PL178667B1 - Sposób usuwania węglowodorów ze środowiska wodnego - Google Patents

Abstract

1. Sposób usuwania węglowodorów ze środowiska wodnego, znamienny tym, że ze ścieków zawierających węglowodory w postacirozpuszczonej, emulsji i zawiesiny, usuwa się na membranie emulsje i zawiesiny, a następnie składniki rozpuszczone w wodzie usuwa się w procesie biokonweisji mikrobiologicznej.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób usuwania węglowodorów ze środowiska wodnego np. wód gruntowych, rzek, jezior, wód technologicznych, ścieków przemysłowych, odcieków z wysypisk oraz innych wód zanieczyszczonych substancjami organicznymi występującymi w postaci zawiesin, emulsji oraz w postaci rozpuszczonej.

Dotychczas znany jest szereg metod fizycznych, chemicznych i biologicznych pozwalających na usunięcie węglowodorów ze środowiska naturalnego.

Metoda grawitacyjna polega na rozdzieleniu składników fazy organicznej od fazy wodnej w odstojnikach. Metoda ta ma ograniczone zastosowanie tylko do przypadków kiedy rozdrobnienie fazy organicznej jest niewielkie, a jej stężenie jest duże oraz gdy gęstość składników organicznych jest różna od gęstości wody.

Metodę koalescencji stosuje się głównie w laboratoriach, a polega ona na łączeniu drobnych kropelek stabilnej emulsji w większe, które mogą się samoistnie łączyć co prowadzi do rozdzielenia się faz.

Metody termiczne polegają na odparowaniu składnika lotniejszego (wody lub substancji organicznych), przy czym proces ten jest kosztowny, bowiem wymaga dużych ilości energii.

Stosowane powszechnie metody rozcieńczania ścieków nie usuwają szkodliwych składników a jedynie zmniejszająich poziom poniżej progowej wartości określonej przez normy ochrony środowiska.

Metody chemiczne mają ograniczone zastosowanie do emulsji stabilizowanych detergentami tzn. substancjami powierzchniowo-aktywnymi. Metody te polegajjąna rozkładzie detergentów za pomocą odpowiednich substancji chemicznych, które są często drogie a w dalszym procesie trudne do usunięcia.

Metody biologiczne stosowane do usuwania węglowodorów występujących w ściekach w postaci emulsji są skuteczne lecz przebiegaj ąpowoli. Metody te polegająna wykorzystaniu drobnoustrojów do rozkładu węglowodorów. Jedną z takich metod jest bioadsorpcja na złożu węglowym, stosowana do oczyszczania ścieków ropopochodnych zawierających poniżej 30 mg/litr. Skuteczność usunięcia węglowodorów wyrażona zmniejszeniem się ich stężenia w ściekach wynosi w tym przypadku od 60 do 85%. Podobne efekty daje metoda usuwania węglowodorów na tzw. osadzie czynnym, którą stosuje się przy stężeniach poniżej 300 mg/litr .ścieków. Do przeprowadzenia procesu biodegradacji składników organicznych w ściekach wykorzystuje się mikroorganizmy o specjalnych własnościach biochemicznych zdolne do szybkiego i skutecznego rozkładu składników węglowodorowych. Drobnoustroje mogąbyć zakupione w specjalnych kolekcjach lub wyizolowane ze środowiska poddawanego oczyszczeniu.

Istotą sposobu usuwania węglowodorów ze środowiska wodnego według wynalazku polega na tym, że ścieki zawierające wodę, składniki rozpuszczalne, emulsje i zawieśmy poddaje się w pierwszym etapie separacji membranowej w tzw^r. module membranowym gdzie usuwane są

178 667 składniki emulsji i zawiesiny, a w drugim etapie w bioreaktorze następuje biokonwersja pozostałych składników zanieczyszczeń organicznych rozpuszczonych w fazie wodnej.

Do bioreaktora dozowane są składniki potrzebne do utrzymania właściwych warunków procesu biokonwersji. Ze zbiornika powietrza doprowadzonyjesttlen w ilości gwarantującej stężenie 8-12 mg O₂/litr. Ze zbiornika pożywki doprowadza się składniki pokarmowe zawierające odpowiednie ilości fosforu i azotu. Z innych zbiorników dostarczane są kwas i zasada, które pozwalają na utrzymanie odpowiedniego poziomu pH w zakresie 6,5-8. Z bioreaktora inokulanta doprowadza się do bioreaktora głównego wyizolowane i namnożone szczepy bakterii w takiej ilości aby uzyskać tam stężenie co najmniej 106 komórek/ml.

W realizacji sposobu należy wyizolować bakterie ze skażonego węglowodorami środowiska na płynnym, a następnie stałym podłożu mineralnym. Podłoże to powinno zawierać węglowodory o stężeniu w zakresie 1-5% masowych.

Sposób według wynalazku zapewnia maksymalne usunięcie węglowodorów poniżej granicy dopuszczalnej obowiązującą normą. Zaletą sposobu jest możliwość oczyszczania wszystkich rodzajów ścieków zanieczyszczonych węglowodorami do dowolnego poziomu czystości przy małych nakładach energetycznych całego procesu oraz przy braku szkodliwych produktów ubocznych.

Przykład rozwiązania według wynalazku przedstawiony jest na schemacie ideowym.

W zależności od z góry założonej zdolności produkcyjnej urządzenia, służącego do usuwania węglowodorów ropopochodnych ze środowiska wodnego należy doprowadzić odpowiednią ilość ścieków do zbiornika recyrkulacyjnego 1. Ścieki, w których skład wchodzą woda ze składnikami rozpuszczalnymi, emulsjami i zawiesiną ciała stałego są przetłaczane pompą przewodami do zbiornika 1. Zbiornik 1 może być opcjonalnie wyposażony w urządzenie do natleniania, separatory koalescencyjne, skimmery lub inne rozdzielacze frakcji olejowej, dozowniki flokulantów itp. Wstępne grawitacyjne rozdzielenie ścieków polega na osadzeniu się frakcji cięższych na dnie zbiornika, a frakcji lżejszych np. frakcji oleistej na powierzchni cieczy w zbiorniku 1. Frakcja lżejsza (oleista)jest kierowana do pojemnika 2 a frakcja cięższa (osad) do zbiornika 3.

Kolejny etap sposobu oczyszczania ścieków zawierających jeszcze składniki w postaci emulsji i drobnych zawiesin oraz rozpuszczone w wodzie to separacja membranowa. Ściek ze zbiornika 1 jest przetłaczany pompądo modułów membranowych tzn. urządzeń do separacji membranowej, gdzie oddzielane są cząstki zawiesiny i krople emulsji od wody, która przesącza się przez membranę. Ciecz tzw. retentat recyrkuluje w biegu zamkniętym przez zbiornik 1 i moduł membranowy 4 gdzie przepływa z prędkością 2-10 m/s stycznie do powierzchni membrany. Ciecz (permeat) przesączając się przez membranę pozostawia na jej powierzchni cząstki zawiesiny, krople emulsji, koloidy, mikroorganizmy i wirusy w zakresie wielkości określonym zdolnością separacyjną membrany, która jest określona i gwarantowana przez jej wytwórcę. W przypadku membrany mikrofiltracyjnej możliwe jestjuż oddzielenie elementów o wielkości powyżej 0,01 pm. Recyrkulacja retentatu nad membranę z dużą prędkością pozwala na stałe usuwanie osadzających się składników. Składniki zatrzymane przez membranę koncentrują się w zbiorniku recyrkulacyjnym i co umożliwia ich samoistne oddzielenie od wody w omówiony wyżej sposób.

Przykładowe dane techniczne instalacji z membranami ceramicznymi przy założonej wydajności instalacji 10 m3/dobę: pojemność zbiornika recyrkulacyjnego 10 m³, moduł membranowy z membraną ceramiczną wykonaną z A12O3 o powierzchni czynnej 9,4 m2 oraz o zdolności separacyjnej 100 nm. Membrana ceramiczna 4 gwarantuje długotrwałąpracę instalacji przy bardzo zróżnicowanym zakresie pH od 0 -14 oraz zmiennym rodzaju i koncentracji składników zanieczyszczeń.

W następnym etapie oczyszczania usuwa się węglowodory rozpuszczone w wodzie metodą biokonwersji. W tym celu ciecz (permeat) po oczyszczeniu na membranach jest kierowana do bioreaktora 5, w którym kontaktuje się z wyselekcjonowanymi ze środowiska mikroorganizmami.

178 667

Sposób izolacji bakterii rozkładajcych węglowodory ze środowiska przebiega następująco. Bakterie rozkładające izoluje się bezpośrednio ze środowiska zanieczyszczonego substancjami ropopochodnymi. W tym celu pobiera się próbę skażonej gleby, wody lub ścieków wraz z bytuj ącą w niej mikroflorą i wprowadza do płynnego podłoża mineralnego zawieraj ącego przyswajalne źródło azotu i fosforu oraz węglowodory w stężeniu 1 - 5% masowym. Podłoże inkubuje się przez 120 godz. w temperaturze 25°C w warunkach tlenowych przy stałym jego wstrząsaniu. Druga faza izolacji polega na przesianiu bakterii z hodowli na podłożu płynnym na podłoże stałe o analogicznym składzie lecz zestalone agarem. Ma to na celu uzyskanie wzrostu bakterii w postaci kolonii. Wszystkie różniące się morfologicznie kolonie poddaje się określeniu przynależności taksonomicznej. Ma to na celu wyeliminowanie bakterii o właściwościach chorobotwórczych. Natomiast pozostałe bakterie posiewa się ponownie na płynne podłoże mineralne z ropopochodnymi. Po 168 godz. inkubacji w takich samych warunkach jak poprzednio, ekstrahuje się ropopochodne i ocenia ubytek węglowodorów w hodowli w stosunku do kontroli prowadzonej bez bakterii. Szczepy bakterii zdolne do rozkładu ponad 50% węglowodorów zawartych w pożywce sąnamnażane w bioreaktorze inokulanta 6 i kierowane do głównego bioreaktora 5.

Przykład. Dokonano izolacji bakterii zdolnych do rozkładu oleju napędowego. W tym celu pobrano 30 ml skażonych olejem ścieków wraz z bytującą w ściekach mikroflorą. Ścieki w ilości 10 ml wprowadzono do trzech kolb o pojemności 2 litrów, w których znajdowało się 500 ml podłoża mineralnego wzbogaconego olejem napędowym -1% masowy. Po 120 godz. inkubacji w temperaturze 25°C w warunkach tlenowych przy stałym mieszaniu bakterie przeniesiono na podłoże stałe. Uzyskano po izolacji 11 szczepów bakterii, z których żaden nie należał do gatunku chorobotwórczego. Skuteczność rozkładu oleju badana po 168 godz. inkubacji na podłożu płynnym z 1% masowym oleju napędowego dla 5 wyizolowanych szczepów wynosiła ponad 50%. Zostały one namnożone w bioreaktorze 6 i wprowadzone do bioreaktora 5.

Do bioreaktora głównego 5 mikroorganizmy dozuje się z bioreaktora inokulanta 6. W bioreaktorze 6 prowadzi się ciągłą hodowlę mikroorganizmów wyselekcjonowanych bezpośrednio ze środowiska poddawanego oczyszczeniu. Namnażanie odbywa się na podłożu mineralnym zawierającym ropopochodne w stężeniu 1 - 5% masowych przy zachowaniu optymalnego pH pożywki 6,5 - 8,0 oraz temperatury inkubacji 25°C. Następnie wprowadza się bakterie do bioreaktora 5 gdzie ich liczebność powinna kształtować się na poziomie 106 komórek w 1 ml ścieków. W celu zwiększenia intensywności rozwoju bakterii wprowadza się do bioreaktora 5 składniki pokarmowe ze zbiornika 8 w tym głównie azot i fosfor w ilościach uzależnionych od składu chemicznego wód, tak aby stosunek C : N : P kształtował się na poziomie 10; 1; 0,1. Dla uzyskania większej efektywności procesu mikrobiologicznej degradacji węglowodorów korzystne jest utrzymanie pH wody w granicach 6,5 - 8,0 co jest regulowane poprzez dodawanie odpowiedniej ilości kwasu bądź zasady ze zbiornika 8a. Optymalna temperatura dla przebiegu procesu wynosi 18 - 30°C, chociaż zakres temperatur, w których zachodzi proces biodegradacji jest stosunkowo szeroki. W celu przyspieszenia procesu ścieki poddaje się napowietrzaniu ze zbiornika 7 a zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie powinna mieścić się w granicach od 8 12 mg O₂/litr. Proces biodegradacji powoduje rozkładanie się węglowodorów na produkty gazowe i stałe. Produkty gazowe odprowadza się do zbiornika 9, a produkty stałe takie jak martwe komórki oraz ich związki jako osad do zbiornika osadu 10. Natomiast woda zawierająca żywe komórki oraz składniki rozpuszczone jest filtrowana na module membranowym 41 jest zawracana powrotnie do bioreaktora 5, a czysta na zewnątrz. W taki sposób usuwanie ropopochodnych zapewnia maksymalne usunięcie węglowodorów ze środowiska wodnego przy minimalizacji ilości powstających metabolitów bakteryjnych, które mogą być toksyczne dla środowiska wodnego.

178 667

178 667

'(Λ co c

φ

N

O

N

CO

O

Φ

CL

O to «

CM

CO eT <υ $

c o

O

X>

u_

LL

CO C i g 2 a I n E

O 4) ° E »c Φ (0 ” 8. ’ Φ

T- £/)

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób usuwania węglowodorów ze środowiska wodnego, znamienny tym, że ze ścieków zawierających węglowodory w postaci rozpuszczonej, emulsji i zawiesiny, usuwa się na membranie emulsje i zawiesiny, a następnie składniki rozpuszczone w wodzie usuwa się w procesie biokonwersji mikrobiologicznej.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że bakterie izoluje się ze skażonego ropopochodnymi środowiska na płynnym podłożu, a następnie na stałym podłożu mineralnym zawierającym ropopochodne.