Очистка сточных вод от промышленных и бытовых загрязнений — непростая задача. Особенно сложно удалять нефтепродукты, токсичные и трудно окисляемые органические вещества. Здесь на помощь приходят бактерии активного ила, способные использовать загрязнения в качестве источника питания. Чтобы увеличить их биомассу, возраст ила и предотвратить вымывание бактерий из очистных сооружений используют материалы-носители. Зачастую они имеют высокую стоимость, требуют сложного производства или не справляются с нагрузкой. Ученые Пермского Политеха разработали новый метод создания таких носителей с использованием отходов нефтеперерабатывающего предприятия. Это поможет сэкономить на материалах, электроэнергии, снизить негативное воздействие отходов на окружающую среду за счет их вторичного использования, 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 в водоемах и почве участвует особая форма азота — аммонийный азот. Он образуется при разложении органических веществ и может попадать в воду из живых организмов, городских сточных вод и промышленных и сельскохозяйственных стоков. Особенно высокие его концентрации бывают в сточных водах предприятий пищевой, химической отраслей и животноводства — до 1000 мг/дм³, хотя санитарные нормы ограничивают его содержание в воде до 0,4 мг/дм³. Аммонийный азот токсичен для рыб и водных организмов, вызывает цветение и затрудняет очистку питьевой воды.
Для борьбы с загрязнениями, поступающими в водоем, включая аммонийный азот и нефтепродукты, применяют активный ил. Он содержит в себе миллиарды бактерий, «поедающих» органические загрязнения в сточных водах. Чтобы они работали более эффективно, дольше оставались в среде и не вымывались потоком воды, им требуется материал-носитель. Процесс прикрепления бактерий к нему происходит естественным образом: благодаря пористой и шероховатой поверхности материала они задерживаются внутри и на поверхности, выделяют внеклеточные полимеры, которые фиксируют их на месте. Затем бактерии размножаются, формируют биопленку, которая окисляет загрязнения. Носитель действует как «дом» для микроорганизмов — активный ил в прикрепленном состоянии более устойчив к воздействию вредных веществ, а структура материала носителя препятствует вымыванию колоний.
— Для современных носителей биомассы есть требования: высокоразвитая поверхность, механическая прочность, доступность, низкая стоимость и экологичность при утилизации. Сейчас в качестве них используют, например, ерши, гофрированные листы стеклопластика с металлическими и минеральными частицами, спиралевидную насадку из полимеров, нетканый материал из синтетических волокон и т.д. Все эти варианты имеют свои недостатки: например, полимерная насадка должна быть сложной геометрической формы, что затрудняет ее изготовление, а синтетические волокна трудно промываются и регенерируются, — комментирует Лариса Рудакова, заведующая кафедрой «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, доктор технических наук.
Наиболее эффективный из существующих материалов-носителей — гранулы из смеси полипропилена и крахмала или целлюлозы. Они получаются пористыми и успешно служат «домом» для бактерий. Однако их получают при температуре до 220°C, поэтому технология становится энергозатратной и дорогостоящей.
Ученые Пермского Политеха использовали данную технологию в качестве прототипа и предложили новый способ получения носителя на основе потерявшей потребительские свойства пластиковой упаковки и отходов, образующихся при нефтепереработке: нефтешламов, избыточного активного ила и т.д. Такой метод позволяет сэкономить на первичных материалах и вовлечь в ресурсный цикл отходы производства и потребления.
— Мы взяли отходы нефтепереработки и пластика в пропорции от 1:1 до 3:1. Нагревали при температуре 110-125°C, что позволило сэкономить энергию. Затем охладили смесь и просеяли. Полученные образцы имели пористую структуру, которая хорошо удерживала бактерии активного ила. Предложенное решение позволяет утилизировать отходы без вреда окружающей среде, получить полезный продукт — носитель биомассы, — и повысить эффективность очистки сточных вод, — комментирует Елена Калинина, доцент кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Материал, разработанный учеными Пермского Политеха, достаточно прочный и выдерживает нагрузки при резком увеличении объема сточных вод, поступающих на очистку. Разработка позволит повысить эффективность очистки стоков от нефтепродуктов на 10-15 %, и от аммонийного азота на 55 %.