БИОКОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ФОСФАТОВ
BIOCOMPOSITE MATERIAL FOR PURIFICATION OF WASTE WATER FROM PHOSPHATES

Изобретение относится к материалам, используемым при очистке фосфатсодержащихсточных вод и может быть использовано в процессе биологической очистки промышленных и бытовых сточных вод.
В последнее время значительно увеличилось концентрация фосфатов в бытовых и промышленных сточных водах. Санитарная норма их содержания в питьевой воде составляет не более 3,5 мг/л, предельно допустимая концентрация для водоемов и рыбохозяйственных производств 0,2 мг/л. Оба значения в настоящее время превышают нормативный показатель. Загрязнение водных объектов фосфатами приводит к развитию процесса эвтрофикации (постепенному зарастанию водоемов водорослямии высшими растениями). Употребление воды с повышенной концентрацией фосфатов негативно сказывается на здоровье человека и животных. Фосфор способен накапливаться в тканях организма и вызывать заболевания центральной нервной системы, желудочно-кишечного тракта, зубов и костей.
Наряду с химическими и физическими методами очистки сточных вод от загрязняющих веществ широкое распространение получили также биологические методы очистки. Они основаны на способности микроорганизмов использовать загрязняющие вещества в качестве источников питания в процессе своей жизнедеятельности. Биологические методы являются экономически выгодными и безопасными, однако не всегда высокоэффективным. Поиск способов повышения эффективности биологической очистки сточных вод является весьма актуальной задачей в настоящее время.
Известен способ очистки сточных вод от фосфатов (RU, патент 2197436, опубл. 27,01,2003), который заключается в использовании инертного загрузочного материала, обрастающего биопленкой, в непосредственный контакт с которой введен металл, создающий условия для процессов биологической коррозии. Очистку ведут с помощью биопленки, образующейся на границе контакта загрузочного материала с металлом.
Недостатком данного способа является возможность вторичного загрязнения воды металлом, используемым для получения биопленки, и нерастворимыми солями, выпадающими в осадок в результате электрохимических реакций.
Известен способ очистки сточных вод (RU, патент 2448056, опубл. 20.04.2012) в аэротенках в присутствии кислорода активным илом, иммобилизованным на плавающей полимерной загрузке. Поверхностный слой плавающей полимерной загрузки модифицируют полифункциональным катализатором при массовом соотношении минерального катализатора и полимера 60:40, соответственно. Глубина модифицированного слоя гранул составляет 2-2,5 мм. В качестве полифункционального катализатора используют смесь оксидов и шпинелей поливалентных металлов при соотношении компонентов, масс. %: оксид марганца 67-75; оксид молибдена 9-12; оксид хрома 5-8; шпинели поливалентных металлов 11-13. Гранулы загрузки имеют сферическую форму диаметром 18-22 мм с шипообразными выступами по всей поверхности сферы высотой 3-4,5 мм, которые располагают рядами с расстоянием между ними в 5,0 мм.
Недостатками данного способа является сложность модификации плавающей полимерной загрузки и не сильно эффективная очистка по фосфатам (около 86,5%).
Описан способ получения биокомпозитного материала для очистки сточных вод от нитрит-, нитрат- и фосфат-ионов (RU, патент 2608527, опубл. 19.01.2017), состоящего из нетканого полимера на основе сополимера акрилонитрила и метилметакрилата, полученный методом аэродинамического формования, заполненногонаполнителем, представляющим собой активированный уголь и измельченные нестерильные растения рода Сфагнум (Sphagnum) или активированный уголь и клеточные стенки водных растений семейства Рясковые (Lemnaceae), и иммобилизованную ассоциацию микроорганизмов, снижающую концентрации нитрат-, нитрит- и фосфат-ионов, в качестве которой используют ассоциацию, содержащую метилотрофные дрожжи рода Torula, бактерии родов Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas.
Недостатком данного изобретения является сложных многокомпонентный состав материала для очистки сточных вод.
Наиболее близким аналогом изобретения являетсябиофильтр (RU, полезная модель 49525, опубл. 27.11.2005 г.), содержащий загрузку из полимерной сетки с пучками волокон, закрепленную на каркасном блоке из прямоугольных пластиковых рамок, скрепленных между собой в параллелепипед. В результате контакта со сточной водой на сетчатой загрузке с пучками волокон образуется биопленка из иммобилизованных микроорганизмов. Обрабатываемая жидкость свободно обтекает нити сетки и закрепленные на ней волокна, благодаря чему достигается необходимый массообмен между сточной водой и прикрепленными микроорганизмами. Применение данного биофильтра позволяет достичь более 60% очистки сточных вод по фосфатам.
Недостатком данного материала является низкая степень очистки воды от фосфатов.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка материала, обеспечивающего высокоэффективную очистку сточных вод от фосфатов с минимальным риском вторичного загрязнения очищаемой воды.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного биокомпозитного материала, состоит в достижении 98,5% степени очистки сточных вод от фосфатов.
Технический результат достигается тем, что при разработке биокомпозитного материала используют иммобилизованную микрофлору на поверхности углеродного носителя, обеспечивающую высокую степень очистки сточных вод за счет наличия микроорганизмов деструкторов-фосфатов и носителя с высокой сорбирующей способностью.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный биокомпозитный материал для очистки сточных вод от фосфатов, полученный путем иммобилизации консорциума микроорганизмов на углеродный носитель, причем для получения материала используют микроорганизмы-деструкторы фосфатов, процесс иммобилизации проходит в течение 2-6 часов при температуре 30°С и постоянном перемешивании.
3
3
Предпочтительно качестве микроорганизмов-деструкторов фосфатов использованы бактерии родов Bacillus и Pseudomonas, а в качестве носителя для иммобилизации использован активированный уголь, соответствующий следующим техническими характеристикам: насыпная плотность 240 г/дм, размер частиц - от 3,6 мм до 7 мм, массовая доля золы и влаги не более 10%, обладающий сильно развитой общей пористостью от 1,45 до 1,55 см/г, широким диапазоном пор диаметром примерно от 2 до 45 мкм, высокой химической и биологической стойкостью.
Разработанный материал используют следующим образом.
При очистки сточные воды подают в установку сверху, затем они стекают самотеком вниз, проходя через слои разработанного биокомпозитного материала в режиме рециркуляции. Внутри установки разрабатываемый материал располагают либо в виде слоев, либо используют в качестве наполнителя биофильтров. Сточная вода проходит через слои биокомпозитного материала, бактерии начинают использовать фосфаты в качестве источников энергии и питания. Фосфаты участвуют в биоэнергетических процессах бактерий, регулируют и поддерживают на нужном уровне концентрацию аденозин-трифосфата (АТФ) в клетках, который играет важную роль в обмене энергии и веществ в живых организмах. Очистка воды происходит с помощью адсорбции загрязняющих веществ на поверхности активированного угля и биохимического окисления микроорганизмами консорциума.
Пример выполнения и использования изобретения.
При создании консорциума выбрали штаммы бактерии Bacillus sp. В5061, Pseudomonas aeruginosa В8243 и Pseudomonas pitida В1827 (зарегистрированные в ГосНИИгенетика), которые обладают высокой ферментативной и сахаролитичекой активностью, способны использовать фосфаты в качестве источника питания и проявляют симбиотические отношение друг с другом.
3
3
В качестве носителя для иммобилизации консорциума использовали активированный уголь со следующими техническими характеристиками: насыпная плотность 240 г/дм, размер частиц - от 3,6 мм до 7 мм, массовая доля золы и влаги не более 10%, обладающий сильно развитой общей пористостью (1,45-1,55 см/г), широким диапазоном пор (диаметр примерно 2-45 мкм), высокой химической и биологической стойкостью. Так же активированный уголь используется как адсорбент и при очистки сточных вод может адсорбировать на своей поверхности часть загрязняющих веществ, тем самым способствуя их более быстрому биохимическому окислению иммобилизованными микроорганизмами.
7
8
Для получения биокомпозитного материала иммобилизацию микроорганизмов проводили с использованием адсорбционного метода. Для этого готовили суспензию микроорганизмов с концентрацией 10-10 КОЕ/мл и инкубировали активированный уголь и суспензию микроорганизмов при соотношении 1:1 при температуре 30°С и постоянном перемешивании в течение 2-6 часов. Адсорбция происходила за счет ионного и электростатического взаимодействия между носителем и поверхностью клетки. Данный вид иммобилизации является наиболее мягким для живых клеток. По окончанию процесса иммобилизации полученный биокомпозиционный материал промывали дистиллированной водой минимум 3 раза, для удаление не прикрепившихся микроорганизмов.
Бытовые сточные воды поступали в установку сверху и вниз, проходя через слои разрабатываемого биокомпозитного материала и циркулировали в ней в течение 48 часов. Сточная вода свободно проходит через слои биокомпозитного материала, фосфаты и другие загрязняющие вещества адсорбировались на поверхности активированного угля и взаимодействовали с иммобилизованными микроорганизмами. Степень очистки по фосфатам составила 98,5%. Остаточная концентрация фосфора не превышала показатели ПДК.
Срок эксплуатации разрабатываемого биокомпозитного материала составляет более 5 месяцев без потери показателей эффективности очистки.
Результаты сравнительных испытаний очистки сточных вод представлены в таблице 1.
Сравнение показало, что разрабатываемый биокомпозиционный материал на основе активированного угля и иммобилизованный на его поверхности консорциум микроорганизмов родов Bacillus и Pseudomonas является более эффективным материалом по сравнению с представленным аналогом. Повышение эффективности процесса очистки сточных вод происходит за счет использования микроорганизмов-деструкторов фосфатов, иммобилизованных на поверхности адсорбента, который сорбирует на своей поверхности часть загрязняющих веществ.