МАТЕРИАЛ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОД, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ФЕНОЛОМ И ФЕНОЛЬНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ "ИПК-Ф" Российский патент 1998 года по МПК C02F3/34 

Изобретение относится к экологии и может быть использовано в качестве загрузочного материала для биофильтров при глубокой биологической очистке экосистем, загрязненных фенолами и фенольными соединениями, в том числе сточных вод, в частности при производстве полимеров, содержащих формальдегид, фенопластов, клеев, лаков, лекарственных препаратов, синтетических душистых веществ и в других отраслях промышленности.

Известен способ очистки сточных вод, содержащих фенол, основанный на введении в сточные воды неорганического реагента с последующей поликонденсацией с формальдегидом при нагревании в щелочной среде. В качестве неорганического реагента при этом используют силикат натрия в количестве 160-500 мг/л в пересчете на SiO₂ (а. с. СССР N 1289828, кл. C 02 F 1/58, 1985).

Недостатком указанного способа и материала для его осуществления является то, что поликонденсация требует нагревания и щелочной среды, что усложняет процесс очистки и эксплуатацию очистного сооружения. Степень очистки невысокая, использование этого метода очистки ограничено небольшими объемами сточных вод, например, его можно применять при производстве синтетических душистых веществ.

Известно также использование биогенных добавок для биохимической очистки фенолсодержащих сточных вод, в качестве которых используют ацетат натрия, пирокатехин, органические соединения, выбранные из ряда, включающего спирты, ацетон, лактат натрия, сахарозу или сточные воды, их содержащие, на которых выращивают микрофлору (а. с. СССР N 1058899, кл. C 02 F 3/34, 1990 ).

К недостаткам указанного способа очистки и материалам, которые используются в нем, следует отнести то, что управлять выращиванием микрофлоры на указанных органических соединениях при использовании биогенных добавок практически невозможно, пусконаладочный период при этом находится в пределах двух-трех месяцев, а при непредвиденных сбросах сточных вод очистные сооружения частично или в целом выходят из строя и два-три месяца не работают.

Наиболее близким по биологической и технической сущности и достигаемым результатам является материал для биологической очистки сточных вод "Редоксид" (патент СССР N 1746879, кл. C 02 F 3/04, 1991), представляющий из себя пористую керамику с разветвленной открытой пористой структурой общей пористостью 77-91% с размерами пор не более 20 мм, состоящий из следующих компонентов, мас.%:
Оксид кремния - 30-65
Оксид железа - 4-8
Oксид алюминия - 14-21
Оксиды щелочных металлов - 2-5
Прочие продукты при прокаливании - Остальное
Обладая высокоразветвленной открытой пористой структурой, материал "Редоксид" способствует прикреплению биоценоза к поверхности и удержанию его при эксплуатации. Однако пусконаладочный период при этом длится от двух недель до месяца.

В основу изобретения поставлена задача создания материала для биологической очистки экосистем, загрязненных фенолами и фенольными соединениями, на основе иммобилизованной пористой керамики (ИПК) с прикреплением к ней биомассы микроорганизмов, активно окисляющих фенолы и фенольные соединения с момента их попадания на материала, удобного в длительной эксплуатации и при длительном хранении с обеспечением анабиозного состояния микроорганизмов, а также пригодного для использования в качестве загрузки для биологических фильтров в очистных сооружениях с уменьшением пусконаладочного периода, улучшением степени очистки при минимальном времени очистки, уменьшением площади очистных сооружений, обеспечением удобства эксплуатации, увеличением производительности и снижением стоимости очистки.

Сущность изобретения состоит в том, что материал для биологической очистки экосистем, загрязненных фенолами и фенольными соединениями, включающий пористую керамику с разветвленной открытой пористой структурой и с наличием поверхностных и глубинных пор размерами не более 20 мм и общей пористостью 77-91%, дополнительно содержит монокультуру микроорганизмов, подобранную к типу загрязнений, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Монокультура микроорганизмов - 0,01-10,0
Пористая керамика - Остальное
Кроме того, в качестве монокультуры микроорганизмов он содержит штамм липофильных клеток Rhodococcus sp.

Представленная выше совокупность существенных признаков направлена на достижение технического результата и находится в причинно-следственной связи с ним, так как позволяет активно окислять широкий диапазон фенолов и фенольных соединений с момента попадания их в материал; улучшить условия длительной эксплуатации материала, а также его хранения с обеспечением анабиозного состояния микроорганизмов; улучшить степень очистки при минимальном времени очистки; снизить себестоимость очистки с увеличением производительности.

Кроме того, заявленное техническое решение практически применимо, так как может быть использовано при очистке экосистем, загрязненных фенолами и фенольными соединениями.

Таким образом, можно сделать вывод, что заявленное техническое решение соответствует критериям патентоспособности изобретения.

Предлагаемый материал для биологической очистки экосистем, загрязненных фенолами и фенольными соединениями, на основе иммобилизированной пористой керамики (ИПК-Ф), получают при строго определенном техническом процессе из особого глинистого сырья (табл.1), обжиг которого осуществляют при регламентированных временных и температурных режимах с образованием крупнопористых блоков из вспученного аморфизованного вещества с общей пористостью 77-91% сообщающихся открытых пор с максимальным размером до 22 мм, имеющих сложную развитую поверхность, с культивированием на них по специальной технологии штаммов липофильных клеток монокультуру типа Rhodococcus sp., признаки которой приведены в табл.2, с использованием микроэлементов и образованием материала ИПК-Ф (табл. 3). Организованная сборка биофильтров из этих блоков приводит к значительному повышению как производительности, так и эффективности очистки экосистем от фенолов и фенольных соединений (табл.4).

Штаммы сохраняются в коллекции в лиофилизированном состоянии. Для сохранения штаммов используют метод периодических пересевов (3-4 раза в год) на картофельном агате с 1% хлорида натрия. Инкубирование после пересева ведут при температуре 28^oC в течение 3-10 дней, затем культуру хранят в холодильнике при температуре 4^oC.

Блоки из материала ИПК-Ф с микроорганизмами, находящимися в анабиозном состоянии в порах керамического материала, при котором жизненные процессы резко замедляются, что способствует выживанию микроорганизмов в неблагоприятных условиях (температурных, влажностных и др.), могут храниться при температурах от -10^oC до +40^oC. Штабели из блоков можно хранить на обычных складах для строительных керамических материалов. Прочность блоков составляет от 0,8 до 1,0 МПа.

Материал ИПК-Ф относится к непатогенным материалам. Исследования на безвредность проводили по следующим тестам: пероральное, интранзальное, внутрибрюшное и внутривенное введение белым мышам, кератоконъюктивальное и накожное нанесение кроликам выявили практическую безвредность и непатогенность содержащегося в нем штамма микроорганизмов. Клинические наблюдения за персоналом, работающим с этим материалом, не выявили аллергий и бактериозов.

В табл. 1 приведены составы используемых керамзитовых глин для изготовления пористой керамики; в табл.2 признаки штамма микроорганизмов, входящих в монокультуру; в табл.3 - составы ИПК-Ф и прототипа; в табл.4 - данные по эффективности очистки фенолов при использовании биофильтров из материала МПК-Ф и пористой керамики "Редоксид" (прототип) после проведения пусконаладочных работ.

Пример. Через блок, включающий в себя фильтр, организовано собранный по лабиринтно-каскадной схеме, из материала ИПК-Ф при соотношении объемов фильтра и воды, равном V_ИПК-Ф:V_воды=1:2, фильтруется загрязненная вода. Скорость потока - 8 об. /сут, содержание фенола в воде - 500 мг/л, скорость подачи воздуха - 15 об./сут. В зависимости от массового соединения иммобилизованной на пористую керамику биомассы степень очистки фенольных загрязнений достигает нуля в сравнительно короткое время (до трех суток), а при исчезновении загрязнений микроорганизмы, закрепленные на пористой керамике, переходят в анабиозное состояние и дожидаются следующей порции загрязнений, активируясь сразу после ее поступления. Для сравнения приведены результаты опытно-промышленных исследований на реальном очистном сооружении по очистке смеси бытовых и производственных (10%) сточных вод, прошедших первичное отстаивание в двухъярусном отстойнике городских очистных сооружений. На выходе из последней ступени отстойника на очистное сооружение, выполненное в виде биофильтра с пористой керамики "Редоксид" (прототип) с естественной аэрацией, поступали фенольные загрязнения с концентрацией 500 мг/г. Производительность биофильтра с естественной аэрацией Q=250 м³/сут, объем загрузки в виде блоков из материала "Редоксид" - 12,5 м³. Учитывая, что производственные стоки составляли 10% от общей массы сточных вод, условия для соблюдения соотношения V_{керамики}: : V_воды=1:2 были соблюдены. Скорость потока при прохождении фенольных загрязнений выдерживалась в размере 8 об./сут. Выращивание биоценоза на пористой керамике "Родоксид", т.е. пусконаладочный период, длился в течение 30 сут. После закрепления биомассы на пористой керамике (на 30-е сутки) концентрация фенольных соединений на выходе из фильтра была доведена до нуля (табл. 4), после чего пленка смывалась сточной водой, уносилась в третью степень отстойника, а оттуда поступала на поля фильтрации. При необходимости процесс выращивания биоценоза повторялся.

Из данных, представленных в табл.4, видно, что в зависимости от начального содержания биомассы фенолооксиляющих микроорганизмов, меняется время выхода биофильтра из материала МПК-Ф на рабочий режим.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом состоит в том, что использование предложенного материала МПК-Ф в качестве загрузки биофильтров для очистки экосистем, загрязненных фенолами и фенольными соединениями, в том числе и сточных вод, позволяет:
- повысить степень очистки в 15-20 раз экосистем от фенолов и фенольных соединений, а в сточных водах довести очистку практически до конца;
- увеличить производительность процесса очистки экосистем, загрязненных фенолами и фенольными соединениями, в 20-30 раз, а в очистных сооружениях оказаться от пуско-наладочных работ, связанных с выращиванием биоценоза на пористой керамике;
- снизить себестоимость очистки на 30-40%;
- улучшить условия эксплуатации, а также условия хранения загрузочного материала для биофильтров;
- расширить температурный интервал и обеспечить оптимальный интервал pH при эксплуатации;
- стабилизировать ферментативную активность клеток микроорганизмов в условиях длительной эксплуатации биофильтров в очистных сооружениях.

Назначение: относится к экологии и может быть использовано в качестве загрузочного материала для биофильтров при глубокой очистке экосистем, загрязненных фенолами и фенольными соединениями, в том числе сточных вод. Сущность изобретения: материал содержит пористую керамику с разветвленной открытой пористой структурой и с наличием поверхностных и глубинных пор размерами не более 20 мм и общей пористостью 77-91%, причем в порах размещена монокультура микроорганизмов, подобранная к типу загрязнений, при следующем соотношении компонентов, мас. %: монокультура микроорганизмов - 0,01-10,0, пористая керамика - остальное. В качестве монокультуры микрооранизмов он содержит штамм липофильных клеток Rsodococcus sp. 1 з.п.ф-лы, 4 табл.

1. Материал для биологической очистки вод, загрязненных фенолами и фенольными соединениями, включающий пористую керамику с разветвленной открытой пористой структурой при наличии в ней поверхностных и глубинных пор с общей пористостью 77 - 91%, отличающийся тем, что он дополнительно содержит искусственно иммобилизованную в поры керамики монокультуру микроорганизмов, подобранную к типу загрязнений, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Монокультура микроорганизмов - 0,01 - 10,0
Пористая керамика - Остальное
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве монокультуры микроорганизмов он содержит штамм липофильных клеток Rhodococcus sp.