ОБРАБОТКА ИЛА, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ ПРИ ВОДООЧИСТКЕ
TREATMENT OF SLUDGE FORMED DURING WATER TREATMENT

Изобретение относится к способу обработки очищенного ила и к очищенным илам, обработанным нижеприведенным способом.
Обработка неочищенных сточных вод требует, в основном, этапа фильтрации или отстаивания (в результате чего удаляют крупные частицы и гравий), за которым следует этап, в котором водная фаза подвергается воздействию аэробных бактерий для уменьшения содержания биоразлагаемых субстанций. Последний этап предполагает  обработку активного ила, который представляет собой концентрированную бактериальную массу. Нужно исключить биоразлагаемые субстанции перед водосбросом жидкой фазы в проточную воду, например в реки, в противном случае бактериальное разложение этих субстанций в реке потребляло бы растворенный в воде кислород, что привело бы к смерти рыб, зловонному запаху и общему загрязнению окружающей среды. В процессе разложения бактериальных субстанций происходят рост и размножение бактерий, что вызывает скапливание бактериальных илов, которые следует уничтожить.
В частном случае, избыток илов может быть переработан в  анаэробных условиях, где, в основном, бактерии размножаются в новых условиях для производства метана и уменьшения биомассы, но, в конечном итоге, остается далее неуменьшаемая масса отходов, которые необходимо уничтожить. Существует определенное количество процессов, таких как контролируемый сток и выброс в море, при этом ни один из них не имеет преимуществ по загрязнениям. В порядке альтернативы избыток илов может быть сожжен (что весьма дорого) или распределен по сельскохозяйственным землям и, в последнем случае, илы могут использоваться в качестве удобрений для улучшения почв, что является преимуществом.
К сожалению, илы могут содержать значительное количество патогенных организмов и в этом случае они должны быть дезинфицированы для уменьшения до приемлемого и экологически допустимого по санитарным нормам содержания любого патогенного организма перед внесением дезинфицированных илов в землю. Органическим индикатором, используемым для оценки патогенного риска, является кишечная бактерия. Для соответствия законным нормативам Объединенного Королевства в классически обработанных илах уровень кишечной бактерии должен быть уменьшен на 99% (то есть логарифмическое снижение вдвое) и максимально допустимый уровень кишечной бактерии в очищенных илах не более 100000 на грамм сухого ила (gbs). В улучшенных обработанных илах в Объединенном Королевстве сальмонелла должна отсутствовать, а уровень кишечной бактерии должен быть уменьшен на 99,9999% (то есть логарифмическое снижение в 6 раз). Максимально допустимый уровень кишечной бактерии в очищенном улучшенном иле составляет 1000 на грамм сухого ила. Ожидается, что подобные нормативы будут приняты в будущем во всей Европе и в США.
Для уменьшения бактериальной зараженности можно использовать различные способы, в частности обработку известью (что связано с загрязнением, требует значительных капиталовложений и создает серьезные проблемы при использовании), термическую обработку (весьма дорогостоящую) или обычное складирование ила до тех пор, пока уровень бактериального загрязнения не упадет до необходимой границы. В последнем случае очень большие объемы скапливающегося ила на большинстве станций очистки сточных вод не могут быть складированы в течение необходимого времени в связи с недостаточными емкостями для складирования. Либо нельзя установить достаточные емкости из-за отсутствия места, либо это требует больших капиталовложений.
Теоретически, другой способ уменьшения содержания бактерий состоит в использовании дезинфицирующих средств. Однако дезинфектанты, имеющиеся в настоящее время, не сразу проявляют свои свойства и требуют длительного времени для уменьшения содержания бактерий до приемлемого уровня, создавая, таким образом, проблемы с хранением большого количества ресурсов на большинстве станций по очистке сточных вод. Использование дезинфектантов также является дорогостоящим.
Было обнаружено, что использование фосфорсодержащего соединения (в частности, фосфониевой соли) самого по себе или в комбинации с другими обрабатывающими средствами при воздействии на очищенный ил вызывает общее уменьшение содержания патогенных организмов в обрабатываемых илах по сравнению с сырыми необработанными илами, эквивалентное логарифмическому уменьшению вдвое.
Таким образом, настоящее изобретение предлагает способ обработки очищенного ила для уменьшения содержания патогенных организмов в указанном иле, при этом способ содержит следующие операции:
а) добавление в ил эффективного количества фосфорсодержащего соединения; и
б) удержание фосфорсодержащего соединения в контакте с илом в течение времени, достаточного для получения окончательно обработанного ила, в котором общее уменьшение патогенных организмов составляет количество, соответствующее логарифмическому уменьшению вдвое по сравнению с количеством патогенных организмов в необработанном иле.
В варианте реализации фосфорсодержащее соединение может быть добавлено к необработанному очищенному илу (сырому). Фосфорсодержащее соединение предпочтительно добавляется в необходимом количестве для уменьшения общего содержания патогенных организмов в необработанном очищенном иле до количества, эквивалентного логарифмическому уменьшению вдвое или больше.
Во втором варианте реализации фосфорсодержащее соединение может быть добавлено к очищенному илу, который уже был подвергнут одной или нескольким обработкам для уменьшения общего количества присутствующих патогенных организмов, этот вид ила в дальнейшем будет называться “предварительно обработанный ил”. Предпочтительной обработкой для получения предварительно обработанного ила является анаэробное разложение.
Фосфорсодержащее соединение предпочтительно добавляется в предварительно обработанный ил в количестве, достаточном для уменьшения содержания патогенных организмов в предварительно обработанном иле, так, чтобы после предварительной обработки и обработки фосфорсодержащего соединения их логарифмическое уменьшение составило 2 или более.
В другом варианте реализации фосфорсодержащее соединение находится в контакте с предварительно обработанным илом в течение времени, достаточном для общего снижения содержания патогенных организмов по сравнению с необработанным илом до уровня, соответствующего логарифмическому снижению в двое или более; и общее снижение содержания патогенных организмов, достигаемое при добавлении фосфорсодержащего соединения, и является количеством, эквивалентным логарифмическому уменьшению менее 2.
Следовательно, например, необработанный очищенный ил может быть подвергнут анаэробной обработке перед этапом (а). Этап анаэробной обработки мог бы, например, вызвать уменьшение содержания патогенных организмов до количества, эквивалентного логарифмическому уменьшению от 1,0 до 1,8, предпочтительно 1,5. Необработанный ил после этапа анаэробной обработки мог бы быть назван предварительно обработанным илом. Фосфорсодержащее соединение могло бы быть затем добавлено в предварительно обработанный ил для большего уменьшения содержания патогенных организмов. Фосфорсодержащее соединение могло бы вызвать дополнительное уменьшение содержания патогенных организмов на количество, эквивалентное логарифмическому снижению от 0,2 до 1,0, или предпочтительно до 0,5, или, соответственно, относительно содержания патогенных микробов в необработанном иле. Этот способ мог бы привести к общему уменьшению содержания патогенных организмов в иле до количества, эквивалентного логарифмическому уменьшению вдвое или более по сравнению с содержанием патогенных организмов в необработанном и полностью обработанном иле.
Предпочтительно способ по настоящему изобретению обеспечивает снижение содержания патогенных организмов до количества, эквивалентного логарифмическому уменьшению от двух до шести раз содержания патогенных организмов в окончательно обработанном иле после обработки способом по настоящему изобретению, по сравнению с количеством патогенных организмов  в необработанном иле.
Предпочтительно, фосфорсодержащее соединение находится в контакте с илом в течение времени, достаточного для уменьшения общего количества патогенных микробов в иле по сравнению с необработанным илом и его логарифмического снижения втрое и более, а еще лучше вчетверо и более.
Предпочтительно, фосфорсодержащее соединение является фосфорорганическим соединением.
Предпочтительно, фосфорсодержащее соединение является фосфониевым соединением, в частности солью тетракис(гидроксиоргано)фосфония или соединением формулы (I)
[R'R''(CH<sub>2</sub>OH)<sub>2</sub>P<sup>+</sup>]<sub>n</sub> X<sup>n-</sup>
(I)
в которой
n соответствует валентности Х;
R' и R” могут быть идентичными или различаться и выбраны из алкильной, гидроксиалкильной, алкенильной или арильной групп, а Х является анионом.
R' и R” предпочтительно имеют от 1 до 20 атомов углерода в цепи.
Х предпочтительно выбран из группы, в которую входят хлорид, сульфат, фосфат, ацетат, оксалат и бромид.
В частности, композиция на основе фосфония является сульфатом тетракис(гидроксиметил)фосфония.
В качестве альтернативы фосфониевым соединением может быть, например, хлорид тетракис(гидроксиметил)фосфония, бромид тетракис(гидроксиметил)фосфония, фосфат тетракис(гидросиметил)фосфония, ацетат тетракис(гидроокиметил)фосфония или оксалат тетракис(гидроксиметил)фосфония.
В качестве альтернативы фосфорсодержащим соединением может являться фосфин, содержащий алкильный заместитель, например, трис(гидроксиметил)фосфин, соответствующий формуле (II):
(CH<sub>2</sub>OHR<sub>2</sub>)P
(II)
в которой
каждый из радикалов R, которые могут быть идентичными или различными, выбран из алкильной, гидроксиалкильной, алкенильной или арильной группы.
Количество фосфорсодержащего соединения, добавляемого к илу на этапе (а) способа по настоящему изобретению, выгодно составляет до 10000 мг/л, предпочтительно 100-2500 мг/л и особенно 200-1000 мг/л.
Альтернативно, количество фосфорсодержащего соединения, добавляемого в ил, может быть выражено по отношению к весу сухого экстракта. Полезно, когда количество добавляемого соединения составляет примерно 30% от веса сухого экстракта. Предпочтительно, чтобы количество добавляемого фосфорсодержащего соединения могло быть от 0,1 до 20%, например, от 0,1 до 10%, как от 0,2 до 5% или от 0,4 до 2% к весу сухого экстракта.
Этап (б) способа по настоящему изобретению может быть реализован за период от 1 секунды до 14 дней. Например, от 6 до 24 часов, от 1 до 6 часов, от 1 до 60 минут, от 1 до 60 секунд или от 1 до 15 секунд.
Логарифмическое уменьшение общего содержания патогенных организмов может быть измерено в жидком иле таким образом, чтобы жидкий ил, окончательно обработанный в соответствии с настоящим изобретением, достиг снижения общего уровня патогенных организмов до количества, эквивалентного логарифмическому снижению вдвое или более. Выражение «жидкий ил» использовано здесь как ил, содержащий сухой остаток в количестве от 1 до 4% по весу.
Предпочтительно, чтобы общее уменьшение содержания патогенных организмов, эквивалентное логарифмическому снижению в два и более раз, достигаемому в способе по настоящему изобретению, происходило в промежуток времени, более короткий, чем промежуток времени без использования фосфорсодержащего соединения. Например, общее уменьшение содержания патогенных организмов, эквивалентное логарифмическому снижению в два и более раз, которое позволяет получить способ по настоящему изобретению, предпочтительно достигается в промежутке от 20 до 30 часов, а еще лучше в промежутке в 24 часа.
Кроме того, логарифмическое снижение общего содержания патогенных организмов может быть измерено по слою ила таким образом, что окончательно обработанный ил после обработки по способу в соответствии с изобретением обеспечивает уменьшение общего уровня патогенных организмов в слое высушенного ила до количества, эквивалентного логарифмическому снижению в два и более раз. Слой ила определен здесь как содержащий сухой остаток в количестве от 20 до 30% по весу.
Общее уменьшение содержания патогенных организмов, эквивалентное логарифмическому снижению в два и более раз, которое позволяет получить способ по настоящему изобретению, достигается в промежуток времени, более короткий, чем тот промежуток времени, который был бы необходим без использования фосфорсодержащего соединения.
Настоящее изобретение гарантирует также, что, независимо от того, будет ли обрабатываемый ил использоваться в жидкой форме или в виде слоя, необходимое уменьшение уровня патогенных организмов достигается для того, чтобы обрабатываемый ил мог быть использован по назначению.
Скорость введения фосфорсодержащего соединения и скорость перемешивания смеси являются важными для получения максимальной эффективности способа. Для получения максимальной отдачи оба действия должны быть весьма короткими, насколько позволяет технология, и время контакта должно быть доведено до максимума.
В способах, в которых берется за основу осаждение под действием естественной гравитации очищаемого ила, этап (б) длится предпочтительно от 6 до 24 часов. В способах, в которых очищенный ил, если представится случай, отжимается, например, в центрифуге или фильтрпрессе для получения “лепешки”, этап (б) реализуется за время от 15 секунд до 24 часов. При получении такого слоя ила могут быть использованы такие добавки, как хлориды полидиаллилдиметиламмония, полиамины, катионные полиакриламиды и анионные полиакриламиды.
Патогенные организмы, имеющиеся в иле, разделяются на следующие группы:
бактерии, в частности кишечная бактерия (Escherichia coli), сальмонелла (Salmonella), дизентерийная бактерия (Shigella), холерный вибрион (Vibreo cholerae), бациллы эхиноцереус (Bacilles cereus), листерия (Listeria monocytogenes), кампилобактерия (Campylobacter) и чумная бактерия (Yersinia pestis);
вирусы, в том числе ротавирусы, кальцивирусы, аденовирусы группы F и астровирусы;
простейшие, в частности Entamoeba, лямблии (Giardia), балантидии (Balantidium coli) и криптоспоридии (Cryptosporidium);
гельминты и их яйца, в частности нематоды, например, Ascaris lumbricoides (аскариды), Trichuris trichiura (трихоцефалы), Ancylostoma duodenale (анкилостомы), Strongyloides stercoralis (круглый червь), трематоды, например, Schistosoma, ленточные черви, например, Taenia saginata (бычий цепень) и Taenia solum (свиной цепень).
Настоящее изобретение предлагает, кроме того, очищенный ил, обработанный по предложенному способу. Обработанный ил может быть жидким или в виде “лепешки”.
Настоящее изобретение будет проиллюстрировано на нижеследующих примерах.
В примерах фосфорсодержащее соединение, используемое для обработки очищенного ила, на 75% по весу содержит сульфат тетракис(гидроксилметил)фосфония, доступный от фирмы Rhodia Consumer Specialties Limited. Для облегчения описания этот продукт будет далее называться “соль фосфония”.
Для сравнения очищенный ил был обработан классической дезинфекционной композицией - дибромонитрилопропионамидом (DBNPA).
В каждом примере наблюдаемой бактерией была кишечная бактерия.
ПРИМЕРЫ 1-4
1.1 МЕТОДОЛОГИЯ
Принятая методология для оценки биоцидных свойств явилась исследованием количественного состава суспензии (ESQ), использующей в качестве среды ESQ стерильный ил из метантенка, в который внедрена предварительно изолированная от ила культура кишечной бактерии. В этом случае стало возможным использовать совместно химическое окружение (стерильный ил) с бактериальной атакой. Это повышает воспроизводимость исследования.
1.2 МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ
Был приготовлен стерильный ил из образцов сырого ила путем их обработки в автоклаве при 121°С в течение 20 минут. Штаммы кишечной бактерии, используемые в ESQ, были изолированы от образцов сырого ила.
ESQ было реализовано следующим образом.
Образцы стерильного ила (19 мл) были помещены в универсальные стерильные пластмассовые флаконы с винтовой крышкой номинальной емкостью 30 мл.
К каждому образцу было добавлено по 0,5 мл разбавленной клеточной суспензии кишечной бактерии, приготовленной в термостате при 44°С в течение 16 часов в бульоне триптозной сои, которая была центрифугирована (при 14500 об/мин в течение 10 мин) и помещена в виде суспензии в стерильный фосфатный тампон (0,2М при рН 7,2). Посев 0,5 мл достаточен для обеспечения конечной клеточной концентрации примерно 100000000 на мл в 20 мл среды ESQ.
Готовят свежие растворы продуктов химической обработки стерильного фосфатного тампона (0,2М при рН 7,2) титрованием до концентраций таких, чтобы при добавлении 0,5 мл в среду ESQ (конечный объем 20 мл) получить желаемую концентрацию биоцида.
Хорошо перемешивают среду ESQ и поддерживают температуру 22°С во время проведения исследований.
В интервале времени исследования хорошо перемешивают ил и отбирают пробу образцов (1,0 мл) из среды ESQ, которая была заражена, в первую пробирку для последующего разбавления содержимого бульоном MacConkey, обогащенного тиосульфатом натрия (5,0 г/л) для инактивации биоцида, случайно внесенного в последующие разбавления. Эта операция реализуется в двух экземплярах.
Остальные последующие разбавления (на этапе 1/10) были реализованы только в бульоне MacConkey и пробирки выдерживались при 44°С в течение 16 часов. Изменение цвета было отмечено при повышении разбавления в серии, выраженное в изменении цвета от пурпурного до желтого и появлении помутнения.
Бульон MacConkey был выбран потому, что эта среда содержит индикатор рН бромкрезоловый пурпурный, который изменяет цвет от пурпурного до желтого, когда среда становится кислой. Речь идет о непрямом индикаторе, который опосредованно показывает рост количества микробов по появлению органической кислоты, когда этот рост не может быть обнаружен по появлению помутнения в исходной прозрачной среде. Учитывая, что илы содержат твердые включения во взвеси, первые две пробирки серии разбавлений сразу показывают помутнение при добавлении ила. Это говорит о том, что нельзя использовать помутнение в качестве единственного индикатора микробного роста.
Биоциды, используемые в подсчетах, приведены в следующей таблице:
ТИП БИОЦИДА
АКТИВНОЕ НАЧАЛО (ан)
ПРОЦЕНТНОЕ СОДЕРЖАНИЕ (ан)
Соль фосфония
THPS
75
DBNPA
DBNPA
98
ПРИМЕРЫ 1-3
В данном примере полезные свойства фосфониевой соли продемонстрированы в интервале концентраций от 250 до 1000 мг/л. Концентрации от 250 до 500 мг/л дали результаты с более плоской кривой разложения в течение первых 6 часов контакта с последующим снижением количества бактерий до полного разложения в течение 48 часов.
А характеристика, представленная кривой разложения в функции от времени при 1000 мг/л, показывает более быстрый процесс. Кривая разложения в функции от времени в течение первых 6-ти часов контакта является возрастающей и полное разложение происходит в течение 24 часов.
В порядке сравнения уровни содержания кишечной бактерии в необработанном иле снижаются, естественно, медленнее. Даже исходя из низкого уровня содержания кишечной бактерии в 10000 КОЕ/г сухого остатка, нужно 6 часов для их полного уничтожения. Исходя из более высокого уровня в 10 «8,5» КОЕ/г сухого остатка, уровень опускается только до 10000 КОЕ/г сухого остатка через 8 дней. Таким образом, обработка фосфониевой солью полностью себя оправдала.
ПРИМЕР 4
В данном примере проиллюстрировано преимущество соли фосфония по сравнению с солью DBNPA. Исследовано два вида биоцидов при равных активных концентрациях в 500 мг/л. DBNPA имеет худшие антимикробные свойства, которые достигают логарифмического уменьшения в 2,5 раза только через 48 часов.
Представленные выше примеры доказывают со всей очевидностью следующие характеристики настоящего изобретения:
(а) повышение концентрации фосфониевой соли при обработке от 500 до 1000 мг/л вызывает значительное увеличение отдачи;
(б) во всех опытах было получено полное уничтожение микробов;
(в) по сравнению с производительностью DBNPA, производительность фосфониевой соли выше.
ПРИМЕР 5
В данном примере проиллюстрированы полезные свойства фосфониевой соли при обработке необработанных сырых сточных вод, не подвергнутых предварительной обработке, такой как анаэробная.
Производительность фосфониевой соли была изучена при принципиально равных активных концентрациях, при 375 мг/л и при 500 мг/л.
Было получено логарифмическое снижение в 3 раза по количеству кишечной бактерии после чуть более минутного контакта сырого необработанного очищенного ила и фосфониевой соли при концентрации в 500 мг/л и после контакта чуть менее двух минут сырого необработанного очищенного ила и фосфониевой соли при концентрации в 375 мг/л.