Спосіб мікробіологічного очищення води від іонів цинку

Реферат: Спосіб мікробіологічного очищення води від іонів цинку полягає в тому, що технологічні цинковмісні водні розчини і стічні води очищують мікробіологічним реагентом у присутності пeрекису водню і хлориду кальцію. Як мікробіологічний реагент використовують бактеріальну суспензію непатогенного штаму Pseudomonas maltophilia ОНУ329, яку додають при температурі 25-30 °С у забруднену воду в об'ємному співвідношенні 1:1. UA 90119 U (54) СПОСІБ МІКРОБІОЛОГІЧНОГО ОЧИЩЕННЯ ВОДИ ВІД ІОНІВ ЦИНКУ UA 90119 U UA 90119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується галузі очищення води від токсичних забруднювачів - іонів важких металів, зокрема від іонів цинку, і може бути використана в процесах водопідготовки та очищення технологічних водних розчинів і стічних вод гальванічного виробництва, машинобудівних заводів, рудозбагачувальних фабрик, 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. Біля 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. Водорозчинні сполуки цинку становлять велику загрозу для екосистем. Навіть при малих 2+ концентраціях (0,001 г/л) Zn гальмує розвиток, а при більших (більш ніж 0,004 г/л) спричиняє токсичну дію на водну фауну. Граничнодопустима концентрація (ГДК) іонів цинку у воді для скидання її у водні об'єкти побутово-питного і культурно-побутового водопостачання складає 1,0 мг/л, тоді як вміст рухливого цинку у стічних водах гальванічних цехів складає 60-80 мг/л. Тому сьогодні очищення технологічних цинковмісних водних розчинів і виробничих стічних вод від рухливого цинку являє собою складне, але водночас важливе науково-технічне та екологічне завдання. Очищення води від токсичних забруднювачів, зокрема від іонів цинку, може бути проведено хімічним, фізико-хімічним, електрохімічним способами. Вони дорогі, громіздкі та не завжди забезпечують високий рівень очищення. Досягнутий рівень техніки в даній області характеризується наступними прикладами: Відомий "Спосіб хімічного осаджування катіонів важких металів" [Фишман Г.И., Литник А.Д. Водоснабжение и очистка сточных вод предприятий химических волокон. - М.: Химия, 1971. 160 c.], 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 "Флотаційний спосіб вилучення іонів важких металів, зокрема іонів цинку, у вигляді осадів" [Синькова Л.А. 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 4 "Хімія" . - 2001. - Т. 6, Вип. 5. - С. 107-111], 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; необхідність частого приготування свіжих порцій відповідного мила у зв'язку із швидким старінням; необхідність регулювання значень рН середовища і оптимальної витрати реагенту. Вода не очищується до норм ГДК, а у випадку знеструмлення процес очищення води стає неможливим. Підвищення вимог до якості питної води та допустимих концентрацій забруднень в промислових стічних водах, які скидаються у водойми, змушує шукати нові, екологічно чисті та економічно вигідні способи видалення з них іонів важких металів. До таких методів, які успішно застосовуються для рішення цієї проблеми і є достатньо ефективними, можна віднести сорбцію іонів важких металів, зокрема іонів цинку, на природних глинистих сорбентах та їх сорбцію (біоаккумуляцію) непатогенними мікроорганізмами. Відомий "Спосіб вилучення важких металів з водних систем сорбцією на природних глинистих сорбентах" [Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. - Д.: Химия, 1982. - 168 с.]. Деякі глинисті мінерали (бентоніти, монтморилоніти, каоліни) мають підвищену іоннообмінну здатність. Ця властивість глинистих мінералів обумовлює їх широке практичне застосування у процесах іонообмінного і сорбційного очищення металовмісних стічних вод [Трифонова М.Ю., Тарасевич Ю.И., Бондаренко С.В. Структурно-сорбционные свойства природных и модифицированных слоистых силикатов с жесткой структурной ячейкой // Химия и технология 1 UA 90119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 воды. - 2008. - Вып. 3. - С. 293-302]. Суттєвим недоліком цього способу є те, що він не забезпечує глибоке очищення води від іонів цинку: не досягається залишкової концентрації іонів цинку на рівні ГДК. Останнім часом перевага надається біологічному очищенню, де головну роль відіграють мікроорганізми - бактерії, дріжджі. Відомий, найбільш близький за результатом, що досягається, (прототип) "Біофлокуляційний спосіб глибокого очищення води від іонів цинку" по заявці № u201309294 (висновок Українського інституту промислової власності про видачу деклараційного патенту на корисну модель від 21.10.2013 р., згідно з яким глибоке очищення води від іонів цинку до рівня нижче ГДК здійснюють за допомогою іммобілізованих (у присутності 3 % перекису водню і 10 % хлориду кальцію) клітин бактерій Pseudomonas fluorescens ОНУ328. Недоліком відомого способу є: необхідність проведення стадії автоклавування (30 хв) після біофлокуляції, що призводить до енергозалежності, тривалості та ускладнення процесу очищення реальних цинковмісних технологічних водних розчинів і стічних вод іммобілізованими клітинами бактерій. Задача, на рішення якої спрямована пропонована корисна модель, - проведення очищення води від іонів цинку мікробіологічним способом до рівня нижче ГДК з наступним технічним ефектом: використання іммобілізованих клітин непатогенних бактерій без стадії стерилізації, що значно скоротить енергозатрати (тільки на підготовку мікробіологічного препарату) і загальний час очищення реальних цинковмісних технологічних водних розчинів при забезпеченні в очищувальних системах замкнутого водопостачання. Поставлена задача вирішується способом мікробіологічного очищення води від іонів цинку, який полягає в тому, що технологічні цинковмісні водні розчини і стічні води очищують мікробіологічним реагентом у присутності перекису водню і хлориду кальцію, який відрізняється тим, що як мікробіологічний реагент використовують бактеріальну суспензію непатогенного штаму Pseudomonas maltophilia ОНУ329, що додають при температурі 25-30 °C у забруднену воду в об'ємному співвідношенні 1:1. Пропонований спосіб мікробіологічного очищення води від іонів цинку 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 спрямовують у ємність, де відбувається глибоке очищення цинковмісної води мікробіологічним способом до рівня нижче ГДК, що дозволяє повторно використовувати очищену воду у замкнутому водопостачанні. Для цього до ємності із забрудненою водою підводять дозатори розчинів перекису водню (3 %) і хлориду кальцію (10 %), інокулятор, заповнений бактеріальною суспензією непатогенного штаму Pseudomonas maltophilia ОНУ329. Культуру бактерій попередньо нарощують на поживному середовищі, що містить, (г/л): KН2РО41,5; Na2HPО4-3; NaCl - 5; NH4Cl - 1; пептон - 10; глюкоза - 2; дріжджовий екстракт - 5. Нарощування біомаси здійснюють при рН 7,0-7,2 і температурі 28 °C протягом 48 год. до досягнення щільності культури не менш 5 г/л по сухій біомасі, після чого культуру змішують із забрудненою іонами цинку водою в об'ємному співвідношенні 1:1. Під дією перекису водню і хлориду кальцію суттєво пришвидшується процес утворення в однорідній суспензії біофлоків (за відсутністю хімреагентів агрегація бактерій протікає повільніше і відбувається під дією полісахаридних комплексів клітинної стінки). При цьому різко збільшується загальна адсорбційна ємність системи і, відповідно, ефективність очищення води від іонів цинку. Дослідження з вилучення іонів цинку із модельних водних розчинів у присутності різних штамів бактерій роду Pseudomonas проводили у Біотехнологічному науково-навчальному центрі Одеського національного університету імені І.І. Мечникова. Для проведення дослідження використовували непатогенні штами бактерій роду Pseudomonas: P. fluoresceins ОНУ328, P. maltophilia ОНУ329 (виділені з морської води), P. cepacia ОНУ327 (виділений із ґрунту), що зберігаються в колекції мікроорганізмів кафедри мікробіології, вірусології та біотехнології ОНУ імені I.І. Мечникова. Результати по мікробіологічному очищенню води від іонів цинку представлені в таблиці. 2 UA 90119 U Штам P. cepacia ОНУ327 P. fluoresceins ОНУ328 P. maltophilia ОНУ329 Залишкова концентрація цинку, мг/л 1,0±0,08 0,08±0,012 0,03±0,004 Ступінь вилучення цинку, % 95,0 99,6 99,9 Примітка: вихідна концентрація іонів цинку в воді - 20 мг/л. 5 10 15 20 Як видно із даних таблиці, ефективнішим біоакумулятором іонів цинку є штам бактерій P. maltophilia ОНУ329. Спосіб ілюструється наступним прикладом. Приклад В п'ять колб наливали по 15 мл модельного водного розчину сульфату цинку з вихідною концентрацією по металу 40 мг/л. Модельний розчин солі цинку готували розчиненням у 1 л води 176 мг солі ZnSO4·7H2O марки "ос.ч.". У кожну колбу спочатку вводили по 15 мл бактеріальної суспензії, що складається з непатогенного штаму P. maltophilia ОНУ329, потім додавали по 0,09 мл 3 % перекису водню і 1,50 мл 10 % хлориду кальцію. Утворені біофлоки не піддавали стерилізації. Після 20 хв. відстоювання проб надосадові розчини аналізували на залишковий вміст у них цинку. Проведений атомно-абсорбційний спектрофотометричний аналіз на приладі "Сатурн-2" показав, що концентрація цинку знижувалась з 20,0 до 0,03±0,004 мг/л, що значно нижче ГДК. Основними перевагами пропонованого способу в порівнянні з прототипом є: використання іммобілізованих клітин бактерій непатогенного штаму Р. maltophilia ОНУ329 без стадії автоклавування (за прототипом), що робить процес очищення води від іонів цинку енергонезалежним (енергозатрати пов'язані лише з попереднім приготуванням мікробіологічного препарату) і у два рази зменшує загальний час очищення реальних цинковмісних технологічних водних розчинів при забезпеченні в очищувальних системах замкнутого водопостачання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Спосіб мікробіологічного очищення води від іонів цинку, який полягає в тому, що технологічні цинковмісні водні розчини і стічні води очищують мікробіологічним реагентом у присутності пeрекису водню і хлориду кальцію, який відрізняється тим, що як мікробіологічний реагент використовують бактеріальну суспензію непатогенного штаму Pseudomonas maltophilia ОНУ329, що додають при температурі 25-30 °С у забруднену воду в об'ємному співвідношенні 1:1. 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