Спосіб очищення води від радіонуклідів

1 Спосіб очищення води від радіонуклідів, що включає обробку води мікроорганізмами, який відрізняється тим, що процес обробки проводять при масовій частці біомаси, що дорівнює 10-20 г/кг носія в перерахунку на суху вагу, використовуючи як мікроорганізми пдробюценоз природного водоймища, причому останній іммобілізують на волокнистому НОСІЄВІ типу "ВІЯ" 2 Спосіб за п 1 , який відрізняється тим, що іммобілізацію мікроорганізмів проводять природним шляхом, поміщуючи носій у водойму на 12-40 діб Винахід відноситься до області обробки води, а саме до біологічного очищення водного середовища і може бути використаний для очищення поверхневих природних та стічних радіоактивне забруднених вод Відомий ряд способів очистки води від радіонуклідів іонний обмін, зворотній осмос, мікрофільтрація (мембранні методи), флокуляція, осадження тощо [Ю В Кузнецов, В Н Щебетковский, А Г Трусов Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений М , Атомиздат, 1974, 360с] [1] Однак більшість з цих методів нерентабельні при очищенні великих об'ємів поверхневих вод або недостатньо ефективні для очищення води від радіонуклідів Відомий спосіб очистки великих об'ємів води від радіонуклідів у низьких концентраціях шляхом використання коріння деяких рослин (ризофільтрація) [S Dushenkov et al Removal of Uranium from Water Using Terrestrial Plants// Environ Sci Technol-1997- V 31, N 12- P 34683474] [2] Відомий спосіб потребує проведення земляних робіт по насадці та вилученню коріння в зоні підвищеної радіації, що значно обмежує його практичне використання Відомий спосіб очистки води від радіонуклідів [Г Г Грузина и др Сорбция ионов тяжелых металлов из водных сред бактериями Bacillus cereus B4368 и Alcahgenes eutrophus CH34 // Химия и технология воды 2002-Т 24 №3-С 283291] [3], в якому використовують мікроорганізми Суть способу полягає у використанні чистих культур Bacillus cereus та Alcahgenes eutrophus, які вирощували на спеціальних середовищах, потім відмивали і до їх водних суспензій вносили розчини солей різних важких металів Інкубація клітин з металами відбувалась протягом ЗОхв, після чого бактерії відокремлювали від розчину фільтруванням і аналізували КІЛЬКІСТЬ металу в фільтратах та на фільтрі методом атомноабсорбційної спектроскопії Як витікає із технічної суті відомого способу [3], реалізація його не забезпечує достатньо високого ступіню очистки від важких металів Слід також ВІДМІТИТИ високу вартість способу, що складається із вартості поживних середовищ, обладнання для вирощування культур, енергетичних затрат, залучення до реалізації процесу висококласних спеціалістів-бютехнолопв Крім того цей спосіб трудомісткий і в такому вигляді цілком не придатний для застосування в природних умовах для видалення, наприклад, радіонуклідів із забруднених вод Відомий також спосіб очищення води від радіонуклідів з використанням мікробних матів на силікагелі [J Bender et al Bioremediation and Bioreduction of Dissolved U(VI) by Microbial Mat Consortium Supported on Silica Gel Particles// Environ Sci Technol - 2000 - V 34, N 15 - P 32353241] [4] Суть способу полягає в вирощуванні трьох груп бактерій (ціанобактерії Oscillatona sp , Rhodopseudomonas та сульфатредукуючі бактерії1) 00 о> о о> ю 59098 в живильному середовищі з силікагелем протягом 5-7 днів при 22°С Одержана на силікагелі бюплівка (силіка-мат) використовується для очищення води від радіонуклідів як сорбент Сорбцію проводять в статичних умовах, при цьому потрібна щонайменше 6-кратна обробка води при співвідношенні сорбент водний розчин 110 Все це вимагає спеціального обладнання, поживних середовищ та умов для вирощування мікробів В зв'язку з наведеним вище, цей метод малопридатний для очистки великих об'ємів води Крім того, описаний метод очистки надзвичайно трудомісткий Найбільш близьким до винаходу за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб, описаний в роботі [Мареев И Ю , Серик В Ф , Помыткин В Ф , Ховрычев М П Переработка жидких радиоактивных отходов с использованием микроорганизмов //Атомная энергия - Т 74, вып 2 - 1993 - С 123-127] [5] Суть способу полягала в одержанні сорбуючої суспензії мікроорганізмів, процесі фільтрування розчину радіонуклідів крізь шар біомаси мікроорганізмів (бюсорбент) з наступним сушінням радіоактивної біомаси Бюсуспензію готували із штамів міцеліальних грибів, бактерій, дріжджів та актиноміцетів з ВІДПОВІДНИМ використанням поживних середовищ для їх вирощування, а саме для міцеліальних грибів - середовище Чапека-Докса, бактерій м'ясо-пептонний бульйон, дріжджів - неохмелене освітлене пивне сусло, а для актиноміцетів такого складу (в г/л) кукурудзяний екстракт - 10, глюкоза - 5, крохмаль - 15, (NH^SO^ - 4, NaCI - 5, сума мікроелементів - 5 Культури зберігали на агаризованих середовищах при 277±1К Біомасу вирощували при 301К (28°С), ВІДДІЛЯЛИ центрифугуванням, промивали і суспендували в дистильованій воді Фільтрацію проводили, наприклад, через шар біомаси мікроорганізмів умовно названу МН-4 В колонку діаметром 1,3 10 2 м загружали біомасу з концентрацією 60,4кг/м3 сухої біомаси (висота шару 2,6 10 2 м) і з швидкістю 2,8 101°м3/с пропускали радіоактивний розчин хлоридів цезію і стронцію (V=810 6 м 3 ) у концентраціях, Бк/м3, С (90Sr)=4,4 108, С (137Cs)-4,0 107 За результатами наведеними в [5], були розраховані питома активність сорбенту, Бк/кг та питома витрата біомаси (рос мов расход), кг/м3 очищеної води Результати ефективності очистки радіоактивне забрудненої води наведені в таблиці 1 Таблиця 1 Питома витрата біомаси, кг на м3 очищеної води Активність ВИХІДНОЇ 3 Активність ВОДИ ПІСЛЯ 3 води Авих, Бк/м очистки Айн, Бк/м 25,0 4,4 10й 25,0 4,0 10' 1,48 10й yu Sr 4,32 10ь Питома активність Ступінь очистки CO, відпрацьованого % біосорбенту, Бк/кг "Cs Як видно з даних таблиці 1, реалізація відомого способу [5] не забезпечує достатнього ступеню очистки як від 90Sr, так і від 1 Cs ступінь очистки від 90Sr складає 89,2%, а від l37 Cs всього 66,5% Представлені дані також свідчать про низьку питому активність відпрацьованого сорбенту, яка дорівнює для 90Sr 4,8 106, а для 137Cs 6 10 Бк/кг при достатньо високій витраті біомаси (25кг/м3) Таким чином, основними недоліками даного способу є недостатньо високий ступінь очистки води від радіонуклідів при високій питомій витраті біомаси та низькій питомій активності біосорбенту Крім того, даний спосіб має високу вартість, яка складається з витрат на вирощування чистих культур, на живильне середовище, обладнання для відокремлення біомаси Сорбент за вказаним способом знаходиться у вигляді суспензії, тобто в некондицюнованому вигляді, що потребує низької лінійної швидкості протікання води Це обмежує сферу використання вказаного способу в природних умовах, особливо в проточній воді Завданням винаходу, що пропонується, є розробка способу очищення води від радіонуклідів шляхом використання активного природного пдробюценозу (біосорбенту), отриманого бюобростанням волокнистого носія в природному водоймищі, що забезпечило б високий ступінь очистки води, незначну витрату іммобілізованого 4,8 1 0 ь 6,0 Іьи 66,5 89,2 пдробюценозу та його високу питому активність при значному спрощенні технології очистки, значному зменшенні вартості способу очистки та можливості ефективного використання його для очистки радіоактивне забруднених вод в протоці в природних умовах Для вирішення поставленого завдання запропоновано спосіб очищення води від радіонуклідів, що включає обробку води мікроорганізмами, в якому, згідно з винаходом, обробку проводять при масовій частці біомаси рівній 10-20г/кг носія в перерахунку на суху вагу, використовуючи як мікроорганізми пдробюценоз природного водоймища, причому останній іммобілізують на волокнистому НОСІЄВІ типу "ВІЯ" і іммобілізацію мікроорганізмів проводять природним шляхом, поміщаючи носій у водойму на 12-40діб Нами встановлено, що природний пдробюценоз, іммобілізований на волокнистому НОСІЄВІ, є активним бюсорбентом при вилученні радіонуклідів із забруднених вод Використання волокнистого носія типу "ВІЯ" з розгалуженою поверхнею дозволяє нарощувати достатню КІЛЬКІСТЬ біомаси, що являє собою розвинутий трофічний ланцюг з усіма ланками природного пдробюценозу Одержаний бюсорбент сприяє ефективному процесу сорбції, концентруванню у трофічному ланцюзі та утриманню ним 59098 радіонуклідів Активність пдробюценозу на 3-4 порядки вища, ніж води, в якій він живе та інтенсивно розмножується Запропонований спосіб простий в реалізації, не потребує значних витрат та складного дорогого обладнання для отримання бюсорбенту, відзначається технологічністю, можливістю очистки великих об'ємів радіоактивно забруднених вод та використання в природних умовах, особливо в проточній воді Спосіб реалізується таким чином Очищенню підлягали водні модельні розчини, які містили радіонукліди цезію та стронцію, вихідна активність води при цьому ВІДПОВІДНО складала 440-4,4 109 та 40-4,0 109Бк/м3 Для одержання іммобілізованого природного пдробюценозу, який використовували як бюсорбент, волокнистий носій "ВІЯ" поміщали у природне водоймище м Києва на 12-40діб, що забезпечувало наростання біомаси в КІЛЬКОСТІ 1020г/кг носія в перерахунку на суху біомасу КІЛЬКІСТЬ нарощеної біомаси оцінювали по білку [Метаболизм микроорганизмов Практикум Под ред Н С Егорова М Изд-во МГУ, 1986 - 256с ] [6] Очищення проводили в динамічному режимі, пропускаючи модельні радіоактивні розчини через шар бюсорбенту в колонці Ефективність використання запропонованого способу також була досліджена в природних умовах в протоці каналу з радіоактивне забрудненою водою в 30-км зоні ЧАЕС При цьому бюсорбент готували шляхом нарощування біомаси на волокнистому НОСІЄВІ типу "ВІЯ" в природному водоймищі м Києва Сумарну бета-активність води і бюсорбенту визначали в процесі очищення на бета-радюметрі КРК1-01А Приклад реалізації за винаходом Для одержання іммобілізованого природного пдробюценозу волокнистий носій "ВІЯ" поміщали в природну водойму м Києва на ЗОдіб Після цього оцінювали масову частку біомаси на НОСІЄВІ ЗГІДНО з розрахунками на 1кг волокнистого носія було іммобілізовано 15г пдробюценозу (в перерахунку на суху вагу), тобто масова частка біомаси становила 15г/кг носія Очищення проводили в динамічному режимі В колонку діаметром 1 10 2 м загрузили 10г бюсорбенту з вологістю 75,8%, висота шару якого складала 2310 2 м Радіоактивний розчин хлоридів цезію і стронцію ( V-125 1 0 V ) з активностями, Бк/м3 l37 Cs 4,4 10* та Sr-4,0 10 пропускали зі швидкістю 3,0 10 9 м7с Дані наведені в таблиці 2 Активність очищеної води (при питомому витрачанні біомаси 1,2кг/м очищеної води) складала по 137Cs 0,42 108 і по 90Sr 3,92 106Бк/м3, тобто ступінь очистки становив 90,5 і 90,2%, при цьому питома активність відпрацьованого сорбенту дорівнювала 1 1071 9 105Бк/кг, ВІДПОВІДНО (таблиця 2, приклад 2) Таблиця 2 № пп 1 2 3 4 5 Масова Активність ВИХІДНОЇ ВОДИ 4,4 10°Бк/м1і Активність ВИХІДНОЇ ВОДИ 4,0 Ю'Бк/м" Термін частка Питома нарощуван- Активність Активність Питома бюмас и активність Ступінь Ступінь ня біомаси води після води після активність на відпрацьованого очистки очистки (пдробю- ОЧИСТКИ Акін, ОЧИСТКИ Акін, відпрацьованого НОСІЄВІ, бюсорбенту, CO, % CO, % ценозу), діб бюсорбенту, Бк/кг Бк/м3 Бк/м3 Бк/кг г/кг yu "Cs Sr За винаходом 10 12 0,84 10" 0,9 10' 81,0 0,84 10' 7,8 10D 78,8 15 36 0,42 10" 1,010' 90,5 0,39 10' 9,0 10D 90,2 20 40 0,21 10" 1,05 10' 95,2 0,30 10' 9,2 10D 92,4 Позамежні значення 8 10 1,50 10" 0,7 10' 64,5 1,1510' 7,1 10D 71,2 22 44 0,19 10" 1,06 10' 95,7 0,30 10' 9,2 10D 92,5 Встановлено, що заявлена масова частка природного пдробюценозу (10-20г/кг носія) та термін його нарощування протягом 12-40діб в природній водоймі вибрані із умов, які забезпечують високий ступінь очистки забруднених вод від l37Cs на (81,0-95,2)% і 90Sr на (78,8-92,4)% при високій питомій активності відпрацьованого бюсорбенту (0,910 7 5 5 1,06 10 )Бк/кгта (7,8 10 -9,2 10 )Бк/кг, ВІДПОВІДНО Позамежне зменшення масової частки пдробюценозу (бюсорбенту) на НОСІЄВІ (8Г/КГ НОСІЯ) при одночасному зменшенні терміну його іммобілізації (Юдіб) приводить до значного зменшення ступеня очистки від l37Cs-64,5% та 90Sr71,2%, при цьому відзначається і зменшення питомої активності відпрацьованого бюсорбенту (табл 2, приклад 4) Позамежне збільшення пдробюценозу (бюсорбенту) масової на НОСІЄВІ частки (22Г/КГ НОСІЯ), ЩО вимагає позамежного збільшення терміну іммобілізації (44 доби), є нераціональним, тому що ступінь очистки практично не підвищується при значних витратах часу на підготовку сорбенту (табл 2, приклад 5) В таблиці 3 представлені дані очистки радіоактивне забруднених вод запропонованим способом при різних активностях ' 7Cs та 90Sr вихідної води Дані підтверджують ефективне використання природного пдробюценозу закріпленого на волокнистому НОСІЄВІ "ВІЯ" в способі очистки радіоактивних вод в широкому інтервалі активностей для l37Cs активності відрізняються на 7 порядків, a 90Sr - на 9 (таблиця З, приклади 1-4) 59098 Таблиця З № пп 1 2 3 4 Активність Активність Питома Активність Ступінь вихідної води після активність вихідної очистки очистки відпрацьованого ВОДИ Авих, ВОДИ Авих, CO, % Бк/м3 АКін, Бк/м 3 бюсорбенту, Бк/кг БК/м3 "'Cs 4,4 10' 2,4 10 10,4 94,5 4,0 8,0 10° 4,2 10 4 1,8 104 91,8 4,0 10° 4,4 10" 4,2 10' 1,010' 90,5 4,0 10' 4,4 10у 5,8 10" 9,6 10' 86,6 4,0 10у Бюсорбент природний пдробюценоз, іммобілізований на волокнистому НОСІЄВІ "ВІЯ", був використаний для очистки раюактивної води в природних умовах - в каналі К-90А, вода в якому тече з Чорнобильської зони в р Прип'ять, а далі в р Дніпро В таблиці 4 наведено накопичення радіонуклідів (цезію та стронцію при одночасній їх присутності) за їх сумарною бета-активністю з води даного каналу при швидкості течи в інтервалі 0,1-3,0м/с Таблиця 4 Активність води каналу К-90А, Питома активність Бк/м3 відпрацьованого u Sr '"Cs бюсорбенту, Бк/кг 3 08 02 15 0 10 8,27 10' 7,0 104 8 08 02 12 5 10 8,38 10' 3,15 10° 14 08 02 9, 5 10' 8,5 10' 1,05 10° 28 08 02 15 9 10 13,5 10' 1,1210° 10 09 02 18 4 10 9,99 10' 1,5 10° Як видно з наведених в таблиці 4 результатів, питома активність відпрацьованого сорбенту за місяць виросла з 7,0 104 до 1,5 106Бк/кг, тобто майже на два порядки, що свідчить про високу ефективність бюсорбенту при очистці великих об'ємів радіоактивних вод в природних умовах Комп'ютерна верстка Т Чепелева Активність Питома активність Ступінь води після відпрацьованого очистки очистки бюсорбенту, Бк/кг CO, % 3 АКін, Бк/м 3,52 3,7 10° 3,9 10° 4,0 10" 90Sr 0,91 9,1 104 9,0 10° 0,9 10" 91,2 90,8 90,2 89,8 Переваги запропонованого способу очищення радіоактивних вод в порівнянні з відомими, полягають у наступному реалізація запропонованого способу забезпечує підвищення ступеня очистки від 137Cs в інтервалі з 66,5% до 90,5%, а від 90Sr - з 89,2% до 90,2%, - високий ступінь очищення води від суміші радіонуклідів при їх одночасній присутності досягається в широкому інтервалі активностей радіонуклідів так при активності води по 137Cs в інтервалі (4,4102-4,4109)Бк/м3 ступінь очистки досягає (86,6-94,5)%, а при активності води по 90Sr в інтервалі (4,0-4,0 109)Бк/м3 (89,8-91,2)%, питома активність відпрацьованого бюсорбенту збільшилася з 4,8 10 6 до 1 107Бк/кг по 137 Cs, тобто в «2 рази, і з 6 105 до 9 105Бк/кг по 90 Sr, тобто в 1,5 рази, при цьому питома витрата біомаси зменшується з 25кг/м до 1,2кг/м очищеної води, - спосіб технологічно простий у виконанні як при ПІДГОТОВЦІ сорбенту, так і при його використанні в процесі очистки води, крім того, забезпечує просте вилучення із води носія з накопиченими на ньому радіонуклідами для подальшого знешкодження та в разі необхідності можливість повторного використання насадки після регенерації, - вартість отримання біологічного сорбенту незначна, - слід ВІДМІТИТИ можливість ефективного використання заявленого способу для очищення проточних радіоактивне забруднених вод в природних умовах, що не досягається жодним з відомих способів Підписано до друку 05 09 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна