Использование производственных отходов в целях очистки сточных вод от тяжелых металлов

Рассмотрены традиционные методы очистки сточных вод от тяжелых металлов, такие как химическое осаждение, флотация, ионный обмен, фильтрация и сорбция. Для каждого метода анализируются преимущества, недостатки и ограничения. Подчеркивается необходимость дополнительных исследований для совершенствования существующих методов и разработки новых технологий, обеспечивающих низкие затраты на обработку, высокую эффективность и минимальное воздействие на окружающую среду. Адсорбция представлена как эффективный метод, благодаря своей простоте, универсальности, высокой скорости удаления загрязнений и возможности многократного использования сорбентов. Однако подчеркивается важность использования недорогих материалов с высокой поглощающей способностью и разработки эффективных методов регенерации для продления срока службы адсорбентов и снижения затрат. Химическое осаждение, несмотря на экономическую выгоду за счет независимости от дополнительных факторов, таких как электроды или мембраны, характеризуется образованием большого количества осадка, требующего дополнительной обработки. Особое внимание уделяется возможностям использования отходов в этих процессах. Представлены исследования, посвященные использованию материалов для очистки сточных вод от металлов, в состав которых в основном входят отходы производств, такие как зола уноса, красные шламы, сталеплавильный шлак и другие. Отмечаются экологические и экономические преимущества такого подхода, но подчеркивается необходимость дополнительных исследований по оптимизации их использования в реальных сточных водах с многоэлементным составом.

Собенин А. В., Антонинова Н. Ю., Горбунов А. В., Якупов Д. Р. Использование производственных отходов в целях очистки сточных вод от тяжелых металлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 12-1. – С. 47–66. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_121_0_47.

Статья подготовлена в рамках Госзадания № 075-00412-22 ПР. Тема 2 (2022–2024). Разработка геоинформационных технологий оценки защищенности горнопромышленных территорий и прогноза развития негативных процессов в недропользовании (FUWE-2022-0002), рег. №1021062010532-7-1.5.1.

Собенин Артем Вячеславович¹ — научный сотрудник, e-mail: arsob@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0001-5513-5680,
Антонинова Наталья Юрьевна^1,2 — канд. техн. наук, зав. лабораторией; доцент, e-mail: natal78@list.ru, ORCID ID: 0000-0002-8503-639X,
Горбунов Александр Викторович² — канд. техн. наук, доцент, e-mail: alexgorbunov72@mail.ru, ORCID ID: 0009-0008-3266-3585,
Якупов Дамир Радифович² — канд. техн. наук, доцент, e-mail: damir.yakupov@m.ursmu.ru, ORCID ID: 0000-0003-2678-2090,
¹ Институт горного дела Уральского отделения РАН,
² Уральский государственный горный университет.

Антонинова Н.Ю., e-mail: natal78@list.ru.

1. Габараева З. Г., Макиева Д. Ч. Действие тяжелых металлов на организм человека // Образование и право. — 2020. — № 11. — С. 302—304. DOI: 10.24411/2076-1503-2020-11146.

2. Лин М. М., Фарносова Е. Н., Каграманов Г. Г. Очистка сточных вод от тяжелых металлов методами нанофильтрации и ионного обмена // Химическая промышленность сегодня. — 2017. — № 8. — С. 30—35.

3. Фадеев А. Б., Кузин Е. Н., Кручинина Н. Е., Носова Т. И., Костылева Е. В. Оценка эффективности методов очистки сточных вод гальванического производства от аммиачно-тартратных комплексов меди (II) // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Естественные науки. — 2020. — № 5(92). — С. 97—108. DOI: 10.18698/1812-3368-2020-5-97-108.

4. Мухамедов К. Г., Насирова Н. К., Мухамедов Ж. К., Абдурахманов О. Х. Очистка сточных вод гальванических производств реагентным методом // Universum: технические науки. — 2023. — № 7-3(112). — С. 51—56.

5. Овчинников А. С., Бочарников В. С., Денисова М. А. Бочарников О. В., Козинская О. В. Сравнительная экономическая оценка различных природных сорбентов для очистки сточных вод // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. — 2020. — № 2(58). — С. 65—72. DOI: 10.32786/2071-9485-2020-02-06.

6. Степанов С. В., Авдеенков П. П., Пономаренко О. С., Морозова К. М. Оптимизация и технико-экономическая оценка технологических схем очистки сточных вод предприятия глубокой переработки куриных яиц // Водоснабжение и санитарная техника. — 2023. — № 5. — С. 37—47. DOI: 10.35776/VST.2023.05.05.

7. Хорохорина И. В. Лазарев С. И., Филимонова О. С., Брянкин К. В. Технологическое оформление и экономическая оценка электромембранных методов очистки промышленных сточных вод от тяжелых металлов и АПАВ // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. — 2023. — № 2(88). — С. 19—28. DOI: 10.17277/voprosy.2023.02.pp.019-028.

8. Натареев С. В., Бакин М. А., Снегирев Д. Г. Разработка математической модели ионообменной очистки воды от солей тяжелых металлов в емкостном аппарате // Пожарная и аварийная безопасность. — 2021. — № 1(20). — С. 27—31.

9. Медяник Н. Л., Тусупбаев Н. К., Варламова И. А. Гиревая Х. Я., Калугина Н. Л. Удаление тяжелых металлов из растворов методом ионной флотации // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. — 2016. — Т. 14. — № 1. — С. 18—26. DOI: 10.18503/1995-2732-2016-14-1-18-26.

10. Дагаева Е. В., Валинурова Э. Р. Сорбция ионов меди (II) на природном и модифицированных цеолитах месторождения Хонгуруу // Вестник Башкирского университета. — 2019. — Т. 24. — № 1. — С. 71—75.

11. Смирнова Н. Н., Небукина И. А., Шиганова Е. А. Сравнительная эффективность применения реагентных методов в процессах очистки сточных вод гальванических производств от ионов меди (II) // Вода: химия и экология. — 2016. — № 8(98). — С. 32—37.

12. Ates N., Uzal N. Removal of heavy metals from aluminum anodic oxidation wastewaters by membrane filtration // Environmental Science and Pollution Research. 2018, vol. 25, no. 22, pp. 22259—22272. DOI: 10.1007/s11356-018-2345-z.

13. Мейрамкулова К. С., Аубакирова К. М., Усербаев М. Т., Саябаев К. М. Эффективность очистки сточных вод убойного цеха птицефабрики электрохимическим методом // Известия Международной академии аграрного образования. — 2018. — № 42-2. — С. 55—60.

14. Lavinia L., Cocheci L. Heavy metals removal from water and wastewater / Heavy Metals — Recent Advances. Intech Open, 2023. DOI: 10.5772/intechopen.110228.

15. Zhang Y, Duan X. Chemical precipitation of heavy metals from wastewater by using the synthetical magnesium hydroxy carbonate // Water Science and Technology. 2020, vol. 81, no. 6, pp. 1130—1136. DOI: 10.2166/wst.2020.208.

16. Mohd Yatim S. R., Kasmuri S. N. H., Syahjidan H. N., Mokhtar N. S., Zainuddin N. A. Removing copper, chromium and nickel in industrial effluent using hydroxide precipitation versus sulphide precipitation // Health Scope. 2020, vol. 3, pp. 54—60.

17. Benalia M. C., Youcef L., Bouaziz M. G. Achour S. Menasra H. Removal of heavy metals from industrial wastewater by chemical precipitation: Mechanisms and sludge characterization // Arabian Journal for Science and Engineering. 2022, vol. 47, pp. 5587—5599. DOI: 10.1007/s13369-02105525-7.

18. Hoseinian F. S., Irannajad M., Safari M. Effective factors and kinetics study of zinc ion removal from synthetic wastewater by ion flotation // Separation Science and Technology. 2016, vol. 52, no. 5, pp. 892—902. DOI: 10.1080/01496395.2016.1267216.

19. Salmani M. H., Davoodi M., Ehrampoush M. H. Ghaneian M. T., Fallahzadah M. H. Removal of cadmium (II) from simulated wastewater by ion flotation technique // Journal of Environmental Health Science and Engineering. 2013, vol. 10, no. 16. DOI: 10.1186/1735-2746-10-16.

20. Mulungulungu G. A., Mao T., Han K. Efficient removal of high-concentration copper ions from wastewater via 2D g-C3N4 photocatalytic membrane filtration // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021, vol. 623, article 126714. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2021.126714.

21. Xiang H. Min X., Tang Chong-Jian, Sillanpää M. Recent advances in membrane filtration for heavy metal removal from wastewater. A mini review // Journal of Water Process Engineering. 2022, vol. 49, no. 6, article 103023. DOI: 10.1016/j.jwpe.2022.103023.

22. Chi-Wang L., Chia-Hsien C., Kwang-Ho C., Wei-Shuen Y. Polyelectrolyte enhanced ultrafiltration (PEUF) for the removal of Cd(II): Effects of organic ligands and solution pH // Chemosphere. 2008, vol. 72, no. 4, pp. 630—635. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2008.02.036.

23. Jiao Y., Yang J., Zhang J., Li. J., Qin S., Wu X., Cui Z. Removal of heavy metal ions from acidic wastewater by constructing positively charged hollow fiber nanofiltration separating-layer based on Fe (III)/co deposition-quaternization // Journal of Water Process Engineering. 2023, vol. 56, article 104450. DOI: 10.1016/j.jwpe.2023.104450.

24. Harharah R. H., Abdalla G. M. T., Elkhaleefa A., Shigidi I., Harharah H. N. A study of copper (ii) ions removal by reverse osmosis under various operating conditions // Separations. 2022, vol. 9, no. 6, article 155. DOI: 10.3390/separations9060155.

25. Chen X., Ren P., Li T., Trembly J. P., Liu X. Zinc removal from model wastewater by electrocoagulation: Processing, kinetics and mechanism // Chemical Engineering Journal. 2018, vol. 349, pp. 358—367. DOI: 10.1016/j.cej.2018.05.099.

26. Brahmi K., Bouguerra W., Harbi S., Elaloui E., Loungou M., Hamrouni B. Treatment of heavy metal polluted industrial wastewater by a new water treatment process: ballasted electroflocculation // Journal of Hazardous Materials. 2018, vol. 15, no. 344, pp. 968—980. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2017.11.051.

27. Wu C., Gao J., Liu Y., Jiao W., Su G., Zheng R., Zhong H. High-gravity intensified electrodeposition for efficient removal of Cd2+ from heavy metal wastewater // Separation and Purification Technology. 2022, vol. 289, article 120809.

28. Ahmed S., Aktar S., Zaman S. Jahan R. A., Bari M. L. Use of natural bio-sorbent in removing dye, heavy metal and antibiotic-resistant bacteria from industrial wastewater // Applied Water Science. 2020, vol. 10, article 107. DOI: 10.1007/s13201-020-01200-8.

29. Hamidi D., Honarasa F. Natural bitumen as an available low cost sorbent for remediation of heavy metal cations // Iranian Journal of Science and Technology Transactions a Science. 2020, vol. 44, pp. 687—694. DOI: 10.1007/s40995-020-00888-2.

30. Topka P., Soukup K., Hejtmánek V., Hlásenský I., Kaštánek F., Šolcová O. Remediation of brownfields contaminated by organic compounds and heavy metals: a bench-scale test of a sulfur/vermiculite sorbent for mercury vapor removal // Environmental Science and Pollution Research. 2020, vol. 27, pp. 42182—42188. DOI: 10.1007/s11356-020-10696-1.

31. Huang Y., Zeng X., Guo L., Lan J., Zhang L., Cao D. Heavy metal ion removal of wastewater by zeolite-imidazolate frameworks // Separation and Purification Technology. 2018, vol. 194, pp. 462—469. DOI: 10.1016/j.seppur.2017.11.068.

32. Alasadi A. M., Khaili F. I., Awwad A. M. Adsorption of Cu(II), Ni(II) and Zn(II) ions by nano kaolinite: Thermodynamics and kinetics studies // Chemistry International. 2019, vol. 5, no. 4, pp. 258—268. DOI: 10.5281/zenodo.2644985.

33. Ghasemi N., Ghasemi M., Moazeni S., Ghasemi P., Alharbi N. S., Gupta V. K., Agarwal S., Burakova I. V., Tkachev A. G. Zn (II) removal by amino-functionalized magnetic nanoparticles: Kinetics, isotherm, and thermodynamic aspects of adsorption // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2018, vol. 62, no. 1, pp. 302—310. DOI: 10.1016/j.jiec.2018.01.008.

34. Антонинова Н. Ю., Собенин А. В., Усманов А. И., Горбунов А. А. Обоснование возможности применения отходов производства гуминовых препаратов для очистки сточных вод от металлов (Cd2+, Zn2+, Mg2+, Cu2+) с целью разработки эффективных мероприятий по экологической реабилитации // Записки Горного института. — 2024. — Т. 267. — С. 421—432. EDN NYTBJH.

35. Антонинова Н. Ю., Собенин А. В., Усманов А. И., Шепель К. В. Оценка возможности использования отходов железо-магниевого производства для очистки сточных вод от тяжелых металлов (Cd2+, Zn2+, Co2+, Cu2+) // Записки Горного института. — 2023. — Т. 260. — С. 257—265. DOI: 10.31897/PMI.2023.34.

36. Фоменко Е. В., Аншиц Н. Н., Соловьёв Л. А., Михайлова О. А., Аншиц А. Г. Состав и строение оболочки ценосфер золы-уноса от сжигания угля Кузнецкого бассейна // Химия твердого топлива. — 2014. — № 2. — С. 55. DOI: 10.7868/S0023117714020030.

37. Lin Sh., Lu Ya., Zheng L., Long L., Jiang X., Yan J. Mechanism study of Cu (II) adsorption from acidic wastewater by ultrasonic-modified municipal solid waste incineration fly ash // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2023, vol. 67, pp. 157—165. DOI: 10.1016/j.cjche.2023.11.019.

38. Astuti W., Chafidz A., Wahyuni E. T., Prasetya A., Bendiyasa I. M., Abasaeed A. E. Methyl violet dye removal using coal fly ash (CFA) as a dual sites adsorbent // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2019, vol. 7, no. 5, article 103262. DOI: 10.1016/j.jece.2019.103262.

39. Zhao H., Huang X., Zhang G., Li J., He Z., Ji P. Possibility of removing cadmium pollution from the environment using a newly synthesized material coal fly ash // Environmental Science and Pollution Research. 2020, vol. 27, pp. 4997—5008. DOI: 10.1007/s11356-019-07163-x.

40. Zheng R., Lü J., Song W., Liu M., Li H., Liu Y., Lü X., Ma Z. Metallurgical properties of CaOSiO2-Al2O3-4.6wt%MgO-Fe2O3 slag system pertaining to spent automotive catalyst smelting // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2023, vol. 30, pp. 886—896. DOI: 10.1007/s12613-022-2569-2.

41. Changalvaei M., Nilforoushan M. R., Arabmarkadeh A., Tayebi M. Removal of Ni and Zn heavy metal ions from industrial waste waters using modified slag of electric arc furnace // Materials Research Express. 2021, vol. 8, no. 5, article 055506. DOI: 10.1088/2053-1591/abf520.

42. Latorrata S., Balzarotti R., Adami MI., Marino B., Mostoni S., Scotti R., Bellotto M., Cristiani C. Wastewater treatment using alkali-activated-based sorbents produced from blast furnace slag // Applied Sciences. 2021, vol. 11, no. 7, article 2985. DOI: 10.3390/app11072985.

43. Czech B., Hojamberdiev M., Bogusz A. Impact of thermal treatment of calcium silicate-rich slag on the removal of cadmium from aqueous solution // Journal of Cleaner Production. 2018, vol. 200, no. 1, pp. 369—379. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.07.309.

44. Liu J., Xie Y., Li C., Fang G., Chen Q., Ao X. Novel red mud/poly-acrylic composites synthesized from red mud and its performance on cadmium removal from aqueous solution // Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 2019, vol. 95, pp. 213—222. DOI: 10.1002/jctb.6223.

45. Pang Y., Zhao C., Li Y., Li Q., Bayongzhong X., Peng D. Cadmium adsorption performance and mechanism from aqueous solution using red mud modified with amorphous MnO2 // Scientific Reports. 2022, vol. 12, article 4424. DOI: 10.1038/s41598-022-08451-2.

46. Dong W., Liang K., Qin Y., Ma H., Zhao X., Zhang L., Zhu S., Yu Y., Bian D., Yang J. Hydrothermal conversion of red mud into magnetic adsorbent for effective adsorption of Zn(II) in water // Applied Sciences. 2019, vol. 9, article 1519. DOI: 10.3390/app9081519.

47. Водный кодекс Российской Федерации: Федеральный закон РФ от 03.06.2006 г. — № 74ФЗ: ред. от 01.05.2022 г. / Собрание законодательства Российской Федерации. — 2006. — № 23. Ст. 2380—2381.