Біосорбційний спосіб очистки води від кадмію

Реферат: Біосорбційний спосіб очистки води від кадмію полягає в комплексній очистці води від кадмію. На стадії передочистки здійснюють адсорбцію кадмію на суміші глини з хітозаном (в рівних кількостях). На стадії доочистки здійснюють адсорбцію на біофільтрах складу, які попередньо іммобілізують асоціацію непатогенних штамів бактерій роду Pseudomonas при температурі 30 °С і значенні рН ≈ 7, що дозволяє досягти концентрації кадмію менше ГДК. UA 79392 U (54) БІОСОРБЦІЙНИЙ СПОСІБ ОЧИСТКИ ВОДИ ВІД КАДМІЮ UA 79392 U UA 79392 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі очистки води від високотоксичних забруднювачів, зокрема від кадмію, і може бути використана для очистки технологічних водних розчинів і стічних вод свинцево-цинкових заводів, рудозбагачувальних фабрик, гальванічного виробництва, хімічних виробництв (виробництво сірчаної кислоти) і т.п. Сполуки кадмію відіграють важливу роль в життєдіяльності людини та тварин. А в підвищених концентраціях він є дуже шкідливим для навколишнього середовища, особливо в сполученні з іншими токсичними речовинами і у розчинній формі у воді - у формі катіонів кадмію. Його гранично-допустима концентрація (ГДК у воді рік) складає 0,001 мг/л, ГДК для скидання у міську каналізацію - 0,02 мг/л (лімітируюча ознака шкідливості - токсикологічна). Тому на сьогоднішній день виникає актуальна проблема пошуку способу глибокого вилучення кадмію із водних розчинів. Очистка води від високотоксичних забруднювачів, зокрема від кадмію, може бути проведена хімічним, фізичним та електрохімічним способами. Вони дорогі, громіздкі та не завжди забезпечують високий рівень очистки. За останній час перевага надається біологічній очистці, де головну роль відіграють мікроорганізми - бактерії. Досягнутий рівень техніки в даній області характеризується наступними прикладами: Відомий "Флотаційний спосіб вилучення іонів важких металів у вигляді осадів" [A.M. Гольман. Ионная флотация. - М: Недра, 1982.-143 с; Л.Д. Скрылев, В.Ф. Сазонова 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 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 важких металів, ПАР; вода очищується до вимог, що пред'являються до технічної води другої категорії згідно ДСТУ 9.314-90. Слід зазначити, що саме піноутворення є органолептичним показником малих кількостей більшості ПАР на водне середовище, тому виникає необхідність додаткового контролювання залишкової концентрації використаних як осаджувачів ПАР. У випадку знеструмлення процес очистки води стає неможливим. Відомий "Спосіб біологічної очистки стічних вод від металів", авт. св. СРСР №1255588 по Кл. 4 C02F3/34, опубл. 07.09.1986, Бюл. №33, згідно якого вилучення металів із стічних вод проводять шляхом їх контактування з міцелієм грибів Aspergillus протягом 24-48 годин при 1825 °C з наступним відділенням біомаси фільтруванням. З метою підвищення ступеня витягу 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. Відомий, найбільш близький за результатом, що досягається, (прототип) "Способ микробиологической очистки сточных вод промышленных предприятий от ионов тяжелых металлов: цинка, кадмия и свинца" по Патенту Російської Федерації на винахід № 4234 по Кл 7 C02F3/34, С12 № 1/20, С12 R1:01 опубл. 20.11.2003, бюл. № 26, згідно якого мікробіологічну очистку промислових стічних вод від іонів важких металів: цинку, кадмію та свинцю здійснюють шляхом використання як мікробіологічних реагентів - штами родококів. Використовують бактеріальну суміш родококів, яка містить штами Rhodococcus ruber (ИЭГМ АС 219; ИЭГМ AC 220; ИЭГМ АС 221; ИЭГМ АС 222; ИЭГМ АС 338; ИЭГМ АС 347). Недоліком відомого способу є: використання великої кількості (шість) штамів бактерій, які належать до патогенних мікроорганізмів, занадто висока тривалість процесу нарощування біомаси. Крім того, у відомому способі залишкова концентрація кадмію у воді після очистки вище ГДК при вихідній концентрації металу 0,3-2,5 мг/л (в залежності від штаму родококів). Задача на рішення якої спрямована пропонована корисна модель - проведення глибокої очистки води від високотоксичного кадмію методом біосорбції до рівня ГДК з наступним 1 UA 79392 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 технічним ефектом: скорочення загального часу очистки води, включаючи час приготування суспензій бактерій, зменшення кількості штамів (з шести до трьох штамів), використання непатогенних мікроорганізмів при забезпеченні в очищувальній біофільтраційній системі замкнутого водопостачання. Крім того, використовуються екологічно безпечні природні адсорбенти: цеоліт, активоване вугілля, стулки мідій, глина. Значно збільшується вихідна концентрація високотоксичного металу з 0,3 мг/л до 50 мг/л, що дозволяє проводити глибоку очистку реальних відпрацьованих технологічних розчинів і стоків відповідних підприємств. Для вирішення поставленої задачі використовують біосорбційний спосіб очистки води від кадмію, який полягає в комплексній очистці води від кадмію і, згідно корисної моделі, що на стадії передочистки здійснюють адсорбцію кадмію на суміші глини з хітозаном (в рівних кількостях), а на стадії доочистки - адсорбцію на біофільтрах складу, % об'ємне співвідношення: цеоліт 5-10 пісок 15-20 стулки мідій 30-40 активоване вугілля 30-40 глина і хітозан решта, які попередньо іммобілізують асоціацію непатогенних штамів бактерій роду Pseudomonas при температурі 30 °С і значенні рН ≈ 7, що дозволяє досягти концентрації кадмію менше ГДК. Найбільш доступним, менш коштовним і ефективним із усіх спеціальних способів очистки води від важких металів є адсорбційний спосіб. На кресленні зображено схему здійснення біосорбційного технологічного способу очистки води від кадмію. Схема містить: відстійник (1); резервуар з перемішувачем (2); багатошарові біофільтри (3, 4, 5); кран із чистою водою (6); інокулятор (7); ємність (8) з сольовим середовищем М-9. Пропонований біосорбційний спосіб включено у замкнутий цикл технологічного процесу, що здійснюють наступним чином. Забруднену кадмієм та різними механічними домішками воду направляють у відстійник (1), де контролюють температуру 30 °C і, при необхідності, доводять рН до значення близького до нейтрального. Після відстоювання забруднену воду, що не містить механічних домішків, направляють у резервуар з перемішувачем (2), де відбувається стадія передочистки забрудненої води від кадмію з концентрацією 50 мг/л. Перемішування здійснюють протягом 20 хв. у присутності природних адсорбентів: глини та хітозану з розрахунку 2 г суміші адсорбентів (1:1 по масі) на 1 л забрудненої води. Після 48 год. відстоювання вода від кадмію очищується на 75-80 %, що відповідає залишковій концентрації кадмію 10,0-12,5 мг/л. Очищену до вищевказаного ступеня воду пропускають через біофільтри (3, 4, 5), які попередньо були спочатку зволожені чистою водою з крану (6) та з інокулятору (7) іммобілізовані асоціацією непатогенних штамів бактерій роду Pseudomonas (об'ємом 300 мл). Внаслідок утворення біоплівки на природних адсорбентах при іммобілізації бактерій (в 7 перерахунку на бактеріальні клітини не менше 10 на 1 г адсорбенту-носія) посилюється адсорбція високотоксичного металу. Біофільтри після іммобілізації бактерій промивають сольовим середовищем М-9 (яке містить, г/л: КН2РО4 - 1,5; Na2HPO4 - 3; NaCl - 5; NH4Cl - 1), що надходить із ємності (8) з метою вимивання вільних клітин бактерій. Очищена вода, пройдена через біофільтр (5), надходить на стадію проведення технологічного процесу або скидається у каналізацію. Усі біофільтри на 2/3 їх об'єму загружають природними адсорбентами: цеоліт, пісок, стулки мідій, активоване вугілля, глина, хітозан, і послідовно з'єднують між собою шлангами. До кожного із біофільтрів прироблено два патрубки: патрубок для подання забрудненої води (знаходиться на нижньому рівні біофільтру) і патрубок для виходу очищеної води - зверху (над адсорбентами). До першого біофільтру приєднана ємність (7), через яку перед очисткою при температурі 30 °C і значенні рН середовища рН ≈ 7 здійснюють іммобілізацію асоціацією бактерій роду Pseudomonas на природних адсорбентах. У нижній шар біофільтрів (3, 4, 5) 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 - глина, хітозан, активоване вугілля. Як біосорбенти і біоакумулятори кадмію використовують асоціацію штамів гетеротрофних непатогенних бактерій (И17В11 + И17В12 + ТВМ) роду Pseudomonas, виділених із природних джерел. А як фільтруючі неорганічні матеріали використовують дешеві та легкодоступні в Україні адсорбенти - цеоліт, пісок, стулки мідій, активоване вугілля, глину і хітозан, які мають підвищену відносно катіонів важких металів іонообмінну і адсорбційну здатність. Дослідження проводили у Біотехнологічному науково-навчальному центрі Одеського національного університету імені І.І. Мечникова. 2 UA 79392 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Спосіб ілюструється прикладами: Приклад 1. Забруднену воду, що не містить після відстоювання (відстійник (1)) механічних домішків, спрямовували у резервуар з перемішувачем (2), де відбувалася стадія передочистки забрудненої води від кадмію з концентрацією 50 мг/л. Перемішування здійснювали протягом 20 хв. у присутності природних адсорбентів: глини та хітозану з розрахунку 2 г суміші адсорбентів (1:1 по масі) на 1 л забрудненої води. Після 48 год. відстоювання вода від кадмію очищувалася на 75-80 %, що відповідало залишковій концентрації кадмію 10,0-12,5 мг/л. Через систему трьох підготовлених до роботи біофільтрів (3, 4, 5), заповнених на 2/3 їх об'єму адсорбентами (в % об'ємному співвідношенні): цеоліт - 5-10; пісок - 15-20; стулки мідій - 30-40; активоване вугілля 30-40; глина і хітозан - решта, при температурі 30° С і значенні рН ≈ 7 проводили іммобілізацію окремим штамом бактерій И17В11 роду Pseudomonas. Таким чином, забруднена кадмієм вода, пройдена через усю технологічну систему містила кадмію 0,15 мг/л на виході, і не мала неприємного запаху. Залишковий вміст кадмію визначали атомно-абсорбційним методом на полум'яному атомно-абсорбційному спектрофотометрі "Сатурн". Приклад 2. Умови ті ж, що й в прикладі 1, за винятком того, що природні змішані адсорбенти, якими загружали фільтри, іммобілізували окремим штамом бактерій И17В12 роду Pseudomonas. Залишковий вміст кадмію на виході технологічної системи після третього багатошарового біофільтру, 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 загружали фільтри, іммобілізували окремим штамом бактерій ТВМ роду Pseudomonas. Залишковий вміст кадмію на виході технологічної системи після третього біофільтру складав ≤ 0,05 мг/л. Приклад 4. Умови ті ж, що й в прикладі 1, за винятком того, що природні змішані адсорбенти, якими загружали фільтри, іммобілізували асоціацією непатогенних штамів бактерій (И 17В11 + И17В12 + ТВМ) роду Pseudomonas. Залишковий вміст кадмію на виході очищувальної технологічної системи дорівнював 0,02 мг/л, що дозволяє повторно використовувати воду у замкнутому водопостачанні або її скидати у міську каналізацію. Основними перевагами пропонованого способу в порівнянні з прототипом є: економічна вигідність і екологічна безпечність при досягненні необхідної глибини очистки води від високотоксичного кадмію і зменшенні кількості штамів непатогенних мікроорганізмів; надійність і стабільність роботи біофільтраційної технології (у порівнянні з біологічним методом) впродовж тривалого часу з можливістю регенерації природних змішаних адсорбентів, якими загружено біофільтри. Техніко-економічний ефект від впровадження біосорбційного способу: простота апаратурного оснащення для здійснення процесу очистки технологічних водних розчинів від кадмію до рівня ГДК; скорочення загального часу очистки води, включаючи час приготування суспензій бактерій, зменшення кількості штамів (з шести до трьох штамів), використання непатогенних мікроорганізмів при забезпеченні в очищувальній біофільтраційній системі замкнутого водопостачання. Крім того, використовуються екологічно безпечні природні адсорбенти: цеоліт, активоване вугілля, стулки мідій, глина. Значно збільшується вихідна концентрація високотоксичного металу з 0,3 мг/л до 50 мг/л, що дозволяє проводити глибоку очистку реальних відпрацьованих технологічних розчинів і стоків відповідних підприємств. Соціальний ефект полягає в створенні нормальних і безпечних умов праці на виробництві за рахунок використання екологічно безпечних реагентів і в запобіганні попадання кадмію у навколишнє середовище, зокрема у рекреаційні зони. 50 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Біосорбційний спосіб очистки води від кадмію, що полягає в комплексній очистці води від кадмію, який відрізняється тим, що на стадії передочистки здійснюють адсорбцію кадмію на суміші глини з хітозаном (в рівних кількостях), а на стадії доочистки - адсорбцію на біофільтрах складу, % об'ємне співвідношення: цеоліт 5-10 пісок 15-20 стулки мідій 30-40 активоване вугілля 30-40 3 UA 79392 U глина і хітозан решта, які попередньо іммобілізують асоціацію непатогенних штамів бактерій роду Pseudomonas при температурі 30 °С і значенні рН ≈ 7, що дозволяє досягти концентрації кадмію менше ГДК. Комп’ютерна верстка С. Чулій 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