Способ биологической очистки сточных вод предприятий животноводческой, молочной, мясной, нефтехимической отрасли и хозяйственно-бытовых сточных вод и устройство для реализации способа

СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЙ ЖИВОТНОВОДЧЕСКОЙ, МОЛОЧНОЙ, МЯСНОЙ, НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ И ХОЗЯЙСТВЕННО-БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Сенько Александр Григорьевич (BY), Каплан Арон Лейбович (RU) Изобретение относится к микробиологической очистке хозяйственно-бытовых, коммунальных сточных вод, стоков животноводческих комплексов, мясо- и молокоперерабатывающих производств, сточных вод предприятий нефтехимической отрасли от широкого спектра загрязнителей. Предложен способ полной биологической очистки указанных сточных вод, включающий взаимодействие сточных вод с симбиозом штаммов микроорганизмов Bacilius sp., номер депонента ВКПМ В-5061, и Pseudomonas sp.114, номер депонента ВКПМ В-5060. Предложено также соответствующее устройство для биологической очистки указанных сточных вод, выполненное в виде гидрозатвора, сформированного в канализационном колодце, в котором помещена среда с иммобилизованными штаммами микроорганизмов Bacilius sp. ВКПМ В-5061 и Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060, при этом колодец снабжен входной трубой, вертикальной трубой перелива и выходной трубой, причем входная и выходная труба расположены в донной зоне, а труба перелива и выходная труба связаны между собой коленчатым сгоном постоянного сечения. 014386 Изобретение относится к биотехнологии, в частности к микробиологической очистке сточных вод,и может быть использовано для очистки хозяйственно-бытовых, коммунальных сточных вод, стоков животноводческих комплексов, мясо- и молокоперерабатывающих производств, сточных вод предприятий нефтехимической отрасли. Для очистки сточных вод различного происхождения используют химические, физические, биологические и различные комбинированные способы. При этом традиционно считается, что способы биологической очистки труднее регулировать, чем физические или химические способы очистки. Во-первых,необходимо найти микроорганизмы, которые разлагают загрязняющие агенты. Во-вторых, эти микроорганизмы должны обладать способностью легко выживать и воспроизводиться в условиях протекания процесса очистки воды. Иными словами, применяемые для очистки воды микроорганизмы должны выдержать конкуренцию с другими организмами в воде для того, чтобы предотвратить отклонения в культивировании. Кроме того, микроорганизмы, применяемые для очистки воды, не должны обладать чувствительностью к изменениям их среды, что часто происходит в процессе очистки воды при изменении нагрузки. Тем не менее, с учетом их эффективности и безопасности для окружающей среды на сегодняшний день биологические способы рассматриваются как наиболее перспективные для очистки сточных вод. Известные биологические способы в тоже время характеризуются наличием сложной, громоздкой в аппаратном оформлении многоуровневой системы с использованием аэробных микроорганизмов, способных использовать органические вещества, находящиеся в сточных водах, в качестве источника питания,в результате чего происходит их окисление и выделение в атмосферу углекислого газа. Известные способы требуют больших энергозатрат и постоянного контроля за следующими факторами: концентрация биомассы в аэрационном сооружении (биореакторе); концентрация субстрата и его состав; температура иловой смеси; концентрация растворенного кислорода; рН среды. К недостаткам известных способов очистки сточных вод с использованием консорциума аэробных микроорганизмов относятся также сложность и высокая стоимость конструкции биореакторов, энергозависимость, необходимость в постоянном контроле обслуживающим персоналом за работоспособностью системы аэрации, зависимость работоспособности аэробных микроорганизмов от внешних факторов,большое количество отработанного ила и высокие затраты по его утилизации, наличие неприятного запаха в районе очистных сооружений. Кроме того, для очистки сточных вод от широкого спектра загрязнений химического, биологического и т.д. происхождения может потребоваться сложная смешанная популяция микроорганизмов, включающая большое количество различных микроорганизмов. Это, в свою очередь, усложняет процесс подготовки популяции и требует тщательного изучения взаимовлияния отдельных микроорганизмов друг на друга в различных условиях. Так, известен способ биологической очистки сточных вод, предусматривающий взаимодействие сточных вод с микроорганизмами, принадлежащими к группе Bacillus DT-1, Pseudomonas azelaica DT-2 иRhizobium DT-5 (1). Способ обеспечивает экономию энергозатрат при сохранении качества очистки воды и может быть использован для очистки бытовой и промышленной воды. Однако описанный способ не решает всех упомянутых выше проблем. В тоже время он может быть принят в качестве прототипа для заявляемого способа. Альтернативой способов очистки сточных вод с использованием аэробных микроорганизмов является способ с применением анаэробных микроорганизмов, обладающих рядом преимуществ, главным из которых является их более высокая способность к утилизации сложных органических и неорганических соединений и устойчивость к агрессивным средам. Возможность использования анаэробов исключает необходимость строительства громоздких биореакторов с принудительной подачей кислорода, что в разы сокращает затраты на систему очистки стоков, снижает последующие эксплуатационные расходы,практически исключает энергозатраты и зависимость работоспособности всей системы очистки от внешних факторов. Таким образом, задачей изобретения является разработка способа очистки сточных вод различного происхождения, а также соответствующего устройства, которые должны обеспечивать более глубокую очистку сточных вод от широкого спектра загрязнений при минимальных затратах на обеспечение работоспособности и обслуживание. Способ и устройство, в частности, должны иметь минимально возможную энергоемкость, более низкие эксплуатационные затраты при более высокой эффективности. Способ и устройство должны быть независимыми от внешних факторов. Поставленная задача решается заявляемым способом биологической очистки сточных вод предприятий животноводческой, молочной, мясной, нефтехимической отраслей и хозяйственно-бытовых сточных вод, включающим взаимодействие сточных вод с микроорганизмами, за счет того, что в качестве микроорганизмов используют Bacilius sp., имеющий номер депонента ВКПМ В-5061, и Pseudomonas sp.114, имеющий номер депонента ВКПМ В-5060.-1 014386 В предлагаемом способе используется принцип природного самоочищения воды и применяются штаммы, характеристики которых наиболее полно удовлетворяют решению задачи глубокой биологической очистки в зависимости от конкретных параметров сточных вод при полном отсутствии побочных негативных эффектов. Они вносятся один раз и не требуют обновления. Данные штаммы микроорганизмов относятся к архебактериям, факультативны, осмофильны (толерантны) и легко используют аминокислоты в качестве источника углерода и энергии, поэтому любые белковые вещества могут служить для них источником углеродного питания. Термофильный штамм Bacilius sp. ВКПМ В-5061 испытан на живучесть микрофлоры в диапазоне от -15 до 90 С и представляет собой смесь слипшихся бактерий активного ила в виде закругленных грамотрицательных подвижных палочек, которые образуют зооскопления. Культура не требовательна к питательным средам и может культивироваться на обычном пластинчатом и скошенном мясопептонном агаре (мясопептонном бульоне), на высушенном активном отработанном иле в анаэробных условиях. Колонии данного штамма на агаре (90 С; 24 ч) круглые с диаметром до 1,5 мм, выпуклые, слегка фосфорицирующие, но не окрашивающие среду. Анаэроб с высокой температурой роста (до 90 С), оптимальная температура роста Т-30-75 С, рН 6,2-8,6. Обладает каталазной, оксидазной и уреазной активностями. Ранее авторами было предложено его применение для разложения нефтепродуктов и фосфатов (2).Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060 хорошо развиваются на обычных штатных средах (мясопептонный агар, мясопептонный бульон) и представляют собой грамотрицательные полиморфные палочки с закругленными концами размером 0,8 на 1,0-1,5 мкм с вакуализированной при фазоконтрастной микроскопии цитоплазмой (спор и капсул не образуют). Культура не разжижает желатин, не образует индола,не ферментирует глюкозу, сахарозу, маннит. Ранее авторами было предложено его применение для разложения карбамита и аммиака (3). Штамм Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060 обладает меньшей патогенностью для белых мышей, чем кишечная палочка. Абсолютно переносимая животными доза штаммаPseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060 при внутриутробном заражении составляет 150000 микробных тел против 100000 микробных тел кишечной палочки. По результатам химических анализов, проведенных на ряде очистных сооружений биологической очистки, можно сделать заключение, что основными загрязняющими веществами являются органические и неорганические соединения, соединения азота и фосфаты. В предлагаемом способе используются микроорганизмы, способные утилизировать сложные органические и неорганические соединения в 3-5 раз,соединения азота - в 5-7 раз, фосфаты - в 3-4 раза, нефтепродукты - в 3-5 раз лучше аэробов. Испытания показали также, что огромным преимуществом совместного использования данных штаммов является возможность их существования в высококонцентрированных стоках и значительная гибкость в отношении питания (практически полный спектр загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах любого происхождения), несмотря на то, что ранее они были известны по отдельности как средства очистки сточных вод от узкоспецифического спектра загрязнителей. В предпочтительных формах реализации заявляемого способа взаимодействие сточных вод с микроорганизмами осуществляют в гидрозатворе, в котором помещена среда с иммобилизованными штаммами микроорганизмов, путем подачи сточных вод в направлении снизу вверх. Поставленная задача решается также устройством для биологической очистки сточных вод предприятий животноводческой, молочной, мясной, нефтехимической отрасли и хозяйственно-бытовых сточных вод описанным выше способом, выполненным в виде по меньшей мере одного гидрозатвора, в котором помещена среда с иммобилизованными штаммами микроорганизмов Bacilius sp. ВКПМ В-5061 и Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060, при этом гидрозатвор снабжен входной трубой, вертикальной трубой перелива и выходной трубой, причем входная и выходная труба расположены в донной зоне, а труба перелива и выходная труба связаны между собой коленчатым сгоном постоянного сечения. Ранее одним из авторов была предложена аналогичная конструкция (2), в которой вертикальная труба перелива сочленялась с выходной трубой коническим сгоном, выполняющим функции эжектора,для выхода осветленной воды. Однако испытания показали, что при использовании коленчатого сгона постоянного сечения даже интенсифицируется процесс отвода осветленной воды. Кроме того, это значительно упрощает и удешевляет изготовление элементов устройства (коленчатого сгона) и конструкцию в целом. В некоторых формах реализации заявляемое устройство может содержать по меньшей мере один дополнительный гидрозатвор без среды с микроорганизмами, связанный своей входной трубой с выходной трубой расположенного перед ним гидрозатвора. Заявляемое устройство простым и удобным образом может быть выполнено в смотровых колодцах и канализационных трубопроводах в порядке их модернизации. Далее заявляемые способ и устройство биологической очистки сточных вод предприятий животноводческой, молочной, мясной, нефтехимической отрасли и хозяйственно-бытовых сточных вод более подробно будут рассмотрены на некоторых возможных предпочтительных, но не ограничивающих примерах осуществления со ссылкой на позиции чертежей, на которых представлены фиг. 1 - схематичное изображение заявляемого гидрозатвора; фиг. 2 - схема модернизированной канализационной сети с трехступенчатой очисткой сточных вод.-2 014386 На фиг. 1 схематично изображен заявляемый гидрозатвор, который выполнен в канализационном колодце 1, содержит входную трубу 2, выходную трубу 3 и вертикальную трубу 4 перелива, связанную с выходной трубой 3 коленчатым сгоном 5 постоянного сечения. Входная труба 2 и выходная труба 3 расположены в донной зоне колодца 1. В гидрозатвор помещена среда 6 с иммобилизованными штаммами микроорганизмов Bacilius sp. ВКПМ В-5061 и Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060. Верхний торец вертикальной трубы 4 перелива установлен на расстоянии около L=0-0,6 м от крышки 7 колодца 1. На фиг. 2 представлена схема модернизированной канализационной сети с трехступенчатой очисткой сточных вод, включающей связанные между собой канализационные колодцы 1, 8 и 9, в каждом из которых выполнен гидрозатвор в соответствии с фиг. 1, а в колодец 1 помещена среда с иммобилизованными штаммами микроорганизмов Bacilius sp. ВКПМ В-5061 и Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060. Способ осуществляют следующим образом. В смотровых колодцах существующей системы канализации устанавливаются гидрозатворы в соответствии с фиг. 1. По входной трубе 2 сток поступает в смотровые колодцы 1 с гидрозатвором, содержащим трубу 4 перелива, связанную с выходной трубой 3 коленчатым сгоном 5 постоянного сечения. В колодец 1 помещают среду 6 с иммобилизованными штаммами микроорганизмов Bacilius sp. ВКПМ В-5061 и Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060. Таким образом, модернизированный колодец 1, в который вводится иммобилизованный штамм микроорганизмов для переработки стоков, представляет собой биореактор самой простейшей конструкции, где происходит формирование активного ила и его адаптация к перерабатываемому стоку. Принцип работы заявляемого устройства более наглядно представлен на фиг. 2, где стрелками изображена "траектория" перемещения стоков - снизу вверх для каждого колодца 1, 8, 9. В первом по ходу технологической схемы колодце 1, в который вводится иммобилизованный штамм микроорганизмов для переработки стоков, происходит основная очистка стоков заявленным способом, а все последующие по ходу схемы колодцы 8, 9 и, при необходимости, т.д. выполняют функции доочистки. Колодцы 1, 8, 9 и т.д. связаны между собой аэротенками 10. Из колодца 1 в основном очищенный сток попадает через анаэротенк 10 снизу вверх в колодец 8 и т.д. Анаэротенк 10 представляет собой трубопровод (ствол) с отводами в разные стороны и устанавливается на дно колодца (полей фильтрации и т.д.). Для удобства монтажа, удешевления и повышения долговечности конструкции анаэротенки 10 изготавливают из обычных труб из стали, используемых в промышленности. Изобретение будет также пояснено примерами. Пример 1. Работа очистных сооружений хозбытовых и дождевых сточных вод ("ЭКОЛ-9" производительность до 9 м 3 в сутки) на автозаправочной станции не обеспечивала очистку стока до установленных параметров (азот аммонийный и нефтепродукты). После внедрения предлагаемого способа работа очистных сооружений нормализовалась и показатели азот аммонийного снизились с 400-650 мг/л на входе в очистные до 25-40 мг/л на выходе (до применения предлагаемого способа они были 400-650 мг/л на входе и 150-200 мг/л на выходе), а показатели нефтепродуктов, соответственно, снизились с 2-5 мг/л до 0,1-0,2 мг/л (было 2-5 мг/л - 0,4-0,65 мг/л). Немаловажно и то, что работа предлагаемого способа осуществлялась на тех же мощностях, что и работа "ЭКОЛ-9", но с исключением энергозатрат (были отключены воздуходувки и другие потребители энергии), исчез неприятный запах в районе очистных сооружений. Пример 2. В лаборатории комбината молочной промышленности был проведен эксперимент: предоставленная предприятием проба состояла на 1/3 - сточные воды предприятия и 2/3 - сыворотка. Жидкость была разлита пропорционально в две колбы. Одна из проб осталась без изменений, а во вторую были добавлены предлагаемые анаэробные микроорганизмы (Bacilius sp. ВКПМ В-5061 и Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060). Данные колбы до момента проведения анализа на БПК-5 никаким другим воздействиям не подвергались. На 5-й день получены результаты по БПК-5 без "добавки" = 6300 мг/л; с предлагаемыми микроорганизмами = 4900 мг/л. Данный эксперимент наглядно подтверждает высокую эффективность предлагаемых микроорганизмов (снижение БПК-5 на 22% в "стационарных" условиях), их жизнеспособность в экстремальных условиях (аэробы в таких "средах" не выживают). Пример 3. В систему очистных сооружений мощностью 400 м 3 в сутки, представляющих собой три поля фильтрации, был введен симбиоз специальных анаэробных микроорганизмов (Bacilius sp. ВКПМ В-5061 и Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060) и уже через три месяца были достигнуты стабильные показатели (нормы ПДК), установленные для очистных сооружений, производящих сброс в открытые водоемы и использующих для очисти стоков методы аэрации. Данные нормы ПДК (по нефтепродуктам и азот аммонийным уровень показателей был гораздо ниже установленных) были достигнуты даже без выполне-3 014386 ния некоторых технических решений на уже существующих мощностях (данные технические решения касаются улучшения условий контакта стока с активным илом, просты и недороги в исполнении, но повышают эффективность работы системы очистки на 20-30%) и при более больших разбросах и высоких параметрах стока, поступающего на очистные сооружения (поля фильтрации), в сравнении с параметрами стока, поступающего на стандартные капитальные очистные сооружения с использованием аэробных процессов (отсутствие резервуаров-усреднителей перед полями фильтрации). В табл. 1 приведены показатели стока до и после очистки предлагаемым способом. Таблица 1 Таким образом, путем нетрудоемкой модернизации канализационных систем предприятий, существующих мощностей очистных сооружениях в системе ЖКХ создаются необходимые условия для жизнедеятельности конкретного симбиоза анаэробных микроорганизмов путем изменения подачи стока снизу вверх для более лучшего контакта сточной жидкости с активным илом. Преимущества предлагаемого метода в сравнении с традиционными методами, использующие принцип аэрации: более высокая степень очистки сточных вод как в штатном, так и в залповых режимах сброса; отсутствие необходимости в строительстве дорогостоящих, сложных и громоздких в аппаратном исполнении биореакторов; работоспособность системы не зависит от энергоносителей и не требует постоянного контроля за работоспособностью системы очистки: гораздо меньшее количество обслуживающего персонала, не требующего специального обучения; высокая надежность всего способа очистки из-за отсутствия зависимости работоспособности аэробных микроорганизмов от состава поступающего стока, человеческих, энергетических и внешних факторов; гораздо меньшее количество отработанного ила и нетрудоемкая его утилизация; отсутствие каких-либо механизмов и сложных конструкций для обеспечения работоспособности системы сводит эксплуатационные расходы практически к нулю; более высокая экологичность обусловлена характеристиками используемых штаммов; в разы меньшая стоимость всей системы очистки. Из всего вышеизложенного следует, что использование данного метода экономически выгодно,промышленно применимо, что подтверждается примерами, имеет изобретательский уровень, так как достигаемый при его осуществлении эффект и экологический результат значительно превосходят способы с использованием аэрации. Литература 1. Патент RU2272793 С 2, опубл. 10.10.2003. 2. Патент RU2235692 С 2, опубл. 10.09.2004. 3. А.С. SU1735210 А 1, опубл. 23.05.1992. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ полной биологической очистки сточных вод предприятий животноводческой, молочной,мясной, нефтехимической отрасли и хозяйственно-бытовых сточных вод, включающий взаимодействие сточных вод с симбиозом штаммов микроорганизмов Bacilius sp. ВКПМ В-5061 и Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что взаимодействие осуществляют в гидрозатворе, сформированном в канализационном колодце, в котором помещена среда с иммобилизованными штаммами микроорганизмов, путем подачи сточных вод в направлении снизу вверх. 3. Устройство для полной биологической очистки сточных вод предприятий животноводческой,-4 014386 молочной, мясной, нефтехимической отрасли и хозяйственно-бытовых сточных вод способом по пп.1, 2,выполненное в виде гидрозатвора, сформированного в канализационном колодце, в котором помещена среда с иммобилизованными штаммами микроорганизмов Bacilius sp. ВКПМ В-5061 и Pseudomonas sp.114 ВКПМ В-5060, при этом колодец снабжен входной трубой, вертикальной трубой перелива и выходной трубой, причем входная и выходная трубы расположены в донной зоне, а труба перелива и выходная труба связаны между собой коленчатым сгоном постоянного сечения. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере один дополнительный гидрозатвор, сформированный в дополнительном канализационном колодце, изначально не содержащем среду с микроорганизмами, при этом дополнительный колодец связан своей входной трубой с выходной трубой расположенного перед ним колодца.