Носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод

( 02 3/02, 148) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ НОСИТЕЛЬ БИОМАССЫ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД(71) Заявитель Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Б(73) Патентообладатель Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Б(57) 1. Носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод, выполненный из волокнистого синтетического материала, модифицированного частицами магнитного порошка, отличающийся тем, что носитель имеет вид формоустойчивых конструкционных нетканых элементов с толщиной стенки 6-8 мм, образованных волокнами из наполненного магнитным порошком термопласта, которые когезионно соединены в местах контакта, образуя несущий механическую нагрузку волокнистый каркас, и намагничены до значений остаточной магнитной индукции В 0,5 мТл. 2. Носитель биомассы фильтров по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности наполненных магнитным порошком волокон термопласта адгезионно закреплены частицы активного угля или измельченные углеродные волокна. Изобретение относится к области биологической очистки промышленных и бытовых сточных вод с помощью аэробных биофильтров, снабженных твердой неподвижной загрузкой - носителем микробной биомассы. Известны конструкции элементов для удерживания микроорганизмов в биофильтрах очистки сточных вод, выполненные в виде собранных в блоки трубок из пластика 1, стекла, металла, либо закрепленных на каркасе полос полимерной пленки и гофрированных пластмассовых листов 2. Их общими недостатками являются сложность механических систем крепления отдельных элементов и высокая материалоемкость конструкций при небольшой удельной (отнесенной к массе) поверхности носителя. Более дешевые носители - гранулированные пористые керамические и углеродные материалы 3. Имея значительную массу, они создают большую механическую нагрузку на биофильтр, а фильтрующий слой из них характеризуется высоким гидродинамическим сопротивлением. Для фиксации микроорганизмов в биофильтрах используют волокнистые тканые и нетканые материалы,в том числе в виде клубков перепутанных синтетических волокон 4. Их недостатки связаны с низкой механической жесткостью носителей, которые легко деформируются под нагрузкой, возникающей от прироста биомассы и циркуляции в биофильтре газожидкостных потоков. Они инертны и не могут влиять на рост микроорганизмов. 3903 1 Чтобы интенсифицировать адсорбцию загрязнений, используют носители в виде полимерных листов или полос, которые наполнены активным углем 5. Наметилась тенденция к применению носителей биомассы - источников магнитного поля. Носители из пластмасс, наполненных магнетиками, повышают степень удерживания микроорганизмов 6. Общим недостатком этих решений является невысокая удельная поверхность носителей, выполненных в виде пластмассовых деталей. Прототипом изобретения служит загрузка для биологической очистки сточных вод в виде синтетической ткани, в межволоконном пространстве которой закреплены частицы магнитного порошка, подвергнутые намагничиванию 7. Недостаток прототипа состоит в низкой механической жесткости тканых элементов, которые легко деформируются под нагрузкой, увеличивая гидродинамическое сопротивление фильтрующего слоя. Нестабильность свободного объема, в котором поселены микроорганизмы, снижает их жизнеспособность при критических режимах работы биофильтров (залповые выбросы стоков, изменения температуры, рН и др.). Задача, на решение которой направлено изобретение, - создание носителя биомассы фильтров биологической очистки, обладающего следующим комплексом свойств значительная сорбционная емкость по отношению к биомассе и свойство стимулировать ее активность хорошая проницаемость по отношению к воде, биоконверсируемым веществам и кислороду низкое гидродинамическое сопротивление фильтрующего биослоя низкие механические нагрузки на биофильтр снижение времени вывода биофильтра на стационарный режим работы низкая материалоемкость, возможность использования вторичных материалов. Поставленная задача достигается тем, что известному носителю биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод, выполненному в виде ткани из волокнистого синтетического материала с закрепленными на волокнах и между ними частицами магнитных веществ, приданы новые структурные признаки. Заявленный носитель имеет вид формоустойчивых конструкционных элементов с толщиной стенки 6-8 мм. Нетканые элементы образованы волокнами из термопластичного полимера, наполненного магнетиками(магнитно-мягкими или магнитно-твердыми веществами). Волокна когезионно соединены в местах контакта мостиками сварки, образуя несущий механическую нагрузку волокнистый каркас. Частицы магнитного наполнителя намагничены так, что остаточная магнитная индукция элементов составляет В 0,5 мТл. Вариант предложенного носителя отличается тем, что на поверхности наполненных магнетиками волокон адгезионно закреплены частицы активного угля или углеродные волокна. Сущность изобретения состоит в том, что носитель биомассы фильтров, характеризующийся низким гидравлическим сопротивлением и легко проницаемый для аэрирующего воздуха, благодаря когезионному скреплению волокон, приобретает структуру армирующего каркаса. Это дает возможность выполнять носитель в виде формоустойчивых и достаточно жестких конструкционных элементов, которые создают наиболее благоприятные условия для метаболизма иммобилизованных микроорганизмов. Их жизнедеятельность стимулируется магнитным полем частиц наполнителя, находящихся внутри волокон. Углеродные частицы, закрепленные на поверхности волокон, адсорбируют загрязнения, интенсифицируя процесс очистки сточных вод. Адсорбированные загрязнения затем деструктируются микроорганизмами. Таким образом носитель приобретает свойства автономной биосистемы, достаточно устойчивой к внешним воздействиям. Приведем примеры использования заявленного носителя биомассы биофильтров. Элементы носителя в виде колец (внутренний диаметр - 40 мм, толщина стенки - 6, высота - 30 мм) были изготовлены методом - - распыления расплава полимера потоком газа. Расплав полимерного материала с диспергированными в нем частицами магнетика перерабатывался в экструдере, выдавливался через фильеру в виде волокон. На выходе из фильеры волокна подхватывались воздушным потоком, создаваемым распылительной головкой. Углеродный наполнитель вводили в воздушный распыляющий поток 8. Газополимерный поток направляли на цилиндрическую вращающуюся охлаждаемую оправку. После застывания волокнистой массы, когезионно скрепленной в местах контакта волокон мостиками сварки, заготовки снимали с оправки и разрезали на кольца. Образцы изготавливали из полипропилена (ПП, ГОСТ 26996-86), полиэтилена низкого давления (ПЭНД,ГОСТ 16338-86 Е) и полиамида 610 литьевого (ПА, ГОСТ 10589-87). В качестве магнитного наполнителя и модификаторов применяли порошок феррита бария (ФБ, ТУ-6-05-1984-85) с размером частиц менее 5 мкм порошок угля активного с размером частиц 50-200 мкм (АУ, ГОСТ 6217-74) волокна углеродные(ВУ) длиной 2-3 мм со средним диаметром 20 мкм. Кольца были сформированы из волокон диаметром 40-80 мкм, плотность полимерного каркаса составляла 0,2-0,3 г/см 3. Прототипом служили ленты (ширина - 5 см) из листового (толщина - 8 мм) иглопробивного материала на основе волокон (диаметр - 50 мкм) ПП. Ленты пропитывали водной суспензией (концентрация - 75 ) ФБ. Готовые образцы намагничивали до насыщения с помощью магнито-импульсной установки (энергия импульса - до 20 кДж). Остаточная магнитная индукция В образцов зависела от концентрации в них ФБ. Состав и магнитные параметры образцов приведены в табл. 1. 2 Эффективность носителей оценивали по результатам биологической очистки стоков с помощью пилотного биофильтра. Его параметры объем - 5,3 дм 3, объем и высота фильтрующего слоя - 4,6 дм 3 и 1,70 м, предельный расход воздуха -1 дм 3/(л стокачас). В биофильтр засевали сложную культуру микроорганизмов,.,В качестве очищаемой среды использовали сточные воды химического предприятия, содержащие комплекс загрязнителей в следующих концентрациях (мг/л) этилгексанол (2538), хлорэтилгексил (1840), хлористый натрий (1200), ацетон (900), изопропанол (770) и др. Общая загрязненность стоков по индексу химического потребления кислорода (ХПК) составляла 14,1 г/л. Эффективность очистки оценивали по величине ХПК на выходе биофильтра. Скорость выхода биофильтра на стационарный режим работыопределяли по времени от момента запуска реактора до достижения степени очистки 90 и более. Результаты испытаний представлены в табл. 2. Видно, что заявленный носитель превосходит прототип по временизапуска биофильтра. По-видимому, новый носитель, благодаря оптимальным структурным параметрам волокнистого каркаса, обеспечивает наилучшие условия для аэрации и доставки бактериям питательных веществ, что приводит к быстрому приросту биомассы. Это преимущество не связано со стимулирующим действием магнитного поля, т.к. значения В у прототипа (пример 8) и лучших образцов заявленного носителя (3, 6, 7, 9, 10) примерно одинаковы. По эффективности очистки при прочих равных условиях имеют преимущество носители с В 0,15-0,35 мТл в примерах 1-5, соответствующих носителям с ПП каркасом, эффективность очистки с увеличением В возрастает, а затем снижается. Механизм биологического воздействия слабых магнитных полей состоит во взаимодействии поля с парамагнитными молекулярными мишенями в клеточных структурах, например с ферментами, которые катализируют жизнеобеспечивающие биохимические реакции, протекающие с переносом электрона. Парамагнитные свойства микробных клеток обусловливают также пространственно-ориентирующее влияние на них магнитных полей. Благодаря этому усиливается степень удерживания микроорганизмов на носителе и повышается равномерность их распределения в фильтрующем слое биофильтра. Сравнение эффективности очистки в примерах 1-8 свидетельствует, что эти процессы протекают оптимально на носителях с В 0,5 мТл. Самые лучшие показатели эффективности очистки соответствуют заявленным носителям, содержащим активный уголь или углеродные волокна (9, 10). Это указывает, что процесс очистки определяется не только скоростью микробной деградации примесей, но зависит от степени их сорбционного концентрирования в объеме носителя. Последнее способствует интенсификации процесса аэробной биоочистки воды. Анализ поперечных срезов контрольных волокнистых элементов разной толщины показал, что глубина прорастания пленки аэробных бактерий в немодифицированные полимерные каркасы составляет 2-2,5 мм, а в заявленные носители - 3-4 мм. Поэтому оптимальная толщина стенок в элементах носителя не превышает 6-8 мм. Варьируя структурно-концентрационные параметры волокнистых полимерных носителей, можно адаптировать их к разным режимам биоочистки и нагрузкам биофильтра. Предложенные носители имеют низкую удельную массу (не более 0,3 г/см 3), что обусловливает снижение механической нагрузки на биофильтр и,следовательно, его материалоемкости. Носители достаточно просто регенерировать путем обработки водяным паром, в процессе которой конструкционные элементы носителя не теряют своих формы и жесткости. Для изготовления носителя можно использовать вторичные полимеры, что значительно удешевляет его стоимость. Источники информации 1. А.с. 1542917 СССР, МПК 02, 1990. 2. А.с. 1560486 СССР, МПК 02, 1990. 3. Пат. заявка 2-26558 Японии,02, 1991. 4. Пат. заявка 2-639342 Франции,02, 1990. 5. Патент 2004505 РФ,02, 1993. 6. Пат. заявка 62-50200 Японии,02, 1987. 7. А.с. 16401260, МПК 02, 1991 (прототип). 8. Пат. 2406 РБ В 01, 1998. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4