Магнитный носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОИ СОБСТВЕННОСТИ(54) МАГНИТНЫЙ носитвль БИОМАССЬ 1 фильтров дляБИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Бе лого НАН Беларуси (ВУ)(72) Авторы Пинчук Леонид Семенович Макаревич Анна Владимировна Кравцов Александр Геннадьевич Короткий Максим Васильевич Самсонова Алиса Самуиловна АлеЩенкова Зинаида Михайловна (ВУ) Ли Юнг-Хун Хван Светлана Владимировна (КК)(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси (ВУ)Магнитный носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод,выполненный из полипропилена, наполненного магнитно-твердым ферритом, в виде имеющих стабильную форму конструкционных нетканых элементов с толщиной стенки 68 мм, которые состоят из волокон, соединенных когезионнь 1 ми спайками в местах контакта, и намагничены до значений остаточной магнитной индукции Вт 5 0,5 мТл, отличаюЩийся тем, что диаметр волокон составляет 10-200 мкм, степень их наполнения магнитно-твердым ферритом составляет 14-17 мас. , а конструкционные нетканые элементы несут стабильный в сточной воде электрический поляризационный заряд отрицательной полярности с эффективной поверхностной плотностью 8-9 нКл/см 2.Изобретение относится к технике биологической очистки промышленных и бытовых сточных вод с помощью аэробных биофильтров, снабженных твердой неподвижной загрузкой - носителем микроорганизмов.Современное поколение носителей микроорганизмов в биофильтрах представляет собой волокнистые нетканые элементы, полученные переработкой полимерных материаловМетодом пневмоэкструзии (шеП-Ыошйп). Элементы в виде листов И отрезков труб соединяют в блоки с помощью металлических шпилек 1, тросов 2, сварки 3 или выполняют в виде волокнистых полимерных покрытий, нанесенных методом шеП-Ыошйп на несущий решетчатый каркас 4.Их недостатки - сложность систем крепления. Низкая коррозионная стойкость металлических элементов и значительный объем нерабочего пространства между элементами блоков.Носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод 5 выполнен в виде имеющих стабильную форму конструкционных нетканых элементов. Они состоят из полипропиленовых волокон со средним диаметром 10-200 мкм, соединенных когезионнь 1 ми спайками в местах контакта.Главный недостаток таких носителей состоит в том, что они не оказывают активного воздействия на жизнедеятельность микроорганизмов.Инструментом такого воздействия могли бы быть электрические и магнитные поля,источником которых являются носители.Известны носители микроорганизмов в биофильтрах для очистки загрязненных органикой сточных вод, состоящие из полимерных материалов, наполненных магнетиком б.Их недостатками являются высокая материалоемкость при небольшой удельной поверхности носителя.Этого недостатка в значительной мере лишены носители 7 на основе стеклоткани или капроновой ткани, модифицированной суспензией магнитного порошка, который в процессе обработки ткани суспензией оказывается закрепленным на ее поверхности.Недостаток тканевых носителей состоит в том, что они не имеют стабильной формы. Это обусловливает необходимость металлических несущих каркасов со всеми вь 1 текающими последствиями. Кроме того, применение модифицирующих суспензионных покрь 1 тий ограничивает возможности активного воздействия на микроорганизмы из-за небольшой напряженности постоянного магнитного поля носителей.Прототипом изобретения является носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод 8. Носитель имеет вид формоустойчивых конструкционных нетканых элементов с толщиной стенки 6-8 мм. Они образованы волокнами из наполненного магнитно-твердым порошком термопласта, которые когезионно соединены в местах контакта и образуют несущий механическую нагрузку каркас. Элементы намагничены до значений остаточной магнитной индукции В, 5 0,5 мТл.носитель является источником только магнитного поля, воздействие которого не всегда стимулирует активность микроорганизмов в достаточной степенипри размагничивании частиц наполнителя активность носителя, эксплуатируемого в жестких условиях (агрессивные сточные воды, регенерация водяным паром), существенно снижаетсяв прототипе не используется благоприятная возможность повышения эффективности носителя путем обработки в электрических полях, обусловленная наличием в волокнах наполнителя, электропроводность которого выше, чем полимерной основы волокон.Задачи, на решение которых направлено изобретение1) повысить активность носителя, придав ему свойство быть источником как магнитного, так и электрического полей2) повысить плотность электрического поляризационного заряда на носителях благодаря более высокой, чем полимер, электропроводности наполнителя, что позволяет применять при поляризации носителя токи большей величины3) повысить стабильность поляризационного заряда на носителях благодаря дополнительной (релаксационной) поляризации макромолекул связующего в магнитном поле наполнителя.Поставленные задачи решаются тем, что Известному носителю биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод, выполненному в виде формоустойчивь 1 х конструкционных нетканых элементов с толщиной стенки 6-8 мм, образованных волокнами диаметром 10-200 мкм из наполненного магнитным порошком термопласта, которые когезионно соединены в местах контакта и образуют несущий механическую нагрузку каркас,намагниченный до значений остаточной магнитной индукции Вг 5 0,5 мТл, придано новое свойство. Носитель является одновременно источником постоянных магнитного и электрическою полей. Степень наполнения волокон на основе полипропилена магнитнотвердым ферритом составляет 14-17 мас. . В носителе сформирован стабильный в сточной воде поляризационный заряд отрицательной полярности, который характеризуется эффективной поверхностной плотностью 8-9 нКл/см 2.Сущность изобретения состоит, во-первых, в том, что носитель активирует метаболизм микроорганизмов, воздействуя на них собственными постоянными электрическими и магнитными полями, и, во-вторых, в том, что предложенная степень наполнения полипропилена ферритом (14-17 мас. ) позволяет сформировать в носителе наибольщий поляризационный заряд (плотностью 8-9 нКл/см 2), недостижимый для исходного и наполненного, с другими степенями наполнения, полипропилена.Приведем примеры реализации изобретения.Носители в виде колец с внутренним диаметром 40 мм, толщиной стенки 5-6 мм и вь 1 сотой 30 мм формировали методом шеП-Ыошйп из полипропилена, наполненного порошком феррита бария с размерами частиц менее 5 мкм. Экструдер (диаметр щнека - 24 мм) был оснащен распылительной головкой, содержащей фильеру с 50 отверстиями диаметром 0,5 мм. Температурные режимы были следующими в экструдере Т 1 190 С,Т 320 С, в распылительной головке Т 3 400 С. Параметры распыляющего воздуха температура Т 4 60 С, давление р 20-30 кПа. Трубчатые заготовки носителей формировали из волокон со средним диаметром (1 80 мкм, которые осаждали на вращающейся заземленной оправке. Возле отверстий фильеры был установлен блок игольчатых электродов, соединенный с источником высокого напряжения. Носитель-прототип формировали не подавая напряжения на электроды. Готовые носители намагничивали до нась 1 щения с помощью магнито-импульсной установки (энергия импульса - до 20 кДж). Остаточная магнитная индукция каждого из образцов была в пределах В, 0,32 1 0,07 мТл.Эффективную поверхностную плотность се заряда на носителях измеряли компенсационным методом. Средние значения результатов 10 измерений, выполненных на образцах каждого типа, приведены в таблице.Эффективность образцов как носителей биомассы в биофильтрах оценивали, определяя кинетику иммобилизации на них микроорганизмов и эффективность очистки модельной сточной воды, с помощью стандартных биофильтров, каждый из которых был укомплектован носителями определенного типа.Методика определения параметров адсорбционной иммобилизации микроорганизмов на образцах состояла в следующем. Культуральную жидкость Кпобососсиз гиЬег 2 В(109 клеток/мл) вносили в колбы Эрленмейера. Туда же помещали образцы носителей. Через 2 часа в колбы добавляли 0,2 об. дизельного топлива и их содержимое интенсивно перемещивали при температуре 29 С. Иммобилизацию микроорганизмов контролировали весовым методом. В таблице приведены значения удельной массы (М) микроорганизмов, усредненные по результатам трех независимых экспериментов для каждого типа образцов.Методика определения эффективности очистки сточной воды предусматривает использование погружных биофильтров объемом 1 дм 3. В течение первых 30 сут. в биофильтрах (каждый из которых содержал определенный тип образцов носителей) наращивали биопленку на носителях. Для этого осуществляли рециркуляцию жидкостиКпобососсиз шЬег 2 В, содержащей в качестве источника энергии микроорганизмов дизельное топливо (0,1 об. ) и биогенные добавки (ЫаС 1, М 35 О 4, КН 2 РО 4, (1 ТН 4)2 НРО 4, В 16928 С 1рН 7,3-7,4). Затем начинали собственно Испытания, прокачивая через биофильтрь 1 модельную сточную воду. Она содержала дизельное топливо, количество которого соответствовало значению показателя химического потребления кислорода ХПК 1 350 мг/л. Аэрацию носителей проводили воздухом, который подавали в биофильтрь 1 от компрессора со скоростью 18 л/ч. Эффективность (Э, ) биоочистки оценивали при разных расходах сточной воды по формуле ХПК 1 ХПК 2 ХПКгде индексы 1 и 2 соответствуют воде на входе и выходе из биофильтра. ХПК определяли стандартным бихроматным методом.Результаты испытаний представлены в таблице.Анализ данных таблицы приводит к следующим заключениям.1. Совместное действие собственных электрического и магнитного полей носителей(образцы 1-6) при прочих равных условиях активирует метаболизм микроорганизмов в большей мере, чем влияние только магнитного поля (образец 7 - прототип).2. Образцам 2-4 соответствуют наилучшие кинетические параметры М и самые вь 1 сокие значения Э при всех исследованных расходах стоков. По этим параметрам они значительно превосходят прототип.3. При одинаковой степени наполнения магнетиком заряжение носителя отрицательной короной более эффективно, чем положительной (образцы 3 и 6). Кроме того, магнитный носитель, несущий поляризационный заряд положительной полярности (образец 6),имеет значения М и Э ниже, чем образец с таким же по абсолютной величине, но отрицательным од (образец 1).4. Наполнение образцов ферритом немонотонно влияет на величину формируемого в них поляризационного заряда. У образцов 1 и 5 (степень наполнения 12 и 19 мас. ) плотность заряда Се -5 нКл/см 2 и -3 нКл/см 2 заметно меньше, чем у образцов 2-4 (14-17 мас. ),для которых се -(8 9) нКл/см 2. Это можно объяснить следующим образом. Феррит бария относится к классу полупроводников и имеет более высокую электропроводность, чем полипропилен. Вначале наполнение обусловливает рост токов в образцах при электрической поляризации, благодаря чему Се возрастает. При дальнейшем наполнении ( 15 17 мас. ) преобладает стекание поляризационного заряда с образцов по цепочкам проводимости,состоящим из частиц феррита. Таким образом, ферритовый наполнитель выполняет в носителе две функции источника магнитного поля и компонента, повышающего электрический поляризационный заряд в носителе.Итак, применение предложенных носителей позволяетулучшить показатель адсорбции микроорганизмов на неподвижной загрузке биофильтра, являющейся одновременно источником постоянных электрического и магнитного полейувеличить активность микроорганизмов в процессе биодеградации дизельного топлива, что обусловливает повышение эффективности очистки сточных водактивировать адсорбцию углеводородных молекул загрязнителя в физических полях носителя, чем объясняется значительное повышение эффективности очистки сточных вод биофильтрами, которые укомплектованы предложенными носителямисохранить неизменной традиционную конструкцию биофильтровобеспечить максимальную эффективность активирующего воздействия носителя на микроорганизмы, благодаря синергическому эффекту, возникающему при локализации в волокнах источников электрического и магнитного полей.Предложенный носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод позволяет с высокой эффективностью реализовать в промышленных условиях процессы