Спосіб біологічного доочищення питної води від нітратів

Реферат: Спосіб біологічного доочищення питної води від нітратів включає денітрифікацію при фільтруванні води через шар завантаження активованого вугілля з іммобілізованими на ній гетеротрофними бактеріями за участі горілки, як органічного джерела енергії. Як бактерії використовують бактерії пробіотичного типу - пробіотики. UA 91861 U (54) СПОСІБ БІОЛОГІЧНОГО ДООЧИЩЕННЯ ПИТНОЇ ВОДИ ВІД НІТРАТІВ UA 91861 U UA 91861 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі обробки води, зокрема до біологічної обробки води, і може бути використана у питному водопостачанні, підготовці води для напування худоби і птиці, розведення риби. Забруднення природних вод нітратами зростає катастрофічно по всьому світі, що змушує закривати криниці та використовувати дорогі, багатоступеневі методи очищення питної води [Archna et al., 2012; Upadhyaya G et al., 2010]. He оминає ця напасть і Україну, причому спостерігається неухильне щорічне збільшення кількості понаднормово забруднених джерел питної води [Коваль В.В. та інші, 2011]. Водночас добре відомо, що підвищений вміст нітратів у воді дуже шкідливий для організму людини, особливо дітей, і призводить зокрема до хвороби крові, знаної як "посиніння шкірних покривів" ("blue baby syndrome"). У відповідності до міжнародних і вітчизняних стандартів концентрація нітратів у питній воді 3 3   не може перевищувати 45 мг NO 3 в дм , а в доочищеній - навіть 5 мг NO 3 в дм [Гончарук В.В., 2010], тоді як в криницях багатьох областей України цей рівень перевищений у декілька разів [Коваль В.В. та інші, 2011, Bondarenko Y.G. et. all., 2012]. Існує ряд хімічних (відновлення залізом, алюмінієм, паладієм тощо), фізико-хімічних (електродіаліз, іонний обмін, нанофільтрування, зворотний осмос) та біологічних (гетеротрофна і автотрофна денітрифікація, застосування мембранних біореакторів) методів звільнення води від нітратів, однак на практиці використовуються лише іонний обмін, зворотний осмос та гетеротрофна (біологічна) денітрифікація [Archna et al., 2012]. Біологічна денітрифікація завдяки своїй простоті, відносній дешевизні та безумовній екологічності широко застосовується в очищенні стічних вод [Хенце и др., 2006. - С. 281-332; Запольський та інші, 2000. - С. 479-502.] Що ж стосується питної води, то аналогами даної заявки можуть слугувати наступні описані в науково-технічній літературі способи біологічного звільнення води від нітратів: 1) Nilsson et Ohlson [1982] запропонували використовувати іммобілізовані в альгінатний гель клітини Pseudomonas denitrificans, a як джерело вуглецю - етанол. Автори досягли вражаючих результатів: зменшили концентрацію нітратів з 104 мг/л до 0,1 мг/л. Однак їх метод має два недоліки: а) іммобілізація в альгінатний гель - це технічно складна і дорога процедура, а закріплені таким чином мікробні клітини не можуть, на жаль, функціонувати тривалий час; б) бактерії роду Pseudomonas, як відомо, є умовно патогенними і шкідливими для організму людини, а тому використання їх у практиці підготовки питної води неприпустиме. 2) Upadhyaya G et al., 2010 (P. 4959) пропонують користуватися для звільнення питної води від нітратів "мікробними угрупованнями" ("microbial communities") невизначеного складу, які теж можуть містити загрозливі для організму людини мікроорганізми. Відомого з науково-технічної літератури [Archna et al., 2012] стехіометричного співвідношення кількості етанолу до кількості нітратів у воді недостатньо для повного відновлення нітратів до азоту, бо частина етанолу використовується бактеріями на забезпечення інших енергетичних потреб, зокрема на рух бактеріальних клітин у водному середовищі (адже добре відомо, що, наприклад, бацили, мають багато джгутиків, за допомогою яких дуже інтенсивно рухаються у воді, а на це витрачається чимала кількість енергії), та на конструктивні цілі, бо бактерії повинні розвиватися, множитися для успішного здійснення біохімічних реакцій відновлення нітратів до азоту. Найближчим до способу, що заявляється, є "спосіб доочищення питної води від нітритів, що передбачає денітрифікацію при фільтруванні її через шар активованого вугілля з іммобілізованими бактеріями штамів Bacillus circulans 4, або Bacillus laterosporus 17 a, Bacillus coagulans 21a, Bacillus thuringiensis 16 a" [Деклараційний патент України № 13081]. Даний спосіб вибрано як найближчий аналог. Заявлений спосіб і найближчий аналог співпадають за такими ознаками: мікробна денітрифікація; використання іммобілізованих бактерій; застосування бактерій роду Bacillus; пропускання води через шар активованого вугілля з іммобілізованими бактеріями. Але відомий спосіб не передбачає іммобілізації бактерій на таких завантаженнях фільтрів, як пісок, що дуже широко застосовується в підготовці питної води у всьому світі, у тому числі й в Україні, а також завантаження "ВІЯ" з ультратонкого хімічного волокна [Журба М.Г. и др., 2003, стр. 154-178; Гончарук В.В. и др., 2005, стр. 63-88]. У найближчому аналогу використовуються такі види бактерій роду Bacillus, які "є непатогенними й безпечні для людини". 1 UA 91861 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Задачею, на вирішення якої направлений запропонований спосіб, є звільнення питної води від надлишку небезпечного для здоров'я людини забруднення - нітрату - екологічно безпечним чином. Поставлена задача вирішується шляхом фільтрування питної води, що містить надлишок нітратів, через зернисті чи волокнисті завантаження з іммобілізованими на них абсолютно безпечними, більше того - надзвичайно корисними для людей будь-якого віку пробіотичними бактеріями, в присутності відповідної кількості горілки. Новим у запропонованому способі є те, що в ньому використовуються не просто безпечні, а пробіотичні бактерії видів Bacillus subtilis та Bacillus licheniformis, що входять до складу лікувальних пробіотичних препаратів "Біоспорин-Біофарм" та "Біоспорин-Дніпрофарм" (Україна). Ці бактерії, крім того, що мають відмінні денітрифікаційні властивості, ефективні як антагоністи щодо багатьох клінічних штамів патогенних бактерій, зокрема збудників кишкових захворювань, і мікроскопічних грибів [Широбоков В.П. та інші, 2009. - С. 278]. Новим у способі, що заявляється, є ще й використання молочнокислих бактерій, таких як Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus acidophilus, які входять до складу лікувального пробіотичного препарату "Йогурт" фірми Pharma science (Канада), "систематичне використання якого з профілактичною метою покращує перистальтику кишечнику, призводить до зниження холестерину в крові та підвищує імунітет в осіб усіх вікових груп" [Широбоков В.П. та інші, 2009. - С. 284]. Відповідно до запропонованого способу, для забезпечення бактерій джерелом вуглецю у воду ввосять 40-градусну горілку в кількостях, що перевищує стехіометрично розрахункову кількість етанолу, потрібного для гетеротрофної мікробної денітрифікації за участю етилового спирту. Спосіб реалізується наступним чином: До питної води, що містить надлишок нітратів, добавляють відповідну кількість горілки і в режимі класичного повільного ("англійського") фільтрування пропускають цю воду через фільтр з зернистим або волокнистим завантаженням, попередньо іммобілізованою пробіотичними бактеріями родів Bacillus, Streptococcus, Lactobacillus. Наявність в очищеній воді нітратів у концентраціях, які у десятки разів нижчі визначених нормативними документами, свідчить про високу якість одержаної питної води. Подальша експлуатація фільтра (промивка, часткова чи повна заміна фільтруючого завантаження) здійснюється за традиційною схемою підготовки питної води. Приклад 1. Проводили доочищення водопровідної питної води, в якій концентрацію нітратів встановлювали 300 мг/л і добавляли по 3 мл горілки на кожний літр води, шляхом пропускання 3 її через фільтр, в якому розмістили волокнистий носій "ВІЯ" з розрахунку 90 кг/м корисного об'єму фільтра. Висота завантаження становила 90 см. Попередньо на волокнистому носієві іммобілізували біомасу пробіотичних бактерій Bacillus subtilis та Bacillus licheniformis. Фільтр працював у режимі класичного повільного ("англійського") фільтра, тобто зі швидкістю 0,1 м/годину. Фільтр працював у штатному режимі при температурі 18-25 °C впродовж 120 діб. Спочатку щоденно, а потім раз у 2-3 дні перевіряли концентрацію нітратів у воді на виході з фільтра за методом трихвильової фотометрії в ультрафіолеті [Калиниченко И.Е., Демуцкая Л.Н., 2004]. Жодного разу концентрація нітратів у біологічно доочищеній воді не перевищувала 2 мг/л, що у понад 20 разів менше гранично допустимої (ГДК). Приклад 2. Проводили доочищення водопровідної питної води, в якій встановлювали концентрацію нітратів 100 мг/л. Додавали по 1 мл горілки на кожен літр цієї води і пропускали її через піщаний фільтр з висотою завантаження 90 см. Пісок з Дніпровської водопровідної станції (м. Київ) попередньо стерилізували, потім на ньому іммобілізували пробіотичні бактерії Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus acidophilus і розміщали в тілі фільтра. Воду з розчиненими в ній нітратами і горілкою пропускали через фільтр, в режимі "повільного фільтра" - зі швидкістю 0,1 м/годину впродовж 120 діб. Досліди проводили при кімнатній температурі. Регулярні аналізи концентрації нітратів у доочищеній воді показали, що ступінь біологічного доочищення питної води від цього забруднення становить 97-98 %. Приклад 3. Проводили доочищення питної води з бювету, в якій встановлювали концентрацію нітратів 150 мг/л. Додавали 1,5 мл горілки на кожен літр цієї води і пропускали її через фільтр з активованим вугіллям (КАУ), на якому попередньо іммобілізували біомасу бактерій роду Bacillus, що входять до складу лікувального пробіотичного препарату "Біоспорин-Дніпрофарм". Висота вугільного завантаження фільтра становила 90 см, швидкість фільтрування - 0,1 2 UA 91861 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 м/годину. Дослід тривав 120 діб при кімнатній температурі. Концентрація нітратів у біологічно очищеній воді не перевищувала 2 мг/л. Джерела інформації: 1. Гончарук В.В. SOS: Питьевая вода// Химия и технология воды. - 2010. - Т. 32, № 5. - С. 463-512. 2. Гончарук В.В., Чернявская А.П., Жукинский В.Н., Скубченко В.Ф. и др. Экологические аспекты современных технологий охраны водной среды // К.: "Наукова думка", 2005. - 400 с. 3. Журба М.Г., Вдовин Ю.И., Говорова Ж.М., Пушкин И.А. Водозаборно-очистные сооружения и устройства // М.: Астрель, 2003. - 572 с. 4. Запольський А.К., Мішкова - Клименко Н.А., Астрелін І.М., Брик М.Т., Гвоздяк П.І., Князъкова Т.В. Фізико-хімічні основи технології очищення стічних вод. - К.: Лібра, 2000. - 552 с. 5. Калиниченко И.Е., Демуцкая Л.Н. Определение нитратов в питьевой воде методом трехволновой фотометрии в ультрафиолете// Журнал аналитической химии. - 2004. - Т. 59, № 3. - С. 240-244. 6. Коваль В.В., Наталочка В.О., Ткаченко С.К, Міненко О.В. Динаміка забруднення вод сільськогосподарського призначення нітратами в умовах Полтавської області // Вісник Полтавської державної аграрної академії. - 2011 - № 2. - С 32-36. 7.. Спосіб доочищення питної води / Псахис І.Б., Псахис Б.Й., Іваниця В.О. // Деклар. пат. № 13081 України. - 2006. - Бюл. № 3. 8. Хенце М, Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы. // М.: "Мир", 2009. - 480 с. 9. Широбоков В.П., Янковськип Д.С., Димент Г.С. Мікробна екологія людини з кольоровим атласом: [навч. посіб.] - К.: ТОВ "Червона Рута-Турс", 2008. - 312 с. 10. Archna, Sharma S.K., Sobti R.Ch. Nitrate Removal from Ground Water: A Review // E-Journal of Chemistry. - 2012. - 9, № 4. - P. 1667-1675. 11. Bondarenko Y.G., Samotuga V.V., Papach V.V., Bilyk L.I. Medical-hygienic evolution of the impact of the nitrates of water of decentralized water delivery sources on the health status of the children of the early age // Environment and Health. - 2011. - № 4. - P. 23-25. 12. Nilsson J, Ohlson S. Columnar denitrification of water by immobilized Pseudomonas denitrificans cells. Eur. J. Appl. Microbiol. - 1982. - № 14. P. 86-90. 13. Upadhyaya G, Jackson J, Clancy T.M, Hyun S.P, Brown J, Hayes K.F, Raskin L. Simultaneous removal of nitrate and arsenic from drinking water sources utilizing a fixed-bed bioreactor system// Water Research. - 2010. Vol. 44, № 17. P. 4958-69. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб біологічного доочищення питної води від нітратів, що включає денітрифікацію при фільтруванні води через шар завантаження активованого вугілля з іммобілізованими на ній гетеротрофними бактеріями за участі горілки, як органічного джерела енергії, який відрізняється тим, що як бактерії використовують бактерії пробіотичного типу - пробіотики. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як пробіотичні бактерії використовують штами спороносних бактерій, що входять до складу лікарських препаратів "Біоспорин-Біофарм" та "Біоспорин-Дніпрофарм" (Україна): Bacillus subtilis і Bacillus licheniformis. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як пробіотичні бактерії використовують молочнокислі бактерії, що входять до складу препарату "Йогурт" фірми Pharma science (Канада): Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus acidophilus. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як завантаження використовують супертонке хімічне волокно, пісок. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що 40° горілку вводять у воду, що очищають, у  кількості 1 мл на кожні 100 мг нітрату ( NO 3 ). 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