CC BY
15
УДК 666/64 : 574.21
С. В. Свергузова, Н. С. Лупандина, И. Г. Шайхиев
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ С ДОБАВКОЙ ОСАДКОВ ВОДООЧИСТКИ
Ключевые слова: отходы производства сахара, сточные воды, биотестирование, токсичность, керамические материалы,
шлам водоочистки.
Исследована возможность использования шлама водоочистки при производстве керамических изделий. Экспериментально доказано отсутствие негативного воздействия полученных керамических материалов на окружающую среду и живые организмы.
Keywords: waste: sugar industry wastes, wastewater, biological testing, toxicity, ceramic materials. sludge.
Investigated the possibility of using of water treatment sludge in the production of ceramic products. Experimentally proved the absence of negative influence of the ceramic materials on the environment and living organisms.
В процессе очистки никель- и медьсодержащих растворов термически модифицированным отходом производства сахара - сатурационным осадком (ТМСО) образуется шлам (осадок) водоочистки, содержащий 95-97 % СаС03 1,5-2,0 % углерода (сажи), 2,0-3,0 % инертных примесей и соединения никеля и меди.
При исходной концентрации ионов №2+ и Си2+ в очищенном растворе 20 мг/дм3 содержание названных ионов в шламе составляет 0,7 % (в пересчете на сухое вещество_), а в шламе с влажностью 30 % содержание ионов N и Си составляет по 0,46 % каждого при массе добавки ТМСО 3 г/дм3. Полученный осадок с целью утилизации вносили в качестве порообразующей добавки в глиняное тесто для производства керамического кирпича красного.
В исследованиях использовалась глина Аркадьевского месторождения Белгородской области, рентгенограмма которой представлена на рис. 1.
El
Or
I-!-Е-1-1-1-1—
e it.a 24.в 23.в 4в.в 48.e
О кварц ф монтмориллонит иллит ■ кальцит \у каолинит
Рис. 1 - Рентгенограмма глины Аркадьевского месторождения
Из полученной глиняной массы изготавливались образцы методом пластичного формования.
Было установлено, что при добавлении шлама к сырьевой смеси в количестве до 15 % прочность образцов незначительно повышается с 19,2 до 19,98
мПа, а затем начинает понижаться. Поэтому оптимальной является добавка шлама к глиняной массе в 15 %.
Полученные образцы с добавками осадков водоочистки исследовали на вымываемость ионов тяжелых металлов (ИТМ) [1-3]. Измельченные образцы помещались в подготовленные водные среды и выдерживались в течение 24 ч при температуре 20 °С, после чего фильтрат анализировался на присутствие ионов меди и никеля атомно-абсорбционным методом. Результаты экспериментов (табл. 1) указывают на существенную устойчивость измельченных керамических образцов к выщелачиванию, которая оценивалась концентрацией в экстракте и при дальнейшей экспозиции остается практически на одном уровне. При этом содержание Ni2+ и Cu2+ в фильтрате меньше их ПДК в воде.
Результаты исследований динамики вымывания ИТМ из керамических образцов с добавлением шлама к затворяющей жидкости показали (табл. 12)+, что в растворах с рН от 5 до 7 вымывание ионов Ni и Cu2+ не происходит. При более низких значениях рН и с содержанием шлама в затворяющей жидкости от 10 до 30 % наблюдается вымывание ионов никеля и меди на уровне 0,002 мг/дм3 (рН от 3 до 5). Концентрацию ионов определяли в водной вытяжке через 48 часов.
С целью проверки экологической безопасности, образцы с добавкой шлама исследовалась на токсичность водных вытяжек из материала методом биотестирования.
В качестве тест-объектов использовались следующие культуры: водоросли Chlorella Vulgaris Beijer, рыбы вида Poecillia Reticulata Petersu, ракообразные Daphnia Magna Straus и растение Allium Сера.
Для приготовления водных вытяжек керамические образцы измельчали до размера частиц не более 0,1 мм, готовили водные вытяжки путем добавления полученных порошков к дистиллированной воде с рН = 7 в соотношении 1:1, 1:5, 1:10, 1:15, 1:20, 1:30, 1:35, 1:40, 1:45 1:50 и настаивали в течение 24 ч при температуре 20°С с периодическим перемешиванием. После
настаивания суспензии фильтровались через
бумажный фильтр и проводилась процедура биотестирования по методикам, описанным в [3].
Результаты исследований воздействия водных вытяжек на Chlorella Vulgaris Beijer (табл. 2)
свидетельствуют об отсутствии токсического эффекта на тест-объект.
Таблица 1 - Результаты исследований динамики вымывания ИТМ из керамических образцов с добавлением шлама к затворяющей жидкости
Содержание шлама, % рН = 3-4 рН = 4-5 рН = 5-6 рН = 6-7
Ni, мг/дм3 Cu, мг/дм3 Ni, мг/дм3 Cu, мг/дм3 Ni, мг/дм3 Cu, мг/дм3 Ni, мг/дм3 Cu , мг/дм3
0,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
5,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
10,0 0,001 0,000 0,001 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000
15,0 0,001 0,001 0,001 0,001 0,000 0,000 0,000 0,001
20,0 0,001 0,001 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
25,0 0,001 0,001 0,001 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000
30,0 0,001 0,001 0,001 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000
35,0 0,002 0,002 0,002 0,002 0,000 0,000 0,000 0,000
50,0 0,002 0,002 0,002 0,002 0,000 0,000 0,000 0,000
Таблица 2 - Результаты измерения оптической плотности тест-объекта Chlorella Vulgaris Beijer
При использовании дафний, критерием острой летальной токсичности является гибель 50 % и более рачков в опыте по сравнению с контролем за 48 часов биотестирования. В исследованиях использовались односуточные дафнии, плотность посадки в опыте и контроле составляла 10 экземпляров на 100 см3.
Неразбавленную водную вытяжку образцов кирпича, а также разбавленные растворы вытяжки кратностью разбавления 1:1, 1:3, 1:7, 1:15 и контрольную культивационную воду наливали в стеклянные сосуды емкостью 100 см3. Повторность эксперимента - трехкратная.
Результаты биотестирования с использованием в качестве тест-объекта Daphnia Magna Straus указаны в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты биотестирования при определении токсического действия водной вытяжки образцов на тест-объект Daphnia Magna Straus
Опыт Количество Усредненное Выжившие
выживших значение особи, %
дафний, шт
1 2 3
Контроль 10 10 10 10,0 100
Неразбавленная 9 9 10 9,3 93,3
1:1 9 10 10 9,7 96,7
1:3 10 10 10 10,0 100
1:7 10 10 10 10,0 100
1:15 10 10 10 10,0 100
Исходя из результатов исследований, анализируемая водная вытяжка не оказывает острого токсического воздействия на тест-объект Daphnia Magna Straus, поскольку процент погибших дафний ниже 50 %.
Также был проведен эксперимент на острую летальную токсичность культуры гуппи (Poecillia Reticulata Petersu) проб воды в соответствии с методикой, основанной на установлении различия между количеством погибших особей в анализируемой пробе и воде, не содержащий токсических веществ.
Критерием острой токсичности является гибель 50 % и более рыб по сравнению с контрольным образцом за 96 ч биотестирования. В процессе исследований протестированы неразбавленная водная вытяжка, а также вытяжка с разбавлением 1:1. Контрольной средой выступала культивационная вода, отстоянная в течение 4 часов. Объем каждой пробы составлял 50 дм3, все пробы дополнительно аэрировались
микрокомпрессором. В качестве биообъекта использовались двухдневные рыбки, плотность посадки составляла 10 особей на каждую пробу. Во время эксперимента рыб не кормили.
Результаты биотестирования с использованием рыб вида Poecillia Reticulata Petersu показали
№ Время Степень Оптичес Отклоне Оценка
пробы от разбавле кая ние от токсичес
, начала ния плотнос контрол кого
назван биотес пробы, ть я, % воздейств
ие ти- раз ия
пробы ровани я, час
Проба № 1
Добав 22 - 0,205 0 Не
ка 22 1 0,208 + 1,5 оказывае
шлама 22 3 0,201 -1,9 т
10% 22 9 0,194 -5,3
22 27 0,206 +0,5
22 81 0,198 -3,4
Проба № 2
Добав 22 - 0,210 0 Не
ка 22 1 0,198 -5,7 оказывае
шлама 22 3 0,202 -3,8 т
15% 22 9 0,196 -6,6
22 27 0,213 + 1,4
22 81 0,214 + 1,9
Проба № 3
Добав 22 - 0,211 0 Не
ка 22 1 0,201 -4,7 оказывае
шлама 22 3 0,194 -8,7 т
25% 22 9 0,209 -0,9
22 27 0,202 -4,2
22 81 0,205 -2,8
отсутствие токсического воздействия (табл. 4). Продолжительность эксперимента составляла 96 ч.
Таблица 4 - Результаты биотестирования при определении токсического действия водной вытяжки образцов на рыб вида вида Poecillia Reticulata Petersu
Водная Количес Усредне Выжив Оценка
среда тво нное шие токсичес
выживш значение особи, кого
их % воздейст
особей вия
Контроль 10 10 100 Нет
10 100
10 100
Разбавление 1:1 10 10 100 Нет
10 100
10 100
Неразбавле нная вытяжка 10 10 100 Нет
10 100
10 100
Для получения более полных данных о возможной токсичности образцов применялось биотестирование с использованием в качестве тест-объекта Allium Сера, продолжительность эксперимента составляла 14 суток, после чего были построены графики динамики роста корневой системы (рис. 2) культуры Allium Сера в водных вытяжках исходных и при различных разбавлениях с течением времени [1, 4-7].
Как видно из данных рисунка 2, длина корневой системы тест-объекта является примерно одинаковой во всех экспериментах при различных разбавлениях, причем при большем разбавлении (1:50) длина корней немного короче по сравнению с вытяжкой, разбавленной, например, в 30 раз. Можно предположить, что более разбавленные вытяжки содержат меньше минеральных веществ, необходимых для развития растений.
Таким образом, полученные керамические материалы оптимальных составов не содержат токсикологических веществ, которые могли бы оказать вредное воздействие на окружающую среду и живые организмы.
-Контроль -Разбавление 1:5 -Разбавление 1:50
6 7 8 9 Время роста, дни
-Без разбавления -Разбавление 1:10
-Разбавление 1:1 -Разбавление 1:30
Рис. 2 - Динамика роста корней Allium Сера в
ходе эксперимента
Литература
1. И.С. Шварева, Т.В. Конькова, Материалы 2 Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы современности», Пенза, 2006. С. 173-176.
2. Г.С. Фомин, Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам: энциклопедический справочник, Протектор, М., 1995. 624 с.
3. М.Т. Баймаханов, Очистка и контроль сточных вод предприятий цветной металлургии, Металлургия, М., 1983. 192 с.
4. С.В. Свергузова, Ж.А. Сапронова, Р.О. Фетисов, И.Г. Шайхиев, А.В. Шамшуров, Вестник Казанского технологического университета, 7, 137-139 (2012).
5. О.Ф. Филенко, И.В. Михеева, Основы водной токсикологии, Колос, М., 2007. 142 с.
6. В.М. Майстренко, Р.З. Хамитов, Г.К. Будников Эколого—аналитический мониторинг супертоксикантов, Химия, М., 1996. 319 с.
7. Ж.А. Свергузова, Д.А. Ельников, Н.С. Лупандина, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 3, 161-166 (2012).
© С. В. Свергузова - д.т.н., профессор, зав. кафедрой промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, [email protected]; Н. С. Лупандина - к.т.н., доцент той же кафедры; И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. кафедрой инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.
© S. V. Sverguzova - Ph.D., Professor, Head. Chair of Industrial Ecology department from Belgorod State Technological University, [email protected]; N. S. Lupandina - Ph.D., Associate Professor of Industrial Ecology Belgorod State Technological University; 1 G. Shaikhiev - PhD, professor, head of Kazan National Research Technological University engineering ecology department.
