СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ, РЕГЕНЕРИРОВАННОЙ ИЗ ВОДОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ Российский патент 2011 года по МПК C02F3/34 

Изобретение относится к способам повышения качества воды, получаемой физико-химическими методами из водосодержащих продуктов жизнедеятельности человека (моча, санитарно-гигиеническая вода и др.). Изобретение может найти применение в системах водообеспечения длительно функционирующих автономных гермозамкнутых космических и наземных обитаемых объектов.

Определенные сложности возникают при очистке физико-химическими методами получаемого конденсата от трудноудаляемых органических соединений, таких как низкомолекулярные спирты, мочевина, альдегиды и др. Известен способ очистки сточных вод от мочевины, включающий пропускание воды через колонку с ионообменными смолами (Авт. свидетельство СССР, кл. СO₂ F 1/42, 1974, №44). При использовании этого способа возможна лишь незначительная частичная очистка воды.

В авторской заявке (Япония, №58-23156, кл. СO₂ F 1/42, 1/2811 Boi J 47/02, 1983) очистку воды осуществляли путем ее пропускания через колонку с катионитом, анионитом и активированным углем. Однако и этот способ не обеспечивает необходимой очистки получаемого конденсата от трудносорбируемых соединений.

Процессы ионного обмена, реализуемые на неподвижных слоях сорбентов, являются периодическими из-за исчерпания обменной емкости ионообменных смол, активированных углей, что требует их замены или регенерации.

Очистка воды от аммиака возможна с помощью катионита, однако наиболее эффективный из них КУ-2Х16 в Cu-форме имеет ограниченную обменную емкость по аммиаку, равную 3,35 мг экв/мл. Мочевина практически не поглощается ионообменными смолами и не сорбируется активированными углями. Сорбционная же емкость низших спиртов, например по активированному углю, ничтожно мала и составляет 10,5 мг/л (Чижов С.В., Синяк Ю.Е. Проблемы космической биологии. Т.24. Водообеспечение экипажей космических кораблей. М.: Наука, 1973, с.66, 70).

Регенерация воды из мочи путем перегонки при атмосферном давлении, а также санитарно-гигиенической воды сорбционным методом не обеспечивают необходимого качества получаемого конденсата, который обычно содержит органические и неорганические соединения.

Известен окислительно-каталитический метод дистилляции окислением примесей в паровой фазе при температуре 150°С (Синяк Ю.Е. Процессы глубокого каталитического окисления в системах жизнеобеспечения космических кораблей. / Проблемы кинетики и катализа. Т.18, М.: Наука, 1981, с.185-196).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения чистого конденсата в работе Золотаревой Е.Л. и др. («Выбор оптимальных соотношений сорбентов при очистке конденсата» // Химия и технология воды АН УССР, 1982, Т.4, №3, с.260) использовали имитатор конденсата, который пропускали через колонку с катионитом, анионитом, активированным углем при их соотношении 1:1,5:28.

Этот способ был выбран нами в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является ограниченный ресурс поглотительной способности компонентов колонки по трудноудаляемому этиловому спирту и мочевине, практически не поглощаемой ионообменными смолами и активированным углем.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества воды, регенерированной из водосодержащих продуктов жизнедеятельности человека физико-химическими методами, что проявляется в удалении аммиака из получаемого конденсата; трудноудаляемого этилового спирта и практически не удаляемой мочевины.

Этот технический результат достигается тем, что в известном способе очистки воды, регенерированной из водосодержащих отходов жизнедеятельности человека путем пропускания ее через колонку, содержащую катионит, анионит, активированный уголь и сбор конечного продукта, в качестве катионита используют сульфированный сополимер стирола с дивинилбензолом - КУ-2Х16 в Cu-форме, в качестве анионита используют сильноосновной сополимеризационный с четвертичными бензилтриметиламмониевыми группами - АВ-17-10-Пч, в качестве активированного угля используют активированный уголь БАУ, в колонку дополнительно вводят иммобилизованную на аминосилохроме уреазу, а также иммобилизованную на пенополивинилформале бактериальную культуру рода Pseudomonas, способную ассимилировать этиловый спирт и аммиак в качестве источников питания, при следующем массовом соотношении иммобилизованной уреазы, иммобилизованной бактериальной культуры, катионита, анионита, активированного угля 1:1:1:1,5:2.

Преимущественно способ осуществляют при комнатной температуре.

Преимуществом данного способа, в отличие от каталитического окисления трудноудаляемых вредных примесей (например, спиртов) с помощью химических катализаторов, является то, что биокатализаторы (иммобилизованные на твердом носителе микроорганизмы) функционируют, не требуя повышенной температуры, т.о. процесс очистки осуществляется при комнатной температуре.

Новыми в предлагаемом способе, по сравнению с прототипом, являются следующие признаки:

1. Введение дополнительно в колонку очистки конденсата иммобилизованной, например на аминосилохроме, уреазы, разлагающей мочевину до аммиака и диоксида углерода, а также бактериальной культуры, иммобилизованной на твердом пористом носителе, как, например, пенополивинилформале, ассимилирующей аммиак и этиловый спирт;

2. Массовые соотношения иммобилизованной уреазы на аминосилохроме, иммобилизованной бактериальной культуры на пенополивинилформале, например из рода Pseudomonas, катионита КУ-2Х16 в Cu-форме на основе сульфированного сополимера стирола с дивинилбензолом, анионита АВ-17-10-Пч сильноосновного сополимеризационного с четвертичными бензилтриметиламмониевыми группами, активированного угля соответственно составляют 1:1:1:1,5:2.

Предложенное соотношение необходимо и достаточно для достижения поставленной цели - повышения качества регенерированной воды путем очистки конденсата от мочевины, аммиака и этилового спирта при значительном увеличении ресурса колонки.

Технический результат изобретения выражается:

- в возможности глубокой очистки регенерированной воды (конденсата) от этилового спирта, мочевины и аммиака;

- в существенном увеличении ресурса колонки за счет того, что этиловый спирт и образующийся из мочевины аммиак не накапливаются на ионообменных смолах и активированном угле, а по мере поступления ассимилируются микроорганизмами, иммобилизованными на пористом твердом фильтрующем материале - пенополивинилформале;

- в меньших трудозатратах и весовых характеристиках, что особенно важно при длительных и автономных межпланетных экспедициях.

Наличие в способе новых признаков (1, 2) и новая совокупность известных по прототипу признаков сообщают способу новые свойства - значительное повышение ресурса колонки и эффективности очистки конденсата от аммиака, трудноудаляемого этилового спирта и практически не удаляемой мочевины, что приводит к достижению поставленной цели - повышению качества регенерированной воды из водосодержащих продуктов жизнедеятельности человека, например мочи, путем очистки получаемого конденсата.

Способ осуществляется следующим образом.

Регенерацию воды из мочи осуществляют методом низкотемпературного испарения (50-55°С) с зеркальной поверхности в потоке воздуха. Воздух выходит из испарителя в состоянии, близком к насыщению, и поступает в конденсатор (холодильник), где пары конденсируются. Затем конденсат пропускают через колонку очистки с расходом 50 мл/час. Колонка изготовлена из стекла, объем колонки 700 мл. Ее послойно заполняют: уреазой, иммобилизованной янтарноангидридным методом на аминосилохроме, объемом 100 см³; бактериальной культурой, безвредной для человека, животных, растений, например Pseudomonas esterophilus, иммобилизованной путем адгезии на пенополивинилформале (в форме кубиков размером 1 см³) объемом 100 см³; катионитом КУ-2Х16 в Cu-форме объемом 100 см³; анионитом АВ-1710-Пч объемом 150 см³; активированным углем объемом 200 см³.

Для очистки воды от этилового спирта и аммиака кроме Pseudomonos esterophilus можно использовать и другие микроорганизмы рода Pseudomonas. В работе Anna Grabinska-Loniewska (Studies on the Activated Sludge Bacteria Participating in the Biodegradation of Methanol, Formaldehyde and Ethylene Glicol. Part II. Utilization of Various Carbon and Nitrogen Compounds. Institute of Environmental Engineering, Warsaw Politechnic University, 00-661 Warsawa, Plac Jednosci Robotniczej 1, Poland. Received 29 October 1973. ACTA MICROBIOLOGICA POLONICA Ser. В 1974. Vol.6(23). No.2. 83-88) показано, что многочисленные бактериальные штаммы рода Pseudomonas (как, например, Pseudomonas fluorescens 18 и 21 F) помимо формальдегида, многоатомного спирта - этиленгликоля, метилового спирта утилизируют в качестве источника углеродного питания также и этиловый спирт, а в качестве источника азотного питания - аммиак, образующийся в водной среде при гидролизе сульфата аммония.

В колонке в аэробных условиях осуществляют очистку конденсата мочи от этилового спирта, аммиака, мочевины.

Количественный анализ этилового спирта проводят на газовом хроматографе.

Содержание аммиака определяют фотоколометрическим методом с реактивом Несслера.

Содержание мочевины определяют фотоколометрическим методом с пара-диметиламинобензальдегидом.

Нами было обнаружено, что массовые соотношения иммобилизованной уреазы на аминосилохроме, иммобилизованной бактериальной культуры на пенополивинилформале рода Pseudomonas, катионита КУ-2Х16 в Си-форме на основе сульфированного сополимера стирола с дивинилбензолом, анионита АВ-17-10-Пч сильноосновного сополимеризационного с четвертичными бензилтриметиламмониевыми группами, активированного угля соответственно составляют 1:1:1:1,5:2 является оптимальным.

В обоснование этого приводим результаты исследований, где были взяты иные соотношения ингредиентов. Таблица 1. В ней показана эффективность очистки конденсата мочи в колонке с бактериальной культурой Pseudomonas esterophilus. Таблица 2 - Эффективность очистки конденсата мочи в колонке с бактериальной культурой Pseudomonas denitrificans R-1. Таблица 3 - Эффективность очистки конденсата мочи в колонке с бактериальной культурой Pseudomonas denitrificans G-1.

Как следует из представленных таблиц только при заявленных соотношениях компонентов колонки имеется максимальное очищение конденсата мочи.

Кроме того, указываемые соотношения чрезвычайно важны и по другим соображениям. Поскольку предлагаемый способ очистки содержит два разных механизма очистки (уреаза и бактериальная культура), удаляющие из отходов разные вредные компоненты (мочевину и этиловый спирт) при найденном оптимальном равновесии компонентов шихты колонки.

Пример осуществления способа

Была проведена очистка воды (конденсата), полученного из мочи. Регенерация воды из мочи была осуществлена методом низкотемпературного испарения (50-55°С) с зеркальной поверхности в потоке воздуха. Воздух выходит из испарителя в состоянии, близком к насыщению, и поступает в конденсатор (холодильник), где пары конденсируются. Затем собранный конденсат был пропущен через две разные колонки очистки с расходом 50 мл/час при комнатной температуре.

Колонки изготовлены из стекла объемами 700 и 3000 мл. Колонку по предложенному способу, объемом 700 мл, послойно заполнили уреазой, иммобилизованной янтарноангидридным методом на аминосилохроме, объемом 100 см³, бактериальной культурой, безвредной для человека, животных, растений, например Pseudomonas esterophilus, иммобилизованной путем адгезии на пенополивинилформале (в форме кубиков размером 1 см³) объемом 100 см³; катионитом КУ-2Х16 в Cu-форме объемом 100 см³; анионитом АВ-17-10-Пч объемом 150 см³; активированным углем БАУ объемом 200 см³.

Колонку по прототипу, объемом 3000 см³; заполняют катионитом КУ-2X16 в Cu-форме, объемом 100 см³; анионитом АВ-17-10Пч объемом 150 см³; активированным углем СКТ объемом 2800 см³.

Очистку конденсата осуществляли в аэробных условиях при комнатной температуре.

Количественный анализ этилового спирта проводили на газовом хроматографе.

Содержание аммиака определяли фотоколометрическим методом с реактивом Несслера.

Содержание мочевины определяли фотоколометрическим методом с пара-диметиламинобензальдегидом. Анализ воды (конденсата) проводили 3 раза в неделю.

Конденсат мочи до очистки на колонке содержал: этиловый спирт 25,1 мг/л, мочевину 27,3 мг/л и свободный аммиак 4,1 мг/л.

За 30 суток функционирования колонки было очищено 15 л конденсата от аммиака, этилового спирта, мочевины путем ее разложения до диоксида углерода и аммиака иммобилизованной уреазой на аминосилохроме объемом 100 см³; с ассимиляцией аммиака и этилового спирта бактериальной культурой Pseudomonas esterophilus, иммобилизованной на пенополивинилформале, объемом 100 см³.

Иммобилизованная уреаза на аминосилохроме объемом 100 см³ в 15 л конденсата разложила 409 мг мочевины с образованием аммиака в количестве 230,5 мг. Иммобилизованная бактериальная культура на пенополивинилформале объемом 100 см³ ассимилировала 230,5 мг новообразованного из мочевины аммиака и 61,5 мг изначально содержащегося аммиака в конденсате, т.е. всего 292 мг.

Эта же бактериальная культура ассимилировала 376 мг этилового спирта (содержащегося в 15 л конденсата).

По прототипу для очистки 376 мг этилового спирта при сорбционной емкости активированного угля СКТ - 9 мг/л требуется 41 л сорбента, а для очистки от 292 мг аммиака с использованием катионита КУ-2Х16 в Cu-форме, с полной обменной емкостью 3,35 мг.экв/мл необходимо 87 см³ ионообменой смолы.

Таким образом, по предложенному способу для повышенной очистки 15 л регенерированной воды из мочи от 409 мг мочевины, 376 мг этилового спирта и 292 мг аммиака достаточно 650 мл шихты (включающей иммобилизованную уреазу на аминосилохроме, бактериальную культуру, иммобилизованную на пенополивинилформале, катионит, анионит, активированный уголь).

В варианте прототипа мочевина практически не поглощается ионообменными смолами и активированным углем, а для очистки регенерированной воды от 376 мг этилового спирта, при сорбционной емкости активированного угля СКТ - 9 мг/л требуется 41 л сорбента, в то время как объем шихты колонки по предложенному способу составляет 650 мл, т.е. ресурс колонки по предлагаемому способу превышает ресурс прототипа в 64 раза при существенном повышении качества очищаемого конденсата.

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к способам повышения качества воды, получаемой физико-химическими методами из продуктов жизнедеятельности человека (мочи, санитарно-гигиенической воды и др.). Способ очистки воды, регенерированной из водосодержащих отходов жизнедеятельности человека, включает пропускание ее через колонку, содержащую катионит, анионит, активированный уголь и сбор конечного продукта. Причем в качестве катионита используют сульфированный сополимер стирола с дивинилбензолом - КУ-2Х16 в Cu-форме, в качестве анионита используют сильноосновной сополимеризационный с четвертичными бензилтриметиламмониевыми группами анионит АВ-17-10-Пч, в качестве бактериальной культуры используют бактерии рода Pseudomonas, в качестве активированного угля используют активированный уголь БАУ. При этом в колонку дополнительно вводят иммобилизованную на аминосилохроме уреазу, а также иммобилизованную на пенополивинилформале бактериальную культуру при следующем массовом соотношении иммобилизованной уреазы, иммобилизованной бактериальной культуры, катионита, анионита, активированного угля 1:1:1:1,5:2. Изобретение позволяет повысить качество воды. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ очистки воды, регенерированной из водосодержащих отходов жизнедеятельности человека, путем пропускания ее через колонку, содержащую катионит, анионит, активированный уголь и сбор конечного продукта, отличающийся тем, что в качестве катионита используют сульфированный сополимер стирола с дивинилбензолом - КУ-2Х16 в Cu-форме, в качестве анионита используют сильноосновной сополимеризационный с четвертичными бензилтриметиламмониевыми группами - АВ-17-10-Пч, в качестве активированного угля используют активированный уголь БАУ, в колонку дополнительно вводят иммобилизованную на аминосилохроме уреазу, а также иммобилизованную на пенополивинилформале бактериальную культуру рода Pseudomonas, способную ассимилировать этиловый спирт и аммиак в качестве источников питания, при следующем массовом соотношении иммобилизованной уреазы, иммобилизованной бактериальной культуры, катионита, анионита, активированного угля 1:1:1:1,5:2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ осуществляют при комнатной температуре.