaktor: Rodionov E.D. [Lomonosov readings in Altai: fundamental problems of science and technology: sat. scientific. Art. International Conference. ed. E.D. Rodionov]. Barnaul, 2018. pp. 970−972. (In Russian).
- Kadrickaya E.A., Shkol’nikova M.N., Kokoreva L.A. Justification of the composition of confectionery glaze with buckwheat husk melanin. XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastoyashchego plyus [XXI century: the results of the past and the problems of the present plus], 2022. vol. 11. no.1(57). pp. 58−63. (in Russian)
- Korpacheva S.M., Chugunova O.V., Poznyakovskij V.M. Use of buckwheat husk powder in recipes and technology of biscuit semi-finished product production. Industriya pitaniya [Food industry], 2021. vol. 6. no. 4. pp. 55−63. (in Russian)
- Sevodina N.A. Lasko A.V., Shkol’nikova M.N. The prospect of using buckwheat husk to obtain vegetable oil. Lomonosovskie chteniya na Altae: fundamental’nye problemy nauki i obrazovaniya: sbornik nauchnyh statej mezhdunarodnoj konferencii. Otvetstvennyj redaktor Rodionov E.D. [Lomonosov readings in Altai: fundamental problems of science and education: sat. scientific. Art. International Conference. ed. Rodionov E.D.]. Barnaul, Altai State University, 2017. pp. 1066−1067. (In Russian).
- Kramarenko M.V., Nesmeyanova A.V. The use of buckwheat husks as a substrate for growing common oyster mushrooms. Nauchnye issledovaniya studentov v reshenii aktual’nyh problem APK: materialy vserossijskoj studencheskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. V IV tomah [Scientific research of students in solving urgent problems of the agro-industrial complex: materials of the All-Russian student scientific and practical conference: in the IV volume]. Irkutsk: Irkutsk State Agrarian University named after A.A. Yezhevsky, 2022, pp. 244−249. (In Russian).
- Somin V.A., Komarova L.F., Kutalova A.V. Research on the use of buckwheat husks for softening water. Izvestiya vuzov. Prikladnaya himiya i biotekhnologiya [Izvestia universities. Applied Chemistry and Biotechnology], 2020, vol. 10, no. 2(33). pp. 213−222. (in Russian)
- Kuznecova E.A., Klimova E.V., Shayapova L.V. Production of buckwheat husk powder − a way to create waste-free high-efficiency technologies. Zernobobovye i krupyanye kul’tury [Leguminous and cereal crops], 2021, no. 1(37), pp. 69−75. (in Russian)
- Vtorushina O.O., Subbotina D.A., Abyzova E.A., Kutalova A.V. Sorbents based on buckwheat husks for water purification from nickel compounds. Himiya i himicheskaya tekhnologiya v XXI veke: materialy XVI Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii studentov i molodyh uchenyh, posvyashchennoj 115-letiyu so dnya rozhdeniya professora L.P. Kulyova. Tom 2 [Chemistry and chemical technology in the 21st century: materials of the XVI International Scientific and Practical Conference of Students and Young Scientists dedicated to the 115th anniversary of the birth of Professor L.P. Kulev. Volume 2]. Tomsk, National Research Tomsk Polytechnic University, 2015, pp. 155−157. (In Russian).
- Lemeshevskij A.I., Simkin Yu.Ya. The use of buckwheat husk to obtain active coals. Aktual’nye problemy aviacii i kosmonavtiki: sbornik materialov V Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj Dnyu kosmonavtiki. V 3-h Tomah. Tom 2 [Actual problems of aviation and cosmonautics: sat. materials of the V International Scientific and Practical Conference dedicated to the Day of Cosmonautics: in 3 volumes. Volume 2]. Krasnoyarsk, Siberian State University of Science and Technology named after Academician Reshetnev M.F., 2019. pp. 500−502. (In Russian).
- Eremin I.S., Zajceva E.A., Rossolova A.S., Voronina K.E. Pishcha. Production of thermochemically modified adsorbent based on buckwheat husk. Ekologiya. Kachestvo: trudy XVII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Food. Ecology. Quality: works of the XVII International Scientific and Practical Conference]. Ekaterinburg, Ural State Economic University, 2020, pp. 227−231. (In Russian).
Supplementary files
