Біосорбційний спосіб очистки води від іонів свинцю

Реферат: Біосорбційний спосіб очистки води від іонів свинцю полягає в адсорбції свинцю мікроорганізмами. Консорціум непатогенних штамів бактерій (И17В11+И17В12+ТВМ) роду Pseudomonas іммобілізують на природних неорганічних змішаних адсорбентах складу, % об'ємне співвідношення: цеоліт 5-10 пісок 10-20 стулки мідій 30-40 активоване вугілля 20-50 бентоніт і хітозан решта, якими завантажують біофільтри, а адсорбцію проводять при температурі 20-30 °С і значенні рН середовища 5,0 < рН < 7,5, що веде до зменшення витрати мікробіологічного препарату і усунення неприємного запаху очищеної води. UA 76922 U (54) БІОСОРБЦІЙНИЙ СПОСІБ ОЧИСТКИ ВОДИ ВІД ІОНІВ СВИНЦЮ UA 76922 U UA 76922 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі очистки води від високотоксичних забруднювачів, зокрема від іонів свинцю Рb (II), і може бути використана для очистки технологічних водних розчинів і стічних вод рудозбагачувальних фабрик, металургійних заводів, шахт; виробництва акумуляторів, кабелів, підшипникових сплавів, типографського сплаву; виготовлення посудин і камер для проведення хімічних процесів, захисного одягу від - і рентгенівських променів, контейнерів для зберігання і транспортування ізотопів; виготовлення масляних фарб, замазок, деяких сортів скла і т. п. Свинець є дуже шкідливим для навколишнього середовища, має акумулятивну дію і негативно впливає на людину. Його гранично допустима концентрація (ГДК) для скидання у міську каналізацію дуже мала і дорівнює 0,03 мг/л. Тому на сьогоднішній день виникає актуальна проблема пошуку способу глибокого вилучення іонів свинцю із водних розчинів. Досягнутий рівень техніки в даній області характеризується наступними прикладами: 1. Відомий "Спосіб сорбційної очистки стічних вод і технологічних розчинів від іонів свинцю" по патенту України на винахід № 4234 по Кл. 4 C02F1/42, C02F1/62, опубл. 17.01.2005, Бюл. № 1, згідно з яким очистку стічних вод та технологічних розчинів від іонів свинцю здійснюють адсорбційним способом, при цьому як адсорбенти використовують осадові породи з вмістом кальциту та доломіту від 5 до 30 %. Недоліком відомого способу є: занадто висока тривалість процесу обробки води, включаючи подальшу стадію регенерації адсорбенту. Крім того, у відомому способі залишкова концентрація іонів свинцю у воді після очистки вище ГДК. 2. Відомий „Флотаційний спосіб вилучення іонів важких металів у вигляді осадів" [Гольман A.M. Ионная флотация. - М.: Недра, 1982.-143 с.; Скрылев Л.Д., Сазонова В.Ф. Коллоиднохимические основы защиты окружающей среды от ионов тяжелых металлов. Ионная флотация. - К.: УМКВО, 1992.-215 с.], який полягає в тому, що у воду, забруднену катіонами або аніонами важких металів, вводять флотаційний збирач - відповідно аніонну або катіонну поверхневоактивну речовину (ПАР), і пропускають під тиском знизу флотаційної системи (що оснащена відповідним фільтром) бульбашки повітря. Утворену піну, що містить малорозчинний продукт взаємодії іонів важких металів з поверхнево-активними іонами, механічно збирають і спрямовують у відстійники для руйнування. Недоліками способу є: використання як органічного осаджувача іонів важких металів (IBM) не менш токсичних іоногенних ПАР, зокрема катіонних ПАР, у випадку осадження аніонних форм важких металів; необхідність регулювання значень рН середовища і оптимальної витрати реагенту для ефективного проведення процесу очистки реальних стічних вод з широким асортиментом IBM (у кожного металу своє оптимальне значення рН середовища), ПАР; вода очищується до вимог, що пред'являються до технічної води другої категорії згідно з ДСТУ 9.31490. Слід зазначити, що саме піноутворення є органолептичним показником малих кількостей більшості ПАР на водне середовище, тому виникає необхідність додаткового контролювання залишкової концентрації використаних як осаджувачі (флотаційні збирачі) ПАР. У випадку знеструмлення процес очистки води стає неможливим. Відомий, найбільш близький за досягуваним результатом (прототип) "Спосіб біологічної очистки стічних вод від металів", авт. св. СРСР № 1255588 по Кл. 4 C02F 3/34, опубл. 07.09.1986, Бюл. № 33, згідно з яким вилучення металів із стічних вод проводять шляхом їх контактування з міцелієм грибів Aspergillus протягом 24-48 годин при 18-25 °C з наступним відділенням біомаси фільтруванням. З метою підвищення ступеня витягання металів використовують попередньо вирощений протягом двох діб на мінеральному живильному середовищі міцелій грибів, контактування проводять при рН = 3,5-6,5, а біомасу після фільтрування висушують. Недоліками відомого способу є те, що періодично потрібні для промивки великі кількості чистої води і великі витрати мікробіологічного матеріалу, який дуже часто необхідно міняти на новий, при цьому процес контактування з міцелієм грибів Aspergillus є досить тривалим (до 2-х діб); очищена вода має неприємний запах. Задача, на рішення якої спрямована пропонована корисна модель, - проведення глибокої очистки води від високотоксичних іонів свинцю методом біосорбції з наступним технічним ефектом: забезпечення економії води при замкнутому водопостачанні та можливості повторного використання малорозчинних форм свинцю у різних технологічних процесах, забезпечення охорони праці працюючих на відповідних виробництвах за рахунок використання екологічно безпечних змішаних природних адсорбентів. Поставлена задача вирішується біосорбційним способом очистки води від іонів свинцю, який полягає в адсорбції свинцю мікроорганізмами, і відрізняється тим, що консорціум 1 UA 76922 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 непатогенних штамів бактерій (И17В11+И17В12+ТВМ) роду Pseudomonas іммобілізують на природних неорганічних змішаних адсорбентах складу, % об'ємне співвідношення: цеоліт 5-10 пісок 10-20 стулки мідій 30-40 активоване вугілля 20-50 бентоніт і хітозан решта, якими завантажують біофільтри, а адсорбцію проводять при температурі 20-30 °C і значенні рН середовища 5,0 < рН < 7,5, що веде до зменшення витрати мікробіологічного препарату і усунення неприємного запаху очищеної води. Із усіх спеціальних методів очистки води від іонів важких металів (IBM), зокрема і від високотоксичних іонів свинцю, адсорбційні методи є найбільш простими, менш дорогими, доступними і ефективними. На кресленні зображено схему здійснення технологічного процесу. Схема містить: 1 відстійник; 2, 3 і 4 - багатошарові біофільтри; 5 - кран для подачі чистої води; 6 - інокулятор; 7 ємність з 10 % фізрозчином NaCl. Пропонований біосорбційний спосіб включають разом із технологічним процесом у замкнутий цикл і здійснюють наступним чином. Забруднену іонами свинцю та різними механічними домішками воду направляють у відстійник 1, де контролюють температуру і при необхідності доводять рН до значення, близького до нейтрального. Перед очисткою через завантажені природними змішаними адсорбентами біофільтри 2, 3 і 4 пропускають чисту воду (кран 5). Суспензії бактерій з інокулятора 6 подають у біофільтри 2, 3 і 4 тільки після їх повного зволоження водою. Іммобілізація бактерій на природних адсорбентах дозволяє утворити на них 7 біоплівку в перерахунку на бактеріальні клітини не менше 10 на 1 г адсорбенту-носія. Після іммобілізації бактерій біофільтри промивають 10 % водним розчином NaCl, що надходить із ємності 7, з метою усунення в подальшому в технологічній системі очистки біообростання. Із відстійника 1 пропускають через систему біофільтрів забруднену іонами свинцю воду. Очищена вода після біофільтра 4 надходить на стадію проведення технологічного процесу або скидається у каналізацію. Біофільтри 2, 3 і 4 на 2/3 їх об'єму завантажують природними адсорбентами: цеоліт, пісок, стулки мідій, активоване вугілля, бентоніт, хітозан, послідовно з'єднують між собою шлангами. До кожного із біофільтрів, які розташовано нижче один відносно одного, прироблено два патрубки: патрубок для подання забрудненої води (знаходиться на рівні верхнього шару біофільтра) і патрубок для виходу очищеної води - знизу. До першого біофільтра приєднана ємність 6, через яку перед очисткою здійснюється при температурі 2030 °C і значенні рН середовища 5,0 < рН < 7,5 інокулювання окремими штамами гетеротрофних непатогенних бактерій И17В11, И17В12, ТВМ роду Pseudomonas та їх консорціумом (И17В11+И17В12+ТВМ) природних адсорбентів, якими у різних об'ємних співвідношеннях (%) заповнено усі фільтри. У нижній шар біофільтрів 2, 3 і 4 насипають адсорбент із сильно розвиненою внутрішньою поверхнею - цеоліт крупний і середній із середнім розміром частинок r = 10 мм і r = 5 мм; в середній шар - пісок, стулки мідій; у верхній - бентоніт, хітозан, активоване вугілля. як біосорбенти і біоакумулятори іонів свинцю використовують вишукані окремі штами грамнегативних бактерій (И17В11, И17В12, ТВМ) роду Pseudomonas, які в природних умовах виділені із різних джерел (Чорне море м. Одеси, о. Зміїний), та їх консорціум (И17В11+И17В12+ТВМ). А як фільтруючі неорганічні матеріали використовують дешеві та легкодоступні в Україні адсорбенти - цеоліт, пісок, стулки мідій, активоване вугілля, хітозан і бентоніт, що і відокремлено мають підвищену відносно катіонів важких металів іонообмінну і адсорбційну здатність. Дослідження проводили у Біотехнологічному науково-навчальному центрі Одеського національного університету імені І.І. Мечникова. Мікробіологічні дослідження по вилученню іонів свинцю із модельних нітратних водних розчинів з використанням суспензій трьох штамів гетеротрофних грамнегативних бактерій роду Pseudomonas И17В11, И17В12, ТВМ та консорціуму цих бактерій (И 17В11+И17В12+ТВМ) при об'ємному співвідношенні забруднена вода: суспензії бактерій - (1-10)1 показали, що усі бактерії є свинець-резистентними і добре переносять "залпові навантаження" металу. Але найбільш активними є бактерії ТВМ та консорціум бактерій (И 17В11+И17В12+ТВМ) роду Pseudomonas, при іммобілізації яких на природних сорбентах досягається очистка води від іонів свинцю на рівні ГДК (0,03 мг/л). Встановлено, що умови культивування бактерій також суттєво впливають на їх здатність максимально взаємодіяти з катіонами високотоксичного металу. Оптимальними є такі умови: температура 30 °C і поживне середовище (пептоно-сольове 2 UA 76922 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 середовище М-9 зі забезпеченням рН 7), що містить, г/л: KН2РО4-1,5; Na2HPO4-3; NaCl-5; NH4Cl1; пептон - 10; глюкоза - 2; дріжджовий екстракт - 5. Розчини солі свинцю з вихідною концентрацією 50 мг/л по металу [С°(Рb) = 50 мг/л] готували розчиненням у 1 л води 80 мг солі Pb(NO3)2 марки "ос.ч.". Спосіб ілюструється прикладами: Приклад 1 Через систему трьох біофільтрів, які заповнювали послідовно на 2/3 їх об'єму адсорбентами - пористими тілами із сильно розвиненою внутрішньою поверхнею (цеоліт, активоване вугілля): цеоліт крупний і середній із середнім розміром частинок r = 10 мм і r = 5 мм - 5 %; пісок - 30 %, стулки мідій - 30 %; хітозан - 2,5 %; активоване вугілля - 30 %; бентоніт - 2,5 %, при температурі 20 °C і значенні рН середовища рН  7,0 здійснювали інокуляцію адсорбентів окремим штамом бактерій И17В11 роду Pseudomonas. Промивали 10 % фізрозчином NaCl з метою усунення в подальшому біообростання. Потім пропускали через систему забруднену іонами свинцю воду [С°(Рb) = 50 мг/л] і через 30-40 хвил. одержували очищену воду. Залишковий вміст іонів свинцю, що визначали атомно-абсорбційним методом на полум'яному атомно-абсорбційному спектрофотометрі "Сатурн", складав 0,15 мг/л. Приклад 2 Умови ті ж, що й в прикладі 1, за винятком того, що природні змішані адсорбенти, якими завантажують фільтри, інокулюють окремим штамом бактерій И17В12 роду Pseudomonas. Залишковий вміст іонів свинцю на виході технологічної системи після третього багатошарового біофільтра, що визначали атомно-абсорбційним методом, складав 0,11 мг/л. Приклад 3 Умови ті ж, що й в прикладі 1, за винятком того, що природні змішані адсорбенти, якими завантажують фільтри, інокулюють окремим штамом бактерій ТВМ роду Pseudomonas. Залишковий вміст іонів свинцю на виході технологічної системи після третього біофільтра дорівнював  0,05 мг/л. Приклад 4 Умови ті ж, що й в прикладі 1, за винятком того, що природні змішані адсорбенти, якими завантажують фільтри, інокулюють консорціумом бактерій (И 17В11+И17В12+ТВМ) роду Pseudomonas. Залишковий вміст іонів свинцю на виході технологічної системи після третього біофільтра дорівнював 0,03 мг/л, що дозволяє повторно використовувати воду у замкнутому водопостачанні або скидати очищену воду від іонів свинцю у міську каналізацію. Як видно із наведених прикладів, найбільш ефективними біосорбентами є консорціумом штамів бактерій (И17В11+И17В12+ТВМ) роду Pseudomonas, який пропонується для використання в очищувальних системах. Основними перевагами пропонованого способу в порівнянні з відомими способами і прототипом є: економічна вигода і екологічна безпечність при досягненні необхідної глибини очистки води від високотоксичних іонів свинцю і суттєвому зниженні витрати мікробіологічного препарату; надійність і стабільність роботи біофільтраційної технології (у порівнянні з біологічним методом) впродовж тривалого часу з можливістю регенерації природних змішаних адсорбентів, якими завантажено три біофільтри. Техніко-економічний ефект від впровадження біосорбційного способу: простота апаратурного оснащення для здійснення процесу очистки технологічних водних розчинів від іонів свинцю до рівня ГДК; здешевлення процесу обробки води за рахунок багаторазового її використання у замкнутому виробничому циклі (наприклад, гальванічному, металооброблювальному виробничому циклі); використання дешевих і легкодоступних адсорбентів (мікроорганізми, неорганічні природні адсорбенти - цеоліт, активоване вугілля, пісок, стулки мідій тощо); уникнення неприємного запаху очищеної води і повторного забруднення внаслідок утворення щільного шламу; можливість повторного використання свинцю ускладі нетоксичних малорозчинних сполук після вимивання у різних технологічних процесах, зокрема у приготовленні масляних фарб, деяких сортів скла, у промисловості будівельних матеріалів і т. п. Соціальний ефект полягає в створенні нормальних і безпечних умов праці на виробництві за рахунок використання екологічно безпечних реагентів і в запобіганні попаданню іонів свинцю у навколишнє середовище, зокрема у рекреаційні зони. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Біосорбційний спосіб очистки води від іонів свинцю, який полягає в адсорбції свинцю мікроорганізмами, який відрізняється тим, що консорціум непатогенних штамів бактерій 3 UA 76922 U 5 (И17В11+И17В12+ТВМ) роду Pseudomonas іммобілізують на природних неорганічних змішаних адсорбентах складу, % об'ємне співвідношення: цеоліт 5-10 пісок 10-20 стулки мідій 30-40 активоване вугілля 20-50 бентоніт і хітозан решта, якими завантажують біофільтри, а адсорбцію проводять при температурі 20-30 °С і значенні рН середовища 5,0 < рН < 7,5, що веде до зменшення витрати мікробіологічного препарату і усунення неприємного запаху очищеної води. Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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