МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОРБЦИОННОГО ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ШАХТНЫХ ВОД
Аннотация
Загрязненная шахтная вода с большим количеством солей делает непригодными для хозяйственно-питьевых нужд подземные и поверхностные источники воды. В Ростовской области уже в 2016 году появился дефицит питьевой воды. Вода поверхностных источников не отвечает гигиеническим требованиям по химическим показателям в 36,1% отобранных проб. Вода подземных источников по показателям цветности, мутности, общей жесткости, сухого остатка, содержанию ионов железа, марганца, сероводорода, нитратов, аммиака, хлоридов, сульфатов, магния, натрия не соответствовала требуемым нормам в 72,2% случаев. В связи с необходимостью огромных затрат на очистку высокоминерализованных вод и слабой разработанностью дешевых технологий обезвреживания крупных объемов, попытки очистить сбрасываемые или стекающие шахтные воды до безопасного уровня оказываются практически безрезультатными. В данной статье проведены исследования по снижению концентрации растворенных ионов тяжелых металлов (железа, марганца, меди и цинка) на шахтных сточных водах сорбцией в статическом режиме (углевание) с применением биоугля рисовой шелухи с электромагнитной обработкой. Авторами предложен способ предварительной обработки сорбента из биоугля рисовой шелухи в электромагнитном поле на установке активации процессов. Результаты лабораторных испытаний подтвердили высокую эффективность сорбента для удаления ионов тяжелых металлов из шахтных вод. На основании полученных результатов проведена оптимизация сорбционной очистки шахтных вод в режиме углевания с применением метода математического планирования эксперимента (ПФЭ 2к). Выявлены факторы, наиболее влияющие на эффективность очистки шахтных сточных вод от ионов железа и цинка. С вероятностью 0,95 предлагаемые модели являются адекватными, и они могут применяться для описания процесса сорбции при применении исследуемого сорбента для удаления ионов тяжелых металлов (железа, цинка и т.д.) при этом оптимальная концентрация сорбента из рисовой шелухи в пределах 0,5 мг/л. При увеличении и уменьшении концентрации сорбента сверх оптимальных значений эффективность сорбции снижается и в большей степени это отражается на железе. В целом полученный сорбент имеет химический состав близкий по составу к активированному углю (наиболее широко применяемого для очистки воды сорбента), но при этом является дешевым отходом производства, что подтверждает его эффективность как технологическую, так и экономическую при использовании для очистки природных и сточных вод. При внедрении предложенной схемы очистки на очистные сооружения шахтных вод ожидается снижение концентраций растворенных ионов тяжелых металлов, в частности, железа, цинка, марганца до концентрации ПДК сброса в водоем.
Скачивания
Литература
References
Bondareva L.V., Zakharov Yu.N. Numerical modeling of the process of industrial wastewater treatment in spent mine workings. Journal of Mathematics, Mechanics and Computer Science, 2015, vol. 86, no. 3, pp. 121-131. URL: https://bm.kaznu.kz/index.php/kaznu/article/view/505
Kulikova A.A., Sergeeva Yu.A., Ovchinnikova T.I., Khabarova E.I. Formation of mine water composition and analysis of treatment methods MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020, no.7, pp. 135-145. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-7-0-135-145
Kurdiumov V.R., Timofeev K.L., Maltsev G.I., A.B. Lebed Sorption of nickel (II) and manganese (II) ions from aqueous solutions. Journal of Mining Institute, 2020, vol. 242, pp. 209-217. https://doi.org/10.31897/pmi.2020.2.209
Userbaeva B., Tleuova S., Tleuov A., Taubayeva A., Ulbekova M. Mathematical description of the process of sorption treatment of waste water of chemical productions. Herald of the Kazakh-British technical university, 2021, vol. 18 no. 1, pp. 162-167. https://doi.org/10.55452/1998-6688-2021-18-1-162-167
Arefieva O. D., Shapkin N. P., Gruschakova N. V., Prokuda N. A. Mine water: chemical composition and treatment. Water Practice and Technology, 2016, vol. 11, no. 3, pp. 540-546. https://doi.org/10.2166/wpt.2016.060
Dovorogwa, H., Harding, K. Exploring the Use of Tobacco Waste as a Metal Ion Adsorbent and Substrate for Sulphate-Reducing Bacteria during the Treatment of Acid Mine Drainage. Sustainability, MDPI. 2022, vol. 14(21), pages 1-11. https://doi.org/10.3390/su142114333
Gubina N. A., Ylesin M. A., Karmanovskaya N. V. Ways to increase the productivity and quality of mine water treatment. Journal of Environmental Management and Tourism, 2018, vol. 9, no. 3, pp. 423-427. https://doi.org/10.14505//jemt.v9.3(27).03
Kaartinen, T., Laine-Ylijoki, J., Ahoranta, S. et al. Arsenic Removal from Mine Waters with Sorption Techniques. Mine Water Environ., 2017, no.36, pp.199–208. https://doi.org/10.1007/s10230-017-0450-8
Koetlisi, K.A.; Muchaonyerwa, P. Sorption of Selected Heavy Metals with Different Relative Concentrations in Industrial Effluent on Biochar from Human Faecal Products and Pine-Bark. Materials, 2019, no. 12: 1768. https://doi.org/10.3390/ma12111768
Lartey-Young, G., Ma, L. Remediation with Semicoke-Preparation, Characterization, and Adsorption Application. Materials, 2020, vol. 13, no. 19: 4334.
Lesmes Fabián, Camilo & Ruiz, Jhon. Production of Filtration Materials by Pyrolysis of Agroindustrial Residues for the Mining Waste Water Treatment. Conference: XI International Competition of research projects of young scientists Eurasia GreenAt: Ekaterimburgo, Rusia. May 2020.
Nobaharan, K., Bagheri Novair, S., Asgari Lajayer, B., van Hullebusch, E.D. Phosphorus Removal from Wastewater: The Potential Use of Biochar and the Key Controlling Factors. Water, 2021, vol. 13, no. 4: 517. https://doi.org/10.3390/w13040517
Núñez-Gómez, D., Lapolli, F.R., Nagel-Hassemer, M.E. et al. Optimization of Fe and Mn Removal from Coal Acid Mine Drainage (AMD) with Waste Biomaterials: Statistical Modeling and Kinetic Study. Waste Biomass., 2020, vol. 11, pp.1143-1157. https://doi.org/10.1007/s12649-018-0405-8
Opálková Šišková, A.; Dvorák, T.; Šimonová Baranyaiová, T.; Šimon, E.; Eckstein Andicsová, A.; Švajdlenková, H.; Opálek, A.; Krížik, P.; Nosko, M. Simple and Eco-Friendly Route from Agro-Food Waste to Water Pollutants Removal. Materials, 2020, vol.13, no.23: 5424. https://doi.org/10.3390/ma13235424
Pandová, I.; Panda, A.; Valíček, J.; Harničárová, M.; Kušnerová, M.; Palková, Z. Use of Sorption of Copper Cations by Clinoptilolite for Wastewater Treatment. Int. J. Environ. Res. Public Health, 2018, vol.15, no.7: 1364. https://doi.org/10.3390/ijerph15071364
Rozumová, L.; Prehradná, J. Reducing the Content of Metal Ions from Mine Water by Using Converter Sludge. Water, 2018, vol.10, no.1: 38. https://doi.org/10.3390/w10010038
Runtti H., Tolonen E. T., Tuomikoski S., Lassi U., Luukkonen T. How to tackle the stringent sulfate removal requirements in mine water treatment — A review of potential methods. Environmental Research, 2018, vol. 167, pp. 207-222. https://doi.org/10.1016/j.envres.2018.07.018
Solomakou, N.; Goula, A.M. Novel Low-Cost Biosorbents of Phenolic Compounds from Olive Mill Wastewaters. Proceedings, 2020, vol. 67, no. 1: 1. https://doi.org/10.3390/ASEC2020-07544
Fu, G.; Zhou, S.; Zhao, Y.; Li, Z.; Xu, Y.; Guo, Z. Removal Efficiency of Heavy Metals Such as Lead and Cadmium by Different Substrates in Constructed Wetlands. Processes, 2022, vol.10, no.12: 2502. https://doi.org/10.3390/pr10122502
Yuan, S., Sui, W., Han, G. et al. An Optimized Combination of Mine Water Control, Treatment, Utilization, and Reinjection for Environmentally Sustainable Mining: A Case Study. Mine Water Environ., 2022, no. 41, pp. 828-839. https://doi.org/10.1007/s10230-022-00886-3
Список литературы
Бондарева, Л.В.; Захаров, Ю.Н. Численное моделирование процесса очистки промышленных стоков в отработанных горных выработках // Journal of Mathematics, Mechanics and Computer Science. 2015. №86(3). С. 121-131. URL: https://bm.kaznu.kz/index.php/kaznu/article/view/505
Куликова А.А., Сергеева Ю.А., Овчинникова Т.И., Хабарова Е.И. Формирование шахтных вод и анализ способов их очистки // ГИАБ. 2020. №7. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-7-0-135-145
Курдюмов В.Р., Тимофеев К.Л., Мальцев, Г.И., Лебедь, А.Б. Сорбционное извлечение ионов никеля (II) и марганца (II) из водных растворов // Записки Горного института. 2020. Т. 242. С. 209-217. https://doi.org/10.31897/pmi.2020.2.209
Усербаева Б.А., Тлеуова С.Т., Тлеуов А.С., Таубаева А.С., Улбекова М.М. Математическое описание процесса сорбционной очистки сточных вод химических производств // Вестник Казахстанско-Британского технического университета. 2021. №18(1). С.162-167. https://doi.org/10.55452/1998-6688-2021-18-1-162-167
Arefieva O. D., Shapkin N. P., Gruschakova N. V., Prokuda N. A. Mine water: chemical composition and treatment // Water Practice and Technology. 2016, vol. 11, no. 3, pp. 540-546. https://doi.org/10.2166/wpt.2016.060
Dovorogwa H., Harding K. Exploring the Use of Tobacco Waste as a Metal Ion Adsorbent and Substrate for Sulphate-Reducing Bacteria during the Treatment of Acid Mine Drainage // Sustainability, MDPI. 2022, vol. 14(21), pp. 1-11. https://doi.org/10.3390/su142114333
Gubina N. A., Ylesin M. A., Karmanovskaya N. V. Ways to increase the productivity and quality of mine water treatment // Journal of Environmental Management and Tourism. 2018, vol. 9, no. 3, pp. 423-427. https://doi.org/10.14505//jemt.v9.3(27).03
Kaartinen, T., Laine-Ylijoki, J., Ahoranta, S. et al. Arsenic Removal from Mine Waters with Sorption Techniques // Mine Water Environ. 2017, no. 36, pp.199–208. https://doi.org/10.1007/s10230-017-0450-8
Koetlisi, K.A.; Muchaonyerwa, P. Sorption of Selected Heavy Metals with Different Relative Concentrations in Industrial Effluent on Biochar from Human Faecal Products and Pine-Bark // Materials. 2019, no.12: 1768. https://doi.org/10.3390/ma12111768
Lartey-Young, G., Ma, L. Remediation with Semicoke-Preparation, Characterization, and Adsorption Application // Materials. 2020, vol. 13, no. 19: 4334.
Lesmes Fabián, Camilo & Ruiz, Jhon. Production of Filtration Materials by Pyrolysis of Agroindustrial Residues for the Mining Waste Water Treatment. Conference: XI International Competition of research projects of young scientists Eurasia GreenAt: Ekaterimburgo, Rusia. May 2020.
Nobaharan, K., Bagheri Novair, S., Asgari Lajayer, B., van Hullebusch, E.D. Phosphorus Removal from Wastewater: The Potential Use of Biochar and the Key Controlling Factors // Water. 2021, vol. 13, no. 4: 517. https://doi.org/10.3390/w13040517
Núñez-Gómez, D., Lapolli, F.R., Nagel-Hassemer, M.E. et al. Optimization of Fe and Mn Removal from Coal Acid Mine Drainage (AMD) with Waste Biomaterials: Statistical Modeling and Kinetic Study // Waste Biomass. 2020, vol. 11, pp.1143-1157. https://doi.org/10.1007/s12649-018-0405-8
Opálková Šišková, A.; Dvorák, T.; Šimonová Baranyaiová, T.; Šimon, E.; Eckstein Andicsová, A.; Švajdlenková, H.; Opálek, A.; Krížik, P.; Nosko, M. Simple and Eco-Friendly Route from Agro-Food Waste to Water Pollutants Removal // Materials. 2020, vol.13, no.23: 5424. https://doi.org/10.3390/ma13235424
Pandová, I.; Panda, A.; Valíček, J.; Harničárová, M.; Kušnerová, M.; Palková, Z. Use of Sorption of Copper Cations by Clinoptilolite for Wastewater Treatment // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2018, vol. 15, no. 7: 1364. https://doi.org/10.3390/ijerph15071364
Rozumová, L.; Prehradná, J. Reducing the Content of Metal Ions from Mine Water by Using Converter Sludge // Water. 2018, vol. 10, no. 1: 38. https://doi.org/10.3390/w10010038
Runtti H., Tolonen E. T., Tuomikoski S., Lassi U., Luukkonen T. How to tackle the stringent sulfate removal requirements in mine water treatment — A review of potential methods // Environmental Research. 2018, vol. 167, pp. 207-222. https://doi.org/10.1016/j.envres.2018.07.018
Solomakou, N.; Goula, A.M. Novel Low-Cost Biosorbents of Phenolic Compounds from Olive Mill Wastewaters // Proceedings. 2020, vol.67, no.1: 1. https://doi.org/10.3390/ASEC2020-07544
Fu, G.; Zhou, S.; Zhao, Y.; Li, Z.; Xu, Y.; Guo, Z. Removal Efficiency of Heavy Metals Such as Lead and Cadmium by Different Substrates in Constructed Wetlands // Processes. 2022, vol. 10, no. 12: 2502. https://doi.org/10.3390/pr10122502
Yuan, S., Sui, W., Han, G. et al. An Optimized Combination of Mine Water Control, Treatment, Utilization, and Reinjection for Environmentally Sustainable Mining: A Case Study // Mine Water Environ. 2022, no. 41, pp. 828-839. https://doi.org/10.1007/s10230-022-00886-3
Просмотров аннотации: 57 Загрузок PDF: 21
Copyright (c) 2023 Alla S. Smolyanichenko, Alexander K. Khaljushev, Elena V. Yakovleva
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
