PL179667B1 - Sposób otrzymywania koagulantu żelazowego - Google Patents

Abstract

1 . Sposób otrzymywania koagulantu żelazowego na drodze biologicrnej. w którym dokonuje się utlenieniajonów żelaza dwuwartościowego do trójwartościowego w procesie tlenowej hodowli bakterii żelazowych Thiobacillus ferrooxidans w czystej kulturze lub kulturze mieszanej z innymi bakteriami żelazowymi, immobilizowanymi na nośniku stałym, hodowanymi w sposób okresowy lub okresowo-dolewowy na nośniku, znamienny tym, że proces utleniania biologicznego prowadzi się w bioreaktorze, zawierającym stały nośnik z immobilizowanymi na nim bakteriami żelazowymi, do którego wprowadza się roztwór siarczanu żelazawego w wodzie wodociągowej o stężeniu od 10 do 80 g/l, korzystnie poniżej 60 g/l, oraz tlen w ilości nie niższej niż 10% stanu nasycenia roztworu, przy czym proces prowadzi się przy pH roztworu od 0,3 do 3,0, korzystnie poniżej pH 2,0, w temperaturze od 4 do 35°C, korzystnie w temperaturze powyżej 20°C.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania koagulantu żelazowego na drodze biologicznej

Koagulant żelazowy w formie jonów żelaza trójwartościowego, zwykle siarczanu żelazowego, może być otrzymywany dwoma metodami: na drodze utleniania jonów żelaza dwuwartościowego metodą chemiczną, lub na drodze utleniania biologicznego z użyciem odpowiednich mikroorganizmów. Metoda biologiczna zapewnia znacznie większą szybkość reakcji oraz bezpieczeństwo ekologiczne. Ten ostatni czynnik ma rosnące znaczenie praktyczne.

W literaturze spotkać można szereg opisów biologicznego utleniania jonów żelaza dwuwartościowego do trójwartościowego. Opisy te mają w większości charakter badań podstawowych i nie precyzują parametrów technologicznych procesu, tak aby można je wykorzystać do produkcji koagulantu żelazowego [Ahonen L., Tuovinen O.H., Microbiolical oxidation of ferrous iron at low temperatures, Appl. Environ. Microbiol., 55(2), 312-316(1989); Ahonen L., Tuovinen O.H., Temperature effects on bacterial leaching of sulfite minerals in shake fiask experiments, Appl, Environ. Microbiol., 57(1), 138-145 (1991)].

179 667

Wspólną cechą przedstawionych w nich sposobów jest niskie stężenie siarczanu żelaza dwuwartościowego w roztworach roboczych, co dyskwalifikuje je dla zastosowań przemysłowych.

Zdolność do biologicznego utleniania żelaza ma szereg bakterii zwanych ogólnie bakteriami żelazowymi, z których najlepiej poznanym jest gatunek Thiobacillus ferrooxidans [Olańczuk-Neyman K., Bakterie utleniające żelazo i ich występowanie w wodach podziemnych, Zeszyty naukowe Politechniki Gdańskiej, nr 415, 11-29 (1988); Armenita H., Webb C., Ferrous sulphate oxidation using Tiobacillus ferrooxidans cells immobilised in poliurethane foam support particles, Appl, Environ. Microbiol., 36, 697-700(1992); Barron J.L., Growth and mainetenance of Thiobacillus ferrooxidans gells, Appl, Environ. Microbiol., 56, 2801-2806 (1990); Kang S., Sproull R.D., Iron oxidation by Thiobacillus ferrooxidans, Appl. Biochem. Biotechnol, 23/24, 907-916 (1991).

Proces biologicznego utleniania żelaza polega na wprowadzeniu do roztworu siarczanu żelazawego bakterii żelazowych, które w obecności tlenu rozpuszczonego w fazie ciekłej utleniają Fe²⁺ do Fe³⁺.

Dla zwiększenia efektywności przemian biochemicznych stosuje się unieruchomienie bakterii na specjalnych nośnikach stałych, tak aby nie wypływały z bioreaktora wraz z odcinkiem zawierającym końcowy produkt. Z literatury wiadomym jak, że bakterie Thiobacillus ferrooxidans, uważane za najbardziej aktywne w procesie biooksydacji, wykazują zdolność do przyłączania się do powierzchni ciał stałych. W przypadku stosowania w procesie biologicznego utleniania żelaza bakterii osadzonych na stałych nośnikach problemem jest tzw. kolmatacja złoża. Nazwą tą określa się proces zapychania wolnych przestrzeni między cząstkami nośnika przez osady zawierające żelazo trójwartościowe i jego związki z siarką. Utrudnia po przepływ roztworu substratu oraz napowietrzanie złoża, aż do jego zaczopowania. Jednym rozwiązaniem jest wówczas wymiana nośnika na nowy i ponowny rozruch bioreaktora. Innym problemem w procesie biologicznego utleniania żelaza jest utrzymanie pracy bioreaktora w takich warunkach, aby zachodził on przy możliwie wysokich stężeniach substratu (siarczanu żelazawego).

Istota wynalazku, w którym utlenienia jonów żelaza dwuwartościowego do trójwartościowego dokonuje się w procesie tlenowej hodowli bakterii żelazowych Thiobacillus ferrooxidans w czystej kulturze lub kulturze mieszanej z innymi bakteriami żelazowymi, hodowanymi w sposób okresowy lub okresowo-dolewowy na nośniku, polega na tym, że proces utleniania biologicznego prowadzi się w bioreaktorze, zawierającym stały nośnik z immobilizowanymi na nim bakteriami żelazowymi, do którego wprowadza się roztwór siarczanu żelazawego w wodzie wodociągowej o stężeniu od 10 do 80 g/l, korzystnie poniżej 60 g/l, oraz tlen w ilości nie niższej niż 10% stanu nasycenia roztworu. Proces prowadzi się przy pH roztworu od 0,3 do 3,0, korzystnie poniżej pH 2,0, w temperaturze od 4 do 35 °C, korzystnie w temperaturze powyżej 20°C.

Korzystnym rozwiązaniem w wynalazku jest prowadzenie procesu w sposób ciągły, przy prędkości przepływu roztworu siarczanu żelazawego, określonej przez prędkość rozcieńczania D, która wynosi od 0,1 do 6,0 h'¹, najlepiej od 0,1 do 0,2 h’¹, przy czym D oznacza stosunek objętości świeżego roztworu wprowadzanego w ciągu godziny do objętości roboczej reaktora. Kolejnym rozwiązaniem korzystnym jest wprowadzanie tlenu do bioreaktora poprzez napowietrzanie powietrzem w ilości 30 do 120 m3/h na każdy m3 roztworu znajdującego się w bioreaktorze. Proces utleniania biologicznego jonów żelaza Fe(II) można zgodnie z wynalazkiem prowadzić jedno- lub wielostopniowo, poprzez przepływ roztworu siarczanu żelazowego kolejno przez baterię połączonych szeregowo bioreaktorów. W trakcie prowadzenia procesu utleniania, w przypadku zakłóceń w procesie utleniania wynikających ze spadku temperatury roztworu można wprowadzać z zewnątrz dodatek bakterii żelazowych, najdogodniej wraz z roztworem siarczanu żelazawego.

W charakterze nośnika stałego mogą być stosowane takie materiały jak węgiel aktywny, ziemia okrzemkowa, szkło porowate, pianki poliuretanowe, materiały ceramiczne i inne.

179 667

Osadzania bakterii na nośniku dokonuje się w znany sposób, poprzez wprowadzenie wyhodowanych uprzednio bakterii do reaktora, w którym znajduje się nośnik zalany roztworem siarczanu żelazawego i prowadzenie przez jedną do pięciu dób hodowli stacjonarnej lub okresowo-dolewowej. Oznacza to, że do bioreaktora wprowadza się jednorazowo porcję roztworu siarczanu, względnie wprowadza się tyle roztworu aby zalać nośnik, a następnie jednolub kilkakrotnie wprowadza się porcję świeżego roztworu, tak aby ostatecznie zapełnić całą objętość roboczą bioreaktora. W czasie hodowli okresowej stosuje się napowietrzanie złoża, aby stworzyć warunki tlenowe. W czasie hodowli okresowej nie odbiera się z bioreaktora pożywki. W ten sposób stworzone są warunki do rozwoju bakterii i do ich osadzania się na nośniku. Efektem tego procesu jest uzyskanie immobilizowanej (unieruchomionej) kultury bakterii.

Wynalazek pozwala na otrzymywanie taniego i skutecznego koagulantu żelazowego w sposób bezpieczny i nieszkodliwy dla środowiska. Utlenianie żelaza dwuwartościowego do trójwartościowego sposobem według wynalazku jest praktycznie całkowite, a dodatkowo, w wyniku odpowiedniego doboru parametrów procesu, a zwłaszcza prowadzenia go przy pH roztworu roboczego poniżej 1,5, praktycznie wyeliminowano zjawisko kolmatacji złoża. Reaktor w takich warunkach może pracować w sposób ciągły.

Koagulant otrzymany sposobem według wynalazku wprowadza się bezpośrednio do zbiornika wody, w którym odbywa się wytrącanie zawiesin przy udziale Fe(III).

Wynalazek ilustrują poniższe przykłady.

Przykład I. Bioreaktor kolumnowy z perforowanym dnem został zasypany granulowanym węglem aktywnym na wysokość 50 cm i zalany roztworem siarczanu o pH 2,0 i temperaturze 25°C. Bioreaktor zaszczepiono zawiesiną komórek bakterii Thiobacillus ferrooxidans wyhodowanych wcześniej na pożywce 9K. Dodatek zawiesiny bakterii stanowił 5% objętości roztworu siarczanu znajdującego się w bioreaktorze. Od dołu bioreaktora wtłaczano powietrze przez perforowany aerator z prędkością 30 l/h. Po trzech dobach prowadzenia procesu hodowli okresowej rozpoczęto podawanie roztworu siarczanu żelazawego rozpuszczonego w wodzie wodociągowej o stężeniu 20 g/l, z prędkością rozcieńczania D - 0,2 h'¹. Proces prowadzono przy pH 1,5 kontrolując stężenie rozpuszczonego tlenu przy pomocy sondy tlenowej. Przy spadku zawartości rozpuszczonego tlenu poniżej 10% nasycenia, zwiększano intensywność napowietrzania złoża. Proces prowadzono 6 miesięcy uzyskując 97% utlenienia Fe(II) do Fe(III). Uzyskany odciek zawierający koagulant w formie roztworu siarczanu żelazowego był kierowany do stacji uzdatniania wody.

Przykład II. Do bioreaktora zawierającego złoże z kulek sztywnej pianki poliuretanowej wprowadzono wodny roztwór siarczanu żelazawego o stężeniu 10 g/l i zaszczepiono go kulturą mieszaną bakterii uzyskanych z wód kopalni rudy żelaza wzbogaconych dodatkowo czystą kulturą bakterii Thiobacillus ferrooxidans. Objętość roztworu była tak dobrana, aby pokryć złoże stałe. Hodowle bakterii prowadzono metodą okresowo-dolewową, wprowadzając po drugiej i trzeciej dobie po porcji dodatkowej świeżej pożywki do osiągnięcia całkowitej objętości roboczej bioreaktora. Hodowla była prowadzona przy pH 1,8 w temperaturze 10°C przez cztery doby. W piątej dobie hodowli rozpoczęto pompowanie świeżego roztworu siarczanu żelazawego o stężeniu 10 g/l. Odciek z pierwszego bioreaktora przepływał do drugiego, a następnie do trzeciego bioreaktora. Stwierdzono, że w pierwszym bioreaktorze uzyskano 60% utlenienia Fe(II) do Fe(III), zaś w następnych kolejno 85% i 99%.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób otrzymywania koagulantu żelazowego na drodze biologicznej, w którym dokonuje się utlenienia jonów żelaza dwuwartościowego do trójwartościowego w procesie tlenowej hodowli bakterii żelazowych Thiobacillus ferrooxidans w czystej kulturze lub kulturze mieszanej z innymi bakteriami żelazowymi, immobilizowanymi na nośniku stałym, hodowanymi w sposób okresowy lub okresowo-dolewowy na nośniku, znamienny tym, że proces utleniania biologicznego prowadzi się w bioreaktorze, zawierającym stały nośnik z immobilizowanymi na nim bakteriami zelazowymi, do którego wprowadza się roztwór siarczanu żelazawego w wodzie wodociągowej o stężeniu od 10 do 80 g/l, korzystnie poniżej 60 g/l, oraz tlen w ilości nie niższej niż 10% stanu nasycenia roztworu, przy czym proces prowadzi się przy pH roztworu od 0,3 do 3,0, korzystnie poniżej pH 2,0, w temperaturze od 4 do 35°C, korzystnie w temperaturze powyżej 20°C.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces utleniania prowadzi się w sposób ciągły, przy prędkości przepływu roztworu siarczanu żelazawego, określonej przez prędkość rozcieńczania D, która wynosi od 0,1 do 6,0 h'¹, przy czym D oznacza stosunek objętości świeżego roztworu wprowadzanego w ciągu godziny do objętości roboczej reaktora.
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że prędkość rozcieńczania D wynosi od 1,0 do 2,0 h-1
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ze tlen wprowadza się do bioreaktora poprzez napowietrzanie powietrzem w ilości 30 do 120 m³/h na każdy m³ roztworu znajdującego się w bioreaktorze.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces utleniania biologicznego jonów żelaza Fe(II) prowadzi się jedno- lub wielostopniowo, poprzez przepływ roztworu siarczanu żelazowego kolejno przez baterię połączonych szeregowo bioreaktorów.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w trakcie prowadzenia procesu utleniania wprowadza się z zewnątrz dodatek bakterii zelazowych.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatek bakterii żelazowych wprowadza się wraz z roztworem siarczanu żelazawego.