Біофлокуляційний спосіб глибокого очищення води від іонів цинку

Реферат: Біофлокуляційний спосіб глибокого очищення води від іонів цинку полягає в тому, що технологічні цинквмісні водні розчини і стічні води очищують мікробіологічним реагентом у присутності перекисню водню і хлориду кальцію. Як мікробіологічний реагент використовують бактеріальну суспензію непатогенного штаму Pseudomonas fluorescens ОНУ-328, який попередньо стерилізують, а потім при температурі 25-30 °С змішують із забрудненою водою у об'ємному співвідношенні 1:1 у присутності перекисню водню і хлориду кальцію. UA 86838 U (54) БІОФЛОКУЛЯЦІЙНИЙ СПОСІБ ГЛИБОКОГО ОЧИЩЕННЯ ВОДИ ВІД ІОНІВ ЦИНКУ UA 86838 U UA 86838 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі очищення води від токсичних забруднювачів - іонів важких металів, зокрема від іонів цинку, і може бути використана для очищення технологічних водних розчинів і стічних вод гальванічного виробництва, машинобудівних заводів, рудозбагачувальних фабрик, виробництва паперу, мінеральних фарб, віскозного волокна тощо. Гальванічне виробництво на сьогоднішній день залишається найбільшим джерелом забруднення навколишнього середовища іонами важких металів, зокрема іонами цинку, і могутнім споживачем води. Близько 50 % свіжої води, що використовується в машинобудуванні, витрачається на промивання деталей після гальванічної обробки. Цинкування - один із розповсюджених процесів у гальванічному виробництві. Його використовують для захисту від корозії різних сталевих і чавунних деталей, підводних споруд, при виробництві труб. Хоча цинк як мікроелемент є незамінним для життєдіяльності організму, що впливає на ріст і нормальний розвиток організмів. Але надлишковий його вміст призводить до важких отруєнь, при яких відбувається фіброзна зміна підшлункової залози. Він призводить до розбалансування метаболічної рівноваги інших металів. Так, наприклад, зміна співвідношень між іонами цинку та міді може слугувати одним з факторів ішемічної хвороби серця. Лімітуючий показник шкідливості цинку - загальносанітарний. Гранично допустима концентрація (ГДК) цинку у воді для скидання її у водні об'єкти побутово-питного і культурно-побутового водопостачання складає 1,0 мг/л. Тому сьогодні виникає актуальна проблема пошуку способу глибокого вилучення іонів цинку із технологічних цинквмісних водних розчинів і стічних вод. Очищення води від токсичних забруднювачів, зокрема від іонів цинку, може бути проведена хімічним, фізико-хімічним, електрохімічним способами. Вони дорогі, громіздкі та не завжди забезпечують високий рівень очищення. За останній час перевага надається біологічному очищенню, де головну роль відіграють мікроорганізми - бактерії, дріжджі. Досягнутий рівень техніки в даній області характеризується наступними прикладами: Відомий "Флотаційний спосіб вилучення іонів важких металів, зокрема іонів цинку, у вигляді осадів" [Л.А. Синькова. Физико-химические закономерности флотационного выделения металлов II группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева в виде сублатов коллоидной степени дисперсности. Дис... канд. хим. наук. - Одесса, 1977. - 147 с; Сінькова Л.О. Вплив часу старіння колоїдних розчинів мил цинку на деякі властивості // Вісник ОНУ. Серія "Хімія". - 2001. - Т. 6, Вип. 5. - С. 107-1 П.], який полягає в тому, що у воду, забруднену іонами цинку вводять флотаційний збирач - відповідно аніонну поверхнево-активну речовину (ПАР), і пропускають під тиском знизу флотаційної системи (що оснащена відповідним фільтром) бульбашки повітря. Утворену піну, що містить малорозчинний продукт взаємодії катіонів цинку з поверхнево-активними аніонами (наприклад, калієві/натрієві солі жирних кислот), механічно збирають і спрямовують у відстійники для руйнування. Недоліками способу є: використання як органічного осаджувача іонів цинку аніонних ПАР, в основному алкілкарбоксилатів лужних металів (мила) із строго визначеною довжиною вуглеводневого радикалу; необхідність частого приготування свіжих порцій відповідного мила у зв'язку із швидким старінням; необхідність регулювання значень рН середовища і оптимальної витрати реагенту для ефективного проведення процесу очищення води від іонів цинку та ПАР одночасно. Оскільки піноутворення є органолептичним показником малих кількостей більшості ПАР на водне середовище, то виникає необхідність додаткового контролювання залишкової концентрації використаних як осаджувачі аніонних ПАР. Вода не очищується до норм ГДК, а у випадку знеструмлення процес очищення води стає неможливим. Відомий "Спосіб хімічного осаджування катіонів важких металів" [Г.И. Фишман, А.А. Литник. Водоснабжение и очистка сточных вод предприятий химических волокон. - М.: Химия, 1971. 160 с], який полягає в тому, що через воду, забруднену іонами важких металів, пропускають сірководень. Ступінь вилучення важких металів у формі їх малорозчинних сульфідів досягає 99,8-99,9 %. Однак, практичне використання цього способу знижується через токсичність сірководню, що виділяється в атмосферу. Ця ж причина стримує використання як осаджувача полісульфіду кальцію, що використовується у сільському господарстві як інсектицид. Відомий, найбільш близький за досягуваним результатом (найближчий аналог) "Способ микробиологической очистки сточных вод промышленных предприятий от ионов тяжелых металлов: цинка, кадмия и свинца" по Патенту Російської Федерації на винахід № 2216525 по МПК C02F3/34, C12N1/20, C12N1/20, C12R1:01, опубл. 20.11.2003, Бюл. № 26, згідно з яким мікробіологічне очищення промислових стічних вод від іонів важких металів: цинку, кадмію та свинцю здійснюють шляхом використання як мікробіологічних реагентів бактеріальної суміші родококів, яка містить шість штамів Rhodococcus ruber. - ИЭГМ АС 219; ИЭГМ АС 220; ИЭГМ АС 221; ИЭГМ АС 222; ИЭГМ АС 338; ИЭГМ АС 347. 1 UA 86838 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Недоліком відомого способу є: використання великої кількості (шість) штамів бактерій, які належать до умовно патогенних мікроорганізмів. Крім того, у відомому способі залишкова концентрація іонів цинку у воді після очищення вище ГДК при вихідній концентрації іонів металу 0,5-2,5 мг/л (в залежності від штаму родококів). В основу корисної моделі поставлена задача проведення глибокого очищення води від іонів цинку методом біофлокуляції до рівня ГДК з наступним технічним ефектом: збільшення вихідної концентрація іонів металу з 0,5-2,5 мг/л (за найближчим аналогом) до 20 мг/л (за пропонованим способом); скорочення загального часу очищення води, включаючи час приготування суспензій бактерій; зменшення кількості штамів (з шістьох штамів до одного штаму) та використання непатогенних мікроорганізмів-біосорбентів при забезпеченні в очищувальних системах замкнутого водопостачання. Поставлена задача вирішується біофлокуляційним способом глибокого очищення води від іонів цинку, який полягає в тому, що технологічні цинквмісні водні розчини і стічні води очищують мікробіологічним реагентом, який відрізняється тим, що як мікробіологічний реагент використовують бактеріальну суспензію непатогенного штаму Pseudomonas fluorescens ОНУ328, який попередньо стерилізують, а потім при температурі 25-30 °С змішують із забрудненою водою у об'ємному співвідношенні 1:1 у присутності перекисню водню і хлориду кальцію. Пропонований біофлокуляційний спосіб включають разом із технологічним процесом у замкнутий цикл і здійснюють наступним чином. Забруднену іонами цинку та різними механічними домішками воду направляють спочатку у відстійник, де контролюють температуру і при необхідності доводять рН до значення, близького до нейтрального, далі, при необхідності, у флотаційну камеру, де у присутності флотаційного збирача (мила лужного металу) відбувається очищення води від іонів цинку до концентрації С < 20 мг/л. Потім воду направляють у ємність, де відбувається глибоке доочищення цинквмісної води біофлокуляційним способом до рівня ГДК, що дозволяє повторно використовувати очищену воду у замкнутому водопостачанні. Для цього до ємності підводять дозатори розчинів перекисню водню (3 %) і хлориду кальцію (10 %), інокулятор, заповнений стерилізованою бактеріальною культурою, що складається з непатогенного штаму Pseudomonas fluorescens ОНУ-328, який зберігається в музейній колекції кафедри мікробіології, вірусології і біотехнології Одеського національного університету імені І.І. Мечникова. Культуру бактерій попередньо нарощують на поживному середовищі, що містить, г/л: KН2РО4 - 1,5; Na2HPO4 - 3; NaCl - 5; NH4Cl - 1; пептон - 10; глюкоза - 2; дріжджовий екстракт - 5. Нарощування біомаси здійснюють при рН 7,0-7,2 і температурі 28 °С до досягнення щільності культури не менше 5 г/л по сухій біомасі (до 48 годин), після чого культуру стерилізують в автоклаві протягом 30 хв. під тиском 1 атм при температурі 120 ± 2 °С, і в стерилізованому стані змішують із забрудненою іонами цинку водою в об'ємному співвідношенні 1:1. Суть біофлокуляції полягає в тому, що під дією перекисню водню і хлориду кальцію в однорідній суспензії бактерій Pseudomonas fluorescens ОНУ-328 утворюються пластівці біофлоки. Агрегація бактерій відбувається під дією полісахаридних комплексів клітинної стінки використаних бактерій. При цьому різко збільшується загальна адсорбційна ємність системи і, відповідно, ефективність очищення води від іонів цинку з вихідною концентрацією 20 мг/л. Спосіб ілюструється прикладами: Приклад 1 Дослідження по вилученню іонів цинку із модельних водних розчинів проводили у Біотехнологічному науково-навчальному центрі Одеського національного університету імені І.І. Мечникова. 0 2+ Модельний розчин солі цинку з концентрацією 40 мг/л по металу [C (Zn ) = 40 мг/л] готували розчиненням у 1 л води 176 мг солі ZnSO4▪7H2O марки "ос.ч.". В п'ять колб наливали по 15 мл модельного водного розчину сульфату цинку з вихідною концентрацією по металу 40 мг/л і у кожну колбу вводили по 15 мл бактеріальної суспензії, що складається з штаму нестерильних бактерій Р. fluorescens ОНУ-328. Потім у кожну колбу додавали по 0,09 мл 3 % перекису водню і 1,50 мл 10 % хлориду кальцію. Після 10 хв. відстоювання і центрифугування проб надосадові розчини аналізували на залишковий вміст у них іонів цинку. Проведений атомно-абсорбційний спектрофотометричний аналіз на приладі "Сатурн-2" показав, що концентрація іонів цинку знижувалась з 20,0 до 0,08 ± 0,004 мг/л. Приклад 2 Умови ті ж, що й в прикладі 1, за винятком того, що у колби додавали 15 мл бактеріальної суспензії, що складається з штаму стерильних бактерій Р. fluorescens ОНУ-328. Стерилізацію проводили в автоклаві протягом 30 хв під тиском 1 атм при температурі 120 ± 2 °С. Додавали у колби по 0,09 мл 3 % перекису водню і 1,50 мл 10 % хлориду кальцію. Після 10 хв. відстоювання 2 UA 86838 U 5 10 проби центрифугували. Залишковий вміст іонів цинку в надосаді склав 0,03 ± 0,002 мг/л, що дозволяє скидати таку воду у міську каналізацію. Основними перевагами пропонованого способу в порівнянні з найближчим аналогом є: значне збільшення вихідної концентрації іонів цинку з 0,5-2,5 мг/л (за найближчим аналогом) до 20 мг/л (за пропонованим способом) і зменшення кількості штамів мікроорганізмів з шістьох штамів до одного непатогенного штаму (це супроводжується зменшенням часу на приготування бактеріальної суспензії) при досягненні необхідної глибини очищення технологічних водних розчинів і стічних вод перерахованих вище виробництв від іонів цинку до рівня ГДК, що дозволяє повторно використовувати очищену воду у замкнутому водопостачанні або скидати у каналізацію. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Біофлокуляційний спосіб глибокого очищення води від іонів цинку, який полягає в тому, що технологічні цинквмісні водні розчини і стічні води очищують мікробіологічним реагентом у присутності перекисню водню і хлориду кальцію, який відрізняється тим, що як мікробіологічний реагент використовують бактеріальну суспензію непатогенного штаму Pseudomonas fluorescens ОНУ-328, який попередньо стерилізують, а потім при температурі 2530 °С змішують із забрудненою водою у об'ємному співвідношенні 1:1 у присутності перекисню водню і хлориду кальцію. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3