Спосіб вилучення важких металів із осаду побутових стічних вод

Реферат: Спосіб вилучення важких металів із осаду побутових стічних вод, що включає вилуговування важких металів в присутності залізоокиснюючих бактерій в кислому середовищі, розділення осаду після вилуговування на тверду і рідку фази. При цьому, рідку фазу розділяють на два потоки, при цьому 45-55 % повертають в реактор, а залишок обробляють одним з відомих способів. UA 103623 U (12) UA 103623 U UA 103623 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області обробки осаду побутових стічних вод, зокрема біологічної обробки, та може бути використана для очистки осаду від важких металів з метою їх утилізації як сільськогосподарського добрива. Осад побутових стічних вод, зокрема надлишковий активний мул, має велику цінність для сільського господарства як комплексне добриво. Проте його використання неможливе або небажане через наявність в ньому великих концентрацій важких металів (Eisler R. Eisler's Encyclopedia of Environmentally Hazardous Priority Chemicals. - Amsterdam: Elsevier, 2007. - 950 p.) [1]. Відомий спосіб вилучення важких металів із осаду стічних вод (US, патент № 6855256, МПК (2006.01) C02F 9/00; C02F 11/00; C02F 3/34; C02F 1/78; C02F 1/66; C02F 1/72; C02F 1/52; опубл. 15.02.2005 p.) [2]. Спосіб [2] реалізується наступним чином. Беруть осад зі станції очистки побутових стічних вод з вологістю 97,95 % і обробляють додаванням сірчаної кислоти та FeCl 3 до встановлення кислого середовища з рH від 2,0 до 2,5 та окисно-відновного потенціалу з Eh від 400 мВ до 490 мВ. Оброблений осад ущільнюють за допомогою флокуляції. Ущільнений осад нейтралізують та утилізують. Як недолік відомого способу [2] слід відмітити високу витрату реагентів для його реалізації при обробці осаду стічних вод і при нейтралізації очищеної від важких металів твердої фази, а також необхідність використовувати спеціальне кислотостійке обладнання. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб вилучення важких металів із осаду стічних вод (Couillard D., Mercier G. Bacterial Leaching of Heavy Metals from Sewage Sludge - Bioreactors Comparison // Environmental Pollution. - 1990. - vol. 66. - P. 237-252.) [3]. Спосіб [3] реалізується наступним чином. Попередньо отримують накопичувальну культуру залізоокиснюючих бактерій в осаді. Для цього беруть анаеробно стабілізований осад зі станції очистки побутових стічних вод з вологістю 96,8-97,1 %, створюють кисле середовище з рН = 4 3 шляхом додавання сірчаної кислоти, додають 3-4 г/дм FeSO4·7H2O, інокулюють бактеріями Thiobacillus ferrooxidans штаму АТСС 19859, вирощеними в синтетичному поживному середовищі, і витримують в реакційному об'ємі при перемішуванні та аерації протягом 5-10 діб для отримання накопичувальної культури Т. ferrooxidans. Процес вилучення важких металів із осаду здійснюють при неперервному культивуванні залізоокиснюючих бактерій в осаді наступним чином. Беруть анаеробно стабілізований осад зі станції очистки побутових стічних вод з вологістю 96,8-97,1 % і створюють кисле середовище з рН = 4 шляхом додавання сірчаної кислоти при перемішуванні та аерації. Далі осад 3 направляють в реактор, що містить культуру Т. ferrooxidans, і вносять 1 г/дм FeSO4·7H2O. Вилуговування проводять за температури 30 °С, при перемішуванні та аерації протягом 0,75-4 діб. Вологість осаду в реакторі становить 97,2 %. Оброблений осад ущільнюють у відстійнику. Рідку фазу нейтралізують і осаджують метали при рH = 10, а тверду фазу розділяють на два потоки, при цьому повертають в реактор ущільнений осад в кількості 50 % від потоку, а залишок твердої фази утилізують. При проведенні процесу протягом 3 діб досягається рН = 3,12 і величина окисно-відновного потенціалу Eh = 410 мВ. Ступінь вилуговування важких металів з твердої фази осаду, що визначається як відношення кількості вилученого металу з одиниці маси твердої фази осаду до кількості металу в одиниці маси необробленої твердої фази, складає: для Zn - 70 %, Cd - 67 %. Як випливає з технічної суті відомого способу [3], у зв'язку з поверненням в реактор частини очищеного ущільненого осаду, в рідкій фазі накопичуються недостатньо великі кількості важких металів. Ступінь накопичення важких металів у рідкій фазі не може перевищувати 100 % від кількості важких металів у твердій фазі необробленого осаду на об'єм рідкої фази необробленого осаду. Тому способи подальшого концентрування металів з неї будуть економічно витратними через необхідність обробки великої кількості рідини. Таким чином, недоліками відомого способу [3] є недостатньо високі ступені вилуговування важких металів із осаду побутових стічних вод та накопичення їх в рідкій фазі. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення ступенів вилуговування важких металів із осаду побутових стічних вод та накопичення важких металів в рідкій фазі. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб вилучення важких металів із осаду побутових стічних вод, що включає вилуговування важких металів в присутності залізоокиснюючих бактерій в кислому середовищі, розділення осаду після вилуговування на тверду і рідку фази, в якому, згідно з корисною моделлю, рідку фазу розділяють на два потоки, при цьому 45-55 % повертають в реактор, а залишок обробляють одним з відомих способів. 1 UA 103623 U 5 10 15 20 25 30 35 Основною відмінною ознакою запропонованого способу вилучення важких металів із осаду побутових стічних вод є розділення рідкої фази, одержаної при ущільненні обробленого осаду, на два потоки. Важливим є повернення 45-55 % рідкої фази в реактор, що забезпечує встановлення високого окисно-відновного потенціалу (Eh = 450 мВ) в реакційній суміші, а також накопичення металів в рідкій фазі осаду, що перебуває в реакційному об'ємі. Це, відповідно, забезпечить підвищення ступеня вилуговування таких важких металів як Zn і Cd та підвищення їх концентрацій в рідкій фазі. А це, в свою чергу, призведе до досягнення високої ефективності вилуговування металів із осаду побутових стічних вод. Таким чином, сукупність суттєвих ознак заявленого способу вилучення важких металів із осаду побутових стічних вод є необхідною і достатньою для досягнення технічного результату, який забезпечується корисною моделлю - підвищення ступенів вилуговування важких металів із осаду та накопичення останніх в рідкій фазі. Спосіб реалізується наступним чином Попередньо отримують накопичувальну культуру залізоокиснюючих бактерій в осаді. Для цього беруть аеробно чи анаеробно стабілізований осад зі станції очистки побутових стічних вод з вологістю 98-99 %, створюють кисле середовище з рН = 3,5-4,0 шляхом додавання 3 сірчаної кислоти, додають 5-10 г/дм FeSO4·7H2O і витримують в реакційному об'ємі при перемішуванні та аерації протягом 5-10 діб для отримання накопичувальної культури нативних залізоокиснюючих бактерій. Процес вилучення важких металів із осаду здійснюють при неперервному культивуванні залізоокиснюючих бактерій в осаді за схемою, представленою на кресл., де 1 - ємність з осадом; 2 - реактор; 3 -ущільнювач обробленого осаду; 4 - розподільник рідкої фази. Беруть аеробно чи анаеробно стабілізований осад зі станції очистки побутових стічних вод, попередньо ущільнений до вологості 96,8-97,2 %, поміщають в ємність (1) і створюють кисле середовище з рH = 3,5-4,0 шляхом додавання сірчаної кислоти. Далі осад направляють у реактор (2), який 3 містить культуру залізоокиснюючих бактерій, і вносять 1-3 г/дм FeSO4·7H2O. Процес вилуговування здійснюють за температури 28 °С, при перемішуванні та аерації протягом 0,75-4 діб. Вологість осаду в реакторі становить 97,8-98,5 %. Оброблений осад ущільнюють в ущільнювачі (3). Тверду фазу утилізують, а рідку фазу направляють в розподільник (4) і розділяють на два потоки, при цьому 45-55 % повертають в реактор, а залишок обробляють одним з відомих способів. Визначення концентрації металу та вологості осаду стічних вод здійснюють згідно з методикою (Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М.: Химия, 1984. 448 с, с. 19-27, 50-51 ) [4]. Ступінь вилуговування важких металів з твердої фази осаду Свил, що визначається як відношення кількості вилученого металу з одиниці маси твердої фази осаду до кількості металу Zn 40 Cd в одиниці маси необробленої твердої фази, складає: для Zn Свил  76  80% , Cd  Свил  68  72% . Ступінь накопичення важких металів в рідкій фазі осаду Снак, що визначається як відношення концентрації металу в рідкій фазі обробленого осаду до концентрації металу у твердій фазі необробленого осаду тої ж вологості, що і осад в реакторі, складає: для Zn Cd Zn Св ил  114  130 % , Cd  Св ил  99  113 % . 45 50 55 Приклад виконання за корисною моделлю Попередньо отримують накопичувальну культуру залізоокиснюючих бактерій в осаді. Для цього беруть аеробно стабілізований осад стічних вод Бортницької станції аерації м. Києва з вологістю 98,8 %, створюють кисле середовище з рН = 3,5 шляхом додавання сірчаної кислоти, 3 додають 10 г/дм FeSO4·7H2O і витримують в реакційному об'ємі при перемішуванні та аерації протягом 10 діб для отримання накопичувальної культури нативних залізоокиснюючих бактерій. Для вилучення важких металів із осаду, беруть аеробно стабілізований осад стічних вод Бортницької станції аерації м. Києва, попередньо ущільнений до вологості 97,1 %, який містить металу в одиниці маси необробленої твердої фази: Zn 407 мг/кг, Cd - 6,44 мг/кг; та концентрацію 3 3 металу у твердій фазі необробленого осаду вологості 98,1 %: Zn 7,73 г/дм , Cd 0,122 г/дм . Осад поміщають в ємність (1) і створюють кисле середовище з рН = 3,5 шляхом додавання сірчаної кислоти. Далі осад направляють в реактор (2), що містить культуру залізоокиснюючих бактерій, і 3 вносять 1 г/дм FeSO4·7H2O. Процес вилуговування здійснюють за температури 28 °С, при перемішуванні та аерації протягом 3 діб. Вологість осаду в реакторі становить 98,1 %. Оброблений осад ущільнюють, наприклад, шляхом фільтрування через грубий паперовий фільтр (3). Тверду фазу видаляють, а рідку фазу розділяють (4) на два потоки, при цьому 50 % повертають в реактор. Після досягнення рівноважного стану, рН становить рН = 3,10, величина 2 UA 103623 U 5 окисно-відновного потенціалу - Eh = 450 мВ. Концентрація залізоокиснюючих бактерій в 6 обробленому осаді становить 2·10 кл/мл. Концентрація металу в одиниці маси обробленої твердої фази складає: для Zn 89 мг/кг, Cd 3 1,93 мг/кг. Концентрація металу в рідкій фазі обробленого осаду складає: для Zn 9,57 г/дм , Cd 3 0,131 г/дм . Ступінь вилуговування важких металів із осаду складає: 407 мг / кг  89мг / кг Zn Zn Св ил   100 %  78% 407 мг / кг для ; 6,44 мг / кг  193мг / кг ,  100 %  70% 6,44 мг / кг . Ступінь накопичення важких металів у рідкій фазі складає: 9,57 г / дм3 Zn Zn Снак   100 %  124 % 7,73 г / дм3 для ; Cd Cd  Св ил  10 0,131 г / дм3  100 %  107 % 0,122 г / дм3 . Аналогічно прикладу виконання за корисною моделлю були виконані досліди з вилучення важких металів із осаду побутових стічних вод з використанням різного відсотку повернення в реактор рідкої фази як в заявленому діапазоні, так і при позамежних значениях (табл. пр. 1-5). Встановлено, що повернення в реактор рідкої фази в кількості, що заявляється, забезпечує як високий ступінь вилуговування важких металів, так і високий ступінь накопичення важких металів в рідкій фазі обробленого осаду (табл. пр. 1-3). Cd Cd  Снак  15 Таблиця № п/п Відсоток поверненої в реактор рідкої фази, % 1 2 3 4 5 20 25 30 45 50 55 40 60 Ступінь вилуговування важких металів із осаду, % Zn Cd За корисною моделлю 76 68 78 70 80 72 Позамежні значення 74 66 80 72 Ступінь накопичення важких металів у рідкій фазі, % Zn Cd 114 124 130 99 107 113 102 131 92 112 При використанні відсотку повернення в реактор рідкої фази нижче заявленої межі, наприклад 40 %, зменшуються ступені вилуговування та накопичення металів (табл. пр. 4). При використанні відсотку повернення в реактор рідкої фази вище заявленої межі, наприклад 60 %, ефективність вилуговування важких металів не зростає, і процес стає більш затратним і економічно невигідним (табл. пр. 5). Реалізація способу вилучення важких металів із осаду побутових стічних вод, що заявляється, в порівнянні з відомим [3] забезпечує: - підвищення ступеня вилуговування важких металів із осаду: для Zn з 70 % до 76-80 %, тобто на 6-10 %; Cd - з 67 до 68-72 %, тобто на 1-5 %.; - підвищення ступеня накопичення важких металів у рідкій фазі: для Zn до 114-130 %; Cd до 99-113 %. При цьому слід відмітити, що підвищення ступеня накопичення важких металів у рідкій фазі призведе до зменшення витрат при подальшому концентруванні важких металів із рідкої фази. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Спосіб вилучення важких металів із осаду побутових стічних вод, що включає вилуговування важких металів в присутності залізоокиснюючих бактерій в кислому середовищі, розділення осаду після вилуговування на тверду і рідку фази, який відрізняється тим, що рідку фазу розділяють на два потоки, при цьому 45-55 % повертають в реактор, а залишок обробляють одним з відомих способів. 3 UA 103623 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4