Способ получения носителя биомассы для биологической очистки сточных вод Российский патент 2025 года по МПК C02F3/10 

Изобретение относится к области технологий изготовления материалов, способных при контакте с микроорганизмами активного ила обеспечивать их закрепление (иммобилизацию) на своей поверхности. Иммобилизация микроорганизмов активного ила на материале - носителе обеспечивает формирование биоценоза активного ила, более устойчивого к неблагоприятным факторам процесса биологической очистки сточных вод: наличие трудноокисляемых и токсичных примесей в составе сточных вод; неравномерность и/или нестабильность качественного и количественного состава сточных вод. Иммобилизация биомассы на носителе позволяет повышать дозу активного ила, размещаемую в аэротенках, увеличивать время пребывания в биореакторе и предотвращать вынос взвешенных веществ при поступлении большого объёма стоков или при увеличении скорости водного потока. Повышению эффективности очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод консорциумом свободноплавающих и прикрепленных микроорганизмов способствует увеличение концентрации биомассы в биореакторе (аэротенке), повышение возраста микроорганизмов в прикрепленной биопленке, сорбционные свойства материала - носителя закрепленной биомассы. Использование в биореакторе (аэротенке) микроорганизмов активного ила в свободноплавающем и закрепленном на материале-носителе виде позволяет одновременно в сооружениях находиться микроорганизмам активного ила разного возраста, что способствует эффективной очистке сточных вод от легкоокисляемых и трудноокисляемых органических соединений.

Установлено повышение эффективности очистки при иммобилизации биомассы на пористом материале, обладающим сорбционными свойствами, при этом одновременно протекают процессы адсорбции на поверхности сорбента, окисления загрязняющих веществ свободноплавающими и прикрепленными микроорганизмами.

К современным материалам - носителям биомассы предъявляются следующие требования: высокоразвитая поверхность, механическая прочность, высокая иммобилизационная способность, доступность, низкая стоимость, экологичность при утилизации [патент RU №2682532 от 19.03.2023].

Известен способ получения носителя для биологической очистки сточных вод [патент RU №2422379 от 27.06.2011], в котором применяют в качестве носителя биомассы плоскостную загрузку, выполненную из гофрированных листов стеклопластика и/или керамопласта с включением в их состав металлических и минеральных частиц или нанесения на поверхность загрузки металла электроакустическим напылением.

К недостаткам данного способа можно отнести сложность изготовления загрузки.

Известен способ получения спиралевидной насадки из полимерного материала для биологической очистки сточных вод [патент RU №2369564 от 10.10.2009]. Спираль выполняют винтовой, поперечное сечение образующего элемента выполняют прямоугольным, с горизонтальной ориентацией длинной стороны прямоугольника, переменным по толщине.

Недостатком известного способа является использование конструкции сложной геометрической формы и подбор полимерного материала, обладающего пружинящими свойствами.

Известен способ изготовления насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод [патент RU №2259960 от 10.09.2005], включающий формирование ее путем экструзии непрерывного жгута пластифицированного полимерного материала и намотки его на вращающуюся и совершающую возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости оправку. При этом образующиеся винтовые спирали последовательно соединяют в местах их перекрещивания путем термического склеивания с образованием проходных отверстий.

К недостаткам данного способа можно отнести использование сложной конструкции.

Известен способ получения материала - носителя биомассы для обработки сточных вод [патент RU №2374369 от 27.11.2009], в котором применяют в качестве носителя биомассы нетканый материал из бикомпонентных и полипропиленовых синтетических волокон с линейной плотностью от 0,9 до 6,8 дтекс, представляющий собой трехслойную структуру, два наружных слоя которой содержат полипропиленовые или смесь полипропиленовых и бикомпонентных волокон, внутренний слой содержит хемосорбционные волокна, представляющие собой неперерабатываемые текстильные отходы первичной обработки и чесания, а отношение поверхностной плотности слоев составляет 1:1:1.

К недостаткам данного способа можно отнести сложность промывки и регенерации.

Известен способ биохимической очистки сточных вод [патент RU №2448056 от 20.04.2012], в котором применяют в качестве носителя биомассы плавающую полимерную загрузку, поверхностный слой которой модифицируют полифункциональным катализатором при массовом соотношении минерального катализатора (смесь оксидов и шпинелей поливалентных металлов) и полимера - 60:40 соответственно. Гранулам придают сферическую форму диаметром 18-22 мм с шипообразными выступами по всей поверхности сферы высотой 3-4,5 мм.

К недостаткам данного способа можно отнести необходимость модификации поверхностного слоя и сложность получения геометрической формы.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому эффекту является способ получения материала - носителя биомассы для биологической очистки сточных вод [патент RU №2682532 от 19.03.2019], включающий изготовление материала путем смешения с последующим экструдированием синтетического полимера полипропилена (ПП) и полисахарида (ПС), выбранного из ряда: крахмал, микроцеллюлоза, либо их смесь в любом соотношении. Соотношение компонентов ПП : ПС составляет (80-60):(20-40) мас.%. Продукт представлен в виде гранул диаметром 10-20 мм, плотностью 0,3-0,7 г/см³ и пористостью 50-70%. Данный способ принят за прототип.

К недостаткам известного способа, принятого за прототип, можно отнести сложность изготовления загрузки и необходимость термической обработки материала при температуре 220°С.

Техническая задача изобретения заключается в разработке способа получения при температуре 110-125°С комбинированного (углеродно-синтетического) материала-носителя биомассы для биологической очистки сточных вод, позволяющего использовать вторично отходы полиэтилена низкого давления и остатки пиролиза (ОП) нефтесодержащих отходов (НСО), упрощение и удешевление технологии получения материала носителя биомассы.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе получения материала-носителя биомассы для биологической очистки сточных вод, включающем приготовление смеси путем смешивания исходных компонентов, согласно изобретению смешивают углеродсодержащие компоненты и синтетический полимер при температуре 110-125°С, затем полученную смесь охлаждают и просеивают, в качестве углеродсодержащих компонентов применяют остатки пиролиза (ОП) нефтесодержащих отходов (НСО), в качестве синтетического полимера применяют отходы полиэтилена низкого давления (ПНД), при этом массовое соотношение компонентов ОП НСО : отходы ПНД составляет 1:1 ÷ 3:1.

В качестве отходов полиэтилена низкого давления (ПНД) применяют потерявшую потребительские свойства упаковку из полиэтилена низкого давления (ПНД) или отходы производства ПНД.

Остатки пиролиза получают при пиролизе нефтесодержащих отходов (НСО), в том числе: нефтешламов (НШ) и осадков резервуаров хранения и транспортировки; нефтешламов очистных сооружений; нефтешламов шламонакопителей; замазученного грунта и песка; избыточного активного ила (ИАИ) биологических очистных сооружений; шлама флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод.

Комбинированный материал-носитель биомассы обладает развитой пористой поверхностью за счет наличия углерода в количестве 15-22%, входящего в состав остатков пиролиза. Отходы полиэтилена низкого давления обеспечивают высокие прочностные свойства - прочность на истирание до 93%. Развитая пористая поверхность комбинированного материала-носителя биомассы формирует повышенные адгезионные свойства и способствует закреплению микроорганизмов активного ила.

Новым является то, что используются отходы полиэтилена низкого давления и остатки пиролиза нефтесодержащих отходов в массовом соотношении компонентов ОП НСО : отходы ПНД 1:1 ÷ 3:1. Указанное соотношение компонентов обеспечивает получение материала, обладающего высокой пористой структурой и прочностью.

В качестве НСО могут быть использованы: нефтешламы (осадки) резервуаров хранения и транспортировки; нефтешламы очистных сооружений; нефтешламы шламонакопителей (многокомпонентные смеси); замазученный грунт и песок; избыточный активный ил биологических очистных сооружений; осадок (шлам) флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод. Новым является формирование пористости комбинированного материала-носителя биомассы за счет углеродных остатков пиролиза нефтесодержащих отходов и повышения механической прочности за счет полиэтилена низкого давления.

Авторами впервые разработан способ получения комбинированного (углеродно-синтетического) материала-носителя биомассы для биологической очистки сточных вод, позволяющий получать комбинированный материал-носитель биомассы при температуре 110-125°С. Новым является повышенная энергоэффективность процесса: нет необходимости нагревать смесь до высоких температур и возможно использовать остаточное тепло остатков пиролиза нефтесодержащих отходов, выгружаемых из блока термической обработки (250-550°С).

В способе получения комбинированного (углеродно-синтетического) материала-носителя биомассы (УСНБ) для биологической очистки сточных вод применяются следующее исходное сырье:

1. Остатки пиролиза нефтесодержащих отходов: нефтешламы (осадки) резервуаров хранения и транспортировки; нефтешламы очистных сооружений; нефтешламы шламонакопителей (многокомпонентные смеси); замазученный грунт и песок; избыточный активный ил биологических очистных сооружений; осадок (шлам) флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод.

2. Отходы полиэтилена низкого давления.

Состав и маркировка комбинированных углеродно-синтетических материалов-носителей закрепленной биомассы для биологической очистки сточных вод представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Состав и маркировка комбинированных углеродно-синтетических носителей закрепленной биомассы

Образец Маркировка Смесь ОП НСО : полиэтилен УСНБ-ОПТ ОП нефтешламов : полиэтилен УСНБ-НШ ОПТ флотопены : полиэтилен УСНБ-ФП ОП ИАИ : полиэтилен УСНБ-ИАИ

Заявляемый способ иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг. 1 - схема получения комбинированного углеродно-синтетического материала-носителя биомассы;

на фиг. 2 - комбинированный углеродно-синтетический материал-носитель закрепленной биомассы для биологической очистки сточных вод.

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1

Способ получения материала-носителя биомассы для биологической очистки сточных вод осуществляли следующим образом.

Заранее приготовленную смесь из ОП НСО и измельченного до размеров 1*1 см ÷ 4*4 см полиэтилена в массовом соотношении компонентов ОП НСО : отходы ПНД 2:1 помещали в муфельную печь на 15-30 мин при температуре 120°С. Температура в печи соответствовала температуре плавления полимера, но не достигала температуры его кипения.

При организации технологического процесса на предприятии, осуществляющем пиролиз НСО возможно использовать остаточное тепло пиролизных остатков, охладить ОП НСО до температуры 110-125°С.

После нагретую смесь перемешивали до получения однородной массы, остужали и направляли на сито для разделения полученного продукта и несвязавшихся (непрореагировавших) остатков смеси, которые направляли на повторную обработку. В результате получали комбинированный углеродно-синтетический носитель закрепленной биомассы для биологической очистки сточных вод в виде хлопьев с выраженной волокнистой структурой (фиг. 2).

Схема получения комбинированного углеродно-синтетического материала-носителя биомассы представлена на фиг. 1.

Пример 2

Получали материал-носитель биомассы для биологической очистки сточных вод аналогично примеру 1, но соотношение компонентов носителя ОП НСО : отходы ПНД составляет 3:1, температура смеси 125°С. В результате получили комбинированный углеродно-синтетический носитель закрепленной биомассы для биологической очистки сточных вод в виде хлопьев с выраженной волокнистой структурой (фиг. 2).

Пример 3

Получали материал-носитель биомассы для биологической очистки сточных вод аналогично примеру 1, но соотношение компонентов носителя ОП НСО : отходы ПНД составляет 1:1, температура смеси 110°С. В результате получили комбинированный углеродно-синтетический носитель закрепленной биомассы для биологической очистки сточных вод в виде хлопьев с выраженной волокнистой структурой (фиг. 2).

Полученные УСНБ погружали в модельный аэротенк со свободноплавающим активным илом для закрепления и наращивания биомассы микроорганизмов активного ила. Для контроля процесса производили взвешивание через равные промежутки времени (таблица 2). Полученные данные сравнивали с интенсивностью закрепления и наращивания биомассы микроорганизмов на остатках пиролиза без добавления отходов ПНД и на отходах ПНД без добавления остатков пиролиза.

Таблица 2 - Прирост биомассы на УСНБ

Образец Прирост биомассы, г 72 часа 144 часов 216 часов 240 часов ОП НСО 0,38 0,45 0,48 0,55 отходы ПНД 0,51 0,66 0,74 0,75 УСНБ-НШ 0,72 0, 98 1,02 1,21 УСНБ-ФП 1,06 1,17 1,28 1,37 УСНБ-ИАИ 1,18 1,84 2,84 2,94 УСНБ-ОПТ 1,78 2,34 2,54 3,32

На образце на основе остатков пиролиза нефтесодержащих отходов прирост биомассы незначительный, на отходах ПНД без добавления остатков пиролиза закрепление биомассы происходит немногим интенсивнее. Установлено, что лучшее закрепление биомассы происходит на углеродно-синтетическом носителе биомассы на основе остатков пиролиза смеси нефтесодержащих отходов (УСНБ-ОПТ) и остатков пиролиза избыточного активного ила (УСНБ-ИАИ).

Углеродно-синтетические носители биомассы на основе остатков пиролиза смеси нефтесодержащих отходов (УСНБ-ОПТ) и остатков пиролиза избыточного активного ила (УСНБ-ИАИ) использовали в процессе биологической очистки сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические компоненты (нефтепродукты, фенолы и др.). В качестве контроля проводили процесс биологической очистки тех же сточных вод свободноплавающим активным илом без использования закрепленной биомассы. Применение УСНБ в сравнении с процессом биологической очистки сточных вод свободноплавающим активным илом привело к следующим положительным результатам:

• повышение эффективности очистки сточных вод от сложноокисляемых органических соединений, определяемому по показателю химическое потребление кислорода (ХПК) на 18-20%;

• повышение эффективности очистки сточных вод от нефтепродуктов на 10-15%;

• повышение эффективности очистки сточных вод от азота аммонийного на 55 %;

• повышение эффективности очистки сточных вод от нитрит-ионов на 53 %;

• улучшение органолептических свойств очищенных сточных вод, в том числе снизилась интенсивность запаха с 4 баллов (сильный) до 1 балла (слегка заметный), повысилась прозрачность надиловой жидкости (с 11 см до 28 см высоты столба жидкости);

• улучшились гидробиологические характеристики активного ила (повысилось видовое разнообразие микроорганизмов, увеличилось содержание в активном иле количество представителей высших трофических уровней, улучшился цвет и структура хлопка активного ила).

Получение комбинированного углеродно-синтетического носителя закрепленной биомассы на основе вторичных ресурсов позволяет:

• использовать ресурсный потенциал отходов полиэтилена низкого давления и остатков пиролиза нефтесодержащих отходов, вовлекая их в замкнутые циклы переработки, снизить объемы их накопления и размещения в окружающей среде;

• снизить экономические затраты на сырье для производства материала-носителя за счет вовлечения отходов производства;

• снизить экономические затраты на подогрев смеси для получения комбинированного углеродно-синтетического носителя закрепленной биомассы за счет использования остаточного тепла остатков пиролиза нефтесодержащих отходов, выгружаемых из блока термической обработки;

• снизить выбросы в атмосферный воздух путем исключения сжигания топлива для подогрева смеси при получении комбинированного углеродно-синтетического носителя закрепленной биомассы за счет использования остаточного тепла остатков пиролиза нефтесодержащих отходов, выгружаемых из блока термической обработки, имеющих температуру до 550°С.

Изобретение относится к области технологий изготовления материалов, способных при контакте с микроорганизмами активного ила обеспечивать их закрепление (иммобилизацию) на своей поверхности. Способ получения материала-носителя биомассы для биологической очистки сточных вод включает смешивание углеродсодержащих компонентов и синтетического полимера при температуре 110-125°С. Полученную смесь охлаждают и провеивают. В качестве углеродсодержащих компонентов применяют остатки пиролиза (ОП) нефтесодержащих отходов (НСО). В качестве синтетического полимера применяют отходы полиэтилена низкого давления (ПНД). Массовое соотношение компонентов ОП НСО : отходы ПНД составляет 1:1 ÷ 3:1. Обеспечивается упрощение и удешевление технологии получения материала носителя биомассы, позволяющей использовать вторично отходы полиэтилена низкого давления и остатки пиролиза нефтесодержащих отходов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 3 пр.

1. Способ получения материала-носителя биомассы для биологической очистки сточных вод, включающий приготовление смеси путем смешивания исходных компонентов, отличающийся тем, что смешивают углеродсодержащие компоненты и синтетический полимер при температуре 110-125°С, затем полученную смесь охлаждают и просеивают, в качестве углеродсодержащих компонентов применяют остатки пиролиза (ОП) нефтесодержащих отходов (НСО), в качестве синтетического полимера применяют отходы полиэтилена низкого давления (ПНД), при этом массовое соотношение компонентов ОП НСО : отходы ПНД составляет 1:1 ÷ 3:1.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве отходов полиэтилена низкого давления (ПНД) применяют потерявшую потребительские свойства упаковку из полиэтилена низкого давления (ПНД) или отходы производства ПНД.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что остатки пиролиза получают при пиролизе нефтесодержащих отходов (НСО), в том числе: нефтешламов (НШ) и осадков резервуаров хранения и транспортировки; нефтешламов очистных сооружений; нефтешламов шламонакопителей; замазученного грунта и песка; избыточного активного ила (ИАИ) биологических очистных сооружений; шлама флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод.