ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИОНООБМЕННЫХ СОРБЕНТОВ ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА И АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

В работе экспериментально исследована очистка сточных вод на ионообменной установке ИОУ-4Ф с использованием трех сорбентов: сильнокислотного катионита КУ-2-8, сильноосновного анионита АВ-17-8 и синтезированного аминокарбоксильного амфолита АКА-Т. Проведено сравнение двухступенчатой схемы (катионит + анионит) и одноступенчатой на амфолите. Установлено, что применение амфолита АКА-Т обеспечивает высокую степень удаления ионов железа и соединений азота в одном технологическом цикле, демонстрируя эффективность, сопоставимую с двухступенчатой схемой. Полученные результаты подтверждают перспективность разработанной установки с синтезированным амфолитом для промышленной очистки сточных вод.

ABSTRACT

This work presents an experimental study of wastewater treatment using the IOU-4F ion-exchange unit with three sorbents: strong-acid cation exchanger KU-2-8, strong-base anion exchanger AV-17-8, and a synthesized aminocarboxylic ampholyte ACA-T. A comparison was made between a two-stage treatment scheme (cation exchanger + anion exchanger) and a single-stage scheme employing the ampholyte. It was found that the use of ACA-T ampholyte ensures a high removal efficiency of iron ions and nitrogen compounds within a single technological cycle, demonstrating performance comparable to that of the two-stage system. The obtained results confirm the potential of the developed unit with the synthesized ampholyte for industrial wastewater treatment applications.

Ключевые слова: ионообменная установка ИОУ-4Ф, катионит КУ-2-8, анионит АВ-17-8, амфолит АКА-Т, очистка сточных вод, железо, азотные соединения.

Keywords: IOU-4F ion-exchange unit, KU-2-8 cation exchanger, AV-17-8 anion exchanger, ACA-T ampholyte, wastewater treatment, iron, nitrogen compounds.

Введение. Загрязнение сточных вод является одной из наиболее актуальных экологических проблем, с которыми сталкиваются многие регионы, включая Узбекистан. В частности, филиал ООО «Ташкентское водоснабжение» испытывает значительные трудности с качеством очистки сточных вод. Это связано с высоким содержанием различных загрязняющих веществ, которые не могут быть эффективно очищены и сбрасываются в реку Чирчик, тем самым негативно влияя на экосистему и представляя угрозу для здоровья населения [2, с. 151-167].

Многие предприятия в республике не имеют собственных очистных сооружений, вследствие чего загрязненные сточные воды сбрасываются напрямую в водные объекты. Неэффективная работа очистных сооружений, устаревшие технологии и недостаток финансирования приводят к превышению предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в сточных водах. Это создает дополнительные риски для окружающей среды и здоровья населения, что подчеркивает необходимость внедрения современных методов очистки [1, с. 47-48, 9. с. 218-122 ].

В данной статье представлены данные о загрязняющих веществах в сточных водах, а также предложена технология очистки на основе экспериментальной ионообменной установки ИОУ-4Ф [3, 4]. Эта технология рекомендована для предприятий различных отраслей промышленности, что позволит значительно повысить качество очистки и уменьшить уровень загрязнения, в результате чего будут соблюдены экологические нормы и стандарты.

Материалы и методы исследования. Для проведения анализа была использована сточная вода содержащая ионы железа и  азотные соединения. Анализ состава воды был выполнен с использованием следующих методов:

– для определения ионов железа (Fe)⁺ использовался фотометрический метод с применением роданида в диапазоне от 0,05 до 2,0 мг/дм³;

– ионы аммония (NH₄)⁺ определялись фотометрическим методом в диапазоне от 0,20 до 2,0 мг/дм³;

– нитриты (NO₂)^- анализировались фотометрическим методом в диапазоне от 0,02 до 0,60 мг/дм³;

– нитраты (NO₃)^- определялись фотометрическим методом в диапазоне от 0,4 до 80,0 мг/дм³; химическое потребление кислорода (ХПК) измерялось фотоколориметрическим методом в диапазоне от 10 до 1000 мг О₂/дм³;

– биохимическое потребление кислорода (БПК₅) определялось скляночным методом в диапазоне от 0,1 до 15 мг О₂/дм³. Результаты данных на входе и выходе представлены в таблице 1.

Основной эксперимент по очистке сточных вод проводился на экспериментальной ионообменной установке [8, с 176-179], в лабораторных условиях. Для эксперимента было отобрано 30 литров воды на выходе из городской аэрационной станции. Предлагаемая установка [5, 7, с 18], включает четыре ионообменные колонны (фильтры), 2 фильтра заполнены катионитом КУ-2-8 и 2 фильтра анионитом АВ-17-8. Бак со сточной водой подключали к установке через штуцер к коллектору (15 литров). Подача воды осуществлялась с помощью маломощного насоса. По центру фильтра проведено дренажное устройство, по которому сточная вода поступала в фильтр сверху вниз, далее проходя через псевдоожиженный слой ионитов снизу вверх, выводилась в следующий фильтр.

Процесс очистки сточных вод на ионообменной установке был проведен в течение 10 минут. Установка работала в режиме непрерывной фильтрации, что позволило достичь максимальной эффективности удаления загрязняющих веществ. Температура воды на входе в установку составила 18 °C, pH – 7,5. Скорость потока в системе была установлена на уровне 1,5 дм³/мин. Расход воды измеряли на входе расходометром.

Подобный эксперимент был проведен с синтезированными аминокарбоксильным амфолитам АКА-Т на основе тар-продукта [6]. Сравнительный результат показан в таблицах 1 и 2.

Рисунок 1. Экспериментальная ионообменная установка

После каждой колонны предусмотрен слив для взятия проб. Подача и выход раствора из системы регулируется кранами. Кроме того, в системе предусмотрены резервуары для последующей регенерации и отмывки ионитов. Данное оборудование имеет не сложную конструкцию и состоит из пластика, что является противокоррозионным и долговечным материалом, выдерживающий высокий и низкий температурный режим, а также экономически выгодным, не требующих больших затрат на обслуживание.

Для сравнения были использованы два типа ионообменных материалов: традиционная двухступенчатая система на основе сильнокислотного катионита КУ-2-8 и сильноосновного анионита АВ-17-8, а также отечественный аминокарбоксильный амфолит АКА-Т (рис.1.) в одноступенчатом варианте.

Рисунок 2. Внешний вид гранулированных ионообменных материалов, использованных в экспериментах: а) сильнокислотный катионит КУ-2-8 (сульфокатионит); б) сильноосновный анионит АВ-17-8; в) аминокарбоксильный амфолит АКА-Т

Результаты и обсуждения. Входные концентрации загрязнителей соответствовали реальным пробам после городской аэрационной станции (осенний период), где наблюдались значительные превышения ПДК. ПДК ионов железа в воде  – 0,05 мг/дм³, ионов аммония – 0,5 мг/дм³, нитритов – 0,02 мг/дм³, нитратов – 40 мг/дм³, ХПК – 15 О₂/дм³.

Таблица 1.

 Результаты очистки сточных вод на ионообменной установке с катионитом КУ-2-8 и анионитом АВ-17-8

Применение двухступенчатой системы КУ-2-8 + АВ-17-8 обеспечивает высокую степень удаления целевых загрязнителей: по железу и аммонийному азоту достигнуты значения 96–98%, по нитритам и нитратам — около 94%. Снижение ХПК и БПК₅ на 91% свидетельствует о частичной сорбции органических веществ на поверхности смол. Полученные результаты соответствуют известным характеристикам этих промышленных смол (сильнокислотный катионит КУ-2-8 и сильноосновной анионит АВ-17-8), которые широко применяются для умягчения, обессоливания и доочистки сточных вод. Выходные концентрации по большинству показателей близки или ниже ПДК для сброса в водные объекты рыбохозяйственного значения.

Таблица 2 демонстрирует результаты очистки с использованием аминокарбоксильного амфолита АКА-Т (одноступенчатая схема). Амфолит сочетает катионо- и анионообменные свойства благодаря наличию амино- и карбоксильных групп, что позволяет одновременно удалять катионы металлов (Fe), аммоний и анионы азотных соединений без необходимости в двух отдельных колоннах.

Таблица 2.

 Результаты очистки сточных вод на ионообменной установке с аминокарбоксильным амфолитоа АКА-Т

Аминокарбоксильный амфолит АКА-Т демонстрирует выдающиеся показатели: эффективность удаления превышает 98–99,9% по всем ключевым загрязнителям, включая почти полное удаление железа и органики (ХПК/БПК₅). Это превосходит результаты двухступенчатой системы и достигается в одноступенчатом процессе благодаря амфотерной природе материала. Выходные концентрации значительно ниже ПДК, что делает технологию перспективной для глубокой доочистки.

Заключение

Разработанная ионообменная технология очистки сточных вод на основе инновационной лабораторной установки подтвердила свою высокую эффективность в удалении ионов железа и азотных соединений (аммонийного, нитритного и нитратного азота), а также в снижении органической нагрузки по ХПК и БПК₅.

Амфолит АКА-Т обладает амфотерными свойствами, что делает его экономически выгоднее: снижаются капитальные затраты на оборудование (одна колонна вместо двух), уменьшается расход реагентов на регенерацию, упрощается эксплуатация и обслуживание. Полученные показатели для АКА-Т являются отличными для отечественного материала и подтверждают его конкурентоспособность по сравнению с импортными аналогами.

Заключение. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что разработанная ионообменная установка ИОУ-4Ф обеспечивает эффективную очистку сточных вод от ионов железа и азотных соединений. Двухступенчатая система на основе катионита КУ-2-8 и анионита АВ-17-8 показала высокие результаты (эффективность 91–98%), однако применение синтезированного аминокарбоксильного амфолита АКА-Т в одноступенчатом режиме позволило достичь более глубокой очистки (98–99,9%) при упрощении технологической схемы, снижении капитальных и эксплуатационных затрат. Полученные данные подтверждают перспективность использования отечественного амфолита АКА-Т в системах доочистки сточных вод промышленных предприятий и городских аэрационных станций, что способствует снижению антропогенной нагрузки на водные объекты и обеспечению соответствия очищенных вод установленным экологическим нормативам.

Список литературы:

1. Муминова Р. Н., Казимова Н. М. Проблема очистки сточных вод в Узбекистане // Молодой ученый. – 2015. – № 22 (102). – С. 47-48. – URL: https://moluch.ru/archive/102/23372/
2. Абдукодырова М. Н., Радкевич М. В., Шипилова К. Б. Канализация и очистка сточных вод. Учебное пособие для ВУЗов. – Ташкент. – 2022. – 232 с.
3. Drabkova T. V., Gusev A. L., Turabdzhanov S. M. Energy-self-sufficient ion-exchange system for pre-electrolysis water treatment in green hydrogen production // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.153860
4. Драбкова Т.В., Абдуталипова Н.М., Рахматуллаев Ф.Н., Рахматов У.Н. Мониторинг водных ресурсов Узбекистана и перспективы использования ионообменных установок для очистки сточных вод // География и водные ресурсы. – Алматы, 2025. – № 2. – С. 3–12. – https://doi.org/10.55764/2957-9856/2025-2-3-12.15
5. Драбкова Т.В., Турабджанов С.М., Рахимова Л.С. Ионообменная установка для очистки промышленных сточных вод: патент РУз № FAP 2763. – 2025.
6. Кодиров О.Ш., Мирзакулов Х.Ч., Бердиев Х.У., Шарипова В.В. / Исследование химического состава пироконденсата пиролизного производства // Universum:  Технические  науки:  электрон.  научн.  журн. – 2018.  – №  9(54).  URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/6383
7. Драбкова Т.В., Турабджанов С.М., Рахматуллаев Ф.Н., Рахматов У.Н., Шохакимова А.А. Design features of ion exchange plant for wastewater treatment // Technical science and innovation. – 2025. – № 1. – P. 16–21. – https://doi.org/10.59048/2181-1180.1683
8. Драбкова Т.В., Турабджанов С.М. Разработка ионообменной установки для энергоэффективной очистки сточных вод // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2025. – № 8(437). – С. 167–188. – https://doi.org/10.15518/isjaee.2025.08.167-188
9. Turabdzhanov S. M., Kedelbaev B. Sh., Kushnazarov P. I., Badritdinova F. M., Ponamaryova T. V., Rakhimova L. S. // New approach to the synthesis of polycondensation ion-exchange polymers for wastewater treatment // News of The National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan Series of Geology and Technical Sciences. – 2019. – V. 2. – No. 434. – Pр. 206-216. https://doi.org/10.32014/2019.2518-170X.56