Учёные Новгородского государственного университета и Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна разработали новый способ очистки сточных вод от тяжёлых металлов. Автором от НовГУ выступил доцент кафедры фундаментальной и прикладной химии Владимир Исаков. Введение малорастворимых солей кальция удаляет тяжёлые металлы в два раза лучше существующих методов очистки, что позволяет предотвратить иловое захоронение и сделать осадок сточных вод пригодным для использования в качестве удобрений.
С промышленными, ливневыми и хозяйственно-бытовыми сточными водами тяжёлые металлы поступают на биологические очистные сооружения (БОС). Сточные воды подвергаются биологической очистке под действием микроорганизмов, переводя загрязняющие вещества в аэробно стабилизированный осадок. В ходе процесса живые организмы концентрируют тяжёлые металлы в сотни и тысячи раз, вследствие чего в этот осадок попадает от 50 до 80 % веществ, поступающих на очистные станции.
Аэробно стабилизированный осадок включает три составляющие: биологическую – микроорганизмы, простейшие, водоросли, грибы; органическую – белки, сахара, спирты, кислоты; неорганическую – гидроксиды, фосфаты, карбонаты, силикаты. Каждая из частей осадка способна связывать ионы тяжелых металлов из водных сред.
— Одна из главных проблем очистки сточных вод в России заключается в том, что 90% образующихся осадков захораниваются на иловых площадках, площадь которых превышает 100 000 гектаров, — пояснил Владимир Исаков. — Дело в том, что концентрация тяжёлых металлов в осадках настолько большая, что они становятся непригодными для использования в качестве удобрений или для почвогрунтов при рекультивации земель. Нашей целью стал поиск наиболее эффективных реагентов для детоксикации осадков и извлечения из них тяжёлых металлов, чтобы снизить экологическую нагрузку на окружающую систему и создать возможность получать полезные продукты из осадков сточных вод.
Учёные исследовали осадки сточных вод, полученные методом аэробной стабилизации — окислением содержащихся органических веществ под действием кислорода. Местом исследования стала биологическая очистная станция Великого Новгорода. В качестве тяжёлых металлов анализировали концентрацию меди, свинца, кобальта, никеля и хрома.
Для выбора реагентов, способных извлечь тяжёлые металлы из осадка, использовались схемы рационального анализа Варшалла и Миллера, позволяющие определить формы связывания металлов с соединениями осадка сточных вод. Концентрация извлечённых металлов выявлялась с помощью атомно-абсорбционного метода — метода аналитической химии, основанного на поглощении атомов электромагнитного излучения строго определённой длины волны.
Первым этапом эксперимента стало выявление содержания металлов в твёрдом осадке, полученном с новгородской станции. Концентрация меди, свинца, кобальта, никеля и хрома составила 1280, 460, 352, 391 и 123 миллиграммов на килограмм сухого осадка. Анализ показал, что содержание меди, свинца и никеля превышает показатели, установленные в ГОСТе, разрешающие их использование в качестве органических удобрений I и II группы. Только хром находился в допустимых пределах. Содержание кобальта ГОСТом не нормировалось.
— Анализ полученных результатов показал, что около 35 % меди, свинца, кобальта и никеля взаимодействуют с органическими веществами, входящими в состав осадка сточных вод по механизму комплексообразования, — пояснил Владимир Исаков. — Около 25 % соосаждаются с Fe2O3, MnO2, CaCO3, MgCO3 и порядка 25 % соосаждается на силикатах и алюмосиликатах. Что касается хрома, то 55 % соосаждается с Fe2O3, MnO2, CaCO3 и MgCO3. Также порядка 28 % хрома соосаждается с силикатами и алюмосиликатами.
Результаты убедили учёных использовать малорастворимые кальциевые соли и растворимые реагенты, содержащие сходные с этими солями ионы. Среди вводимых соединений были растворимые карбонат натрия Na2CO3, гидрофосфат натрия Na2HPO4, хлорид кальция CaCl2, а также нерастворимые соли карбоната кальция CaCO3 и фосфата кальция Ca3(PO4)2. Для эксперимента все реагенты добавлялись в различных концентрациях: 7,5, 12,5, 25 и 50 грамм на литр.
— Наибольшая эффективность извлечения тяжёлых металлов из осадка была достигнута при концентрации реагентов 25 граммов на литр, — пояснил Владимир Исаков. — Среди растворимых соединений наибольшую эффективность с удалением от 18,9 до 26,4 % каждого из исследуемых металлов показал гидрофосфат натрия Na2HPO4. Его введение нарушает адсорбционное равновесие металлов, соосаждённых с карбонатами кальция и магния, оксидами железа и марганца, и металлы переходят в раствор, извлекаясь из твёрдого осадка. Среди малорастворимых солей кальция CaCO3 показал эффективность удаления тяжёлых металлов от 50,7 до 51,3 %, а Ca3(PO4)2 — от 63,2 до 64,1 %.
Как поясняет учёный, малорастворимые соединения кальция способны осаждать на своей поверхности металлы, связанные с осадком сточных вод несколькими механизмами, что делает их наиболее эффективными. Все осаждаемые тяжёлые металлы находятся в состоянии аквагидроксокомплексов, которые способны извлекаться и переходить в водный раствор при интенсивном перемешивании.
После детоксикации осадка малорастворимыми солями кальция показатели по меди, свинцу, никелю и хрому не превысили нормы ГОСТа, что позволяет использовать осадки сточных вод в качестве удобрений или почвогрунтов для рекультивации земель. Как пояснили учёные, независимо от природы вводимых реагентов, этим методом нельзя извлекать металлы, образующие хелатные комплексы с ароматическими соединениями или соосаждённые на силикатах и алюмосиликатах.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России, в рамках Десятилетия науки и технологий.
