СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОКОВ И ВОДЫ ВОДОЕМОВ ОТ ТОКСИКАНТОВ Российский патент 2005 года по МПК C02F3/32 

Изобретение относится к прикладной химии, в частности, к очистке водных объектов, загрязненных токсичными веществами, с использованием водных растений.

Известны способы очистки водных стоков от различных токсикантов с применением сорбционных (патент RU №2192394, C 02 F, 2002 г., патент US №6383395, B 02 F, 2003 г.), реагентных (патент RU №2209694, В 08 F, 2001 г., №2192394, C 02 F, 2002 г., US №5364532, C 02 F, 1996 г. и др.) микробиологических методов. Созданы также способы очистки промышленных стоков путем воздействия физическими полями.

Все указанные способы имеют ряд существенных недостатков. Так, сорбционные методы требуют сложного оборудования, имеют низкую скорость очистки, особенно в открытых водоемах. Требуются системы регенерации или утилизации сорбентов и накопившихся токсикантов. Реагентные методы продолжительны, как правило, дорогостоящи и неприменимы для открытых водоемов.

Микробиологические методы продолжительны в исполнении, ограничены в применении при наличии сложных по составу токсикантов, требуют поддержания строго заданных условий и использования дорогих препаратов.

Наиболее эффективными, простыми и недорогостоящими в исполнении методами являются ботанические (биологические) методы, основу которых составляет использование водных растений, в частности, эйхорнии (водного гиацинта). Так, описана успешно применяемая «Технология биологической очистки и доочистки малых рек, водоемов и истоков» (НТЖ «Экология и промышленность России», апрель 1998 г.)

Способ выращивания эйхорнии, характеризующийся температурными и временными показателями, описан в патенте RU №2193532, C 02 F 3/32, 2002 г.

Известный ботанический способ, в котором используют эйхорнию, применительно к условиям средней климатической зоны включает операции: выращивание растений в парниках, посадку растений на поверхность водоема, занимая от 0,5 до 80% ее площади и последующий контроль за содержанием токсикантов. Соотношение между уровнями концентрации различных токсикантов не учитывают.

Показано, что эйхорния очищает водоемы от вредных бактерий, органических загрязнений, нитратов, фосфатов, сульфидов, фенолов, нефтепродуктов, аммиака и других токсикантов. Эффективность очистки зависит от количества растений на единицу площади водной поверхности и температурного режима.

Исследования данного способа показали, что в ряде случаев компонентный состав (перечень) находящихся в воде токсикантов, особенно их количественное соотношение может влиять на эффективность очистки. Некоторые вещества угнетают растения, и при определенной концентрации таких токсикантов эйхорния не вегетирует и гибнет. К числу таких веществ, лимитирующих процесс очистки воды, могут относиться некоторые гербициды и пестициды. Эффект угнетения проявляют ионы аммония () и ряд органических аминов. Так, максимальное содержание ионов аммония в очищаемой воде при наличии других токсикантов не должно превышать 60...70 мг/дм³, т.е. процесс очистки может быть лимитирован более высокой концентрацией ионов . Кроме того, активность эйхорнии снижается при температуре ниже 15°С и выше 35°С.

Таким образом, недостатком данного способа, являющегося прототипом предлагаемого, является ограниченность его эффективности максимальным начальным уровнем некоторых лимитирующих процесс очистки токсикантов, особенно продуктов гниения и ряда веществ, угнетающих рост растений, а также невысокая активность эйхорнии при температурах ниже 15°С и выше 35°С. Это приводит к необходимости замены растения в ходе очистки, что увеличивает их расход и усложняет процесс очистки.

Достижимый результат изобретения заключается в том, чтобы разработать способ очистки стоков и воды водоемов от токсикантов, снижающий ограничения по применению эйхорнии, обеспечивающий достаточную эффективность очистки при наличии в воде веществ, угнетающих рост и развитие эйхорнии, и при температуре воды ниже 15°С и выше 35°С. Необходимо получить устойчивость растения к угнетающему действию высоких концентраций ионов аммония, аминов, пестицидов и других токсикантов, а также обеспечить работоспособность эйхорнии в более широком интервале температуры воды.

Технический результат способа очистки стоков и воды водоемов от токсикантов с использованием растения эйхорнии, согласно изобретению, состоит с том, что до начала очистки воды определяют токсикант, лимитирующий процесс очистки, а затем перед посадкой эйхорнии в очищаемую воду растения выдерживают в растворе лимитирующего процесс очистки токсиканта, который вводят малыми дозами с добавлением стимулятора роста растения и/или катализатора окисления лимитирующего токсиканта, причем очистку ведут в состоянии воды покоя, движения или барботажа водяным паром и/или воздухом с температурой от 2 до 50°С.

Для определения лимитирующего процесс очистки токсиканта или нескольких токсикантов определяют содержание токсикантов в воде, отмечают повышенное содержание аминов, пестицидов. По справочным данным или из эксперимента устанавливают наиболее отрицательно действующие на рост и работу растения вещество. Эти вещества затем добавляют в емкость с водой и эйхорнией малыми дозами (не более чем 20% от найденного значения лимитирующего токсиканта). Таким образом тренируют эйхорнию в условиях воздействия лимитирующего токсиканта.

В тренировочную воду можно вводить катализаторы окисления, например, ионы металлов Fe, Cu, Pt, Ni, Ag или их оксиды и другие катализаторы, в том числе вещества, образующие с токсикактами комплексы, увеличивающие поглощающую способность эйхорнии. Они накапливаются в корнях плавающих растений и способствуют ускорению очистки воды.

Предварительную тренировку эйхорнии в процессе ее вегетации можно проводить на подлежащем очистке стоке, разбавив его чистой водой в соотношении 1:4,1:2,1:1. Начинают тренировку с использованием наиболее разбавленного стока (1:4).

В качестве стимулятора роста растения могут применяться препараты типа «Эпин» и ему подобные. Стимуляторы роста и катализаторы могут добавляться вместе или отдельно.

Растения тренируют до тех пор, пока они не будут увядать при посадке их в очищаемую воду в течение 5...6 суток.

Для очистки стока приготовленные растения высаживают на поверхность воды, выдерживают не менее 7 суток, периодически проводя отбор проб на анализ. Процесс очистки ведут до достижения допустимых значений концентрации токсикантов. Возможна периодическая подкормка растения органическими веществами. В процессе очистки вода может находиться в состоянии покоя, движения или барботажа водяным паром и/или воздухом с температурой от 2 до 50°С. Барботажем расширяется диапазон активности эйхорнии при температуре воды ниже 15°С и выше 35°С, а также создается различная влажность в зоне надводной части растения, температурный диапазон воздуха ограничен снизу агрегатным состоянием воды, а сверху исключением возможности ожога растений. В случае барботажа водяным паром ожог растений исключается путем соответствующего их размещения и быстрой конденсации пара в очищаемой воде. Малые объемы высококонцентрированных нагретых или охлажденных стоков для приведения их температуры к оптимальному диапазону работы эйхорнии (15...32°С) пропускают через теплообменник и очистку ведут в состоянии движения воды.

Пример 1. По прототипу берут приготовленный сток воды, содержащий нефтепродукты в количестве 15 мг/дм³ (допустимо до 25 мг/дм³), ионы аммония () - 100 мг/дм³ (допустимо до 60 мг/дм³), фосфаты - 5 мг/дм³ (допустимо до 18 мг/дм³). Сток с температурой 20±3°С помещают в пятилитровую емкость и покрывают 80% водной поверхности посаженной эйхорнией. Через 5 суток листья растений начали засыхать, вегетация прекратилась. Спустя 7 суток остаточное содержание нефтепродуктов составило 2,5 мг/дм³, ионов аммония - 65 мг/дм³, фосфаты отсутствовали. Через 10 суток половина листьев растений отмерла.

Пример 2. По предложенному способу проводят тренировку растения вначале в течение 10 суток при содержании ионов аммония 20 мг/дм³, затем 20 дней при содержании 40 мг/дм³. Концентрацию ионов аммония поддерживают примерно постоянной, добавляя периодически более концентрированный раствор аммиака. Растение подкармливают раствором навозной жижи. Через 30 дней прирост новых растений составил 10...12 штук от каждого экземпляра эйхорнии. После тренировки растения посадили в очищаемую воду аналогично примеру 1. После 7 суток очистки растения были яркого темно-зеленого цвета, продолжали вегетировать. Остаточная концентрация примесей в воде составила для нефтепродуктов - 2,0 мг/дм³, ионов аммония - 13 мг/дг³, фосфаты отсутствовали.

Пример 3. По предложенному способу в условиях примера 2 при увеличении начального содержания ионов аммония в очищаемой воде до 150 мг/дм³ через 7 суток растения хорошо вегетировали (за 30 суток прирост составил 8...10 штук на одно растение), остаточное содержание в воде нефтепродуктов составило 2,2 мг/дм³, ионов аммония - 21 мг/дм³.

Пример 4. По примеру 3 дополнительно на второй стадии тренировки вводят ионы Cu⁺⁺ в количестве 5 мг/дм³. После 7 суток очистки воды нефтепродуктов, ионов аммония и фосфатов обнаружено не было. Растения хорошо вегетировали, имели равномерный яркий зеленый цвет.

Пример 5. По примеру 2, но тренировку эйхорнии проводят на подлежащем очистке разбавленном стоке. Первую стадию тренировки ведут на стоке, разбавленном дистиллированной водой в соотношении 1: 4, вторую стадию - 1:2. Растения хорошо вегетировали, имели яркий, равномерный зеленый цвет. После 7 суток очистки стока остаточная концентрация составила по нефтепродуктам - 0,5 мг/дм³, ионам аммония - 1,1 мг/дм³, а фосфаты полностью отсутствовали.

Пример 6. По примеру 5, но температура очищаемой воды изменяется от 5 до 15°С, а влажность от 30 до 70% отн. В процессе очистки воду барботировали подогретым воздухом с температурой 50±5°С. После 7 суток очистки нефтепродуктов, ионов аммония и фосфатов в воде не обнаружено. Растения хорошо вегетировали, а листья имели яркую равномерную зеленую окраску.

Тренировку на разбавленном натурном стоке проводят так же, размещая растения в отстойниках очистных сооружений вначале с меньшим содержанием токсикантов, затем с более высоким. При повышенной усталости растений их можно периодически пересаживать из концентрированных стоков в относительно разбавленные или в очищенную воду.

Экспериментальные работы проводились также с использованием других токсикантов, кроме указанных в примерах; в качестве катализаторов, которыми насыщали эйхорнию, применяли ионы железа, меди, платины, никеля, серебра, их смеси, оксиды и другие металлы.

Натренированное по отдельному токсиканту растение принимает устойчивый характер по отношению к данному токсиканту и у последующих поколений растения (не менее 5-й вегетации). Тренировка растения конкретным стоком позволяет приобретать устойчивость последующих поколений растения к данному стоку.

Эксперименты проведены в состоянии очищаемой воды покоя, движения и барботажа. Для барботажа использовали водяной пар, воздух и их смеси в различных соотношениях. При очистке стоков, имеющих температуру ниже 15°С, воздух подогревали до 50...60°С или охлаждали до 2°С в случае, если температура воды превышала 35°С. Установлена также возможность очистки в условиях пропускания воды через теплообменники для подогрева или охлаждения.

Представленные выше примеры согласно изобретению подтверждают повышение эффективности очистки стоков и воды водоемов эйхорнией, возможность увеличения допустимого уровня содержания токсикантов в очищаемой воде, например, по ионам аммония более чем в два раза, и расширения диапазона температуры очищаемых стоков ниже 15°С (до 5°С) и выше 35°С (до 45°С). Процесс очистки воды упрощается за счет исключения посадки новых растений взамен увядших, снижается требуемая масса растений.

Изобретение относится к очистке водных объектов, загрязненных токсичными веществами, с использованием водных растений, может применяться при очистке бытовых, коммунальных, промышленных стоков в очистных сооружениях, воды в малых реках, озерах и других водоемах. До очистки воды эйхорнией вначале определяют токсикант, лимитирующий процесс очистки, а затем до посадки эйхорнии в очищаемую воду ее содержат в растворе токсиканта, лимитирующего процесс очистки, который вводят малыми дозами с добавлением стимулятора роста растений и/или катализатора окисления лимитирующего токсиканта. Очистку стоков ведут в состоянии их покоя, движения или барботажа водяным паром и/или воздухом с температурой от 2 до 50°С. Технический эффект - увеличение допустимого уровня концентраций токсикантов в очищаемом воде не менее чем в 2 раза. Обеспечение работоспособности эйхорнии в более широком интервале температур воды.

Способ очистки стоков и воды водоемов от токсикантов с использованием растения эйхорнии, отличающийся тем, что до очистки воды вначале определяют токсикант, лимитирующий процесс очистки, а затем до посадки в очищаемую воду эйхорнии растение содержат в растворе токсиканта, лимитирующего процесс очистки, который вводят малыми дозами с добавлением стимулятора роста растения и/или катализатора окисления лимитирующего токсиканта, причем очистку ведут в состоянии покоя воды, движения или барботажа водяным паром и/или воздухом с температурой от 2 до 50°С.