Носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод

02 3/10 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ НОСИТЕЛЬ БИОМАССЫ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД(71) Заявитель Институт механики металлополимерных систем НАНБ (ИММС НАНБ)(73) Патентообладатель Институт механики металлополимерных систем НАНБ (ИММС НАНБ)(57) 1. Носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод, из нетканого волокнистопористого синтетического материала, отличающийся тем, что он выполнен из волокон термопластичного полимера диаметром 10-200 мкм, которые соединены между собой когезионными спайками в местах контакта, и имеет объемную плотность 0,2-0,3 г/см 3. 2. Носитель по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности полимерных волокон адгезионно закреплены частицы активного угля или измельченные углеродные волокна.(56) 1. А.с. СССР 1291552, МПК 02 3/04, 1987. 2. А СССР 1542917, МПК 02 3/04, 1990. 3. А СССР 1502487, МПК 02 3/30, 1989. 4. Заявка ФРГ 3641960, МПК 02 3/10, 01 20/28, 12 1/00, 3/04, 1988. 5. А СССР 1560486, МПК 02 3/04, 1990. 6. Заявка Японии 2-26558, МПК 02 3/10, 3/08, 1990. 7. Пат. ГДР 270521, МПК 02 3/00, 1989. 8. Заявка ЕПВ 0324314, МПК 02 3/10, 3/08, 1989. 9. Пат. США 4956093, МПК 02 3/08, 1990. 10. Городецкая Р.К., Грачева Л.И. Применение эластичного пенополиуретана в качестве фильтрующего и сорбирующего материала //Хим.пром.-1991.- 11. С. 13-18. 11. Заявка Японии 1 249194, МПК СО 2 3/10, 1989. 12. Заявка Франции 2639342, МПК 02 3/06, 3/12, 3/28, 1990 (прототип). Изобретение относится к технике биологической очистки промышленных и бытовых сточных вод на аэробных биофильтрах с твердой неподвижной загрузкой-носителем микроорганизмов. Известны конструкции насадок для удерживания микроорганизмов в биофильтрах, выполненные в виде трубок из стекла, металла, пластмассы, собранных в блоки 1,2 либо из полосок полимера, гофрированных пластмассовых листов, стекловолокнистого шнура типа ерш, укрепленных на опорном каркасе 3,4,5. Общими недостатками этих конструкций является необходимость использования сложных систем крепления насадки, высокая материалоемкость при небольшой удельной поверхности носителя. Это ограничивает количество иммобилизованной биомассы и, следовательно, эффективность и пропускную способность биофильтра. Более высокие технические показатели имеют носители микроорганизмов для биофильтров, выполненные из пористых керамических и углеродных материалов 6,7. 2753 1 Однако керамические элементы, обладающие высокой удельной массой, значительно утяжеляют конструкцию биореакторов. Кроме того, керамические и углеродные носители создают в биореакторе фильтрующий слой с высоким гидродинамическим сопротивлением. Для устранения этого недостатка используют подложки, на отдельных участках которых закреплены гранулы углеродного материала 8, а также свободные частицы углеродного материала с иммобилизованной биомассой, приведенные в состояние псевдоожиженного 7,9, что требует значительных энергетических затрат. Широкое распространение для фиксации микроорганизмов при очистке воды в биореакторах получили подложки из вспененных 10, волокнисто-пористых тканых 11 и нетканых 12 (прототип) полимерных материалов. Из них наиболее высокой адсорбционной способностью по отношению к биомассе обладают тонковолокнистые высокопористые носители. Загрузка-прототип представляет собой клубки из перепутанных синтетических волокон 12. Недостаток прототипа состоит в недостаточной прочности и жесткости пористых элементов насадки, что не позволяет придать им определенную форму. Кроме того, носители биомассы в биофильтре находятся под действием механических и гравитационных нагрузок, связанных с наличием циркулирующих в реакторе газожидкостных потоков, приростом биомассы во времени и т.д. Это повышает вероятность деформации и даже разрушения элементов носителя при критических режимах эксплуатации. Поэтому процесс очистки вод в биореакторах с такой загрузкой не устойчив и не достигает заданного уровня надежности. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - это создание носителя биомассы для биофильтров, обладающего следующим комплексом свойств 1) значительная сорбционная емкость по отношению к биомассе с сохранением ее активности и достижение высокой эффективности биоочистки 2) хорошая проницаемость по отношению к воздуху и воде 3) низкое гидродинамическое сопротивление фильтрующего биослоя 4) технологичность в изготовлении и монтаже, низкие механические нагрузки а биофильтр 5) высокая скорость вывода биофильтра на режим 6) стабильные режимы и надежность биоочистки 7) возможность регулирования параметров процесса путем изменения структуры элементов загрузки 8) низкая материалоемкость, экономия пластических масс за счет использования вторичных материалов. Поставленная задача достигается тем, что известный носитель биомассы, изготовленный из волокнистого синтетического материала, имеет форму колец Рашига - распространенного вида насадок, применяемых в химической технологии. Толщина колец-носителей 4-5 мм, диаметр 40-50 мм. Носителю может быть придана форма иных насадок с такой же толщиной стенки-седел, спиралей, полусфер или других тел, обладающих устойчивостью формы и конструкционной прочностью. Это возможно потому, что носители образованы волокнами диаметром 10-200 мкм из термопластичного полимера, которые соединены между собой когезионными спайками в местах контакта. Плотность таких носителей составляет 0,2-0,3 г/см 3. Вариант предложенного носителя биомассы отличается тем, что на поверхности полимерных волокон адгезионно закреплены частицы активного угля (АУ), либо отрезки углеродных волокон (УВ). Волокнисто-пористые элементы-носители биомассы получают методом экструзии термопластичного полимерного материала и распыления расплава потоком газа (технология -). Газо-полимерный поток направляет на охлаждаемую формообразующую подложку. Углеродный наполнитель инжектируют в вире аэрозоля твердых частиц в поток распыляющего газа. Путем варьирования температурно-динамических режимов распыления расплавов можно изготавливать элементы различной формы и структуры. Волокнистые носители в виде колец Рашига (внутренний диаметр - 40 мм, высота - 30 мм) изготавливали из полимерных материалов - полиэтилена низкого давления ПЭНД, полипропилена ПП, полиамида ПА. Изменяемые параметры - толщина колец , диаметр волокон , плотность- приведены в табл. 1. Активную иммобилизацию биомассы проводили при температуре 28 С непосредственно в культуральной жидкости рН 6,5-7,5 в течение 24-26 ч. Жидкость содержала суточную культуру микробной ассоциации Вас ,и. Величины удельной сорбции биомассы, приходящейся на единицу массы носителя, (табл. 2) рассчитывали по разнице веса высушенного образца до и после иммобилизации. Из табл.2 видно, что заявленные носители характеризуются более высокими значениями удельной сорбции биомассы по сравнению с прототипом и типовыми носителями, применяемыми в фильтрах биоочистки воды. За исключением образца 1 все исследованные образцы смачиваются культуральной жидкостью за технологически приемлимое время. Увеличение плотности образцов более 0,30 г/см 3 (образец 12) заметно удлиняет время смачивания. Замечено, что глубина прорастания пленки аэробных бактерий в заявленный материал составляет 2-2,5 мм. Поэтому оптимальная толщина колец составляет 4-5 мм видно, что удельная сорбция бактерий на образцах 7 толщиной 7 мм значительно меньше, чем на 5-6, имеющих оптимальную толщину. 2753 1 Увеличение диаметра волокон более 200 мм (образец 15) приводит к снижению удельной сорбции до значений ниже, чем у прототипа ( 18). Способность к сорбции биомассы увеличивается при введении в состав носителя адсорбционно-активных наполнителей ( 19-23). Данные табл. 3 подтверждают мнение о нецелесообразности уменьшения диаметра волокон менее 10 мкм и плотности носителей ниже 0,20 г/см 3 образцы 1 и 8 имеют неудовлетворительные параметры критической нагрузки смятия кольца и прочности при растяжении. В то же время увеличение диаметра более 200 мкм ( 15) и плотности более 0,30 г/см 3 ( 12) не дают заметного выигрыша в прочности. Эффективность носителей микроорганизмов в процессе биологической очистки жидкостей оценивали на пилотных биофильтрах объемом 5,3 дм 3, при объеме и высоте фильтрующего слоя соответственно 4,8 дм 3 и 1,75 м. Предельный расход воздуха 1 дм 3/дм 3 стокачас. Очищали сточные воды химического предприятия,содержащие комплекс загрязнителей в следующих концентрациях (мг/л) изопропанол (770), этилгексанол(30), хлористый натрий (1200), окись мезитила (100), толуол (50) и др. Общая загрязненность стоков по индексу химического потребления кислорода (ХПК) составляла 14,1 г/л. Эффективность очистки рассчитывали по снижению ХПК на выходе реактора относительно входной величины. В табл. 4 приведены данные, показывающие, что заявленные носители превосходят прототип. При увеличении расхода стоков, биоочистка с помощью носителя-прототипа приобрела неустойчивый характер с всплесками ХПК на выходе. Это, очевидно, связано с деформацией волокнистых элементов,имеющих вид клубков, и нарушением массообмена в отдельных зонах реактора. После 4-х месяцев работы образцы заявляемого носителя не проявили признаков разрушения, загрузка-прототип частично разрушилась. Дополнительно проводили сравнительную оценку эффективности носителей биомассы в процессе биологической очистки сточных вод атомной электростанции, загрязненных маслопродуктами (табл. 5). Концентрация эмульсий масел в воде изменялась в пределах от 18 до 270 мг/л. Конструкционные параметры биофильтров и удельный расход воздуха были аналогичны вышеописанным. В биофильтры засевали культуры микроорганизмов.,.,. Длительность испытаний составляла 8 месяцев, время поддержания разных режимов 5-14 суток. Анализ содержания маслопродуктов в воде на входе и выходе биофильтров проводили путем их экстракции хлороформом с последующим гравиметрическим или спектрофотометрическим определением. Из табл. 5 видно, что заявленные носители более эффективны, чем прототип. Они выходят на стационарный режим биоочистки в среднем за 15 сут., в то время, как биореакторы с керамзитовой загрузкой - за 29 сут., а с загрузкой-прототипом - за 22 сут. Из приведенных данных также следует, что, варьируя структурные параметры заявляемых элементовносителей биомассы, можно адаптировать их к любым требуемым режимам биоочистки и нагрузкам биофильтра. В частности, изготовление заявляемых элементов способом - позволяет создавать неравномерное распределение диаметров волокон, плотности и пористости в объеме элемента. Это дает возможность обеспечить адекватный массообмен внутри реактора, т.е. свободный доступ микроорганизмов к биоконверсируемым загрязнениям, ликвидацию локальных накоплений интермедиатов и быстрое распределение очищаемой жидкости и воздуха внутри фильтрующего биослоя. Заявляемые носители биомассы достаточно просто регенерировать. Они не разрушаются при обработке водяным паром, выдерживают повторную разгрузку и загрузку. ПА ПЭНД ПП (прототип) ППАУ (20 ) ППУВ (20 ) ПААУ (20 ) ПАУВ (20 ) ПЭНДАУ (20 ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 (прототип) 19 20 21 22 23 Керамзит фракции 20-40 мм Мелкопористая керамика (кольца) Крупнопористая керамика (кольца) Пенополиуретан (гранулы) Критическая нагрузка при сжатии,Н 15 26 34 29 40 41 42 21 48 50 51 53 59 62 63 35 43 0,5 40 44 37 39 41 Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 0,43 0,65 0,67 0,71 0,70 0,71 0,70 0,72 0,91 1,00 1,08 1,11 1,21 1,43 1,44 1,76 0,73 0,3 0,72 0,91 1,75 1,97 0,71 Таблица 4 ХПК на выходе из биофильтра г/л 1,2 0,4 0,7 1,2 1,4 1,1 0,2 0,5 0,8 1,2 1,1 0,3 0,7 1,1 1,2 1,1 0,1 0,3 0,8 1,3 1,5 0,8 1,5 не устойчиво не устойчиво Исходное содержание маслопродуктов в стоках мг/л Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 6