СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2003 года по МПК C02F3/32 C12N1/12 C12N1/12 C12R1/89 

Изобретение предназначено для очистки водных растворов бытовых и промышленных сточных вод (СВ).

Известен способ биологической очистки от органических сульфидированных соединений обработкой сточных вод при рН~7 зелеными водорослями, полученными механическим разрушением и удалением стенок последних (ДЕ 3713882 А1, 03.11.1988).

Данный способ позволяет вести очистку сточных вод от органических сульфидированных соединений.

Известен способ биологической очистки сточных вод обработкой их штаммом Chlorella vulgaris БКМ-А-10 (SU 1560487, от 30.04.1990). По данному способу проводят очистку только от пестицидов.

Наиболее близким по технической сущности является способ биологической очистки промышленных сточных вод, включающий обработку штаммом водоросли Chlorella vulgaris при рН=7,0-7,5, температуре 20-30^oС, исходном количестве водорослей 60-70 млн клеток /мл, освещенности 70-80 тыс. лк, глубина слоя воды 0,2-0,3 м и скорости течения воды 0,8-1 м/с (SU 835973 от 10.06.81). Данный способ сложен в проведении за счет поддержания многих параметров.

Задачей изобретения является упрощение процесса и комплексная очистка водных растворов от примесей различного происхождения.

Поставленная задача достигается способом биологической очистки водных растворов обработкой штаммом микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш при нагрузке 10⁷-10⁹ кл/л.

Данный штамм ранее использовался в качестве продуцента биомассы и описан в SU 1751981 от 10.02.1977.

Исследования по гигиенической оценке эффективности очистки бытовых сточных вод (СВ) с помощью представленного образца водной суспензии штамма микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш осуществлялись в лабораторных условиях с использованием приготовленного на дехлорированной водопроводной воде неосветленного (без предварительного отстаивания и фильтрации) имитата СВ. Имитат СВ включал фекалии и мочу человека и анионоактивное синтетическое поверхностно-активное вещество (СПАВ-"Ариэль"), т.е. органические составляющие, обычно присутствующие в бытовых СВ.

Экспериментальные исследования проводились в 5 стандартных круглых стеклянных аквариумах (реакторах), объемом по 20 л каждый, из которых 2 являлись контролем (без Chlorella vulgaris), а 3 - опытными (с штаммом микроводоросли) Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш и имевшими следующие характеристики.

Контроль
1. С "малой" нагрузкой органических веществ (смесь фекалий и мочи) + 8,0 мг/л СПАВ (по расчету).

2. С "большой" нагрузкой органических веществ (смесь фекалий и мочи) + 8,0 мг/л СПАВ (по расчету).

Опыт
1. С "малой" нагрузкой органических веществ (смесь фекалий и мочи) + 8,0 мг/л СПАВ (по расчету + штамм микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш из расчета 10⁷ клеток/л.

2. С "большой "нагрузкой органических веществ (смесь фекалий и мочи) + 8,0 мг/л СПАВ (по расчету) + штамм микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш из расчета 10⁷ клеток/л.

3. С "большой" нагрузкой органических веществ (смесь фекалий и мочи) + 8,0 мг/л СПАВ (по расчету) + штамм микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш из расчета 10⁹ клеток/л.

Нагрузка органических веществ (по вносимому объему гомогената маточного имитата СВ) выбиралась на основе данных собственных исследований по оценке гигиенической эффективности работы оборудования для очистки бытовых СВ и изучении влияния химических веществ на БПК при их гигиеническом нормировании в воде водных объектов. Расчетные различия между малой и большой нагрузкой органических веществ (по объему маточного имитата СВ) принимались 1:5.

Расчетная вносимая доза СПАВ в имитат бытовых СВ выбиралась на основе результатов собственных исследований по оценке гигиенической эффективности установок для очистки бытовых СВ.

Необходимый расчетный рабочий объем водной суспензии штамма микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш 10⁷-10⁹ кл/л для внесения в имитат СВ определялся на основании предварительного визуального (под микроскопом) количественного подсчета клеток микроводоросли в камере Горяева из представленного для испытаний образца.

Все контрольные и опытные аквариумы с объемом имитата 10-15 л размещались на лабораторном столе с круглосуточным, в течение эксперимента, люминесцентным освещением и при комнатной температуре 20±2^oС.

Длительность эксперимента в данных условиях замкнутой системы, без принудительной аэрации и циркуляции воды, приближенно имитирующей биологический пруд (БП), составляла 6 суток, которая определялась на основе результатов исследований и практических наблюдений.

Следует подчеркнуть агравированность или создание жестких условий эксперимента по данному способу, определяющихся использованием предварительно неосветленного (без отстаивания или фильтрации) имитата СВ.

После внесения в имитаты СВ необходимых расчетных количеств СПАВ все полученные смеси тщательно перемешивались и тот час (до очистки) отбирались их пробы (из верхнего слоя воды) для определения фоновых органолептических и санитарно-химических, включая СПАВ показателей согласно требованиям (Санитарные Правила и нормы "Охрана поверхностных вод от загрязнения", Сан Пин 2.1.5 980-00.

Органолептические показатели: запах, окраска, пенообразование и плавающие примеси определялись в соответствии с требованиями (Методические указания "Обоснование гигиенических нормативов химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водоиспользования", М. У 2.1.5.720-98, а санитарно-химические - аммиак, нитриты, натраты, БПК, окисляемость перманганатная и анионогенные СПАВ по методикам, изложенным в Лурье Ю. Ю. Унифицированные методы анализа качества вод. М.: Химия, 1971, с.115-120.

Результата исследований представлены в табл. 1. Величины коли-индекса во всех имитатах СВ не определялись по ряду организационно-технических причин.

Через 6 суток инкубации (после очистки) имитатов бытовых СВ и штамм микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш, включая контрольные, повторно проводились определения тех же показателей и дополнительно - коли-индекса, результаты которых представлены в табл. 1.

В табл. 2 приведены обобщенные результаты эксперимента с расчетом эффективности (в процентах) очистки имитатов бытовых СВ данным способом.

Как следует из полученных данных, все исходные имитаты (контрольные и опытные) бытовых СВ отличались очень высокой органической нагрузкой по БПК₅, причем фактическая разница по этому показателю между "большой" и "низкой" нагрузкой практически соответствовала расчетной, которая, однако, не всегда коррелировала в отношении величин перманганатной окисляемости. Это также относится к фактическим концентрациям СПАВ, которые в 1,5-2 раза превышали расчетные. Эти несоответствия связаны с неоднородностью маточного имитата бытовых СВ для получения рабочих имитатов и погрешностями при расчете необходимого вносимого количества СПАВ вследствие их более высокого фактического содержания в стиральном порошке "Ариэль".

Кроме того, рабочие имитаты СВ характеризовались характерным фекальным запахом интенсивностью 5 баллов, плавающими примесями (органические включения) и насыщенной буро-коричневой окраской, высокими разведениями (особенно при высокой нагрузке органических веществ) для достижения нормативных величин по этим показателям согласно требованиям. Имитаты СВ "низкой" органической нагрузкой по большинству показателей, за исключением величин БПК, в целом соответствовали составу и свойствам бытовых СВ, обычно поступающих на очистные сооружения, а с "высокой" - были намного концентрированнее.

После 6 суток очистки имитатов СВ, как в контроле, так и в опыте, произошло некоторое снижение величин рН, которые, однако, не выходили за рамки требований.

Наблюдалось заметное снижение интенсивности запаха во всех имитатах СВ, более заметное в присутствии штамма микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш (опыт 1 и 2) и особенно выраженное в опытном реакторе 3 по сравнению с соответствующим контролем, достигавшее 99,91% или по фактической кратности разбавления 1: 2 для достижения интенсивности запаха 1 балл (до очистки 1: 2048). В контрольных имитатах СВ 1 и 2, несмотря на высокий процент снижения интенсивности запаха, фактические кратности разбавления оставались более высокими, чем в опытных реакторах.

Также визуально отмечалось более значимое осветление имитатов СВ со снижением интенсивности их окрашивания во всех опытных реакторах по сравнению с контрольными. Кроме того, в опытном реакторе 3 через 4 суток наблюдалось появление выраженной зеленой окраски (эффект "цветения") и интенсивный пристеночный пленкообразный рост микроводоросли (биообрастание), что видимо обусловило снижение ее содержания в толще воды на 3 порядка. В опытных имитатах 1 и 2 подобного эффекта но наблюдалось, вероятно вследствие более низкого, на 2 порядка, инициально вносимого количества Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш.

Интенсивность понообразования в контрольных и опытном 1 имитатах СВ снизилась от 50 до 75%, а в опытных 2 и 3 оставалась на исходном уровне (табл. 2).

Грубых плавающих примесей на поверхности всех контрольных и опытных имитатов СВ по окончании эксперимента но наблюдалось по сравнению с их исходным состоянием, за исключением появления заметного пленкообразования, видимо грибковой природы, занесенного из воздуха.

Наиболее информативными для оценки эффективности биологической очистки СВ являются показатели 1-й фазы минерализации органического вещества - содержание аммонийного азота, нитритов и нитратов.

Наиболее информативными для оценки эффективности биологической очистки СВ являются показатели 1-й фазы минерализации органического вещества- содержание аммонийного азота, нитритов и нитратов.

Отмечено заметное снижение содержания аммиака в опытном реакторе 3 - до 70,6% и незначительное в контроле 1 - до 13,4%. И напротив, его значительное увеличение в опытном реакторе 1 и малозаметное - в опытном реакторе 2 и контрольном 2 (табл.2).

Содержание нитритов в контрольных реакторах через 6 суток возросло незначительно - до 17,65% в реакторе 2. Иная картина наблюдалась в опытных реакторах. Так, в реакторах 1 и 3 определялось снижение уровня нитритов соответственно до 98,9 и 23,8%, а в реакторе 2, наоборот, их увеличение на 76,5% (табл. 2).

Во всех контрольных и опытных реакторах до очистки обнаруживалось отсутствие нитратов. Однако через 6 суток инкубации в опытных реакторах 2 и 3 их содержание определялось на уровне 2,0 мг/л, а в 1 - 1,0 мг/л. В контрольных имитатах СВ их появление зафиксировано только в реакторе 1, но на более низком уровне - 0,5 мг/л.

Результаты определений содержания аммиака, нитритов и нитратов в имитатах СВ и после очистки, а именно снижение уровня аммиака и нарастание нитритов и нитратов, свидетельствуют о достаточно выраженных процессах 1-й фазы минерализации органических веществ в опытных реакторах, усиливающихся в следующей последовательности: 3> 2> 1. Однако содержание аммиака после очистки оставалась на высоком уровне и в десятки раз превышало ПДК в воде (2,0 мг/л). Из контрольных имитатов только в реакторе 1 отмечались малоинтенсивные процессы минерализации органического вещества.

Содержание СПАВ во всех контрольных и опытных реакторах после очистки определялось приблизительно на одном уровне от 10,0 до 14,2 мг/л, но процент их снижения/удаления был несколько выше в контрольных реакторах.

Величины БПК₆ в контрольных реакторах 1 и 2 через 6 суток инкубации имитатов СВ снижались до 14,9 и 27,0% и оставались на очень высоком уровне - 1000 и 4050 мг О₂/л соответственно. Напротив, во всех опытных реакторах снижение значений БПК₅ было более выраженным и усиливалось в следующей последовательности: 1> 2> 3, остающихся однако на высоком уровне 300-2700 мг O₂/л, что, как и в контроле, обусловлено очень высокой исходной нагрузкой органических веществ. Наблюдаемое, на первый взгляд, противоречие между процентом снижения БПК в опытных реакторах 1-2 и 3 объяснимо результатами исследований. Было установлено, что доли ВПК, ХПК и общего азота, приходящихся на водоросли из БП (фильтрованные и нефильтрованные пробы СВ), достигали более 50%, а доля общих фосфатов составила менее 25%. Таким образом, более низкий процент снижения величины БПК₅ в опытном реакторе 3 по сравнению с опытными 1 и 2 обусловлен инициально большей биомассой в имитате СВ 3, вносящий свой вклад в БПК.

Также важным и информативным показателем при оценке эффективности биологической очистки бытовых СВ являются значения окисляемости перманганатной, характеризующие присутствие легкоокисляемых органических загрязнений. Наиболее высокий процент очистки имитатов СВ по этому показателю достигался в опытных реакторах 3 и 1 (82,6 и 75,5% соответственно), в меньшей степени - контрольных реакторах (до 57,7%) и минимальный - в опытное реакторе 2 (39,6%). Остающиеся высокие величины окисляемости во всех опытных реакторах обусловлены, как и БПК, присутствием биомассы штамма микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш. По окончании эксперимента коли-индекс определялся во всех контрольных и опытных реакторах. Оценка эффективности очистки по этому показателю проводилась в сравнительном плане между контрольными и опытными имитатами с соответствующими "низкой" и "большой" нагрузкой органических веществ.

Наибольший процент снижения величины коли-индокса определялся с опытных реакторах 3 и 1 - 85,2 и 50,0 соответственно, однако абсолютные величины показателя в данных условиях эксперимента оставались очень высокими - до 3,7•10⁶ в опытном реакторе 3.

Показано, что химическая коагуляция является эффективным процессом дополнительной очистки для удаления водорослей и улучшения качества СВ после БП. Наиболее эффективным из испытанных коагулянтов является сульфат алюминия с оптимальной рабочей дозой 75-100 мг/л.

Анализ всех полученных результатов лабораторных исследований, с учетом очень жестких, агравированных условий эксперимента - высокие нагрузки органических веществ и СПАВ, позволяет в целом положительно оценить самостоятельную и эффективную способность испытываемого образца Chlorella vulgaris ИФР N C-Ш в качество биокультуры для очистки бытовых СВ.

Данное изобретение позволяет достигнуть:
снижения интенсивности запаха бытовых СВ до 99,91%,
снижения интенсивности окраски до 96,9%,
снижения содержания аммиака до 70,6%,
инициации 1-й фазы минерализации органического вещества СВ, редукции анионогенных СПАВ до 10%,
снижения БПК до 46,5%,
снижения коли-индекса до 85,2%,
снижения окисляемости перманганатной до 85,2%.

Изобретение предназначено для биологической очистки водных растворов. Способ заключается в обработке водных растворов штаммом микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш при нагрузке 10⁷-10⁹ кл/л. Изобретение позволяет очищать водные растворы от примесей различного происхождения. 2 табл.

Способ биологической очистки водных растворов, включающий обработку штаммом микроводоросли Chlorella vulgaris, отличающийся тем, что для очистки водных растворов используют штамм микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР N С-Ш при нагрузке 10⁷-10⁹кл/л.