Проектирование аппарата для очистки сточных вод от фенола и нефтепродуктов

• Введение
• 1. Исследовательская часть
• 1.1 Подбор носителя, культуры микроорганизмов и метода иммобилизации
• 1.1.1 Методы иммобилизации клеток микроорганизмов
• 1.1.2 Адсорбционная иммобилизация микроорганизмов
• 1.1.3. Виды адсорбентов
• 1.1.4 Приемы адсорбционной иммобилизации клеток микроорганизмов
• 1.1.5 Выделение и культивирование микроорганизмов
• 1.1.6 Иммобилизация микроорганизмов
• 1.2 Разработка лабораторной установки
• 1.3 Отработка режимов иммобилизации и очистки
• 2. Разработка технологической схемы очистки
• 3. Расчет материальных потоков
• 4. Разработка и расчет промышленного аппарата
• 4.1 Технологический расчет
• 4.2 Механические расчеты
• 5. Расчет и подбор вспомогательного оборудования
• 6. Технико-экономические расчеты
• 6.1 Технологическая схема производства
• 6.2 Расчет производственной мощности
• 6.3 Расчет капитальных затрат
• 6.4 Расчет годовых эксплуатационных затрат
• 6.5 Проектная калькуляция себестоимости очистки
• 6.6 Расчет ежегодной экономии на платежах предприятия при снижении выбросов вредных веществ в сточные воды
• 6.7 Расчет основных технико-экономических показателей
• 7. Безопасность жизнедеятельности
• 7.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов
• 7.2 Классификация производства
• 7.3 Мероприятия по безопасному выполнению работ
• 7.3.1 Общие мероприятия
• 7.3.2 Порядок допуска к выполнению работ
• 7.3.3 Организация контроля за состоянием охраны труда
• 7.3.4 Применение средств индивидуальной защиты работников
• 7.3.5 Расчет заземляющего устройства электропривода насоса
• Список литературы

Обезвреживание разнообразных органических отходов, жидких стоков производственных предприятий все чаще проводится с помощью микробиологических методов. Наиболее широко применяются микроорганизмы — деструкторы, которые используют кислород воздуха для окисления различных органических соединений. Такие аэробные методы очистки реализуются, в основном, в аэротенках, главные недостатки которых — необходимость перемещения биомассы (активного ила) и удаления избыточных ее количеств. Чтобы избежать этих недостатков и реализовать проточный принцип очистки, применяют иммобилизацию микроорганизмов на различных носителях.

Целью работы был подбор методов и расчет аппарата для очистки сточных вод от фенола и нефтепродуктов. Фенол и его производные (особенно галоген-производные, диоксины) являются крайне токсичными соединениями. Их ПДК составляют тысячные доли миллиграмма на литр. В то же время масштабы выбросов фенола и его производных говорят о необходимости разработки эффективного метода их утилизации. Основными поставщиками фенола в окружающую среду являются ЦБК, предприятия — производители кабельно-проводниковой продукции, фенолформальдегидных смол, фанеры, пластика. Микроорганизмы-деструкторы были выделены из активного ила очистных сооружений города Перми. Выделение и культивирование бактерий производили на среде Е при 37С с содержанием фенола 0,1 мг/л.

Поскольку фенол является трудноокисляемым соединением, был предложен биосорбционный метод очистки, позволяющий снизить токсическое действие фенола на микроорганизмы и повысить скорость разложения нефтепродуктов.

Отработаны методы выделения и культивирования микроорганизмов-деструкторов фенола и нефтепродуктов. Иммобилизацию производили сорбционным методом без использования модифицирующих реагентов. Полученный иммобилизованный сорбент обладает повышенной окислительной активностью по сравнению со свободно растущими клетками.

В качестве носителя для иммобилизации был предложен березовый активированный уголь марки БАУ-4, так как он обладает высокой сорбционной емкостью, как по нефтепродуктам, так и по клеткам микроорганизмов. Поскольку размеры частиц активированного угля не превышают 5 мм, для реализации процесса был предложен аппарат с псевдоожиженным слоем.

В результате экспериментов были определены удельные скорости окисления загрязняющих веществ, и они составили 0,2 и 5 г/кг*сут для фенола и нефтепродуктов соответственно. При этом скорость окисления фенола иммобилизованными клетками превосходит аналогичный показатель для активного ила примерно в 1,5 раза.

С использованием полученных кинетических характеристик биосорбента был спроектирован аппарат для очистки производственных сточных вод объемом 15 м³ и производительностью 7000 м³/сут.

Установка для очистки сточных вод состоит из двух колонных аппаратов и циркуляционного насоса. Колонные аппараты разделены на две зоны: аэрационную и биосорбционную, расположенных коаксиально. В аэрационной зоне происходит насыщение подаваемых сточных вод кислородом, а в биосорбционной зоне — очистка вод от загрязнителей в псевдоожиженном слое биосорбента. Циркуляционный насос обеспечивает стабильность кипящего слоя при колебаниях расхода сточных вод, а так же их разбавление.

Данная установка позволяет эффективно удалять из сточных вод фенол и нефтепродукты и может быть использована как для очистки производственных сточных вод, так и в системах оборотного водоснабжения.

1. Исследовательская часть

1.1 Подбор носителя, культуры микроорганизмов и метода иммобилизации

1.1.1 Методы иммобилизации клеток микроорганизмов

В настоящее время иммобилизованными полагают такие клетки, для которых созданы искусственные ограничения подвижности во внешней среде, а материальный посредник, обеспечивающий эти ограничения подвижности, считается носителем. В целом система клетка-носитель называется иммобилизованным биокатализатором.

В ряде случаев в качестве носителя используются нерастворимые материалы, к которым конкретный тип клеток прикрепляется в реальных условиях (например, древесина, почва, шерсть, минералы и др.), тогда жизнедеятельность клетки в иммобилизованном состоянии является для нее естественной, отличающейся от природной только искусственно поддерживаемыми в биотехнологическом процессе внешними параметрами (температура, давление, влажность и т. д.) и набором подаваемых клетке веществ.

Иммобилизация микроорганизмов (т.е. удерживание их носителем) может быть как необратимой, так и временной. Когда иммобилизуют растущую, интенсивно делящуюся культуру, часто наблюдается постепенный переход клеток из фазы носителя в окружающую среду, даже если исходная биомасса была фиксирована носителем необратимо. Когда же в процессе эксплуатации иммобилизованного биокатализатора со временем нарушается первоначальная целостность носителя, то вымываться из него могут даже неживые клетки. Но иногда оказывается удобной именно обратимая фиксация, чтобы можно было удалить отработавшие свой срок клетки и вновь иммобилизовать свежую их порцию. Такой подход к регенерации биокатализаторов удается применять, например, в случае адсорбционных вариантов иммобилизации.

Ко всем методам иммобилизации клеток и к используемым при этом носителям предъявляются определенные требования, которыми обычно руководствуются при разработке того или иного биотехнологического процесса, предусматривающего применение содержащих клетки иммобилизованных биокатализаторов.

1. Прежде всего, используемый способ иммобилизации не должен в значительной степени затрагивать ферментативные системы клетки, необходимые для реализации конкретной технологии. Поэтому при проведении иммобилизации желательно либо совсем исключить, либо свести к минимуму контакт клеток с токсичными для них веществами, а также предотвратить нежелательное воздействие на микроорганизмы температурных и осмотических стрессов.

2. Как правило, предпочтительно осуществлять иммобилизацию таким образом, чтобы в результате клетки надежно удерживались носителем.

3. Желательно, чтобы трудоемкость стадии иммобилизации была по возможности минимальной, как и число манипуляций с клетками (существенно для сохранения стерильности).

4. Необходима хорошая операционная стабильность получаемых иммобилизованных биокатализаторов для их длительной эксплуатации, что зависит от механической, химической и биологической устойчивости носителя в условиях конкретного технологического процесса.

5. Очень важным моментом, особенно при работе с живыми клетками, является обеспечение иммобилизованных микроорганизмов питательными веществами, газообразными субстратами (например, кислородом для дыхания аэробных клеток) и отвод продуктов жизнедеятельности, т. е. материал носителя не должен создавать значительных диффузионных препятствий массообменным процессам.

6. Существенную, а при крупномасштабном производстве зачастую определяющую роль играет экономическая сторона вопроса, т. е. необходимы невысокая стоимость применяемого метода иммобилизации клеток и доступность исходных компонентов, так как даже очень хороший вариант, для которого использованы экзотические вещества и уникальное оборудование, имеет, к сожалению, мало шансов на промышленное воплощение.

Конечно, выполнить все эти требования каким-то единственным, универсальным методом иммобилизации микроорганизмов, учитывая к тому же огромное разнообразие их видов и функциональных особенностей, представляется маловероятным. Поэтому любой конкретный биотехнологический процесс на основе иммобилизованных клеток это — компромисс между «идеальным» и «реально возможным». Но, чтобы как можно в большей степени приблизиться к наилучшему варианту, конечно, необходимо представлять себе, к каким последствиям для биологических функций клетки может привести тот или иной способ ее иммобилизации.

Результативность работы биокатализатора в целом во многом определяется эффективностью снабжения иммобилизованной популяции питательными веществами или субстратами, а также легкостью отвода метаболитов. Эти факторы зависят главным образом от диффузионных барьеров, создаваемых материалом носителя. Поэтому способы иммобилизации классифицируют по принципу конечного состояния удерживаемой носителем клетки. Существуют следующие варианты иммобилизации клеток:

1. Иммобилизация клеток на носителе или на поверхности носителя.

Поверхность или часть поверхности удерживаемой носителем клетки свободно «омывается» внешней средой (жидкой или газообразной); при этом потребление субстратов и выделение продуктов жизнедеятельности микроорганизма определяются преимущественно биологическими факторами, т. е. функциональными возможностями конкретного штамма в среде используемого состава. В качестве носителей для иммобилизации в данном варианте используются различные адсорбенты и ионообменные материалы.

2. Иммобилизация клеток в носителе или в массе (объеме) носителя Между внешней средой и клеткой в результате иммобилизации последней появляется слой материала носителя, и обмен веществ клетка-среда осуществляется через этот слой, где происходит диффузионно-контролируемый транспорт питательных веществ и отвод метаболитов. В данном случае свойства носителя (например, его пористость, заряд, гидрофильность) могут в значительной степени сказываться на работе иммобилизованного биокатализатора и на уровне реализации потенциальных возможностей микроорганизма. В данном варианте иммобилизации микроорганизмов в качестве носителей применяются либо полимерный гель, либо полимерная пленка, либо полимерное волокно.

3. Иммобилизация клеток с использованием мембранной технологии или иммобилизация в мембранных реакторах.

Клетка и небольшая часть внешней среды помещены в замкнутый объем, отделенный от остальной среды полупроницаемой мембраной, размеры пор в которой таковы, что субстраты и продукты через нее проникают, а клетки удерживаются внутри замкнутого объема. Здесь микроорганизмы находятся непосредственно в среде, с искусственной же мембраной как носителем контактирует лишь слой у поверхности мембраны; остальные клетки фактически не имеют затруднений в движении, если их концентрация не слишком высока.

1.1.2 Адсорбционная иммобилизация микроорганизмов

В случае адсорбционной иммобилизации используется естественная способность многих микроорганизмов закрепляться на разнообразных твердых или гелеобразных носителях и продолжать свою жизнедеятельность в таком обездвиженном состоянии. При этом собственно процедура искусственной иммобилизации предусматривает зачастую просто пропускание суспензии клеток через реактор с адсорбентом.

Адсорбционные методы иммобилизации относятся к числу наиболее простых и «естественных». В природе почти всегда микроорганизмы и их ассоциаты существуют не в изолированной (свободной) форме, а в адсорбированном состоянии. Примером этому являются микробные популяции почвы, кишечника, рубца, некоторые азотфиксирующие микроорганизмы растений и т. д.

В данной работе был выбран именно адсорбционный способ иммобилизации.

Разнообразие свойств поверхности клеток и адсорбентов обусловливает различные механизмы адсорбционного взаимодействия и различные виды сил адгезии. Адгезия клеток на адсорбенте определяется следующими причинами:

1) Образование химических связей между поверхностями клетки и адсорбента (хемосорбция);

2) Ион — ионные взаимодействия, образование ионных пар и триплетов, например,

NH₃⁺. .~ —ООС— и —СОО—~… Са²⁺ … ~ —ООС—;

3) Электростатические (неионные) взаимодействия заряженных поверхностей клеток и адсорбента;

4) Силы Ван-дер-Ваальса (взаимодействие диполь—диполь, диполь—наведенный диполь, ион —диполь);

5) Влияние электролитов, гидратационных эффектов, капиллярных свойств;

6) Флокуляция и коагуляция;

7) Гидрофобное взаимодействие;

При адсорбционной иммобилизации клеток, которая обусловлена электростатическими силами, одновременно реализуется несколько типов адгезионного взаимодействия, поэтому трудно выделить роль каждого из них по отдельности. Тем не менее наибольшее влияние на связывание микроорганизма с носителем оказывают ковалентные и ионные взаимодействия.

1.1.3 Виды адсорбентов

Адсорбенты для иммобилизации могут быть органическими или неорганическими, природными, искусственными, синтетическими. Используют также комбинированные адсорбенты, представляющие собой подложку из одного материала с поверхностным слоем (пленкой) из другого. Поверхностный слой может быть привитым или нанесенным, он может формироваться и из материала подложки после ее физической или химической обработки (промывка, травление, обработка кислотой или щелочью, карбонизация, термообработка, обработка электроразрядом и т. д.).

Носители для адсорбционной иммобилизации

Природные неорганические

Глины (например, бентонит, каолинат, кордерит); кизельгур (целит и другие диатомовые земли); песок; цеолиты; природные кремнеземы; силикаты; карбонаты; фосфаты; угли; графит; туф; перлит; морская губка.

Природные органические (полимерные)

Хитин/хитозан; декстран (поперечно-сшитый); древесина (разные сорта, щепа, стружка, опилки); багасса; хлопок; целлюлоза; лигнин; шерсть; волосы; шелк; коллаген.

Неорганические искусственные

Кремнеземы; силикагели; стекла (эти материалы применяются в виде гранул, волокон, ершей, пластин); графитированные материалы (сажа, активированный уголь, ткани, волокна, углеродные материалы); кирпич; керамика (гранулы, пластины, кольца и т. д.); нержавеющая сталь (пластины, диски, волокна, шарики); медь (волокно); металлические сплавы; магнетит; оксиды и гидроксиды Тi (IV), Zr (IV), Sn (IV), V (III), Al (III), Fе (II, III).

Полимеры синтетические

DEAE-целлюлоза; ТЕАЕ-целлюлоза; ЕСТЕОБА-целлюлоза; DEHPAEцеллюлоза; фосфоцеллюлоза (торговые марки ионообменников на основе целлюлозы — Cellex фирмы Bio-Rad, Sephaoel (фирмы Pharmacia, Servaoel, фирмы Serva, Whatman одноименной фирмы); ацетилцеллюлоза; целлофан; анионообменные смолы на основе сополимеров стирола и дивинилбензола с пришитыми аминами (Amberlite марок IBA, IRA, XAD, XE; Dowex марки 50-W-X, 1-Х, Bio-Rad марок AG-1, AG-2, AG-21); DEAE-сефадекс; полиэтилен; полипропилен; политетрафторэтилен; сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена; полиэтилентерефталат; полипропилекоксид; поливинилхлорид; поливиниловый спирт; сополимер винилового спирта и этилена; эпоксидированные смолы; фенолформальдегидные смолы; полистирол; тефлон; производные полиакриловых кислот; сополимеры 2-оксиэтил-метакрилата и этилендиметакрилата (сфероны); найлон, капрон (полиамиды — продукты гомополиконденсации аминокарбоновых кислот, например s-аминокапроновой кислоты или ее лактама); полиуретаны (продукты взаимодействия изоционата с полиоксидосоединениями); поликарбонат; полиацетат; полиэфир; силикон.

Комбинированные (нанесенные, привитые)

Туф + желатина; целлюлоза + полиэтиленимин (ПЭИ); стекло + ПЭИ; сталь + ПЭИ; сталь + полипропилен; сталь + сополимеры метакриловой кислоты; полиэтилен + альбумин; полиэтилен + коллаген; полиэтилен нлектин; полистирол + альбумин; полиэтилен + сополимер акриламида и акриловой кислоты; силикагель + слой липидов; сажа + слой липидов.

К достоинствам многих органических адсорбентов относятся химическая стабильность, большие возможности изменения химических свойств их поверхности и варьирования структуры пор, возможность придания частицам адсорбента заданной геометрической формы — получения гранул правильной формы с узким распределением по размерам, получения волокон, пленок, листов, труб и т. д.

Неорганические адсорбенты обладают высокой биологической стабильностью, доступны и дешевы, легко регенерируются.

Пористость и химические свойства природных неорганических адсорбентов менять более трудно, в ряде случаев они достаточно хрупки. Адсорбенты на основе кремнеземов (стекол, силикагелей, силохромов) характеризуются повышенной растворимостью при щелочных значениях рН. Возможность устранить ее заключается в модифицировании поверхности кремнеземов, например, путем покрытия пленками оксидов металлов (циркония, алюминия, гафния, титана), обработкой солями переходных металлов (титана, ванадия, олова, железа и др.), нанесением полимерных пленок.

Перспективными адсорбентами являются металлы и их оксиды, поскольку они дешевы, пористость их легко изменить, обладают отличными гидродинамическими свойствами, налажены промышленные методы получения из них макропористых порошков и гранул. То же самое относится и к пористой керамике, причем еще одним преимуществом ее является возможность варьировать заряд поверхности в зависимости от использования глинозема или кремнезема с добавками различных металлов.

1.1.4 Приемы адсорбционной иммобилизации клеток микроорганизмов.

К достоинствам адсорбционной иммобилизации относится исключительная простота методов ее проведения. По существу, иммобилизация происходит при контакте водной суспензии микроорганизмов с адсорбентом (исключение составляет иммобилизация с помощью электроадсорбции, методика которой рассмотрена выше).

Способы иммобилизации разделяются на статические, с перемешиванием, а также путем нанесения на колонке. Статический способ наиболее прост и заключается в том, что адсорбент вносят в суспензию клеток и смесь инкубируют некоторое время без перемешивания. Иммобилизация достигается за счет осаждения клеток и последующей их адсорбции на частицах адсорбента. Недостатком способа является необходимость длительного контакта адсорбента с суспензией клеток. Способ с перемешиванием предусматривает непрерывное поддержание суспензии клеток и частиц адсорбента в диспергированном состоянии, что обеспечивает более быстрое завершение процесса адсорбции и более равномерное заполнение поверхности адсорбента клетками. Способ нанесения в колонке заключается в прокачивании (с рециклом) суспензии клеток через колонку, заполненную адсорбентом. Если суспензию прокачивают снизу вверх, то скорость потока устанавливается такой, чтобы поддерживать частицы адсорбента во взвешенном состоянии при условии, что это позволяет масса и размер частиц. В случае использования закрепленных форм матрицы адсорбента, например, зафиксированных в неподвижном состоянии волокон, ершей, пленки, пакетов, труб, колец, сеток и т. д., а также при подаче потока суспензии клеток в колонку сверху, реализация «кипящего слоя» адсорбента не нужна. Способ нанесения клеток в колонке имеет то преимущество, что позволяет проводить нанесение и последующий процесс с использованием иммобилизованных клеток в одной и той же колонке.

Модификация указанных методов заключается в том, что иммобилизацию проводят в гравитационном поле, когда статический способ реализуют в центрифуге, существенно ускоряя таким образом осаждение суспензии клеток на адсорбенте. Осаждение клеток на поверхности адсорбента осуществляют иногда при вакуумировании системы или при охлаждении, например до 4 °C.

Кроме того, если адсорбент имеет макрогеометрическую форму (палочки, пластинки, ерши и т. д.), его погружают на определенное время в концентрированную (густую) суспензию клеток, после чего адсорбент вынимают, промывают и помещают в реактор, в котором в дальнейшем предполагается использование иммобилизованного биокатализатора.

1.1.5 Выделение и культивирование микроорганизмов

Существует ряд требований к производственным микробиологическим штаммам:

1. распространенность в окружающей среде,

2. простота методики выделения и культивирования,

3. возможность иммобилизации несколькими методами,

4. удобные для лабораторной работы условия роста,

5. простота методики определения жизнеспособности,

6. возможность простого определения количества клеток в иммобилизованном состоянии.

7. рост на дешевых субстратах, Также бактерии должны:

1. обладать высокой скоростью роста или давать высокий выход продукта за короткое время;

2. проявлять синтетическую активность, направленную в сторону получения желаемого продукта, образование побочных продуктов должно быть низким;

3. образовывать максимально высокую концентрацию целевого продукта, чтобы затраты на его выделение были экономически оправданы;

4. быть устойчивыми к различным типам инфекций;

5. не быть токсичными для людей и окружающей природы.

Исходя из этих требований, для очистки сточных вод из активного ила очистных сооружений г. Перми были выделены микроорганизмы, обладающие наибольшей скоростью роста на среде с фенолом.

Фенол и его производные (особенно галоген-производные, диоксины) являются крайне токсичными соединениями. Их ПДК составляют тысячные доли миллиграмма на литр (для фенола — 0,001мг/л). Бактерии разлагают фенол в соответствии со следующей схемой:

Фенол очень медленно разлагается в природных условиях, так как обладает антибактериальными свойствами, поэтому для селекции микроорганизмов применяли среды с большим содержанием фенола. При концентрации фенола 0,1 г/л выживают и размножаются только те микроорганизмы, которые способны к эффективной утилизации фенола и использовании его в качестве единственного источника углерода и энергии.

Выделение и культивирование микроорганизмов проводили на минеральной среде Е, состав которой представлен в таблице № 1, с добавлением фенола.

Для выделения бактерий был произведен отбор пробы ила из аэротенка очистных сооружений г. Перми. Затем 10 мл пробы ила инокулировали в 100 мл среды Е с добавлением фенола до концентрации 0,1 г/л и поставили колбу со средой на качалку на 5дней.

Таблица 1

Состав среды Е

После появления бактериальной мути 1 мл полученной накопительной культуры был перенесен с помощью пипетки в стерильную чашку Петри, на 2/3 заполненную гелем агар-агара (среда Е +0,1г/л фенола +2% агар-агара).

Смесь была распределена по поверхности геля шпателем Дригальского. Остатки жидкости на шпателе были последовательно распределены по поверхности геля в шести аналогичных чашках Петри. Далее чашки пронумеровывались и термостатировались в течение 5 дней при температуре 37⁰С. Для дальнейших экспериментов были выбраны наиболее крупные бактериальные колонии, то есть обладающие наибольшей скоростью роста на среде с фенолом.

Затем, при помощи пипетки Пастера выбранные бактерии были пересеяны в стерильные пробирки со скошенным агар-агаром и термостатированы при Т=37⁰С. Через 5 дней методом смыва чистые культуры из пробирок были пересеяны в колбу с жидкой средой Е (на 100 мл среды 10 мл инокулята), содержащей 0,01г/л фенола.

Колба со средой ставится на лабораторную качалку на 3−5 дней. Полученную накопительную культуру использовали в дальнейшем для иммобилизации.

1.1.6 Иммобилизация микроорганизмов

Рис. 1. Структура слоистого двойного гидроксида состава [Mg₄Fe (OH)₈]Cl₃· 2H₂O

Сначала нами была проведена работа по иммобилизации клеток микроорганизмов на слоистых двойных гидроксидах. В качестве исходной матрицы для иммобилизации был выбран двойной гидроксид железа-магния, структура которого показана на рис. 1:

Материалы на основе двойного слоистого гидроксида железа-магния были выбраны в качестве носителя потому, что при изменении их состава и условий получения можно добиться изменения свойств материала в широких пределах.

В частности, можно увеличивать межслоевые пространства при замещении одних анионов другими, более крупными. Кроме того, меняя степень окисления железа можно влиять на поверхностный заряд матрицы носителя в процессе ее формирования. Таким образом, отрицательно заряженные клетки притягиваются к положительно заряженной матрице, увеличивая степень связывания клеток с носителем.

Существуют следующие способы иммобилизации микроорганизмов на матрице двойных гидроксидов Mg-Fe:

1) Соосаждением гидроксидов с микроорганизмами,

2) Осаждением гидроксидов в присутствии крупных органических анионов с последующим их замещением в структуре гидроксидов микробными клетками,

3) Интеркаляцией клеток в структуру гидроксидов на стадии окисления ионов в составе гидроксидов.

Эксперимент был направлен на выбор способа интеркаляции, определение условий ее осуществления и оценку полученных результатов.

Первым был испытан метод соосаждения двойного гидроксида Mg-Fe с микроорганизмами. Установлено, что в ходе осаждения гидроксида Fe (II)-Mg возможно повышение рН среды до 10,5, что может снижать жизнеспособность большинства видов микроорганизмов. Фенол — разлагающие микроорганизмы живут при рН от 5 до 8 с оптимумом при рН=5,5, поэтому данный способ иммобилизации не подходит.

Для реализации метода иммобилизации микроорганизмов, основанного на замещении анионов в составе двойного гидроксида, были предложены следующие органические анионы: оксалат-ион, ацетат-ион, бензоат-ион, терефталат-ион и стеарат-ион. Однако последние три иона обладают антимикробными свойствами, поэтому их применение нежелательно. Органические ионы с длинной углеродной цепью (стеарат-ион) слишком прочно связываются с матрицей носителя, поэтому их применение также ограничено. Соответственно, для практической реализации метода были рекомендованы оксалат-ион и ацетат-ион.

Известно, что межслоевые пространства способны изменять свой размер при замещении в их объеме одних ионов другими, более крупными. Возможность расширения межслоевых пространств за счет интеркаляции ионов на примере двойного гидроксида [Zn^II_(1-x)Al^III_x(OH)₂]Cl_x показаны на рис. 2 (по данным [12]).

Рис. 2. Изменение межслоевых пространств двойного гидроксида в ходе обмена анионов Подобный метод увеличения межслоевого расстояния применены для иммобилизации микроорганизмов. Процесс иммобилизации можно представить следующими уравнениями:

где отрицательно заряженные клетки Bacillus sp.

Образцы приготовленного таким путем материала были испытаны в процессе разложения фенола. Оценку эффективности работы биокатализатора осуществляли по изменению концентрации фенола в среде. Все измерения проводились при одинаковой степени аэрации среды и температуре. Они показали низкую активность (рис. 3).

Следующий метод иммобилизации основан на том, что при окислении Fe^IIFe^III в составе гидроксидных слоев двойного гидроксида Mg-Fe в матрице материала накапливается избыточный положительный заряд. При иммобилизации микроорганизмов избыточный положительный заряд матрицы компенсируется за счет присоединения отрицательно заряженных микробных клеток :

Полученные таким путем образцы материала обладают повышенной активностью (рис. 3), которая примерно в 1,5 раза больше, чем у свободных клеток активного ила (рис. 4). Преимущество этого метода в том, что он позволяет проводить закрепление бактерий на гидроксиде уже после его отмывки от избыточной щелочи, избегая влияния высоких рН на жизнеспособность клеток.

Рис. 4. Интенсивность разложения фенола свободным активным илом и иммобилизованным сорбентом.

Таким образом, по результатам проведенных экспериментов биокатализа был выбран метод иммобилизации клеток двойными гидроксидами Mg-Fe, основанный на процессе окисления Fe^IIFe^III в составе гидроксидов, как наиболее перспективный. Полученные образцы иммобилизованного сорбента обладают довольно высокой активностью в процессе разложения фенола.

Перспективным направлением интенсификации процессов биологической очистки сточных вод, основанным на адсорбционной иммобилизации, является биосорбционный метод, осуществляемый путем добавления порошкообразного или гранулированного активированного угля в зону аэрации. Добавленный материал в данном случае выполняет двойную функцию: во первых, является носителем иммобилизованных микроорганизмов; во вторых, благодаря его большой сорбционной емкости, обеспечивается быстрая адсорбция токсичного субстрата.

Поскольку фенол является трудноокисляемым соединением, был предложен именно биосорбционный метод очистки, позволяющий снизить токсическое действие фенола на микроорганизмы и повысить скорость разложения нефтепродуктов.

Далее была проведена работа по использованию биосорбционного метода для иммобилизации фенол — разлагающих микроорганизмов.

Для иммобилизации фенол — разлагающих микроорганизмов использовали предварительно отмытый гранулированный активированный уголь марки БАУ-4. Этот материал, в отличие от двойных гидроксидов, обладает повышенной емкостью как по отношению к клеткам, так и к фенолу и нефтепродуктам. Иммобилизацию проводили адсорбционным методом, прокачивая концентрированную суспензию клеток через колонку с углем в течение 4,5 часов, поддерживая режим кипящего слоя. В данном случае, закрепление микроорганизмов осуществляется только за счет адсорбционных сил, без каких-либо дополнительных механизмов связывания.

1.2 Разработка лабораторной установки

Поскольку размеры частиц активированного угля не превышают 5 мм, а размеры гранул слоистых двойных гидроксидов лежат в пределах 0,1−1 мм, для реализации процесса был предложен аппарат с псевдоожиженным слоем.

Применение взвешенного (псевдоожиженного) слоя для биологической очистки сточных вод значительно меняет традиционную технологию. Установка с псевдоожиженным слоем песчаной загрузки «Окситрон», предназначенная для биологической очистки сточных вод с применением технического кислорода, разработана совместно фирмами «Эколотрон» и «Дорр-Оливер» (США). В настоящее время этот процесс получает широкое распространение в передовых зарубежных странах.

В установке со взвешенным слоем объединены преимущества аэротенков и биофильтров. Технологическая схема включает биореактор, в котором очищаемая сточная жидкость проходит снизу вверх со скоростью, достаточной для взвешивания загрузки, находящейся в реакторе. Как и в биофильтре, популяция микроорганизмов покрывает зерна загрузки. Частицы носителя обеспечивают значительную площадь поверхности для роста микроорганизмов активного ила. Процесс стабилен при залповых нагрузках и менее подвержен токсическому влиянию загрязнений сточных вод.

Концентрация биомассы в реакторе может составлять от 12 до 40 г/л, эффективность использования подаваемого кислорода составляет до 90%. Процесс не требует разделения иловой смеси, поскольку выходящая из загрузки жидкость содержит незначительное количество взвешенных веществ.

Физико-химические методы, такие как коагуляция, окисление озоном, сорбция на активированном угле, позволяют значительно снизить остаточное содержание органических веществ, однако эти методы требуют дорогостоящих реагентов и оборудования, а термическая регенерация активированных углей сложна и связана со значительными потерями сорбента, поэтому немалый интерес представляет возможность непрерывной регенерации активированного угля в процессе очистки биологическим методом.

Результаты исследований, выполненных во ВНИИ ВОДГЕО на респирометре, показали, что присутствие активированного угля в системе с активным илом не приводит к увеличению скорости потребления кислорода. В то же время по полученным данным можно сделать предположение о наличии биологической регенерации активированного угля в присутствии микроорганизмов активного ила. Использование активированного угля (порошкообразного ила гранулированного) в системах с активным илом, как правило, способствует более стабильной работе сооружений биологической очистки и обеспечивает некоторое увеличение глубины очистки как по БПК, так и по ХПК. При этом окислительная мощность сооружений возрастает.

Существенное снижение концентрации органических загрязнений, СПАВ и цветности воды происходит в результате сорбции на уголь и биохимического окисления сорбированных веществ. Эффективность снижения ХПК составляет 40−70%, БПК — 85−95%, СПАВ — 95−100%, цветности —30−40%, что существенно превосходит соответствующие показатели аэротенка.

Опыт использования лабораторной установки в течение длительного времени подтвердил возможность биологической регенерации активированного угля в процессе очистки. Стабильная непрерывная работа установки без дополнительного введения активированного угля дает возможность предполагать, что система находилась в динамическом равновесии и в ней наблюдалась непрерывная регенерация активированного угля микроорганизмами активного ила. Возможность непрерывной биологической регенерации активированного угля непосредственно в биосорбере исключает необходимость его периодической замены или пополнения.

На рис. 5 представлена конструкция лабораторной установки (биосорбера) для очистки фенол-содержащих сточных вод.

Рис. 5. Лабораторная установка для очистки сточных вод от фенола Лабораторный биосорбер представляет собой полипропиленовую колонну диаметром 50 мм и высотой 200 мм, заполненную псевдоожиженным слоем сорбирующей загрузки (активированным углем или слоистым двойным гидроксидом железа-магния). Загрузочный материал насыпается на полиэтиленовую сетку, расположенную у дна аппарата и исключающую попадание частиц загрузки во входной трубопровод.

Для насыщения воды кислородом рядом с биосорбером предусмотрена аэрационная колонна диаметром 10 мм с аэратором типа «кольцевое сопло». Аэрационная колонна сообщается с биосорбером трубопроводом D_у=10 мм. Для предотвращения выноса частиц загрузки из аппарата в верхней части биосорбера предусмотрена сепарационная зона диаметром 100 мм и переливом высотой 20 мм. В крышке аппарата сделано отверстие для выхода отработанного воздуха.

Ниже уровня биосорбционной колонны располагаются приемная емкость и сборник чистой воды. В приемной емкости находится погружной центробежный насос, подающий воду в аэратор. Сборник и приемная емкость находятся в одном корпусе, разделенном перегородкой, не доходящей до верхнего края на 20 мм. Кроме того, в нижней части они сообщаются трубопроводом с краном рециркуляции. Это позволяет исключить неравномерность подачи и отвода жидкости, переполнение любой из емкостей, а также обеспечивает стабильность кипящего слоя и заданную кратность рециркуляции.

Установка работает следующим образом. Сточная вода подается в приемную емкость. Далее насосом она подается в аэрационную колонну, после чего поступает под псевдоожиженный слой сорбента. При контакте сточных вод с насадкой происходит очистка от фенола и других органических загрязнений в результате их адсорбции загрузочным материалом. На поверхности последнего образуются микрозоны с повышенной концентрацией органических веществ. При достаточной концентрации кислорода создаются благоприятные условия для развития микроорганизмов, осуществляющих биоокисление адсорбированных загрязнений, т. е. биорегенерацию сорбента. Избыточная масса микроорганизмов в виде взвеси потоком воды выносится из псевдоожиженного слоя в сепарационную зону и задерживается в ней, а очищенная вода собирается в лотках перелива и отводится из установки.

Данная установка позволяет проводить не только процесс очистки, но и иммобилизацию микроорганизмов в одном аппарате, без перемещения загрузки.

1.3 Отработка режимов иммобилизации и очистки

Для дальнейших исследований в качестве носителя для иммобилизации микроорганизмов был выбран активированный уголь, поскольку иммобилизованный сорбент на его основе обладает набольшей эффективностью по разложению фенола.

Поскольку лабораторный биосорбер (рис. 5) позволяет проводить иммобилизацию микроорганизмов и дальнейшее использование полученного сорбента в одном аппарате, то процесс иммобилизации клеток проводился в режиме кипящего слоя путем прокачивания концентрированной суспензии клеток микроорганизмов через колонну с носителем.

Далее был проведен эксперимент по определению оптимального времени иммобилизации. Для этого производился отбор проб жидкости из сборника и определение ее оптической плотности на фотоэлектрокалориметре ФЭК-3. Поскольку содержание микроорганизмов в жидкости пропорционально ее оптической плотности (при условии, что для культивирования используются прозрачные среды), то для определения количества иммобилизованных клеток использовали наиболее простой турбидиметрический метод. Результаты эксперимента представлены на рис. 6.

Как видно из графика, количество клеток в среде уменьшается, а количество иммобилизованных клеток, соответственно, увеличивается при проведении процесса до 4,5−5 часов. То есть за это время иммобилизация проходит полностью, и проведение процесса более длительное время нецелесообразно. Увеличение оптической плотности после 5 часов работы установки, по-видимому, связано с завершением адаптации микроорганизмов и началом их интенсивного размножения.

Отработка процесса очистки сточных вод с использованием биосорбента сводится к определению удельной скорости окисления загрязняющих веществ, так как этот технологический параметр необходим для нахождения количества биосорбента, необходимого для проведения очистки конкретных стоков, а, следовательно, и объема аппарата.

Эксперимент проводился следующим образом. Навеска активированного угля m=1.953 г. помещалась в биосорбционную колонну лабораторной установки. Далее проводили иммобилизацию клеток микроорганизмов путем прокачивания концентрированной суспензии клеток через установку в течении 5 часов. Отработанную культуральную жидкость сливали и колонну выдерживали 2 часа.

Затем установка заполнялась модельным стоком (водопроводная вода с добавлением фенола в концентрации 0,056 мг/л и отработанного минерального масла в концентрации 3 мг/л). Рабочий объем жидкости в установке — 2000 мл. Далее один раз в сутки производился отбор проб объемом 1 мл и пробы анализировались на содержание фенола и нефтепродуктов. Концентрацию фенола определяли по фотометрически с использованием реактива Фолина-Чокольтеу. Содержание нефтепродуктов определяли гравиметрически, путем экстракции CCl₄.

Результаты экспериментов показали, что удельная скорость окисления фенола составляет 0,2 мг/(л*сут), а нефтепродуктов -4.9 мг/(л*сут).

Удельные массовые скорости окисления будут равны:

Эти параметры были в дальнейшем использованы для проектирования промышленного аппарата для очистки сточных вод.

2. Разработка технологической схемы очистки

В ходе эксплуатации лабораторной установки (см. раздел 2.2) было выявлено, что применяемая технологическая схема может быть применена и при проектировании промышленной установки очистки сточных вод.

Однако следует отметить, что для крупных промышленных аппаратов существенное влияние оказывают такие факторы, как структура потока, процессы массои теплообмена. Поэтому при проектировании необходимо учитывать все значимые факторы.

Ввиду низкой концентрации загрязняющих веществ в поступающей сточной воде прирост избыточной биомассы будет незначителен. Практически все новые клетки будут адсорбироваться на носителе, постепенно сменяя старые, отмершие клетки, которые десорбируются и уносятся потоком жидкости. Кроме того, температура поступающей сточной воды относительно стабильна, а из-за небольших концентраций загрязнений выделение физиологического тепла будет незначительным, поэтому процессы теплообмена при проектировании не учитываем.

Существенное влияние на процесс окисления фенола и нефтепродуктов оказывает концентрация растворенного кислорода. Поскольку при нормальных условиях эта величина не превышает 8−10 мг/л, то процесс растворения кислорода является лимитирующим, при отсутствии других замедляющих факторов.

Наиболее эффективные и экономичные эжекционные и струйные аэраторы, применяемые в аппаратах технологии очистки сточных вод не позволяют обеспечить захват необходимого количества воздуха, поэтому появляется необходимость установки нескольких аэраторов.

По этой причине при разработке технологической схемы было предложено использование не одного, а двух биосорбционных колонн, на каждой из которых будет установлен аэратор. Это позволит не только подать необходимое количество кислорода на очистку, но и снизит общее гидравлическое сопротивление установки, что существенно снизит энергетические затраты на перекачивание жидкости. Кроме того, использование двухступенчатой схемы очистки способствует пространственной сукцессии микроорганизмов, что значительно увеличивает степень деструкции различных органических соединений.

В биосорбере I ступени происходит наиболее активная утилизация легкодоступных для микроорганизмов веществ, биосорбер II ступени выполняет функции доочистки и разложения трудноокисляемых соединений.

Непрерывная биологическая регенерация активированного угля непосредственно в сооружении исключает необходимость его периодической замены или пополнения.

Ниже уровня биосорбера II ступени располагаются усреднитель и сборник чистой воды. Из усреднителя сточная вода непрерывно подается центробежным насосом в аэратор колонны I ступени, что обеспечивает стабильность псевдоожиженного слоя в обеих колоннах. Сборник и усреднитель находятся в одном корпусе, разделенном перегородкой, не доходящей до верхнего края. Эти емкости сообщаются между собой в нижней части трубопроводом с вентилем рециркуляции. Это позволяет исключить опорожнение усреднителя и переполнение сборника. Кроме того, при аварийном сбросе большого количества сточной воды, часть жидкости из усреднителя через перегородку будет перетекать в сборник и, таким образом, исключается переполнение усреднителя. Вентиль рециркуляции позволяет поддерживать постоянную степень рециркуляции при установившемся режиме на низких расходах сточной воды.

Установка работает следующим образом. Сточная вода подается в усреднитель. Далее насосом она подается в напорный аэратор I ступени типа «кольцевое сопло», после чего газожидкостная смесь поступает в нижнюю часть первого биосорбера. При контакте сточных вод с иммобилизованным сорбентом происходит очистка от фенола и других органических загрязнений. Далее жидкость отделяется от частиц сорбента и отработанного воздуха в сепарационном пространстве и самотеком поступает в аэратор II ступени типа шахтного водосброса. Пройдя через слой загрузки второй ступени, вода окончательно очищается и, отделившись от воздуха и частиц сорбента в сепарационном пространстве, самотеком поступает в сборник чистой воды. Из сборника очищенная вода может сбрасываться в природный водоем.

Установка может быть применена для очистки сточных вод с последующим их использованием в системах производственного водоснабжения, а также в системах локальной очистки сточных вод с целью создания замкнутых систем водоснабжения.

3. Расчет материальных потоков

Исходные данные:

Сточная вода

м3/сут м3/с

Загрязняющие вещества:

Фенол

НП (нефтепродукты)

ПДК (предельно допустимые концентрации), для водоемов рыбохозяйственного назначения:

Фенол — 0,001 мг/л

Нефтепродукты — 0,05 мг/л

Носитель:

Активированный уголь марки БАУ-4 плотностью

Насыпная плотность: =650

Расчет:

1. Найдем расход воздуха Так как концентрации загрязняющих веществ очень низки, принимаем

La =300, La — БПКполн поступающих сточных вод;

L_t=3, Lt — БПКполн очищенных сточных вод.

Удельное количество воздуха, необходимое для окисления органических веществ рассчитываем по формуле:

При полной очистке (БПКполн <10) Z=1.1;

M=0.5 — коэффициент, учитывающий повышение степени использования кислорода;

K=7,88 — коэффициент, зависящий от глубины погружения; подбирается по высоте аппарата, K=7,88 при h=15.8 м — (см. главу 5);

t_ср= 16C — средняя температура поступающих сточных вод;

;n=0.92

коэффициент, учитывающий температуру сточной воды;

— средняя концентрация кислорода в биосорбере;

С_Т=9,82 -растворимость в воде кислорода воздуха при данной температуре;

Расчетная концентрация кислорода в биосорбере будет равна:

Cp =17.352

Тогда удельный расход воздуха для окисления органических веществ равен:

q _возд =2,82 м3/м3 сточной воды;

Расход воздуха на процесс биологической очистки равен:

Q_возд=0,2286 м3/с.

Q_сут= Q_возд· 24·3600=19 751,04 м3/с.

2. Поскольку данные о наличии в поступающей сточной воде других загрязняющих веществ, а именно соединений азота и фосфора, отсутствуют, считаем, что их содержание находится на уровне, достаточном для развития микроорганизмов.

3. Материальный баланс жидкой фазы.

Процесс полного окисления загрязняющих веществ происходит в соответствии с уравнениями:

Фенол:

C₆H₅OH + 7O₂6CO₂ + 3H₂O

Нефтепродукты (в пересчете на

С₁₅): C₁₅H₃₂ + 23O₂15CO₂ + 16H₂O

Считаем, что количество образовавшейся биомассы незначительно, и весь субстрат целиком превращается в продукт.

Массовый расход поступающих загрязнений:

M_ф.п=G_сут· С_ф=7000·0,056·10^-3=0,392 кг/сут

M_НП.п=G_сут· С_НП=7000·3·10^-3=21 кг/сут Массовый расход сбрасываемых загрязнений:

M_ф.с=G_сут· ПДК_ф=7000·0,001·10^-3=0,007 кг/сут

M_НП.с=G_сут· ПДК_НП=7000·0,05·10^-3=0,35 кг/сут Массовый расход разложившихся загрязнений:

M_ф= M_ф.п — M_ф.с =0,392−0,007=0,385 кг/сут

M_НП= M_НП.п — M_НП.с =21−0,35=20,65 кг/сут Тогда по уравнениям реакций получаем следующие массовые расходы веществ:

Массовый расход выделяющейся при окислении воды:

М_H2O.р= М_H2O.ф + М_H2O.НП=0,221+28,053=28,274 кг/сут.

Массовый расход очищенной воды:

М_H2O.оч= М_H2O.п+ М_H2O.р =6 999 978,608+28,274=7 000 006,882 кг/сут.

4. Материальный баланс газовой фазы.

На аэрацию подается воздух следующего состава (по массе):

О₂ — 23,3%; N₂ — 76,7%.

Массовый расход компонентов воздуха:

Q _м.сут = Q_сут · с_возд=19 751,04·1,226=24 214,78 кг/сут

M_О2.п= Q _м.сут · С_О2=24 214,78 · 0,233=5642 кг /сут

M_N2.п= Q_сут · С_N2=24 214,78 · 0,767=18 572,78 кг/сут В отработанном воздухе будут следующие компоненты: СО₂, О₂, N₂.

Массовые расходы омпонентов:

M_CO2= M_CO2.ф + M_CO2.НП=1,08+64,23=65,31кг/сут

M_O2= M_О2.п -M_O.ф — M_O.НП=5642−0,917−71,69=5569,39 кг/сут

M_N2= 18 572,73 кг/сут., азот не участвует в реакциях

5. Составляем по расчетным данным таблицу материального баланса:

Таблица 2

Материальный баланс очистки сточной воды

4. Разработка и расчет промышленного аппарата

Исходные данные:

Сточная вода

м3/сут м3/с

Загрязняющие вещества:

Фенол

НП (нефтепродукты)

Носитель:

Активированный уголь марки БАУ-4 плотностью

Насыпная плотность: =650

— средний диаметр частиц носителя

— минимальный диаметр частиц носителя

Удельные скорости окисления загрязняющих веществ:

— по фенолу:

— по нефтепродуктам:

Расход воздуха на процесс биологической очистки:

q _возд =2,82 м3/м3 сточной воды;Qвозд=0.2286 м3/с.

Другие данные:

К _ПС=2 — рекомендуемый коэффициент псевдоожижения [4]

4.1 Технологический расчет

1. Найдем плотность сточной воды:

Объемные концентрации загрязняющих веществ:

2. Плотность поступающей смеси:

3. Вязкость смеси:

4. Необходимое количество биосорбена рассчитывается по формуле:

Объем насадки:

м³

5. Рассчитаем диаметр насадки:

— средний диаметр частиц носителя

Критерий Архимеда:

Критерий Рейнольдса:

Критическая скорость:

м/с

Принимаем коэффициент псевдоожижения по литературным данным более высокий коэффициент экономически невыгоден, К=1,5…2

Тогда реальная скорость составит:

м/с

Площадь сечения

6. Диаметр аэрационной камеры.

Скорость газа принимаем равной 15 м/с:

напорный аэратор захватывает 1,5−2 объема воздуха на каждый объем жидкости.