Способ получения биофлокулянта из избыточного активного ила Российский патент 2021 года по МПК C02F1/36 C02F1/38 C02F1/54 C02F11/00 

Изобретение относится к обработке промышленных, бытовых сточных вод биофлокулянтом и может найти применение на очистных сооружениях населенных пунктов, сельскохозяйственных и промышленных предприятий.

Проблемы, связанные с реагентной очисткой сточных вод, обусловлены тем, что в традиционных способах очистки используют бионеразлагаемые вещества, что способствует вовлечению в биохимический круговорот токсичных агентов.

В настоящее время одним из наиболее распространенных и традиционных методов очистки сточных вод и водоподготовки является их очистка с использованием минеральных коагулянтов и синтетических флокулянтов. В практике очистки применяют обычно минеральные коагулянты, например, сульфат алюминия - Al₂(SO₄)₃ *18H₂O, сульфат двухвалентного железа - FeSO₄ *7H₂O, полиоксихлорид алюминия - Al₂(OH)_nCl (торговое название «Аква-Аурат» и другие); а также синтетические флокулянты, такие как полиакриламиды (ПАА), сополимеры акриламида и акриловой кислоты и другие [1-6,16].

Механизм очистки в этом случае связан с тем, что в результате гидролиза коагулянтов образуются малорастворимые в воде оксигидраты железа или алюминия. Данные соединения сорбируют на хлопьевидной поверхности взвешенные, мелкодисперсные и коллоидные вещества и оседают на дно отстойника, образуя осадок, или выносятся в пенный слой в процессе реагентной напорной флотации.

Эти процессы приводят к значительному загрязнению осадка и очищаемой воды ионами тяжелых металлов, что несет высокие риски как для здоровья людей, так и для окружающей среды [1-6].

В случае очистки воды с помощью синтетических флокулянтов (например, «Праестол», «Суперфлок», «Флокатон» и многие другие) в результате гидролиза образуются нейротоксичные и канцерогенные мономеры, нитрозамины и другие токсичные вещества в зависимости от вида синтетического флокулянта.

С другой стороны, в последние годы стали известны и другие агенты очистки сточных вод - внеклеточные полимерные вещества (далее - ВПВ). Внеклеточные полимерные вещества, или, как их еще называют, микробные биофлокулянты, которые не образуют вторичного загрязнения их промежуточными продуктами распада и являются биоразлагаемыми и экологически чистыми [7-10]. ВПВ являются функционально флокулирующими агентами, способствующими агломерации дисперсных и коллоидных частиц, поэтому они способны добиться значительного снижения концентраций загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах [11, 12].

Использование биофлокулянтов позволяет на более высоком уровне решить проблемы осуществления процессов очистки сточных вод по сравнению с использованием традиционных коагулянтов и синтетических флокулянтов, сохраняя с одной стороны эффективность очистки, полноту и качество удаления загрязнений, с другой стороны, обладая биодеградабельностью, «environmental-friendly» и безвредностью, обеспечивают отсутствие вторичного загрязнения очищаемых вод.

Известен способ отделения взвешенных веществ от исходной жидкости при аэробной биологической очистке сточных вод (Пат РФ №2073649, опубл. 27.10.1996), в котором в сточные воды вводят в качестве коагулянта избыточный активный ил (далее ИАИ), предварительно обработанный физико-механически с целью стимулирования образования клетками микроорганизмов биофлокулянтов и повышения их концентрации, затем проводят осаждение. При этом используют активный ил в эндогенной фазе метаболизма, которую обеспечивают культивированием микроорганизмов при эаробной биологической очистке.

Известен способ биохимической очистки сточных вод (Пат. РФ №2327651, опубл. 27.06.2008), в котором степень очистки увеличивается за счет повышения биофлокулирующей и ферментативной активности обработанного ультразвуком активного ила.

Известна установка для очистки сточных вод (Пат. РФ №2404133, опубл.20.112010.), в которой сточную воду обрабатывают биофлокулянтом, получаемым путем предварительной гидромеханической обработки биомассы активного ила, которую выводят из вторичного отстойника. Изобретение направлено на повышение эффективности и глубины очистки сточных вод промышленных предприятий.

Известна установка для аэробной биологической очистки сточных вод (Пат.РФ №2535842, опубл. 2012.2014), в которой к нижнему краю вторичного отстойника через магистральный трубопровод присоединено устройство физико-механической обработки активного ила для выделения биофлокулянтов и интенсификации процесса флокуляции.

Во всех вышеперечисленных патентах указывают на обработку сточных вод биофлокулянтом, выделяемым из активного ила, но не указано, как конкретно получают конечный готовый продукт - биофлокулянт.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в получении эффективного биофлокулянта из избыточного активного ила для очистки сточных вод как от минеральных, так и от органических веществ.

Для достижения указанного технического результата в способе получения биофлокулянта из избыточного активного ила (ИАИ) отделяют твердую фазу ИАИ от жидкой любым известным способом до содержания сухого вещества 40 - 50 г/л, затем ресуспендируют осадок дистиллированной водой к исходному объему в соотношении 1: 0,2 по объему, к полученной суспензии добавляют 37% - й раствор формамида в соотношении 1:0,006 по объему и в течение часа постоянно перемешивают, далее обработанную формамидом суспензию подвергают ультразвуковой обработке режимом 2,5 - 3,5 КГцхчас, 50 КГц в течение 4 минут, потом центрифугируют, полученный осадок отделяют и ресуспендируют дистиллированной водой к исходному объему в соотношении 1:0,5, полученную суспензию обрабатывают одномолярным раствором щелочи в соотношении по объему 2:1 в течение 3 часов при постоянном перемешивании, снова центрифугируют до получения плотного осадка, последний отделяют и направляют на утилизацию, а раствор подвергают сублимационной сушке, полученный порошок биофлокулянта расфасовывают и упаковывают в герметичные пакеты.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется таблицей, представленной на фигуре, где приведена сравнительная характеристика степени очистки сточных вод полученным предлагаемым способом биофлокулянтом в сравнении с другими реагентами.

Сущность заявленного способа получения биофлокулянта из избыточного активного ила заключается в следующем.

Избыточный активный ил подвергают центрифугированию при скорости 4000 об/мин в течение 10-15 минут (или другим операциям, способствующим отделению твердой фазы избыточного активного ила от жидкой, путем декантации, сгущения, центрифугирования, фильтр-прессования и т.д.) до содержания сухого вещества 40 - 50 г/л. Эта операция позволяет отделить содержащуюся в ИАИ свободную влагу, примеси, мешающие выделению конечного вещества, и менее эффективную фракцию ВПВ, не связанную с биополимерным чехлом клетки активного ила.

Осадок, полученный при центрифугировании, ресуспендируют к исходному объему в соотношении 1:0,2 по объему путем добавления дистиллированной воды для создания среды по отделению искомого ВПВ.

Полученную суспензию обрабатывают в течение 1 часа при постоянном перемешивании 37% - м раствором формамида (HCONH₂) в объемном соотношении 1:0,006.

Далее суспензию подвергают обработке ультразвуком жесткостью режима обработки 2,5 - 3,5 кГц * час (50 кГц) в течение 4,0 минут для интенсификации дезинтеграции и отделения слабосвязанной с биополимерным чехлом искомой фракции ВПВ. Обработка ультразвуком данным режимом больше 4 минут ухудшает качество конечного продукта, а менее 4 минут не только ведет к уменьшению выхода, но и также к ухудшению качества конечного продукта. Затем суспензию центрифугируют в течение 15-30 минут при скорости 4000 об/мин. Полученный осадок отделяют, ресуспендируют дистиллированной водой к исходному объему в соотношении 1:0,5.

К полученной взвеси добавляют одномолярный раствор NaOH в объемном соотношении 2:1 и перемешивают в течение 3 часов. Последующее центрифугирование проводят в течение 15-30 минут при скорости 4000 об/мин, в итоге получают искомый биофлокулянт в супернатанте. Далее раствор биофлокулянта подвергают сублимационной сушке (лиофилизации). Основной режим сушки: температура от минус 50 до минус 52°С, давление от 4,5 до 2,8 Па. Полученный порошок биофлокулянта бежевого цвета, устойчив в хранении, максимальный срок хранения составляет 12 месяцев, удобен в дозировании при получении рабочего раствора.

При получении биофлокулянта использовали имеющуюся в лаборатории центрифугу со скоростью 4000 об/мин.

Использование полученного биофлокулянта для очистки сточных вод обеспечивается последовательностью следующих операций: приготовление раствора биофлокулянта концентрацией 4,0-5,0 мг/л, дозирование и смешивание раствора биофлокулянта со сточной водой, хлопьеобразование и седиментация, после чего загрязняющие вещества выпадают в осадок и их удаляют.

Исследование использования применения полученного биофлокулянта предложенным способом для очистки сточных вод показывает его высокую эффективность, как для минеральных, так и для органических загрязнений (фиг.), не уступая ряду традиционных неорганических коагулянтов и синтетических флокулянтов.

Так, традиционная реагентная очистка с помощью большинства синтетических флокулянтов обеспечивают высокую степень очистки по отдельным показателям за счет либо высоких доз, либо за счет совместного использования с другими флокулянтами или коагулянтами [13-16].

Кроме того, большинство синтетических флокулянтов и коагулянтов нацелено на снижение одного-двух показателей качества воды, например в источнике [14] исследуют лишь мутность, цветность, взвешенные вещества.

Полученный предложенным способом биофлокулянт позволяет проводить очистку сточных вод в широком диапазоне характеристик качества воды - взвешенные вещества, мутность, ХПК, БПК, сухой остаток, белок.

Особенностью биофлокулянта является и то, что он позволяет снижать содержание не только взвешенных веществ и связанных с ними загрязнений, например, мутность, но и позволяет снижать содержание растворенных веществ, представляющих собой основную проблему при реализации процессов очистки сточных вод. Так, например, в работе [13] разработанный коагулянт-флокулянт достаточно эффективно снижает взвешенные вещества, нефтепродукты, железо, цинк, но при этом увеличивает количество растворенных веществ (сухого остатка) и соответственно плохо снижает или вовсе не снижает показатели ХПК.

Пример 1.

1000 мл избыточного активного ила центрифугируют при скорости 4000 об/мин в течение 10-15 минут (или другим операциям, способствующим отделению твердой фазы избыточного активного ила от жидкой, путем декантации, сгущения, центрифугирования, фильтр-прессования и т.д.) до содержания сухого вещества не менее 43 г/л. Осадок, полученный при центрифугировании, ресуспендировали в соотношении 1:0,2 по объему путем добавления дистиллированной воды. Полученную суспензию обрабатывали в течение 1 часа при постоянном перемешивании 37% -м раствором формамида (HCONH₂) в объемном соотношении 1:0,006 и далее обрабатывали ультразвуком при жесткости режима обработки 2,5 - 3,5 кГц * час (50 кГц) в течение 4,0 минут. Затем проводили центрифугирование в течение 15-30 минут, скорость оборотов в минуту 4000. Поученный осадок ресуспендировали дистиллированной водой к исходному объему в соотношении 1:0,5 по объему. К полученной взвеси добавляли одномолярный раствор щелочи в соотношении 2: 1 и перемешивали в течение 3 часов. Затем снова центрифугировали в течение 15-30 минут, скорость 4000 об/мин. до получения плотного осадка, что позволяет получить искомый биофлокулянт в супернатанте. Затем раствор биофлокулянта направлялся на сублимационную сушку (лиофилизацию). Основной режим сушки: температура минус 50°С, давление от 4,5 Па. Полученный порошок биофлокулянта частично использовали для очистки сточной воды, часть направили на хранение для последующего использования.

В качестве сточной воды использовали каолиновую суспензию (тест Курана). Мерный цилиндр наполняли 1000 мл каолиновой суспензии, которую перемешивали с подготовленным раствором биофлокулянта. Раствор биофлокулянта добавляли исходя из количества 5 мг действующего вещества на 1000 мл очищаемой сточной воды. Сточная вода характеризовалась следующими показателями: количество взвешенных веществ 5111,4 мг/л, оптическая плотность 1,485. После смешивания и седиментации в течение 30 минут очищенная сточная вода характеризовалась показателями 1060,1 мг/л, оптической плотностью 0,308. Степень очистки сточной воды составила 79,3%, что свидетельствуют о достаточно высокой эффективности полученного предлагаемым способом биофлокулянта при его использовании для очистки сточных вод.

Пример 2.

500 мл сточной воды рыбообрабатывающего предприятия с показателями: оптическая плотность 0,138, взвешенные вещества 475 мг/л, растворенные вещества (сухой остаток) 137 мг/л, БПК₅ 173,7 мгО₂/л, вводят подготовленный рабочий раствор биофлокулянта из расчета 4 мг/л очищаемой сточной воды. После смешивания и седиментации загрязняющих веществ очищенная вода имела следующие показатели: оптическая плотность 0,0585, взвешенные вещества 204 мг/л, растворенные вещества 72 мг/л, БПК₅ 53,2 мгО₂/л.

Литература

1. US Environment Protection Agency. Enhanced coagulation and enhanced precipitative softening guidance manual (Draft), EPA, Office of ground water and drinking water, Washington, D. C, 1998.

2. Arezoo, 2002.

3. Buthelezi et al., 2009.

4. Li et al., 2009.

5. Ma et al., 2008.

6. Nontembiso et al.

7. Salehizadeh H., Shojaosadati S.A. Extracellular biopolymeric flocculants: Recent trends and biotechnological importance // Biotechnology Advances. 2001. Vol. 19, P. 371-385.

8. Salehizadeh H., Vossoughi M., Alemzadeh I. Some investigations on bioflocculant producing bacteria// Biochemical Engineering Journal. 2000. Vol. 5, P. 39-44.

9. Xia S.Q., Zhang Z.Q., Wang X.J., Yang A.M., Chen L., Zhao J.F., Didier L., Nicole J.R. Production and characterization of a bioflocculant by Proteus mirabilis TJ-1// Bioresour. Technol. 2008. Vol. 99. P. 6520-6527.

10. Sharma B.R., Dhuldhoya N.C., Merchant U.C. Flocculants - an ecofriendly approach// J. Polym. Environ. 2006. Vol. 14. P. 195-202.

11. Shi Y., Huang J., Zeng G., Gu Y., Chen Y., Hu Y., Tang В., Zhou J., Yang Y., Shi L. Exploiting extracellular polymeric substances (EPS) controlling strategies for performance enhancement of biological wastewater treatments: An overview //Chemosphere. 2017. Aug. Vol. 180. P. 396-411.

12. More T.T., Yadav J.S.S., Yan S., Tyagi R.D., Surampalli R.Y. Extracellular polymeric substances of bacteria and their potential environmental applications// Journal of Environmental Management. 2014. Vol.144. P. 1-25.

13. Коагулянт-флокулянт для очистки сточных вод на основе производственных сернокислотных стоков / В.О. Шабловский [и др.] // Сотрудничество - катализатор инновационного роста: сборник материалов Белорусско-Прибалтийского форума, 22-23 октября 2015 года. - Минск: БНТУ, 2015. - С. 11-12.

14. Куренков В.Ф., Hartan Н, Лобанов Ф.И. Применение полиакриламидных флокулянтов для водоочистки/ В.Ф. Куренков, Н. Hartan, Ф.И. Лобанов// Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. - 2002. - №11. - С. 31-40.

15. Очистка сточных вод с применением синтетических флокулянтов [Текст] / Л.В. Гандурина. - Москва: ДАР/ВОДГЕО, 2007. - 197 с.

16. Гетманцев С.В., Нечаев И.А., Гандурина Л.В. Очистка производственных сточных вод коагулянтами и флокулянтами. - М.: «АСВ», 2008 - 272 с.

Изобретение относится к обработке промышленных, бытовых сточных вод биофлокулянтом и может найти применение на очистных сооружениях населенных пунктов, сельскохозяйственных и промышленных предприятий. Способ заключается в получении биофлокулянта на основе внеклеточных полимерных веществ, продуцируемых клетками избыточного активного ила (ИАИ). Способ включает последовательное проведение следующих операций. Сначала отделяют твердую фазу ИАИ от жидкой любым известным способом до содержания сухого вещества 40-50 г/л, затем ресуспендируют осадок дистиллированной водой к исходному объему, полученную суспензию обрабатывают 37%-ным раствором формамида, далее обработанную формамидом суспензию подвергают ультразвуковой обработке, снова центрифугируют, полученный осадок отделяют и ресуспендируют дистиллированной водой к исходному объему, полученную суспензию обрабатывают одномолярным раствором щелочи, затем центрифугируют до получения плотного осадка, последний отделяют и направляют на утилизацию, а раствор подвергают сублимационной сушке. Полученный порошок биофлокулянта расфасовывают и упаковывают в герметичные пакеты. Технический результат – эффективная очистка сточных вод как от минеральных, так и от органических веществ. 3 з.п. ф-лы, 2 пр., 1 ил.

1. Способ получения биофлокулянта из избыточного активного ила (ИАИ), характеризующийся тем, что отделяют твердую фазу ИАИ от жидкой любым известным способом до содержания сухого вещества 40-50 г/л, затем ресуспендируют осадок дистиллированной водой к исходному объему в соотношении 1:0,2 по объему, к полученной суспензии добавляют 37%-ный раствор формамида в соотношении 1:0,006 по объему и в течение часа постоянно перемешивают, далее обработанную формамидом суспензию подвергают ультразвуковой обработке режимом 2,5-3,5 КГц×ч, 50 КГц в течение 4 минут, потом центрифугируют, полученный осадок отделяют и ресуспендируют дистиллированной водой к исходному объему в соотношении 1:0,5, полученную суспензию обрабатывают одномолярным раствором щелочи в соотношении по объему 2:1 в течение 3 часов при постоянном перемешивании, снова центрифугируют до получения плотного осадка, последний отделяют и направляют на утилизацию, а раствор подвергают сублимационной сушке, полученный порошок биофлокулянта расфасовывают и упаковывают в герметичные пакеты.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что сублимационную сушку проводят при температуре от минус 50°С до минус 52°С и давлении от 4.5 Па до 2,8 Па.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что отделение твердой фазы ИАИ от жидкой осуществляют центрифугированием в течение 10-15 минут, скорость оборотов в минуту составляет 4000.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что при получении биофлокулянта используют центрифугу со скоростью 4000 об/мин.