Спосіб локальної очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини, переважно лікарняних установ

Реферат: Спосіб локальної очистки та знезараження стічних вод містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини, переважно лікарняних установ, який включає їх електрохімічну деструкцію. Процес очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини або їх суміші та бактеріальні забруднення, проводять анодним окисленням, одностадійно, у ванні, що містить стічні води та як електроліт хлорид натрію з концентрацією 300-500 мг/л, де як анод використовують оксидно-рутенієвий титановий анод, шляхом пропускання через стічні води постійного струму силою 0,37-0,59 А та напругою 29,0-31,5 В при перемішуванні та температурі 25 °C протягом 1-10 хвилин до повної деструкції фармацевтичних речовин та знезараження стічних вод. Оптимальні параметри режиму процесу залежать від виду цих фармацевтичних речовин, які містяться у стічних водах. UA 114116 U (12) UA 114116 U UA 114116 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області екології, точніше до технології очищення стічних вод, що містять важко окислювальні органічні сполуки та бактеріальні забруднення, а саме до способу локальної очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини, переважно лікарняних установ, і може бути використана для локального очищення стічних вод підприємств біологічної, фармацевтичної промисловості, туберкульозних і інфекційних та інших лікарень перед їх надходженням до міської каналізацій. Скидання неочищених або недостатньо очищених стічних вод у відкриті водойми приводить до порушення в них екологічної рівноваги, погіршуючи екологічну безпеку водної екосистеми. Виробництво фармацевтичних препаратів, їх споживання населенням постійно зростає, що чинить значне екологічне навантаження на довкілля. В більшості випадків значна частина (до 95 %) фармацевтичних речовин, які складають їх активну фармацевтичну субстанцію, у незмінному вигляді екскретується з організму людини та зі стічними водами надходять на міські очисні споруди, де не завжди піддаються повній деградації. Стічні води лікарень та інших медичних закладів є вкрай небезпечними, тому що містять патогенну флору - збудників інфекційних та паразитарних хвороб і відрізняються від інших стоків порівняно високими концентраціями фармацевтичних речовин та різноманітністю їх фармацевтичних груп, які є стійкими до біологічної деградації сполуками [1]. Однак, в Україні, незважаючи на наявне законодавство, проблемі очищення та знезараження стічних вод, особливо лікарняних установ, які одночасно містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини та бактеріальні забруднювачі, фактично не приділяється належної уваги. Тому забезпечення ефективного локального очищення стічних вод лікарень та інших медичних закладів у місцях їх формування перед їх надходженням до міської каналізації для захисту водойм від забруднень є вкрай актуальною задачею. Відомий спосіб електролітичного очищення стічних вод від органічних речовин шляхом пропускання через воду електричного струму при додаванні реагентів, що підвищують електропровідність [2]. При цьому, як реагенти, що підвищують електропровідність, 3 використовують залізний купорос, який додають у воду в кількості 30-50 мг-екв/дм та гідроксид натрію, який додають в кількості від 1,0 до 1,1 від дози залізного купоросу, після чого воду перед пропусканням через неї електричного струму піддають механічному очищенню. Пропускання через воду електричного струму здійснюють при щільності струму, рівень якої 2 встановлюють в межах 100 < і ≤ 900, де і - щільність струму, А/м , а воду в міжелектродному просторі перемішують за допомогою стисненого повітря. Недоліком відомого способу є недостатня ефективність очищення стічних вод від органічних речовин та складність процесу. Відомий спосіб термічного знезаражування й очистки стічних вод підприємств біологічної промисловості, лікувальних установ, туберкульозних лікарень, що включає попереднє нагрівання стічної води в теплообмінному апараті до температури 20-30 °C за рахунок тепла очищених стічних вод і знезаражування шляхом термічної обробки [3]. Попередньо підігріту стічну воду додатково підігрівають у трубному просторі автоклава за рахунок тепла знезаражених стічних вод з наступним знезаражуванням стічних вод шляхом нагрівання в міжтрубному просторі автоклава до температури 110-120 °C при тиску 0,3-0,5 МПа. Далі проводять охолодження стічної води в міжтрубному просторі автоклава за рахунок подачі свіжої стічної води в трубний простір автоклава, після чого стічну воду піддають електрокаталітичній обробці й реагентній обробці седиментацією. Осад, що утворюється, підігрівають у режимі мезофільного або термофільного зброджування за рахунок тепла очищених стічних вод. Охолоджені в згущувачі й потім у теплообмінному апараті до температури 20-30 °C стічні води направляють у водойму. Недоліком відомого способу є складність процесу та те, що при своєму використанні він не дозволяє здійснити видалення шкідливих забруднень в повному обсязі. Відомий спосіб очистки й знезаражування стічних вод, що використовують для локальної очистки стічних вод підприємств біологічної промисловості, лікувальних установ, туберкульозних і інфекційних лікарень, який прийнятий за прототип [4]. Спосіб очистки й знезаражування стічних вод полягає в тому, що стічну воду піддають седиментаційній очистці з використанням поліоксихлориду алюмінію як реагенту, потім фільтрують на фільтрі із зернистим завантаженням - силіційованим кальцитом, з наступним пропущенням просвітленої стічної води крізь анодну камеру мембранного електролізера, фільтруванням у зернистому марганцево-алюмінієвому каталізаторі й пропущенням крізь катодну камеру мембранного електролізера. Пропущення води здійснюють в електричному полі напруженістю 500-600 В/м зі швидкістю 15-18 м/год., далі очищену воду знезаражують ультрафіолетовим випромінюванням, 1 UA 114116 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 а осад, що утворюється, направляють на термічну обробку при температурі 110-120 °C, тиску 0,15-0,20 МПа протягом 0,2-0,3 години. При цьому здійснюють знезаражування води й осаду. До недоліків відомого способу варто віднести складність процесу внаслідок його багатостадійності, використання реагенту та недостатню ефективність, особливо стічних вод лікарень та інших медичних закладів, що в цілому приводить до високих експлуатаційних витрат. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу локальної очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини, переважно лікарняних установ, у якому за рахунок одностадійності процесу, вибраних умов, матеріалу аноду, параметрів та режимів його проведення, забезпечується спрощення процесу та підвищення його ефективності, забезпечення високого ступеня очищення й знезаражування стічних вод, що містять бактеріальні забруднення та найстійкіші до біодеградації фармацевтичні препарати або їх суміші, до їх повної деструкції. Вирішення цієї задачі дозволяє попередити надходження фармацевтичних речовин та бактеріальних забруднень до міської каналізації, а далі і до водних об'єктів та таким чином підвищити екологічну безпеку останніх. Поставлена задача вирішується тим, що в способі локальної очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини або їх суміші та бактеріальні забруднення, переважно лікарняних установ, який включає їх електрохімічну деструкцію, згідно з корисною моделлю, процес очистки та знезараження стічних вод проводять анодним окисленням, одностадійно, у ванні, що містить стічні води та як електроліт хлорид натрію з концентрацією 300-500 мг/л, де як анод використовують оксидно-рутенієвий титановий анод, шляхом пропускання через стічні води постійного струму силою 0,37-0,59 А та напругою 29,0-31,5 В при перемішуванні та температурі 25 °C протягом 1-10 хвилин до повної деструкції фармацевтичних речовин та знезараження стічних вод, при цьому, оптимальні параметри режиму процесу залежать від виду цих фармацевтичних речовин, які містяться у стічних водах. Крім того, повній електрохімічній деструкції піддають найбільш стійкі до біодеградації фармацевтичні речовини, такі як диклофенак, бета-естрадіол, фуросемід, атенолол, цефуроксим або їх суміші, які є у стічних водах. У результаті використання корисної моделі, що заявляється, забезпечується одержання технічного результату, який полягає у спрощенні процесу, підвищенні його ефективності та забезпеченні високого ступеня очищення й знезаражування стічних вод, що містять бактеріальні забруднення та найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини або їх суміші, до їх повної деструкції. Використання як аноду оксидно-рутенієвого титанового аноду та як електроліту хлориду натрію з концентрацією 300-500 мг/л, сприяє підвищенню ефективності процесу повної деструкції фармацевтичних речовин. Одержані експериментальні дані по деструкції фармацевтичних речовин з використанням оксидно-рутенієвого титанового аноду (RuO2) свідчать про те, що процес їх руйнування проходив на ньому більш ефективно, ніж на платиновому. Чотири пріоритетні речовини (бета-естрадіол, фуросемід, атенолол, цефуроксим) були зруйновані вже після першої хвилини від початку процесу. Тільки для найбільш стійкої молекули протизапального препарату диклофенаку деструкція тривала біля 5 хв. Вибір як електроліту хлориду натрію з концентрацією 300-500 мг/л, сприяє прискоренню процесу деструкції. А разом із заявленими умовами і параметрами режиму одностадійного процесу забезпечується повне руйнування фармацевтичних речовин, що підвищує ефективність способу та забезпечує високий ступень очищення й знезаражування стічних вод, які містять бактеріальні забруднення та найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини або їх суміші, до їх повної деструкції. За наявними у заявника відомостями сукупність суттєвих ознак, що характеризують сутність корисної моделі, що заявляється, не відома з рівня техніки, що дозволяє зробити висновок про відповідність винаходу критерію "новизна". Спосіб локальної очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини, переважно лікарняних установ, що заявляється, може бути багаторазово використаний у технології очищення стічних вод з одержанням очікуваного технічного результату, що дозволяє зробити висновок про відповідність корисної моделі критерію "промислова придатність". Таким чином, спосіб локальної очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини, переважно лікарняних установ, що заявляється, є технічним рішенням, яке відповідає всім умовам патентоздатності корисної моделі. Суть корисної моделі пояснюється ілюстративними матеріалами, де представлені: на Фіг. 1 сумарний кінетичний процес деструкції фармацевтичних речовин з використанням оксиднорутенієвого титанового аноду (RuO2) та концентрацією електроліту NaCl - 500 мг/л; на Фіг. 2 2 UA 114116 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 хроматограма типу РХ-МС (рідинна хроматографія з мас-спектрометром) з УФ (ультрафіолетовим) детектором суміші фармацевтичних речовин після проведення процесу деструкції, яка показує повне руйнування фармацевтичних речовин. Пропонований спосіб локальної очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини, переважно лікарняних установ, перед їх надходженням до міської каналізації, здійснюють таким чином. Спосіб включає електрохімічну деструкцію, яку проводять анодним окисленням, переважно таких найстійкіших до біодеградації фармацевтичних речовин як диклофенак, бета-естрадіол, фуросемід, атенолол, цефуроксим або їх суміші та бактеріальні забруднення, які є у стічних водах лікарняних та інших медичних установ. Процес очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини або їх суміші та бактеріальні забруднення, проводять одностадійно, у ванні, що містить стічні води та як електроліт хлорид натрію з концентрацією 300-500 мг/л. Як анод використовують оксидно-рутенієвий титановий анод. Спосіб здійснюють шляхом пропускання через стічні води постійного струму силою 0,37-0,59 А та напругою 29,0-31,5 В при перемішуванні та температурі 25 °C протягом 1-10 хвилин до повної деструкції фармацевтичних речовин та знезараження стічних вод, при цьому, оптимальні параметри режиму процесу залежать від виду цих фармацевтичних речовин, які містяться у стічних водах. В результаті здійснення способу повній електрохімічній деструкції піддають найбільш стійкі до біодеградації фармацевтичні речовини, такі як диклофенак, бета-естрадіол, фуросемід, атенолол, цефуроксим або їх суміші, які є у стічних водах лікарняних установ. Приклад здійснення пропонованого способу локальної очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини (ФР), переважно лікарняних установ, ілюструється наведеними експериментальними дослідженнями. Проводили електрохімічну деструкцію п'яти пріоритетних фармацевтичних речовин окремо, таких як диклофенак, бета-естрадіол, фуросемід, атенолол, цефуроксим та їх суміші, які визнані пріоритетними речовинами згідно зі списком пріоритетних фармацевтичних речовин в галузі водної політики згідно з Водною Рамковою Директивою Європейського союзу (2000/60/ EC). Як компоненти суміші були вибрані такі фармацевтичні речовини: - диклофенак (ДИКЛ) та бета-естрадіол (Б-ЕСТ) - як пріоритетні фармацевтичні речовини, які входять до списку пріоритетних речовин, що використовуються при здійсненні моніторингу водних об'єктів в ЄС та рекомендовані для цього Європейською комісією з Водної Рамкової Директиви (№ 2000/60/ЄС); - фуросемід (ФУРД), атенолол (АТЕН), цефуроксим (ЦЕФК) - як найбільш поширені у використанні в лікувальних установах. На підготовчому етапі спочатку проводили попереднє якісне визначення фармацевтичних речовин, які є в стічних водах, для уточнення умов і параметрів режиму процесу очистки та знезараження для кожної з них. Перед проведенням електрохімічної деструкції суміші фармацевтичних речовин проводили електрохімічну деструкцію кожного з її компонентів окремо. Дослідження проводились на розчинах, які як забруднювачі містили порошкові фармацевтичні субстанції фірми Sigma-Aldrich (хімічна чистота 99,9 %) з концентрацією від 0,5 до 10 мг/л: диклофенак, бета-естрадіол, атенолол, фуросемід, цефуроксим. Початкова концентрація кожної ФР окремо та у їх суміші була 3 мг/л. У склад розчинів входив хлорид натрію з концентрацією 300-1000 мг/л (фірма Merck KGaA, хімічна чистота 99,9 %). При цьому, води з ФР поміщали у відкриту циліндричну скляну комірку, об'ємом 250 мл, де як електроліт застосовували хлорид натрію з концентрацією 300-500 мг/л; як анод використовували оксиднорутенієвий титановий анод, а катод - катод з високолегованої сталі. Деструкцію здійснювали при таких параметрах: сила постійного струму 0,37-0,59 А та напруга 29,0-31,5 В, як джерело постійного струму застосовувався лабораторний прилад DC Power Supply model GPS-3030D. Процес проводили шляхом пропускання постійного струму через води з ФР у середовищі хлориду натрію при температурі 25 °C протягом 1-10 хвилин до повної деструкції фармацевтичних речовин. Для забезпечення масового переносу фармацевтичної речовин до електродів розчини безперервно перемішувались за допомогою магнітної лабораторної мішалки (800 об/хв). Величину рН середовища вимірювали за допомогою рН-метру Jenway 3510 рН. 55 3 UA 114116 U Таблиця Параметри деструкції ФР методом анодного окислення з оксидно-рутенієвим титановим анодом Назва ФР Диклофенак Бета-естрадіол Фуросемід Атенолол Цефуроксим Суміш 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Електроліт NaCl, г/л 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Сила струму, А 0,54 0,59 0,3 0,59 0,48 0,55 Напруга, В 31,5 31,5 31,5 31,5 31,5 31,5 Тривалість процесу, хв 6 1 1 1 1 10 Таким чином, були експериментально встановлені оптимальні значення параметрів повної деструкції ФР для кожної з них та їх суміші, а також загальні параметри режиму проведення процесу: сила постійного струму 0,37-0,59 А, напруга 29,0-31,5 В при температурі 25 °C протягом 1-10 хвилин з оптимальною концентрацією 300-500 мг/л електроліту хлориду натрію. Одержані експериментальні дані по деструкції фармацевтичних речовин (див. Фіг. 1) свідчать про те, що процес проходив ефективно та швидко з їх повним руйнуванням, вже після першої хвилини від його початку. Тільки для найбільш стійкої молекули протизапального препарату диклофенаку деструкція тривала біля 5 хв. Одночасно у цьому процесі відбувалось повне пригнічення розвитку шкідливих мікроорганізмів. Контроль ступеня біодеградації фармацевтичних речовин проводили при використанні методів рідинної хроматографії з ультрафіолетовим детектором, рідинної хроматографії з масспектрометрією. Також в процесі досліджень використовувалась гравіметрія та рН-метрія. Як метод контролю активності життєдіяльності біотестової культури патогенного ряду Escherichia coli при мікробіологічних дослідженнях використовували модифіковану методику визначення дегідрогеназної активності, що застосовують при технологічному контролі роботи аеротенків біологічних очисних споруд. Ступень деградації фармацевтичних речовин контролювався за допомогою рідинної хроматографії з ультрафіолетовим детектором (РХ-УФ) на приладі Shimadzu HPLC, model LC-UV та рідинної хроматографії з мас-спектрометром (РХ-МС) типу LCMS Waters QTOF Xevo G2, Waters Acquity UPLC. Всі зразки до та після проведення електрохімічної деструкції були скановані з довжиною хвиль 254 нм на наявність у них речовин ароматичних функціональних груп. Як видно з приведеної хроматограми (див. Фіг. 2), всі молекули ФР, які являли собою суміші препаратів із різних фармакологічних груп та знаходились у розчині, в процесі проведення електрохімічної деструкції були повністю зруйновані. Таким чином, застосування заявленого способу локальної очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини, переважно лікарняних установ, дозволяє спростити та прискорити процес деструкції фармацевтичних речовин, підвищити його ефективність та забезпечити високий ступінь очистки й знезаражування стічних вод, що містять бактеріальні забруднення та найстійкіші до біодеградації фармацевтичні препарати або їх суміші, до їх повної деструкції. По даній корисній моделі були проведені експериментальні випробування пропонованого способу локальної очистки та знезараження стічних вод лікарняних установ, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини, на прикладі запобігання забрудненню річки Лопань у м. Харкові стічними водами, які містять фармацевтичні речовини такі як диклофенак та бета-естрадіол. Для оцінки екологічного ефекту використовували методи математичного моделювання процесів формування якості поверхневих вод, які підтвердили його досягнення. Результати випробувань пропонованого способу локальної очистки та знезараження стічних вод підтвердили одержання очікуваного технічного результату і позитивного ефекту. Заявлений спосіб при використанні дозволить не тільки підвищити безпеку стічних вод лікарень та інших медичних закладів, що подаються на очистку на міські очисні споруди, але й покращити екологічний стан водних об'єктів шляхом запобігання їх забруднення найстійкішими до біодеградації фармацевтичними речовинами та бактеріальними забрудненнями. Джерела інформації: 1. Влияние фармацевтических препаратов и их производных на окружающую среду //Н.Н. Самойленко, И.А. Ермакович /Вода и экология: проблемы и решения. - 2014. - № 2. - С. 78-87. 4 UA 114116 U 5 2. Патент України № 94629, М.кл. C02F 1/46, C02F 1/461, C02F 101/30, заявл. 27.05.2009 р., опубл. 25.05.2011, бюл. № 10/2011. 3. Патент РФ № 2264989, М. кл. C02F 1/02, заявл. 09.08.2004, опубл. 27.11.2005, бюл. № 33. 4. Патент РФ № 2293708, М.кл. C02F 9/12, C02F 1/02, C02F 1/32, C02F 1/469, заявл. 16.03.2005, опубл. 20.02.2007, бюл. № 5 (прототип). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 1. Спосіб локальної очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини, переважно лікарняних установ, який включає їх електрохімічну деструкцію, який відрізняється тим, що процес очистки та знезараження стічних вод, що містять найстійкіші до біодеградації фармацевтичні речовини або їх суміші та бактеріальні забруднення, проводять анодним окисленням, одностадійно, у ванні, що містить стічні води та як електроліт хлорид натрію з концентрацією 300-500 мг/л, де як анод використовують оксидно-рутенієвий титановий анод, шляхом пропускання через стічні води постійного струму силою 0,37-0,59 А та напругою 29,0-31,5 В при перемішуванні та температурі 25 °C протягом 1-10 хвилин до повної деструкції фармацевтичних речовин та знезараження стічних вод, при цьому, оптимальні параметри режиму процесу залежать від виду цих фармацевтичних речовин, які містяться у стічних водах. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що повній електрохімічній деструкції піддають найбільш стійкі до біодеградації фармацевтичні речовини, такі як диклофенак, бета-естрадіол, фуросемід, атенолол, цефуроксим або їх суміші, які є у стічних водах. 5 UA 114116 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 6