Кондиционирующий агент для обработки сточных вод или загрязненного воздуха, способ его получения и его применение - RU2313497C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу и кондиционирующему агенту для обработки сточных вод и загрязненного воздуха.

При биологической обработке промышленных отходов или сточных вод микроорганизмы превращают органически утилизируемые компоненты подготовленных сточных вод в клеточную субстанцию или в газы, например в СО₂, метан, сероводород и другие. В зависимости от варианта реализации различают аэробные и анаэробные способы, при этом коммунальные очистные сооружения, как правило, используют лучше освоенные аэробные способы. В таких сооружениях для очистки сточных вод после этапа механической очистки применяют биологическое разложение в бассейне с активным илом, где содержится носитель биологической очистки, т.е. ил, активированный микроорганизмами. В эти бассейны с активным илом подают воздух, обеспечивая тем самым присутствие кислорода, необходимого для биологического превращения. При такой аэрации сточных вод в бассейне с активным илом или в так называемом аэрационном танке образуются слизистые, макроскопически различимые хлопья, которые по окончании аэрации оседают на дно в виде осадка.

В технологии очистки сточных вод хорошо известно, что эффективными флокулянтами являются растворимые полимеры, в частности полиэлектролиты (поликремниевая кислота, полиакриламид и др.), которые широко используются при подготовке воды для технических и бытовых нужд, обогащении полезных ископаемых, в бумажном производстве, в сельском хозяйстве (для улучшения структуры почв), в процессах выделения ценных продуктов из производственных отходов, обезвреживания промышленных сточных вод. При водоочистке полимерные флокулянты применяют обычно в концентрации 0,1=5 мг/л (См.: Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды, 2 изд., К., 1971, с.138; Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии, 2 изд., М., 1975; Вейцер Ю.И., Минц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды, М., 1975).

Известно, что для повышения эффективности биологической переработки сточных вод применяют органические или неорганические полимеры, которые поддерживают рост хлопьев. Полимеры имеют такое строение, чтобы способствовать образованию хлопьев, имеющих максимально возможную компактность и плотность и незначительную неоднородность поверхности, с возможностью последующего объединения в относительно крупные агрегаты, нечувствительные к действию усилий сдвига, которые вызываются потоками сточных вод (см., например, патент РФ 2081856, 20.06.1997, согласно которому флокулянт используют в сочетании с биологической очисткой сточных вод, при этом флокулянтом служит продукт взаимодействия латекса полиметилвинилпиридина с бензилхлоридом, который подают в сточную воду), публикацию www.unipotsdamm.de/u/putz/oktober 1996/30.htm или патент РФ 2121982, согласно которому биологическую очистку бытовых и производственных сточных вод проводят в сочетании с применением катионных и анионных флокулянтов).

Такие вспомогательные коагулирующие средства представляют собой полимеры, которые в зависимости от постановки задачи имеют различную плотность заряда, распределение заряда и размер молекулы. Их применяют для выделения твердых материалов из суспензий с органическими или неорганическими частицами, которые могут распределяться вплоть до коллоидной консистенции. Благодаря высокому потенциалу адсорбции, вспомогательные коагулирующие средства действуют в качестве связующего звена между твердыми частицами и микрохлопьями, которые образуются в результате применения коагулянтов, при этом происходит их объединение в более крупные агрегаты (флокуляция). Наряду с полимерами, действующими в качестве вспомогательных коагулирующих средств, кондиционирующий агент может содержать осаждающие агенты и коагулянты. Для очистки сточных вод часто применяют соли алюминия или железа, которые в определенных областях рН образуют хлопьеобразные осадки с очень высокой площадью поверхности. На этих хлопьях могут адсорбироваться тяжелые металлы или иные нежелательные компоненты сточных вод. Для очистки сточных вод используют мономерные соли, например алюминия, кальция, железа и магния или полимерные соединения алюминия или железа.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является кондиционирующий агент согласно WO 93/25480 от 23.12.1993, который представляет собой смесь впитывающей воду глины с соединениями аминов и микроорганизмами, которые способны разлагать нефть, и предназначен для очистки естественных водных резервуаров от загрязнений разливами нефти.

Несмотря на значительный прогресс в химии полимеров, известные кондиционирующие средства могут быть рассчитаны только на средний состав обрабатываемых сточных вод, при этом биологическое превращение не отвечает выдвигаемым требованиям, особенно в случае колебаний биосферы, т.е. доли органики в обрабатываемых сточных водах, или же, напротив, предназначены для обработки сточных вод, загрязненных каким то конкретным загрязнителем, как, например, нефтью, и не подходит для обработки вод, имеющих другой состав загрязнителей и биологических веществ.

Поэтому задачей настоящего изобретения являются кондиционирующий агент, а также способ обработки сточных вод и загрязненного воздуха, которые обеспечивают обработку сточных вод, в значительной степени не зависимую от биосферы, содержащейся в сточных водах.

Эта задача решена за счет кондиционирующего агента согласно п.1 формулы изобретения, способа с признаками согласно п.10 формулы изобретения, а также применения кондиционирующего агента согласно п.15 формулы изобретения.

Кондиционирующий агент согласно изобретению имеет предварительно заданное содержание микроорганизмов, поэтому биологическая активность в значительной степени определяется содержанием в кондиционирующем средстве смешанных культур микробного происхождения и практически не зависит от случайного содержания микроорганизмов в сточных водах или в воздухе. Как более подробно описано ниже, при введении кондиционирующего агента, содержащего полимеры и микроорганизмы, на поверхности хлопьев, образующихся на полимерах, возникает устойчивая биопленка, которая не разрушается даже при высокой турбулентности сточных вод. Тем самым обеспечивается иммобилизация микроорганизмов на хлопьях и создаются практически идеальные условия для биологического превращения.

Неожиданно оказалось, что указанный кондиционирующий агент также можно применять для очистки газов, загрязненных частицами вредных веществ.

В одном из наиболее предпочтительных вариантов исполнения кондиционирующий агент содержит смешанную культуру микробного происхождения, которая в одном биологическом растворе содержит некоторую долю микроорганизмов, обеспечивающих фотосинтез, и некоторую долю люминесцирующих бактерий.

Как указано выше, в качестве флокулирующих агентов используют биополимеры и другие органические или неорганические полимеры. В последнее время особый интерес в этой связи вызывают так называемые «сопряженные полимеры», т.е. полимеры с сопряженными связями, которые выделяют излучение при взаимодействии с некоторыми веществами. Сопряженные полимеры относятся к полупроводниковым материалам и использовались до сих пор для физико-технических целей, например для элементов солнечных батарей или для плоских экранов. Люминесценцию этих полупроводниковых полимеров можно использовать для того, чтобы полностью или частично заменить люминесцентные бактерии смешанной культуры микробного происхождения.

Работа с кондиционирующим агентом и его хранение особенно упрощаются, если перед хранением подвергнуть микроорганизмы глубокому охлаждению или замораживанию, при этом условия охлаждения должны быть выбраны таким образом, чтобы исключить нанесение вреда микроорганизмам.

В качестве примера состава смешанной культуры микробного происхождения можно использовать культуру, которая содержит долю фотосинтетически активных организмов и долю светящихся микроорганизмов, например, как описано в опубликованной ранее заявителем патентной заявке DE 10062812, содержание которой следует считать полностью включенным в описание настоящей патентной заявки.

Прочие достоинства изобретения являются предметом других пунктов формулы изобретения.

Предпочтительные варианты реализации изобретения описаны ниже со ссылками на прилагаемые схематические фигуры, на которых представлены:

фигура 1 - блок-схема способа биологической обработки сточных вод;

фигура 2 - принципиальная схема образования хлопьев согласно изобретению.

Ниже со ссылками на фигуру 1 приведено описание способа биологической обработки сточных вод (коммунальных и промышленных стоков), согласно которому для улучшения роста хлопьев в сточные воды добавляют кондиционирующий агент, содержащий в определенной пропорции флокулянт и/или осадитель, а также агенты, способствующие осаждению, например органические или неорганические, а также сопряженные полимеры. Такие флокулирующие и осаждающие агенты представляют собой вещества, вызывающие агломерацию диспергированных частиц в сточных водах за счет увеличения размера частиц и обеспечивающие быстрое разделение твердой и жидкой фазы. Указанный кондиционирующий агент наряду с полимерами может содержать дополнительные компоненты, например металлы и другие составные элементы, которые способствуют образованию хлопьев. Кондиционирующий агент согласно изобретению содержит смешанные культуры микробного происхождения, которые имеют заданный состав, в значительной степени определяющий протекание метаболических реакций в хлопьях.

Согласно прилагаемой схеме реализации способа смешанная культура микробного происхождения (микробиологический состав) в предпочтительном варианте реализации изобретения содержит долю микроорганизмов 1, обеспечивающих фотосинтез, и долю микроорганизмов 2, представляющих собой люминесцирующие бактерии или аналогично функционирующие светоизлучающие микроорганизмы, которые солюбилизированы в биологическом растворе 4, характеризующемся широкой полосой излучения. Как указано выше, часть светоизлучающих микроорганизмов можно заменить сопряженными полимерами, которые излучают свет в присутствии определенных биомолекул в микробиологическом составе.

В результате взаимодействия фотосинтетически активных микроорганизмов со светоизлучающими бактериями или сопряженными полимерами излучаемый свет побуждает фотосинтетически активные микроорганизмы к фотосинтезу. Под действием микроорганизмов происходит фотосинтез с сероводородом и водой в качестве эдукта и выделение соответственно серы или кислорода. Далее, микроорганизмы могут связывать азот и фосфат и разлагать органическую, а также неорганическую материю.

В микробиологическом составе согласно изобретению применяют предпочтительно микроорганизмы, обеспечивающие фотосинтез, которые являются факультативно фототропными. Термин "факультативно фототропные" означает, что эти микроорганизмы могут расти как при анаэробных условиях при свете, так и при аэробных условиях в темноте.

К фотосинтетически активным бактериям относятся грамотрицательные аэробные палочковидные и круговые бактерии, а также грамположительные круговые бактерии. Они могут иметь эндоспоры или быть без спор. К ним относятся, например, актиномицеты и родственные им бактерии.

В этом составе могут также содержаться организмы, связывающие азот. К ним относятся, например, водоросли, в частности Anabena Nostoc в симбиозе с Azola. Кроме того, можно указать актиномицеты, например Frankia, в симбиозе с ольхой, и бактерии, например Rhizobium, в симбиозе с бобовыми культурами.

Кроме того, можно применять аэробные водоросли, азотобактер, метанокисляющие бактерии и серные бактерии. К ним относятся также зеленые серные бактерии и коричнево-зеленые бактерии фотосинтеза. Можно указать также нефиолетовые серные бактерии и фиолетовые серные бактерии.

Предпочтительно также, чтобы в микробиологическом составе согласно изобретению в качестве факультативно фототропных микроорганизмов содержались прохлорофиты, цианобактерии, зеленые серные бактерии, пурпурные бактерии, формы, аналогичные Chloroflexus, и формы, аналогичные гелиобактерии и гелиобацилле. Вышеуказанные факультативно фототропные микроорганизмы можно использовать в форме смесей из двух или нескольких микроорганизмов. В особенно исключительном варианте реализации используют смесь, содержащую все шесть указанных микроорганизмов.

Свет, который приводит в действие механизм фотосинтеза, излучают люминесцентные бактерии, являющиеся вторым важным компонентом микробиологического состава согласно настоящему изобретению. Эти люминесцентные бактерии обладают светимостью, т.е. они могут излучать кванты света. Они представляют собой систему ферментного действия. В качестве примера можно привести систему люциферин-люциферазы.

В одном из предпочтительных вариантов реализации смесь согласно изобретению содержит в качестве люминесцентных бактерий Photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri, Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera или Beneckea. Возможно также использование смеси, содержащей по меньшей мере две из указанных бактерий.

Для оптимизации микробиологического состава согласно изобретению в него можно вводить дополнительные компоненты. Такими дополнительными компонентами предпочтительно являются растительные экстракты, ферменты, микроэлементы, полисахариды, альгиновые производные, а также другие вышеуказанные микроорганизмы. Дополнительные компоненты можно вводить в состав согласно изобретению отдельно или в сочетании. Растительные экстракты могут содержать, например, экстракт подорожника.

В качестве жидкой питательной среды для микробиологического состава согласно изобретению используют раствор, обеспечивающий возможность жизни микроорганизмов. При этом важным фактором является полная реализация переменного действия бактерий фотосинтеза и люминесцентных бактерий. Пригодной оказалась жидкая питательная среда, основным компонентом которой является меласса, в частности меласса из сахара-сырца или сахарной свеклы.

Соотношение микроорганизмов, обеспечивающих фотосинтез, и люминесцентных бактерий в микробиологическом составе согласно изобретению обычно лежит в пределах от 1:10 до 1:500. Предпочтительное соотношение составляет 1:100.

При реализации способа согласно изобретению вышеописанные компоненты гомогенизируют, получая, таким образом, в качестве первого промежуточного продукта микробную культуру 6, при этом концентрации компонентов определяются в зависимости от сточных вод, подлежащих обработке.

На следующей операции 8 смесь глубоко охлаждают и подвергают вакуумной сушке вымораживанием таким образом, чтобы растворитель, в данном случае, например, частицы воды, испарился в замороженном состоянии (сублимационная сушка). Такое обезвоживание является широко распространенным способом щадящей сушки и консервации чувствительных материалов. Параметры сушки настраивают таким образом, чтобы не нанести вреда микроорганизмам. Предварительные эксперименты показали, что скорость охлаждения более 30°С в минуту, предпочтительно - около 40°С в минуту и более является оптимальной для того, чтобы предотвратить повреждение микроорганизмов. При этом конечная температура смешанной культуры составляет до минус 50°С.

В результате этой операции сушки происходит обезвоживание внеклеточных полимерных субстанций (ВПС), окружающих клетки микроорганизмов, при этом слизистый слой ВПС загустевает и образует защитный барьер, который защищает микроорганизмы в процессе вымораживания.

После этого полученный обезвоженный продукт 9 поступает на операцию 12 смешивания, где происходит смешивание с коагулирующим или осаждающим агентом, и полученную смесь с заранее заданной концентрацией подают в аэрационный танк 14, содержащий сточные воды. Перед смешиванием с коагулирующим или осаждающим агентом высушенный/замороженный материал подвергают оттаиванию и хранят при пониженном давлении, при этом первые предварительные эксперименты показали, что предпочтительным является пониженное давление 0,01 миллибар.

В аэрационный танк инжектируют кислород, при этом в ходу данного технологического процесса решают задачу распределения кислорода с максимально возможной равномерностью и поддержания образующихся хлопьев во взвешенном состоянии с тем, чтобы получить как можно большую и равномерно распределенную поверхность массообмена и обеспечить достаточное количество кислорода для биологического превращения.

Полимеры, введенные в сточные воды, образуют длинные цепи с положительным поверхностным зарядом, на которых осаждаются твердые частицы взвешенного материала, содержащие органику и имеющие, как правило, отрицательный поверхностный заряд, в результате чего возникают зародыши хлопьев, рост которых зависит, в частности, от вида коагулирующего агента, активности микроорганизмов и состава сточных вод.

Кондиционирующий агент согласно изобретению действует как коагулянт, который позволяет удалять материалы, растворенные или взвешенные в сточных водах или в газах, путем образования хлопьев. Основной механизм образования хлопьев представлен на фигуре 2. Нитевидные катионные полиэлектролиты образуются, например, бактерией Archaea, которая выделяет протоны, и добавленным носителем заряда, в то время как анионные полиэлектролиты образуются бактериями, выделяющими ионы, кроме того, в наличии имеется отрицательное поле сточных вод или загрязненного воздуха. Микроорганизмы, содержащиеся в смеси и выделяющие протоны, располагаются на осадках сточных вод. Затем, как показано на фигуре 2, эти коллоидные частицы заключаются между катионными и анионными полиэлектролитами и агломерируют в макрохлопья. Эти образующиеся хлопья служат в качестве носителей микроорганизмов, которые располагаются внутри и на поверхности хлопьев, как и на коллоидных частицах. При этом связываются питательные вещества, которые обеспечивают рост микроорганизмов внутри и на поверхности хлопьев. В определенных случаях применения изобретения может оказаться предпочтительным, если полимеры и/или микроорганизмы добавляют непрерывно.

В примере реализации, показанном на фигуре 1, кондиционирующий агент использовали для обработки сточных вод.

Пример 1. Для очистки сточных вод в процессе, описанном выше подробно со ссылками на схемы на фигуре 1 и 2а, б, использовали кондиционирующий агент, содержащий:

в качестве фотосинтетических микроорганизмов следующие факультативно фототропные микроорганизмы:

- прохлорофиты, цианобактерии, зеленые серные бактерии, пурпурные бактерии, формы, аналогичные Chloroflexus, и формы, аналогичные гелиобактериям и гелиобациллам;

в качестве люминесцентных бактерий: Photobacterium phosphoreum и Vibrio fischeri;

- в качестве дополнительного компонента смеси: растительный экстракт подорожника, и

- в качестве питательной среды: мелассу из сахара-сырца.

При этом соотношение фотосинетических бактерий и люминесцентных бактерий составляло 1:100.

В смесь добавляли биологический полимер хитозан, при этом молярный вес составляющей носителя заряда, представляющего собой хитин, составлял около 100000 гм/моль.

Кондиционирующий агент содержал на десять объемных частей смешанной культуры (микроорганизмы плюс питательный раствор) одну объемную часть хитозана в качестве агента, способствующего коагуляции.

Микробиотическую смешанную культуру использовали в количестве от 60 до 100 мл на м³ сточных вод.

Эту смешанную культуру с большим успехом применяли для очистки коммунально-бытовых и промышленных стоков, а также для обезвреживания структур, загрязненных нефтяными остатками.

Другая область применения кондиционирующего агента согласно изобретению представляет собой очистку воздуха или иных газов, загрязненных частицами вредных веществ. Решение этой задачи поясняется ниже на конкретном примере.

Для укладки пробковых плит на строительных объектах вплоть до 60-х годов обычно использовали смоляные клеящие вещества, которые изготавливали на основе каменноугольного пека или битумов. При укладке пробковых плит такие горячие клеящие вещества наносили непосредственно на пробковые плиты, которые затем прессовали к стенам, потолку или полу. Точно также при укладке деревянных тротуаров в промышленных и коммерческих зонах до настоящего времени используют смоляные или битумные вещества.

С середины 70-х годов эти смоляные вещества больше не производят в Германии, поэтому для указанных целей их приходится импортировать из зарубежных стран. Прекращение производства смоляных клеящих веществ в Германии осуществили добровольно, поскольку появились технически более совершенные, безвредные заменители.

При разборке или перестройке зданий, в которых приклеенные материалы были обработаны смоляными клеящими веществами, здоровье персонала, выполняющего такие работы, находится в большой опасности, поскольку смоляные клеящие вещества имеют чрезвычайно высокое содержание полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Для обеспечения безопасности труда необходимо принимать надлежащие меры предосторожности, чтобы исключить ущерб, наносимый здоровью вследствие выделения пыли и непосредственного контакта с кожей. Это означает, что выполнение таких работ должны производить только специализированные компании, и технологический процесс должен предусматривать операции с минимально возможным выделением пыли при ее эффективном удалении. Чтобы минимизировать образование пыли во время демонтажа загрязненных элементов строительных конструкций, следует производить распыление жидкости (увлажнение) в достаточном количестве. Неожиданно оказалось, что при добавлении в увлажняющую среду (воду) кондиционирующего агента согласно изобретению концентрация ПАУ в воздухе может значительно уменьшаться по сравнению с применением обычных растворов, при этом может быть уменьшена опасность для здоровья во время демонтажа таких загрязненных зданий при сравнительно небольших затратах. Катионные полиэлектролиты кондиционирующего агента согласно изобретению превращают выделяющиеся частицы ПАУ в своеобразные хлопья и связывают их с исходным веществом.

Как указано выше, в кондиционирующем агенте согласно изобретению вместо синтетических полимеров можно использовать микробные биополимеры. Так, например, посредством добавления хитина, который наряду с целлюлозой является наиболее распространенным природным биополимером, достигается резкое повышение эффективности продукта. При этом в результате микробного биохимического разложения хитина Crustanceen (ракообразных) получают хитозан ферментным способом. Хитозан имеет положительный ионный заряд и поэтому может связывать отрицательно заряженные частицы, содержащиеся в сточных водах или в отработанном воздухе. Биополимеры, применяемые в кондиционирующем средстве, могут представлять собой смесь, которую можно получать из отходов сахарного производства. Биополимер легко растворяется в воде и обладает очень высокой реакционной способностью.

Микроорганизмы, содержащиеся в кондиционирующем агенте согласно изобретению, выбирают таким образом, чтобы при получении хлопьев образовывалась слизистая внеклеточная полимерная субстанция (ВПС), в которую внедряется некоторое количество клеток бактерий. Благодаря образованию этой слизи, особенно на поверхности хлопьев, создается некий защитный экран от токсических веществ (например, тяжелых элементов), который препятствует проникновению этих веществ внутрь клеток. ВПС может также действовать как опорный каркас для растущих нитевидных бактерий. Еще одна функция ВПС заключается в том, что она играет роль диффузионного барьера, который препятствует выходу веществ, необходимых для превращения, например экзоферментов. Кроме того, при использовании бактерий, которые живут в симбиозе с другими видами, ВПС служит агентом, позволяющим сохранять пространственную близость с этими бактериями.

Состав кондиционирующего агента выбирают таким образом, чтобы образующиеся хлопья были покрыты одним полным слоем ВПС, в этом случае реакции разложения и превращения могут протекать с чрезвычайно высокой эффективностью. Органические вещества из подаваемых сточных вод или очищаемого отработанного воздуха адсорбируются с хлопьев и окисляются или перерабатываются в новую клеточную субстанцию, при этом часть хлопьев самопоглощается.

Описанный выше процесс фотосинтеза происходит внутри хлопьев, которые работают как макроскопические "фотобиореакторы".

Первые эксперименты показали хорошие результаты для смеси, состоящей из десяти объемных частей растворенных микроорганизмов и одной объемной части полимера. При этом микробиологический раствор может содержать около двух процентов микроорганизмов по объему.

Еще одно достоинство кондиционирующего агента согласно изобретению заключается в том, что длинные полимерные цепи расщепляются микроорганизмами, поэтому дальнейшая переработка образующегося активного ила упрощается. Полимеры с длинной цепью в известных установках часто создают технологические проблемы дальнейшей переработки илов. Благодаря усовершенствованному биологическому превращению образующийся активный ил можно разложить в очистной колонне гораздо быстрее, чем ранее известными способами.

Таким образом, в заявке предложен кондиционирующий агент для обработки сточных вод и загрязненного воздуха, способ получения такого кондиционирующего агента и применение кондиционирующего агента, содержащего полимеры (биополимеры, сопряженные полимеры, прочие органические или неорганические полимеры), включающие коагулятор или осадитель, а также микроорганизмы.

Реферат

Изобретение относится к очитке сточных вод или воздуха. Кондиционирующий агент содержит полимеры, способствующие коагуляции или осаждению, и смешанную культуру микробного происхождения, содержащую в биологическом растворе микроорганизмы, способные к фотосинтезу, и люминесцирующие бактерии. Кондиционирующий агент применяют для биологической очистки сточных вод или загрязненного воздуха, или для очистки газов, загрязненных частицами вредных веществ. Способ включает получение полимера или смеси полимеров, действующих в качестве коагулирующего или осаждающего агента, получение смешанной культуры микробного происхождения, содержащей микроорганизмы в биологическом растворе, смешивание указанной смешанной культуры с полимером или смесью полимеров. Изобретения позволяют повысить эффективность очистки как сточных вод, так и загрязненного воздуха. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула