Спосіб очищення підземної води від розчиненого урану

Реферат: Спосіб очищення підземної води від розчиненого урану включає її пропускання крізь волокнистий носій з іммобілізованими на ньому мікроорганізмами. Використовують селекціоновані мікроорганізми, після іммобілізації мікроорганізмів подрібнений волокнистий носій змішують з кварцовим піском, підземну воду пропускають через суміш волокнистого носія та піску. UA 67937 U (54) СПОСІБ ОЧИЩЕННЯ ПІДЗЕМНОЇ ВОДИ ВІД РОЗЧИНЕНОГО УРАНУ UA 67937 U UA 67937 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до технології обробки матеріалів з радіоактивним забрудненням, зокрема до біологічної обробки рідких радіоактивних відходів, і може бути використана для очищення підземних радіоактивно забруднених вод в регіонах розташування підприємств ядерної енергетики. Відомий спосіб очищення води від радіонуклідів з використанням мікробних матів на силікагелі [1]. Суть такого способу полягає у вирощуванні трьох груп бактерій (ціанобактерії Oscillatoria sp., Rhodopseudomonas та сульфатредукуючі бактерії) в поживному середовищі з силікагелем протягом 5-7 днів при 22 °С. Одержану на силікагелі біоплівку (силікат-мат) використовують для очищення води від радіонуклідів як сорбент. Очищення проводять в статичних умовах, причому потрібна щонайменше 6-кратна обробка води при співвідношенні сорбент : водний розчин 1:10. Спосіб забезпечує ступінь очищення води від урану (VI) 88 %, але цей спосіб практично неможливо реалізувати при очищенні значних об'ємів забруднених вод з низькими концентраціями розчиненого урану. Як показали дослідження [7], реалізація цього способу для очищення забруднених ураном вод в динамічному режимі забезпечує ступінь очищення води 55 %. Крім того, спосіб надзвичайно трудомісткий, потребує значних затрат на вирощування культур біосорбенту. Відомий також спосіб очищення води від радіонуклідів, оснований на використанні природного гідробіоценозу (біосорбенту) [2]. Суть способу полягає у наступному. Очищенню піддають модельні розчини, вихідна активність яких по цезію-137 і стронцію-90 складає, 9 9 3 відповідно, 440 - 4,4*10 і 40 - 4,0*10 Бк/м . Для одержання іммобілізованого природного гідробіоценозу (біосорбенту) волокнистий носій "ВІЯ" поміщають у природну водойму на 10-12 діб, що забезпечує наростання біомаси кількістю 10-20 г/кг носія в перерахунку на суху біомасу. Очищення проводять в динамічному режимі, пропускаючи модельні радіоактивні розчини крізь шар біосорбенту в колонці. Сумарну β-активність води і біосорбенту визначають з допомогою βрадіометра КРК1-01А. Ефективність методу була досліджена в природних умовах в протоці каналу з радіоактивно забрудненою водою в тридцятикілометровій зоні ЧАЕС. Цей спосіб достатньо ефективний при очищенні води від цезію-137 (ступінь очищення 81,0-95,2 %) і стронцію-90 (ступінь очищення 78,8-92,4 %). Однак, спосіб можна використовувати в динамічному режимі для очищення забруднених розчиненим ураном поверхневих вод, де є достатнє природне насичення води киснем повітря. Основним недоліком такого способу є нездатність вилучення урану (VI) з підземних вод, де кисень практично відсутній. Також відоме застосування природної асоціації мікроорганізмів активного мулу і чистої культури Bacillus polymyxa ІМВ 8910 для очищення води від урану (VI) [3]. Даний спосіб дозволяє ефективно вилучати уран лише в аеробних умовах: сорбція урану мікроорганізмами активного мулу становить 104 мг/г сухої речовини, сорбція урану чистою культурою Bacillus polymyxa ІМВ 8910 становить 190 мг/г. Недоліком способу є те, що він непридатний для очищення підземних вод. Відомий спосіб [4] очищення стічних вод від органічних забруднень, який включає обробку мікроорганізмами, прикріпленими на наповнювачі зі скріплених відрізків волокна. Наповнювач засівають біомасою бактерій, попередньо вирощених на рідкому синтетичному середовищі. Спосіб призначений для очищення води від органічних забруднень. Недоліком способу є те, що для очищення підземних вод від урану він непридатний, бо працює лише в аеробних умовах. Відомий спосіб вилучення урану (VI) із застосуванням мікроорганізмів, виділених із забрудненого ураном ґрунту закритої урановидобувної шахти [5]. Суть способу полягає у тому, що з відібраної проби ґрунту культивуванням у поживному середовищі виділяють бактерії, резистентні до токсичної дії урану. Далі окремо виділені чисті культури використовують для очищення води від урану. Недоліками запропонованого способу є недоцільність виділення чистих культур мікроорганізмів через більшу стійкість асоціації культур до зовнішніх впливів. Крім того спосіб потребує значних матеріальних витрат та часу. Відомий також спосіб зниження концентрації урану (VI) в проточній воді [6], згідно з яким підземна забруднена ураном (VI) вода протікає спочатку крізь шар суміші із висушеного гранульованого курячого посліду та подрібненого польового шпату, взятих у співвідношенні від 1:1 до 3:1, потім крізь шар вищезгаданих компонентів, взятих у співвідношенні від 1:2 до 1:5, а далі крізь шар подрібненого польового шпату. В суміші курячого посліду та польового шпату уран переходить в нерозчинну форму оксиду та фосфату і осаджується. Недоліками даного способу є: використання курячого посліду, оскільки це може призвести до біологічного забруднення води; необхідність висушування та гранулювання курячого посліду перед його розміщенням у фільтрі; короткий термін роботи фільтру через зниження його проникності внаслідок замулювання колоїдними частинками посліду та використання надто подрібненого польового шпату (фракція від 63 до 2000 мікрометрів); складність реалізації, яка полягає в 1 UA 67937 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 необхідності створення трьох різних за вмістом компонентів паралельних шарів завантаження в площині, перпендикулярній напрямку течії підземної води. Найбільш близьким до корисної моделі за технічною суттю є спосіб очищення води від урану (VI) з використанням іммобілізованих на волокнистому носієві мікроорганізмів [7]. Суть способу полягає у використанні мікроорганізмів активного мулу станцій аерації біохімічного очищення стічних вод. Іммобілізацію мікроорганізмів проводять протягом 2-3 діб, очищення води від урану здійснюють при рН 3,5-6,2. Спосіб забезпечує ступінь очищення води від урану (VI) до 87-96,5 % при наявності кисню у воді, тобто в аеробних умовах. Але даний спосіб неможливо реалізувати при очищенні підземних вод, де немає кисню. Задачею, на вирішення якої спрямована корисна модель, є розробка ефективної і економічної технології очищення підземної води від розчиненого урану. Розроблений для вирішення поставленої задачі спосіб очистки підземної води від розчиненого урану дає можливість одержати технічний результат, що полягає у підвищенні якості очистки за рахунок використання селекціонованих мікроорганізмів, іммобілізованих на подрібненому волокнистому носієві, змішаному з кварцовим піском. Крім того, розроблена корисна модель забезпечує тривалу ефективну роботу фільтра. Суть запропонованого способу полягає в тому, що у відомому способі очищення води від розчиненого урану шляхом її пропускання через волокнистий носій з іммобілізованими на ньому мікроорганізмами, в якому, відповідно заявленій корисній моделі, використовують селекціоновані мікроорганізми, після іммобілізації мікроорганізмів подрібнений волокнистий носій змішують з кварцовим піском у масовому співвідношенні волокнистий носій : пісок = (12,5):100, підземну воду пропускають через суміш волокнистого носія та піску. Як джерело мікроорганізмів для селекції беруть біоценоз донних осадів водоймища, розташованого в регіоні очищення підземної води, селекцію та іммобілізацію мікроорганізмів ведуть в анаеробних 3 умовах у поживному середовищі, що містить (в г/дм ): цистеїн - 1, лактат натрію - 0,35, дріжджовий гідролізат - 1, хлористий амоній - 1, дигідрофосфат калію - 0,5, уран - 0,05, як волокнистий носій використовують хімічний полімер (наприклад, капрон) у вигляді текстурованого джгута, подрібненого на відрізки не більші, ніж 4 см, і використовують кварцовий пісок фракції 0,6-2,0 мм. Аналіз відомих технічних рішень в даній області, опублікованих в доступних джерелах інформації, дозволяє зробити висновок про відсутність в них сукупності ознак, схожих на суттєві відмінні ознаки запропонованого способу і признати заявлене рішення таким, що відповідає критерію „новизна". Запропонована нами технологія вилучення розчиненого урану, який міститься у низьких концентраціях, із великих об'ємів води в анаеробних умовах включає використання біологічно активного матеріалу фільтра, виготовлення якого не потребує складного і дорогого обладнання і відзначається технологічністю. Вилучення розчиненого урану здійснюється шляхом мікробіологічного переведення урану в нерозчинні сполуки та осадження їх у фільтрі. Застосування селекціонованих мікроорганізмів, склад поживного середовища і подрібнений матеріал волокнистого носія забезпечують більш високий ступінь іммобілізації мікроорганізмів, а масове співвідношення носія до піску - збільшення тривалості гідравлічної проникності фільтра. Запропоновану технологію реалізують наступним чином. Для одержання селекціонованих мікроорганізмів брали донні відкладення річки Жовта (Дніпропетровська область) біля хвостосховища уранових відходів. Мікроорганізми 3 культивували протягом 14-21 доби у поживному середовищі наступного складу (в г/дм ): цистеїн - 1, лактат натрію - 0,35, дріжджовий гідролізат - 1, хлористий амоній - 1, дигідрофосфат калію 0,5, уран - 0,05 в присутності волокнистого носія при періодичному перемішуванні. Біомасу вирощували при 18-25 °С без доступу світла та кисню. Подрібнений волокнистий носій з селекціонованими мікроорганізмами змішували з піском у масовому співвідношенні волокнистий носій : пісок = (1-2,5):100 та поміщали у колонку діаметром 8 см та висотою 30 см. Через колонку пропускали з об'ємною швидкістю 50-55 3 3 2+ 2+ + + см /год модельний розчин підземної води з вмістом в мг/дм : U - 10, Са - 580, Mg - 210, Na K 2- 370, SO4 - 2190 при рН 7,4. Концентрацію урану у вихідному і очищеному розчинах визначали фотометрично з Арсеназо III при довжині хвилі 670 нм за методикою для розчинів з високим солевмістом [8]. Ступінь очищення води від розчиненого урану визначали з відношення: СО  Свих  Срівн * 100%, Свих де 2 UA 67937 U 3 5 10 15 20 Свих та Срівн - концентрація урану у вихідній та очищеній воді, мг/дм , відповідно. Нижче наведені приклади, які підтверджують можливість здійснення заявленого способу. Приклад 1. Селекціоновані мікроорганізми, іммобілізовані на волокнистому носієві, поміщали в колонку кількістю 15 г волокнистого носія (за сухою масою) та 1500 г піску. Розчин урану з 3 концентрацією 10 мг/дм пропускали через колонку протягом 51 доби. Концентрація урану у воді 3 після очищення становила 0,07-0,04 мг/дм , відповідно ступінь очищення води від розчиненого урану становив 99,3-99,6 % (таблиця, приклад 1). Приклад 2-5. Аналогічно дослідам за прикладом 1 були проведені досліди при різному масовому співвідношенні волокнистий носій : пісок, як у заявленому діапазоні, так і при позамежних значеннях. Одержані результати представлені в таблиці. Встановлено, що заявлене масове співвідношення волокнистого носія та піску (1-2,5):100 вибране з умов, які забезпечують високий ступінь очищення (таблиця, приклади 1-3). Позамежне зменшення масового співвідношення волокнистого носія та піску до, наприклад, 0,5:100, призводить до зменшення ступеня очищення води від урану за рахунок зменшення площі контактування селекціонованих мікроорганізмів з водою, яку очищають (таблиця, приклад 4). Позамежне збільшення масового співвідношення волокнистого носія та піску до, наприклад, 4:100, не призводить до підвищення ступеня очищення води, але при цьому уповільнюється 3 швидкість фільтрування до 35-40 см /год. (таблиця, приклад 5). Таблиця № Масове співвідношення волокнистого носія Швидкість фільтрування, 3 п/п та піску см /год. За корисною моделлю 1 1:100 55 2 2:100 52 3 2,5:100 50 Позамежні значення 4 0,5:100 55 5 4:100 35-40 25 30 35 40 45 Ступінь очищення, % 99,3-99,6 99,3-99,6 99,3-99,6 94,5-95,5 99,3-99,6 Переваги запропонованого способу очищення води від розчиненого урану в порівнянні з відомими полягають в наступному: - реалізація запропонованого способу в анаеробних умовах забезпечує підвищення ступеня очищення води від урану (VI) від 87-96,5 % (за способом [7]) до 99,3-99,6 %; - спосіб забезпечує високу гідравлічну проникність біологічно активного завантаження і дає можливість тривалого його використання для очищення підземних вод; - спосіб технологічно простий в реалізації. Джерела використаної інформації: 1. 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. 7 2. Патент України № 59098, МПК G02F3/34, on. 15.08.2003, бюл. № 8. 3. Спасенова Л.Н., Тобилко В.Ю., Лещук И.А., Гвоздяк П.И., Корнилович Б.Ю. Сорбция ионов U (VI) природной ассоциацией микроорганизмов активного ила и чистой культурой Bacillus polymyxa ІМВ 8910 // Химия и технология воды. - 2006. - т. 28, № 6. - с. 604-615. 4. Авторське свідоцтво № 1566675, МПК 5 С02F3/30, 1982. 5. S. Chabalala, E.M.N. Chirwa. Removal of uranium (VI) under aerobic and anaerobic conditions using an indigenous mine consortium // Minerals Engineering. - 23. - 2010. - P. 526-531. 7 6. Patent ФРН№ 102 38 957 B4 2005. 12.01, MПК G21F9/10. 6 7. Патент України на корисну модель № 24073, МПК G21F9/06, опубл. 25.06.2007, бюл. № 9. Спосіб очищення води від розчиненого урану. - прототип. 8. Немодрук А.А., Глухова Л.П. Взаимодействие шестивалентного урана с Арсеназо III в сильнокислых растворах // Журнал аналитической химии. - 1963. - Т. 18, вип. 1. - С. 93-97. 3 UA 67937 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Спосіб очищення підземної води від розчиненого урану, що включає її пропускання крізь волокнистий носій з іммобілізованими на ньому мікроорганізмами, який відрізняється тим, що використовують селекціоновані мікроорганізми, після іммобілізації мікроорганізмів подрібнений волокнистий носій змішують з кварцовим піском у масовому співвідношенні волокнистий носій : пісок = (1-2,5):100, підземну воду пропускають через суміш волокнистого носія та піску. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як джерело мікроорганізмів для їх селекції беруть біоценоз донних осадів водоймища, розташованого в регіоні очищення підземної води. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що селекцію та іммобілізацію мікроорганізмів ведуть в 3 анаеробних умовах у поживному середовищі, що містить (в г/дм ): цистеїн - 1, лактат натрію 0,35, дріжджовий гідролізат - 1, хлористий амоній - 1, дигідрофосфат калію - 0,5, уран - 0,05. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як волокнистий носій використовують хімічний полімер (наприклад, капрон) у вигляді текстурованого джгута, подрібненого на відрізки, не більші ніж 4 см. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що використовують кварцовий пісок фракції 0,6-2,0 мм. Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 4