Удаление промышленных и бытовых загрязнений из сточных вод представляет собой сложную задачу. Наибольшие трудности возникают при удалении нефтепродуктов, токсичных и плохо поддающихся окислению органических веществ. В решении этой задачи помогают бактерии активного ила, которые способны использовать загрязнения в качестве источника питания. Для увеличения биомассы бактерий, увеличения возраста ила и предотвращения вымывания бактерий из очистных сооружений применяются специальные материалы-носители. Однако часто они характеризуются высокой стоимостью, сложным процессом производства или не соответствуют предъявляемым нагрузкам. Специалисты Пермского Политеха разработали инновационный способ создания таких носителей на основе отходов нефтеперерабатывающего предприятия. Это позволит сократить расходы на материалы и электроэнергию, уменьшить негативное воздействие отходов на окружающую среду благодаря их повторному использованию, а также повысить эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов на 10-15% и аммонийного азота на 55%.
На разработку получен патент № 2839880. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
В биохимических процессах, происходящих в водоемах и почве, важную роль играет аммонийный азот. Эта форма азота возникает в результате распада органических веществ и может поступать в водные объекты из живых организмов, городских сточных вод, а также промышленных и сельскохозяйственных стоков. Наиболее высокие концентрации аммонийного азота наблюдаются в сточных водах предприятий пищевой, химической промышленности и животноводства – до 1000 мг/дм³, хотя содержание аммонийного азота в воде, согласно санитарным нормам, не должно превышать 0,4 мг/дм³. Аммонийный азот представляет опасность для рыб и других водных организмов, способствует цветению воды и усложняет процесс очистки питьевой воды.
Для очистки водоемов от загрязнений, таких как аммонийный азот и нефтепродукты, используют активный ил. Этот ил состоит из миллиардов бактерий, которые разрушают органические загрязнения, содержащиеся в сточных водах. Чтобы повысить их эффективность, продлить время пребывания в среде и предотвратить вымывание потоком воды, необходим материал-носитель. Прикрепление бактерий к этому материалу происходит естественным путем: благодаря своей пористой и шероховатой структуре, он удерживает их внутри и на поверхности, способствуя выделению внеклеточных полимеров, которые фиксируют бактерии. Затем бактерии размножаются, образуя биопленку, осуществляющую окисление загрязнений. Носитель служит средой обитания для микроорганизмов – активный ил в прикрепленном состоянии обладает большей устойчивостью к воздействию вредных веществ, а структура материала носителя препятствует вымыванию колоний.
– Современные биомассы предъявляют определенные требования к материалам: развитая площадь поверхности, достаточная механическая прочность, доступность, невысокая стоимость и экологичность при утилизации. В качестве таких материалов применяются, среди прочего, ерши, гофрированные листы стеклопластика с добавлением металлических и минеральных частиц, спиралевидные насадки из полимеров, нетканые материалы из синтетических волокон и другие решения. Однако все эти варианты имеют свои ограничения: например, изготовление полимерных насадок требует сложной геометрической формы, а синтетические волокна плохо промываются и сложно регенерируются – отмечает Лариса Рудакова, заведующая кафедрой «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, доктор технических наук.
Гранулы, изготовленные из смеси полипропилена с крахмалом или целлюлозой, считаются наиболее эффективными материалами-носителями. В процессе производства они приобретают пористую структуру, обеспечивающую благоприятную среду для бактерий. Однако, поскольку для их получения требуется нагрев до 220°C, технология становится энергоемкой и дорогостоящей.
Используя эту технологию в качестве прототипа, ученые Пермского Политеха разработали новый способ создания носителя, основанный на переработке пластиковой упаковки, утратившей свои потребительские качества, а также на нефтешламах, избыточном активном иле и других отходах, образующихся в процессе нефтепереработки. Данный подход позволяет сократить затраты на использование первичных материалов и обеспечивает повторное использование отходов производства и потребления.
– Использовались отходы нефтепереработки и пластика в соотношении от 1:1 до 3:1. Нагрев при температуре 110–125°C позволил сократить потребление энергии. После охлаждения смесь была просеяна. Полученные образцы характеризовались пористой структурой, обеспечивающей хорошее удержание бактерий активного ила. Данный подход позволяет утилизировать отходы экологически безопасным способом, получать ценный продукт – носитель биомассы, – и улучшить эффективность очистки сточных вод, – как отмечает Елена Калинина, доцент кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Разработанный специалистами Пермского Политеха материал обладает высокой прочностью и способен выдерживать нагрузки, возникающие при значительном увеличении объема сточных вод, направляемых на очистку. Внедрение данной разработки позволит увеличить эффективность удаления нефтепродуктов из сточных вод на 10-15%, а также снизить концентрацию аммонийного азота на 55%.
Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ