Сравнительная оценка возможности применения различных сорбентов для очистки производственных сточных вод мясоперерабатывающих предприятий

УДК [637.5:628.543]:661.183

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СОРБЕНТОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД МЯСОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

© 2009 г. Т.Н. Боковикова, А.В. Пирузян, Л.А. Марченко, Ю.В. Найденов

Кубанский государственный технологический Kuban State Technological

университет, Краснодар University, Krasnodar

Исследован процесс сорбции жира и белка из сточных вод мясоперерабатывающих предприятий. Выявлен наиболее эффективный сорбент, получены технологические характеристики адсорбционного процесса, позволяющие рекомендовать данный сорбент для очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий.

Ключевые слова: сорбенты; адсорбционная емкость; сточные воды; жиры; белки; очистка.

In this work has been investigated the process of sorption fat and protein from waste water of meat - preserving factories. The most effective sorbent has been indicated, the technological characteristics of sorption process has been received, allow recommending this sorbent for waste water treatment of meat - preserving factories.

Keywords: sorbents; capacity of adsorption; waste water; fats; proteins; treatment.

Одной из современных приоритетных задач в области защиты окружающей среды является поиск эффективных и экологически безопасных технологий очистки сточных вод. Перспективным направлением выступает технология, основанная на использовании сорбентов.

При выборе сорбционных материалов необходимо руководствоваться такими параметрами, как величина сорбционной емкости, стоимость, доступность, эффективность, возможность применения вторичных материальных ресурсов, экологическая безопасность утилизации насыщенных сорбентов.

В соответствии с перечисленными критериями выполнен анализ эффективности применяемых сорбентов.

Сорбенты на основе неорганических материалов обладают невысокой сорбционной емкостью, гидрофильны, требуют дополнительного модифицирования, вызывают трудности с утилизацией.

Синтетические сорбенты удобны благодаря хорошей поглотительной способности, доступности, однако отличаются большой стоимостью, сложностью переработки, а также требуют больших затрат для регенерации.

Наиболее привлекательны сорбенты из отходов растительного сырья. Практически неограниченные запасы этих материалов, их дешевизна, простая технология получения, экологическая безопасность процессов переработки использованных сорбентов, а также довольно высокие адсорбционные, ионообменные и фильтрационные свойства сорбентов стимулируют исследования, направленные на получение новых адсорбционно-активных материалов из растительного сырья [1].

Краснодарский край характеризуется высоким развитием АПК. Однако предприятия АПК вносят «существенный» вклад в загрязнение водных ресурсов и представляют серьезную опасность в санитарно-эпидемиологическом отношении. Сточные воды перерабатывающих предприятий АПК различаются по своему составу, агрегативному состоянию и характеру воздействия на окружающую среду в зависимости от вида и объема производства. К производствам, оказывающим серьезное воздействие на загрязнение природной среды сточными водами, относятся, в частотности, мясоперерабатывающие предприятия [2].

Особенность состава производственных сточных вод мясоперерабатывающих предприятий - это высокое содержание жира, белков, крови, различных солей и других органических веществ в устойчивом коллоидном состоянии. Таким образом, сточные воды мясоперерабатывающих предприятий представляют собой разбавленные эмульсии, отличающиеся высокой агрегативной и седиментационной устойчивостью. По фазово-дисперсному составу 20 % приходится на грубодисперсные взвеси, около 40 % - на надколлоидные, около 20 % - на коллоидные и 20 % -на растворимые примеси. Более 70 % загрязнителей составляют жиро-белковые комплексы, предрасположенные к гнилостным анаэробным процессам, сопровождающимся образованием летучих веществ с неприятным запахом [3].

Учитывая жесткие требования, предъявляемые Санэпиднадзором к очистке производственных сточных вод, а также их большой объем, наиболее простым и эффективным физико-химическим способом очистки является сорбционный метод.

Сорбционный метод позволяет не только очищать сточные воды до норм ПДК, но и извлекать из них биологически ценные вещества - жир и белок.

В настоящей работе рассмотрена возможность применения синтетического сорбента пенополеурета-на (ППУ), природных сорбентов - цеолита, вермикулита, а также фитосорбента из отходов растительного сырья - стержней початков кукурузы для очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий от жира и белка.

Сорбционную активность указанных сорбентов определяли в статических условиях. Адсорбцию в статических условиях можно использовать как для сравнительной оценки сорбционных свойств различных сорбентов, так и для получения изотерм адсорбции, дающих более полную информацию об их свойствах. Причем адсорбцию жиров и белков проводили из сточных вод Краснодарского мясокомбината.

Для исследования количественных соотношений при адсорбции нами были составлены модельные растворы отдельно: сывороточного белкового альбумина в воде и животного жира в воде.

Нами установлено, что цеолит и вермикулит по отношению к жиру не эффективны, но эффективны по отношению к белку. В то же время сорбент на основе пенополеуретана эффективен по отношению к жиру, однако не эффективен по отношению к белку. А предлагаемый нами сорбент на основе стержней початков кукурузы эффективен в отношении сорбции как жиров, так и белков.

Адсорбцию жира исследовали следующим образом. Навески сорбентов по 5 г помещали в колбы и добавляли 500 мл модельного раствора сточной воды с концентрацией жира 1500 мг/л.

Низкая плотность и гидрофобные свойства сорбентов приводили к тому что, сорбенты не сразу полностью смачивались и некоторое время находились на поверхности водного раствора. Для снижения поверхностного натяжения на границе раздела «сорбент -раствор» проводили смачивание этанолом. Сорбенты оставляли в контакте с раствором в течение 2 ч при периодическом перемешивании. Пробы растворов отбирали через каждые 20 мин шприцем с насадкой, для задержки дисперсных частиц. Конечную концентрацию жира в пробе определяли по оптической плотности при длине волны 540 нм методом калибровки.

Адсорбционную емкость сорбентов вычисляли по формуле:

А, мг/г 160

С - С А= Сн С V,

где Сн, Ск - начальная и конечная концентрация жира в растворе, мг/л; т - навеска сорбента, г; V - объем раствора сточной воды, л.

Результаты расчетов показали, что сорбционная емкость ППУ составляет 140 мг/г, а сорбционная емкость стержней початков кукурузы 108 мг/г.

Кинетические кривые сорбции жира из раствора в статических условиях представлены на рис. 1.

140 120 100 80 60 40 20 0

2 1----1

—т» С ---J

20

40

60

80

1 оо t, мин

Рис. 1. Кинетика сорбции жира из раствора образцами

сорбентов: 1 - стержни початков кукурузы; 2 - ППУ

Степень извлечения жира из раствора определяли по формуле:

С - С

а= -400%.

С

н

Наибольшей сорбционной активностью по отношению к жиру обладает сорбент из ППУ (а= 93 %), сорбент на основе стержней початков кукурузы имеет а = 75 %.

Нами определена зависимость концентрации жира в растворе от продолжительности процесса сорбции. График зависимости концентрации жира от времени сорбции представлен на рис. 2.

Сжнра- МГ/Л

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

.1

2 ^

20

40

60

t, мин

Рис. 2. Зависимость концентрации жира в растворе от времени сорбции: 1 - стержни початков кукурузы;

2 - ППУ

ППУ представляет собой пористый полимерный материал. Адсорбция жира внутри пор осуществляется за счет энергии адгезии молекул жира с молекулами ППУ. После полного насыщения жиром ППУ адсорбент необходимо регенерировать, для этого требуется большой расход органических растворителей.

Стержни кукурузных початков имеют пространственно-губчатую структуру, при контакте с жирной пленкой на поверхности воды происходит преимущественно сорбция жира. В случае, когда произойдет полное насыщение адсорбента жиром, нет необходимости затрат на дальнейшую регенерацию, так как

m

отработанный сорбент представляет собой дешевый материал, содержащий питательные вещества.

Сорбционную активность цеолита, вермикулита, стержней початков кукурузы по отношению к сывороточному белковому альбумину, как и жира, определяли в статических условиях.

Для исследования сорбционной емкости образцы сорбентов по 2 г помещали в конические колбы и добавляли 200 мл раствора белка концентрацией 1000 мг/л. Сорбенты оставляли в контакте с раствором на 1,5 ч при периодическом перемешивании, после чего твердую фазу отделяли декантацией, определяли мутность раствора и содержание в нем остаточного белка. Мутность раствора определяли методом калориметрии по изменению оптической плотности при длине волны 590 нм.

Остаточное содержание белка находили методом Лоури с использованием калибровочных кривых [4].

Адсорбционную емкость сорбентов и степень извлечения белка из раствора определяли по формулам (1), (2).

На рис. 3 показана зависимость оптической плотности от времени контакта образцов сорбентов с раствором белка.

3

2

1---1 1-II

1 1-о

(> 15 30 45 60 75 мин

Рис. 3. Изменение оптической плотности (О) от времени контакта сорбента с раствором белка: 1 - вермикулит;

2 - цеолит; 3 - стержни початков кукурузы

Из рис. 3 видно, что оптическая плотность образцов исследуемых сорбентов со временем уменьшается, что говорит о способности сорбентов извлекать из растворов белок. Оптимальное время адсорбции белка составляет около 60 мин. Дальнейшее контактирование образцов сорбентов с раствором белка не дает существенных изменений оптической плотности.

Наибольшей адсорбционной активностью по отношению к белку обладает сорбент на основе стрежней початков кукурузы.

Механизм сорбции белка обусловлен взаимодействием противоположно заряженных групп поверхности сорбента и молекул белка.

Более эффективную сорбцию белка адсорбентом на основе стержней початков кукурузы можно объяснить специфическим взаимодействием пептидных групп в структуре белка с гидроксигруппами полипен-тоз, которые являются строительным материалом данного адсорбента.

Менее эффективная сорбция белка на цеолите и вермикулите объясняется неспецифическим взаимодействием молекул белка с адсорбентом посредством сил Ван-дер-Вальса. При полном заполнении поверхности сорбентов коллоидными частицами произойдет переполяризация поверхности, и сорбция белка будет уменьшаться.

Изотермы адсорбции данных образцов сорбентов показаны на рис. 4

Рис. 4. Изотермы адсорбции исследуемых сорбентов: 1 - стержни початков кукурузы; 2 - цеолит; 3 - вермикулит

В таблице представлены значения адсорбционных характеристик данных образцов сорбентов по отношению к белку.

Адсорбционные характеристики исследуемых сорбентов по отношению к белку

Сорбент Адсорбционная емкость, А, мг/г Степень извлечения, а, %

Вермикулит 28 28

Цеолит 72 72

Стержни початков кукурузы 84 84

Проведенное исследование показало, что наибольшей сорбционной активностью по отношению к белку обладает образец сорбента на основе стержней початков кукурузы (А= 84 мг/г).

При использовании сорбента на основе стержней початков кукурузы не требуется дополнительных реагентов для извлечения белка (слабые кислоты, щелочи, нейтральные кислоты) с дальнейшей тепловой денатурацией полученного раствора в кислой среде [5].

К тому же данный сорбент имеет ряд преимуществ: экономически целесообразен, является экологически чистым целлюлозосодержащим материалом из отходов растительного сырья и не требует затрат на регенерацию. Отработанный сорбент помимо биологически ценного белка и жира содержит клетчатку, может быть использован в качестве ценного корма для животноводства.

Полученные результаты позволяют рекомендовать сорбент на основе стрежней початков кукурузы для извлечения из производственных сточных вод мясоперерабатывающих предприятий ценных веществ - белка и жира.

Литература

1. Пирузян А.В., Боковикова Т.Н., Найденов Ю.В. Перспективный сорбент на основе отходов растительного сырья для очистки жиросодержащих сточных вод. // Фундаментальные исследования. М., 2008. № 10. С. 61 -62.

Поступила в редакцию

2. Очистка и обеззараживание сточных вод перерабатывающих предприятий АПК/ Л.С. Кузнецова [и др.] // Пищевая промышленность. 2002. № 10. С.52 - 53.

3. Малахов И.А. Очистка сточных вод мясоперерабатываю-

щих предприятий // Мясная индустрия. 2001. № 5. С.49 -51.

4. Protein measurement with Folin phenol reagent/ O.H. Lowry [et al.] // J. Biol. Chem. 1951. Vol. 193. № 1. Р. 265-275.

5. Щербак Б.Ф. Способы и средства извлечения белково-жировых отходов из производственных стоков мясокомбинатов с целью использования их в производстве кормовых и технических продуктов : обзорная информация. М., 1979. 21 с.

17 марта 2009 г.

Боковикова Татьяна Николаевна - д-р техн. наук, профессор, Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8(918)4672990. E-mail: tbokovikova@mail.ru

Пирузян Анна Вардкесовна - аспирант, Кубанский государственный технологический университет Тел. 8(961)855-15-09. E-mail: annait2007@mail.ru

Марченко Людмила Анатольевна - канд. хим. наук, доцент, Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8(918)4652585 E-mail: artemej@mail.ru

Найденов Юрий Васильевич - канд. хим. наук, доцент, Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8(918)4733376.

Bokovikova Tatiana Nikolaevna - Doctor of Technical Sciences, professor, Kuban State Technological University. Ph. 8(918)4672990. E-mail: tbokovikova@mail.ru

Piruzyan Anna Vardkesovna - post-graduate student, Kuban State Technological University. Ph. 8(961)855-15-09. E-mail: annait2007@mail.ru

Marchenko Ludmila Anatolevna - Candidate of Chemical Sdences, assistant professor, Kuban State Technological University. Ph. 8(918)4652585 E-mail: artemej@mail.ru

Naydenov Yuri Vasilevich - Candidate of Chemical Sdences, assistant professor, Kuban State Technological University. Ph. 8(918)4733376.