Переработка шлама сточных вод

Изобретение относится к способу переработки шлама сточных вод. Способ снижения содержания патогенных организмов в шламе сточных вод включает добавление к шламу фосфорсодержащего соединения и выдерживание фосфорсодержащего соединения в контакте со шламом в течение времени, достаточного для логарифмического снижения количества присутствующих в шламе патогенных организмов от двух до шести. Технический эффект - уничтожение присутствующих в шламе патогенных микроорганизмов. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Данное изобретение относится к способу переработки шлама сточных вод и к шламу, переработанному вышеуказанным способом.

Переработка сырого шлама обычно включает стадию фильтрации (на которой удаляют крупные частицы твердых веществ и гравий) с последующей стадией, на которой водную фазу подвергают воздействию аэробных бактерий для удаления биоразлагаемых веществ. Эта последняя стадия требует "активированного шлама", который представляет собой по существу концентрированную бактериальную массу. Биоразлагаемые вещества должны быть удалены перед выгрузкой водной фазы в водные потоки, например реки, иначе бактериальное разложение таких веществ в реке будет расходовать растворенный кислород, приводя в результате к гибели рыб, запахам и к общему ухудшению окружающей среды. Во время разложения биоразлагаемых веществ происходит рост и размножение бактерий, приводя в результате к накоплению бактериального шлама, требующего захоронения.

Необязательно избыточный шлам может быть "переварен" в анаэробных условиях, где, в основном, бактерии заново приходят к равновесию в новых условиях, чтобы производить метан и уменьшать биомассу, но в конечном счете остается неснижаемая масса избыточного шлама, которая требует захоронения. Существует ряд способов захоронения, таких как закапывание в землю и захоронение в море, оба из которых являются нежелательными из экологических соображений. Альтернативно избыточный шлам может быть сожжен (дорого) или рассеян на пашню, и в последнем случае шлам может быть использован как удобрение/почвоулучшитель, что является выгодным.

К сожалению, такой шлам может содержать значительные концентрации патогенов и, если так, шлам требует дезинфекции для снижения содержания любых патогенных организмов до приемлемого экологического и санитарного уровня до того, как дезинфицированный шлам рассеивают на землю. Индикаторным организмом, используемым для количественной оценки патогенного риска, является Е. coli. Для соответствия законодательным положениям Великобритании обычного обработанного шлама концентрация Е. coli в шламе должна быть понижена на 99% (т.е. логарифмическое снижение на 2) и максимальная приемлемая концентрация Е. coli в обработанном шламе сточных вод составляет 10⁵ на грамм сухого шлама (г.с.ш.). В шламе улучшенной обработки в Великобритании не должна присутствовать Salmonella spp., a концентрация Е. coli должна быть снижена по меньшей мере на 99,9999% (т.е. логарифмическое снижение на 6). Максимальная приемлемая концентрация Е. coli в шламе сточных вод улучшенной обработки составляет 10³ на грамм сухого шлама. Ожидается, что в будущем подобные законодательные положения будут приняты во всей Европе и в США.

Снижение содержания бактерий может быть осуществлено различными путями, включая обработку известью (грязная, требует значительных капитальных затрат и создает труднопреодолимые эксплуатационные проблемы), термическую обработку (очень дорого) или просто выдержку шлама в хранилище до тех пор, пока концентрация бактерий не снизится до требуемого предела. В последней ситуации очень большие объемы шлама, имеющиеся на большинстве установок переработки стоков, обычно не могут храниться в течение требуемого времени из-за недостаточной емкости хранилищ. Сооружение достаточной емкости или непрактично из соображений пространства, или требует больших капиталовложений.

Теоретически альтернативным способом снижения содержания бактерий в шламе должно быть применение дезинфектанта. Однако было найдено, что оценивавшиеся до настоящего времени дезинфектанты занимают относительно длинные периоды времени для уменьшения содержания бактерий до приемлемого уровня, создавая тем самым требования к хранилищам за пределами возможностей большинства заводов по переработке стоков.

Авторы обнаружили, что использование фосфорсодержащего соединения (особенно солей фосфония) для шлама сточных вод может осуществить снижение содержания патогенных микроорганизмов в шламе эквивалентное логарифмическому снижению на по меньшей мере 2.

Соответственно, настоящее изобретение предлагает способ обработки шлама сточных вод для снижения содержания патогенных микроорганизмов в указанном шламе, где способ включает:

(a) добавление к шламу эффективного количества фосфорсодержащего соединения и

(b) выдерживание фосфорсодержащего соединения в контакте со шламом в течение достаточного времени для того, чтобы снизить количество присутствующих в шламе патогенных микроорганизмов до количества, эквивалентного логарифмическому снижению от двух до шести.

В одном осуществлении log снижения в 2 или более достигнуто за 24-часовой период.

Предпочтительно фосфорсодержащее соединение выдерживают в контакте со шламом в течение достаточного времени для того, чтобы снизить количество присутствующих в шламе патогенных микроорганизмов до log снижения на 3 или более и более предпочтительно 4 или более.

Патогенными микроорганизмами могут быть бактерии.

Предпочтительно перед стадией (а) шлам подвергают анаэробному разложению, процессу, известному специалистам в данной области.

Предпочтительно фосфорсодержащим соединением является соединение фосфония, особенно тетракис(гидроксиметил)фосфониевая соль или соединение формулы (I)

где n является валентностью X;

R' и R", которые могут быть одинаковыми или различными, выбраны из алкильного, гидроксиалкильного, алкенильного или арильного радикала, а Х представляет анион.

R' и R" предпочтительно имеют длину между 1 и 20 атомами углерода.

Х предпочтительно выбирают из группы, состоящей из хлорида, сульфата, фосфата, ацетата, оксалата и бромида.

Наиболее предпочтительно фосфорсодержащим соединением

является сульфат тетракис(гидроксиметил)фосфония.

Альтернативно соединением фосфония может быть, например,

хлорид тетракис(гидроксиметил)фосфония,

бромид тетракис(гидроксиметил)фосфония,

фосфат тетракис(гидроксиметил)фосфония,

ацетат тетракис(гидроксиметил)фосфония или

оксалат тетракис(гидроксиметил)фосфония.

Альтернативно фосфорсодержащим соединением может быть алкилзамещенный фосфин, например, трис(гидроксиметил)фосфин, который показан в формуле (II):

где каждый из R, которые могут быть одинаковыми или различными, выбран из алкильного, гидроксиалкильного, алкенильного или арильного радикала.

Количество фосфорсодержащего соединения, добавляемого к шламу на стадии (а) способа по настоящему изобретению, составляет обычно до 10000 мг/л, предпочтительно 100-2500 мг/л и особо предпочтительно 200-1000 мг/л.

Альтернативно количество фосфорсодержащего соединения, добавляемого к шламу, может быть выражено относительно массы сухого вещества. Обычно добавляемое количество составляет до примерно 30% от массы сухих твердых веществ. Предпочтительно количество добавляемого фосфорсодержащего соединения может составить от 0,1 до 20%, например, от 0,1 до 10%, так, как от 0,2 до 5% или от 0,4 до 2% от массы сухих твердых веществ.

Стадия (b) способа по настоящему изобретению может быть проведена за период от 1 секунды до 14 суток, например, от 6 до 24 часов, от 1 до 6 часов, от 1 до 60 минут, от 1 до 60 секунд, от 1 до 15 секунд.

Скорость добавления фосфорсодержащего соединения и скорость перемешивания являются важными для максимизации эффективности. Для максимизации эффективности обе должны быть настолько короткими, насколько это практически возможно, и время контакта должно быть максимизировано. В процессах, использующих осаждение шлама под воздействием естественной силы тяжести, стадия (b) предпочтительно занимает от 6 до 24 часов. В процессах, где обработанный шлам является, необязательно, обезвоженным, например, центрифугированием или фильтр-прессованием, для получения "лепешки шлама" стадию (b) предпочтительно проводят за время от 15 секунд до 24 часов. "Лепешка шлама" имеет значительно более высокое содержание твердых веществ, чем жидкий шлам. Для получения "лепешки шлама" могут быть использованы вещества, помогающие обезвоживанию, такие как хлориды полидиаллилдиметиламмония, полиамины, катионизированные полиакриламиды и анионные полиакриламиды.

Присутствующие в шламе патогенные микроорганизмы обычно выбирают из группы, состоящей из:

- бактерий, включая Escherichia coli, Salmonella spp., Shigella spp., Vibrio cholerae, Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, Campylobacter spp. и Yersinia pestis;

- вирусов, включая ротавирусы, кальцивирусы, аденовирусы группы F и астровирусы;

- простейших, включая Entamoeba spp., Giardia spp., Balantidium coli и Cryptosporidium spp.; и

- гельминтов и их яиц, включая нематоды, например, Ascaris lumbricoides (круглые черви), Trichuris trichiura (власоглав), Ancylostoma duodenale (анкилостома), Strongyloides stercoralis (острицы), трематоды, например Schistosoma spp., и цестоды, например Taenia saginata (бычий солитер) и Taenia solum (свиной солитер).

Предпочтительно способ согласно настоящему изобретению обеспечивает логарифмическое снижение патогенных организмов, присутствующих в шламе, от двух до шести.

Двухлогарифмическое снижение определяется уничтожением 99% присутствующих в шламе патогенных организмов. Шлам, обработанный таким образом, называется "шламом обычной обработки". Шестилогарифмическое снижение определяется уничтожением 99,9999% присутствующих в шламе патогенных организмов. Шлам, обработанный таким образом, называется "шламом улучшенной обработки".

Настоящее изобретение дополнительно предлагает шлам сточных вод, который обработан согласно описанному здесь выше способу.

Настоящее изобретение будет проиллюстрировано следующими примерами.

В примерах фосфорсодержащим соединением, использованным для обработки шлама, был 75 мас.% сульфат тетракис(гидроксиметил)фосфония (СТГМФ), поставляемый Rhodia Consumer Specialties Limited. Для целей данного патентного описания продукт будет называться далее "соль фосфония".

Для сравнения шламы сточных вод обрабатывали обычным дезинфицирующим соединением, дибромнитрилпропионамидом (ТБНПА).

В каждом примере наблюдаемой бактерией была E. coli.

1.1 Методология

Методикой, принятой для оценки действия биоцида, был количественный суспензионный тест (КСТ) с использованием стерильного шлама, обработанного в анаэробном автоклаве, в качестве среды КСТ, вновь инокулированного культурами E. coli, предварительно выделенными из шлама. Таким способом может быть использована совместимая химическая окружающая среда (стерильный шлам) в сочетании с определенным контрольным бактериальным заражением. Это дает возможность обеспечить согласованность между опытами.

1.2 Микробиологические оценки

Стерильный шлам получали из образцов сырого шлама нагреванием в автоклаве при 121°С в течение 20 минут. Штаммы E. coli, использованные в КСТ, выделяли из проб сырого шлама.

КСТ проводили следующим образом:

- Стерильный шлам (19 мл) распределяли по стерильным пластиковым универсальным пузырькам с завинчивающейся пробкой номинальной вместимостью 30 мл.

- К каждой пробе добавляли 0,5 мл промытой клеточной суспензии E. coli, приготовленной из культуры, инкубированной в течение 16 часов при 44°С в триптозносоевом бульоне, которую центрифугировали (14500 об/мин в течение 10 мин) и повторно суспендировали в стерильном фосфатном буфере (0,2 М при pH 7,2). 0,5 мл прививочного материала было достаточно для достижения конечной концентрации клеток около 10⁸ на мл в 20 мл среды КСТ.

- Свежие исходные растворы испытуемых химикатов для обработки готовили в стерильном фосфатном буфере (0,2 М при pH 7,2) при таких концентрациях, чтобы после добавления 0,5 мл в среду КСТ (конечный объем 20 мл) достигалась желаемая концентрация биоцида.

- Среду КСТ тщательно перемешивали и выдерживали при 22°С во время проведения опыта.

- С интервалами во время опыта шлам хорошо перемешивали и пробы (1,0 мл) отбирали из КСТ среды и инокулировали в первую пробирку ряда разбавлений, содержащую бульон MacConkey, дополненный тиосульфатом натрия (5,0 г/л) для инактивации любого остаточного биоцида, внесенного в ряд разбавлений. Это осуществляли дублированием.

- Остальные из серийных разбавлений (10 двойных шагов) проводили в одном бульоне MacConkey, и пробирки инкубировали при 44°С в течение 16 часов. Конечную точку оценивали как наивысшее разведение в серии, показывающее изменение цвета от пурпурного к желтому и имеющее развитое помутнение.

Бульон MacConkey, выбранный в качестве данной среды, содержит индикатор pH (бромкрезол пурпурный), который изменяет цвет от пурпурного до желтого, когда среда становится кислой. Это является полезным косвенным указателем микробного роста (продуцирования органической кислоты) там, где это не может быть замечено по развитию помутнения в первоначально прозрачной среде. Поскольку шлам содержит суспендированные твердые вещества, в первых двух пробирках ряда разведения при добавлении шлама немедленно появлялась муть. Это препятствует использованию одного помутнения в качестве индикатора микробного роста.

Биоциды, использованные для оценки, показаны в таблице ниже.

Тип биоцида	Активный ингредиент (АИ)	Процент АИ
Соль фосфония	СТГМФ	75
ДБНПА	ДБНПА	98

Примеры 1-3

Действие соли фосфония в интервале концентраций от 250 до 1000 мг/л показано на фиг.1. Концентрации в 250 и 500 мг/л дали подобные результаты с довольно плоской реакцией время/уничтожение за первые 6 часов контактного времени с последующим снижением в количестве до полного уничтожения в пределах 48 часов.

Реакция время/уничтожение при 1000 мг/л, напротив, была намного более быстрой. Реакция время/уничтожение за первые 6 часов контактного времени была более прогрессивной, и полное уничтожение достигалось в пределах 24 часов.

Для сравнения, концентрации E. coli в необработанном шламе медленно уменьшались естественным путем за период времени, показанный на фиг.2. Даже при начале с низкой концентрации E. coli в 10⁴ к.о.е/г.с.ш. требовалось 6 суток для достижения полного уничтожения. При начале с более высокой концентрации в 10^8,5 к.о.е/г.с.ш. концентрация лишь снижалась до 10⁴ к.о.е/г.с.ш. после 8 суток. Преимущество обработки солью фосфония является, следовательно, эффективно показанным.

Пример 4

Действие соли фосфония в сравнении с действием ДБНПА показано на фиг.3. Оба биоцида были испытаны при равной концентрации активного ингредиента в 500 мг/л. ДБНПА показал неожиданно слабое антимикробное действие, достигая лишь 2,5 log снижение количества после 48 часов.

Приведенные выше примеры демонстрируют следующие характеристики настоящего изобретения:

(а) Повышение концентрации использованной при обработке соли фосфония с 500 до 1000 мг/л дает значительное улучшение действия.

(b) При всех обработках достигалось оцениваемое полное уничтожение.

(c) При сравнении с действием ДБНПА действие соли фосфония было превосходящим.

1. Способ обработки шлама сточных вод для снижения содержания патогенных микроорганизмов в указанном шламе, включающий:

(а) добавление к шламу фосфорсодержащего соединения, где фосфорсодержащим соединением является соединение фосфония, где соединением фосфония является или i) тетракис(гидроксиметил)фосфониевая соль или (ii) соединение формулы (I)

где n является валентностью X;

R' и R'', которые могут быть одинаковыми или различными, выбраны из алкильного, гидроксиалкильного, алкенильного или арильного радикала, а Х представляет анион; или

где фосфорсодержащим соединением может быть алкилзамещенный фосфин формулы (II)

где каждый из R, которые могут быть одинаковыми или различными, выбран из алкильного, гидроксиалкильного, алкенильного или арильного радикала; и

(b) выдерживание фосфорсодержащего соединения в контакте со шламом в течение достаточного времени для того, чтобы обеспечить логарифмическое снижение количества патогенных микроорганизмов, присутствующих в шламе, от двух до шести.

2. Способ по п.1, в котором log снижение на 2 достигается за 24-х часовой период.

3. Способ по п.1, в котором фосфорсодержащее соединение выдерживают в контакте со шламом в течение времени, достаточного для снижения количества присутствующих в шламе патогенных микроорганизмов до log снижения на 3.

4. Способ по п.3, в котором фосфорсодержащее соединение выдерживают в контакте со шламом в течение времени, достаточного для снижения количества присутствующих в шламе патогенных микроорганизмов до log снижения на 4.

5. Способ по любому из пп.1-4, в котором патогенными микроорганизмами являются бактерии.

6. Способ по п.1, в котором шлам подвергают анаэробному разложению перед стадией (а).

7. Способ по п.1, в котором R' и R" предпочтительно имеют длину между 1 и 20 атомами углерода.

8. Способ по п.1, в котором Х предпочтительно выбирают из группы, состоящей из хлорида, сульфата, фосфата, ацетата, оксалата и бромида.

9. Способ по п.1, в котором соединением фосфония является сульфат тетракис(гидроксиметил)фосфония.

10. Способ по п.1, в котором соединение фосфония выбирают из хлорида тетракис(гидроксиметил)фосфония, бромида тетракис(гидроксиметил)фосфония, фосфата тетракис(гидроксиметил)фосфония, ацетата тетракис(гидроксиметил)фосфония или оксалата тетракис(гидроксиметил)фосфония.

11. Способ по п.1, в котором количество фосфорсодержащего соединения, добавляемого к шламу на стадии (а) способа по настоящему изобретению, составляет до 10000 мг/л.

12. Способ по п.11, в котором количество фосфорсодержащего соединения, добавляемого к шламу на стадии (а) способа по настоящему изобретению, составляет 100-2500 мг/л.

13. Способ по п.12, в котором количество фосфорорганического соединения, добавляемого к шламу на стадии (а) способа по настоящему изобретению, составляет 200-1000 мг/л.

14. Способ по п.1, в котором количество фосфорорганического соединения, добавляемого к шламу, выражают относительно к массе сухого вещества, и добавляемое количество составляет до примерно 30% от массы сухих твердых веществ.

15. Способ по п.14, в котором количество добавляемого фосфорсодержащего соединения составляет от 0,1 до 20% от массы сухих твердых веществ.

16. Способ по п.15, в котором количество добавляемого фосфорсодержащего соединения составляет от 0,1 до 10% от массы сухих твердых веществ.

17. Способ по п.14, в котором количество добавляемого фосфорсодержащего соединения составляет от 0,2 до 5% от массы сухих твердых веществ.

18. Способ по п.14, в котором количество добавляемого фосфорсодержащего соединения составляет от 0,4 до 2% от массы сухих твердых веществ.

19. Способ по п.1, в котором стадию (b) способа по настоящему изобретению проводят за период от 1 с до 14 суток.

20. Способ по п.19, в котором стадию (b) способа по настоящему изобретению проводят за период от 6 до 24 ч.

21. Способ по п.19, в котором стадия (b) способа по настоящему изобретению может быть проведена за период от 15 с до 24 ч.

22. Способ по п.1, в котором присутствующие в шламе патогенные организмы выбирают из группы, состоящей из бактерий, вирусов, простейших и гельминтов.

23. Способ по п.22, в котором бактерии выбраны из группы, состоящей из Escherichia coli, Salmonella spp., Shigella spp., Vibrio cholerae, Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, Campylobacter spp. и Yersinia pestis.

24. Способ по п.22, в котором вирусы выбраны из группы, состоящей из ротавирусов, кальцивирусов, аденовирусов группы F и астровирусов.

25. Способ по п.22, в котором простейшие выбраны из группы, состоящей из Entamoeba spp., Giardia spp., Balantidium coli и Cryptosporidium spp.

26. Способ по п.22, в котором гельминты выбраны из группы, состоящей из Ascaris lumbricoides (круглые черви), Trichuris trichiura (власоглав), Ancylostoma duodenale (анкилостома), Strongyloides stercoralis (острицы), Schistosoma spp., Taenia saginata (бычий солитер), Taenia solum (свиной солитер) и их яиц.

27. Шлам сточных вод, обработанный согласно способу по любому одному из пп.1-26.