Спосіб очищення вод від іонів металів та радіонуклідів біомасою мікроорганізмів

Изобретение относится к способам очистки водных растворов от широкого спектра металлов и радионуклидов и может быть использовано для очистки сточных вод и вод в отстойниках. Известен способ очистки жидкостей от радионуклидов и тяжелых металлов сорбентом в виде биомассы грибов вида Rhizopus arrhizus. В указанном способе биомассу грибов пересевали на питательную среду, содержавшую глюкозу в качестве источника углерода и энергии и необходимые для роста соли (источники азота, фосфора, серы и т.д.). Затем биомассу грибов наращивали на той же питательной среде в проточных условиях в фермертерах. Полученную биомассу осаждали центрифугированием, промывали дистиллированной водой и использовали как сорбент для удаления радионуклидов и тяжелых металлов из растворов их солей. Недостатком данного способа является сложность и многоэтапность процесса получения биомассы микроорганизмов, а также дороговизна компонентов питательной среды. Кроме того, в очищаемых водных растворах не содержались питательные вещества, необходимые для метаболической активности грибов; таким образом, биомасса грибов использовалась только в качестве физико-химического сорбента. Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение способа очистки водных растворов от широкого спектра металлов, в т.ч. тяжелых металлов и радионуклидов биомассой метаболически активных микроорганизмов и расширение диапазона применения способа в зависимости от концентрации металлов в водных растворах. Поставленная задача решается тем, что в способе, включающем введение питательной среды в биомассу микроорганизмов, загрузку ее в очищаемый водный раствор, выдерживания паузы на аккумуляцию ионов металлов и радионуклидов, сбор биомассы и последующую утилизацию, перед загрузкой биомассы в очищаемую воду осуществляют грануляцию биомассы в присутствии соединений, образующих стабильные неразмокаемые в воде гранулы. В качестве соединений, образующих стабильные неразмокаемые в воде гранулы, используют 2,2,6,6-тетраметил-4-([нитробензил]окси)-1-пиперидинилокси или 2,2,5,5-тетраметил-3-([нитрофенокси]-карбонил)-1-пиролидинилокси. Биомасса микроорганизмов, обладая свойствами очищать, связывать компоненты, в виде гранул приобретает свойства сорбента с большой объемной поверхностью, позволяющей связывать ионы металлов и радионуклиды из очищаемой воды, образуя твердые соединения, что существенно влияет на качество очистки. Гранулирование биомассы микроорганизмов в присутствии соединений, "цементирующих" все компоненты смеси, приводит к образованию неразмокаемых, устойчивых в сточных водах гранул. Это позволяет избежать необходимости использования носителей для иммобилизации микроорганизмов в очистных сооружениях. В отличие от известных микробных технологий очистки сточных вод, в которых 90 95% занимают инертные носители, в гранулах, напротив 90 - 95% занимают микроорганизмы и питательная среда. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Требуется очистить водный раствор, содержащий широкий спектр металлов. Для очистки используют биомассу микроорганизмов, представляющую собой отходы различных микробиологических производств, например, микроорганизмы аэротенков или метатенков городских очистных сооружений, или грибную биомассу продуцентов антибиотиков и т.д. Далее осуществляют подготовку биомассы микроорганизмов. В биомассу микроорганизмов вводят питательную среду, содержащую источники углерода и энергии, фосфора, азота, минеральные соли и соединения, связывающие все компоненты (источники углерода, энергии, фосфора, азота и т.д., а также клетки микроорганизмов) в устойчивые, неразмокаемые в воде гранулы. Это необходимо для получения максимальной метаболической активности микроорганизмов и создания гранул, устойчивых в воде. В качестве соединений, связывающих все компоненты, используют 2,2,6,6тетраметил-4-([нитробензил]окси)-1-пиперидинилокси или 2,2,5,5-тетраметил-3-([нитрофенокси]-карбонил)1-пиролидинилокси. Затем полученный состав перемешивают до получения однородной массы, после чего состав гранулируют путем пропускания под давлением через фильеры. Полученные гранулы высушивают. Таким образом получают полимеризованные гранулы, состоящие из биомассы микроорганизмов с питательной средой. Полученные гранулы сохраняют свою структуру в воде, не имеют искусственных носителей. Гранулы загружают в водный раствор. Количество и масса гранул определяется объемом водного раствора и концентрацией в нем химических элементов. Гранулы выдерживают в течение времени, необходимого для аккумуляции гранулами металлов, затем собирают гранулы, высушивают гранулы в токе теплого воздуха и подвергают утилизации (например, сжигают с получением зольного концентрата химических элементов). Если биореактор, в котором находятся гранулы, выполнен из несгораемого огнеупорного материала, то гранулы после удаления водного раствора могут быть высушены и сожжены непосредственно в реакторе. Пример. Для получения 100г гранул (все компоненты - в пересчете на абсолютно сухой вес) смешивают 90г активного ила аэротенка, осажденного центрифугированием при 10000g, 10г птичьего помета и 0,01г 2,2,6,6-тетраметил-4-([нитробензил]окси)-1-пиперидинилокси и перемешивают. После этого, смесь продавливают на винтовом прессе через фильеры диаметром 2 - 4мм и высушивают. Полученные 100г гранул загружают в 10кг сточной воды, содержащей уран-238, плутоний-239 и америций 241 (см. табл.2). Гранулы выдерживают в течение 1 - 2 суток, затем очищенную воду сливают, а гранулы собирают, высушивают в токе теплого воздуха и утилизируют. В табл.1 и 2 представлены опытные данные по очистке сточных вод от радионуклидов. В табл.3 представлены опытные данные по концентрованию химических элементов гранулированным сорбентом в сточных водах г.Киева. Использование неразмокаемых в воде гранул позволяет достичь степени очистки от радионуклидов на 98,9 - 99,15 и значительно упростить способ очистки сточной воды. Предлагаемый способ очистки можно использовать и для удаления из растворов металлов в проточном режиме. Для этого гранулы размещают в кассетах и раствор пропускают через систему кассет с гранулами, или последовательно соединенные проточные колонки, каждая из которых содержит гранулы и т.д. Предлагаемый способ очистки водных растворов от широкого спектра металлов можно использовать для удаления из водных растворов с высокой концентрацией, например, радиоактивных элементов, либо токсичных металлов. В этом случае на первом этапе погибает часть микроорганизмов в гранулах, происходит физико-химическая сорбция радиоактивных элементов или токсичных металлов биомассой мертвых микроорганизмов. После резкого снижения первоначальной высокой концентрации токсичных металлов дальнейшая глубокая доочистка водного раствора происходит за счет метаболической активности живых микроорганизмов, например, за счет активного транспорта металлов внутрь клетки и т.д. Отходы различных микробиологических производств в виде микробной биомассы, например, активный ил аэротенков или сброженный осадок метатенков городских очистных сооружений, содержат широкий набор таксономических и физиологических групп микроорганизмов, которые реализуют практически все известные механизмы концентрирования из водных растворов металлов (физико-химическая сорбция клеточной стенкой, полисахаридной капсулой; образование нерастворимых осадков при взаимодействии растворенных металлов с экзаметаболитами; активный транспорт внутрь клетки; восстановительная трансформация и др.). Каждый из видов микроорганизмов способен аккумулировать определенный спектр металлов, радионуклидов и т.д., а в целом предложенный способ позволяет очищать водные растворы от широкого спектра металлов и радионуклидов.