Носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод и способ его изготовления

НОСИТЕЛЬ БИОМАССЫ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В. А. Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пинчук Леонид Семенович Макаревич Анна Владимировна Кравцов Александр Геннадьевич Короткий Максим Васильевич Самсонова Алиса Самуиловна Алещенкова Зинаида МихайловнаЛи Юнг-Хун Хван Светлана Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод, выполненный в виде конструкционного элемента стабильной формы из полипропиленовых волокон со средним диаметром 10-200 мкм, которые соединены когезионными спайками в местах контакта так, что объемная плотность элемента составляет 0,2-0,3 г/см 3, отличающийся тем,что элемент несет стабильный в сточной воде поляризационный заряд отрицательной полярности, характеризующийся эффективной поверхностной плотностью 1-7 нКл/см 2. 7228 1 2005.09.30 2. Способ получения носителя биомассы по п. 1, включающий экструзию расплава полипропилена через фильеру, диспергирование и вытяжку волокон из расплава потоком газа с одновременной подачей на них отрицательного электрического заряда путем обработки униполярным коронным разрядом напряжением 5-25 кВ, начинающейся сразу после выхода волокон из отверстий фильеры, осаждение волокон на формообразующей подложке и последующее отделение от нее конструкционного элемента. Изобретение относится к технике биологической очистки промышленных и бытовых сточных вод с помощью аэробных биофильтров, снабженных твердой неподвижной загрузкой - носителем микроорганизмов. Известны носители микроорганизмов для биофильтров, выполненные из пористых керамических и углеродных материалов 1, 2. Их недостатки - высокие удельная масса и гидродинамическое сопротивление фильтрующего слоя. Для удерживания микроорганизмов в биофильтрах используют носители в виде собранных в блоки элементов - трубок из стекла и пластмассы 3 или укрепленных на опорном каркасе лент из полимерного материала, стекловолокнистых шнуров, гофрированных пластмассовых листов 4, 5. Общими недостатками таких конструкций являются сложность крепления элементов носителей и высокая материалоемкость блоков при небольшой удельной поверхности носителя. Иммобилизацию микроорганизмов при очистке сточных вод в биореакторах все чаще осуществляют на носителях из полимерных материалов вспененных, волокнисто-пористых тканых 6 или нетканых, имеющих вид клубков из перепутанных волокон 7. Такие носители имеют низкие показатели прочности и жесткости. Это повышает вероятность их деформации и разрушения под действием циркулирующих в биореакторе газожидкостных потоков и гравитационных нагрузок, увеличивающихся с приростом биомассы, особенно при критических режимах эксплуатации реактора. Конструктивной определенностью и стабильностью формы обладают носители, полученные из полимерных волокнистых элементов, сформированных методом пневмоэкструзии. Элементы в виде листов и отрезков труб соединяют в блоки с помощью металлических резьбовых шпилек 8, гибких тросов 9, сварки 10 или выполняют в виде волокнистых полимерных покрытий, которые нанесены на несущий решетчатый каркас 11. Им присущи недостатки носителей блочной конструкции - сложность систем крепления,недостаточная коррозионная стойкость металлических несущих элементов, а также значительный объем нерабочего пространства между элементами блоков. Чтобы повысить эффективность биофильтров с такими носителями, жизнедеятельность микроорганизмов активизируют с помощью электрических полей. Электрическое поле возбуждают в очищаемой жидкости при ее движении относительно носителей в постоянном магнитном поле 12 либо подсоединяют электропроводящий элемент к внешнему источнику электрического тока 13. Недостатки таких конструкций связаны с их сложностью и значительной величиной эксплуатационных расходов при использовании биофильтров. Прототипом изобретения является носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод 14. Он выполнен в виде имеющих стабильную форму конструкционных нетканых элементов. Последние состоят из полипропиленовых волокон со средним диаметром 10-200 мкм, соединенных когезионными спайками в местах контакта. Объемная плотность волокнистых элементов - 0,2-0,3 г/см 3. Недостатки прототипа носитель из биоинертного полипропилена не оказывает активного воздействия на жизнедеятельность микроорганизмов активация метаболизма микроорганизмов с помощью электрических полей в биофильтре с носителем - прототипом требует значительного усложнения конструкции 2 7228 1 2005.09.30 включение в состав биофильтра внешних энергетических источников приведет к существенному росту расходов по его эксплуатации. Задачи, на решение которых направлено изобретение 1) ускорить иммобилизацию микроорганизмов на носителях 2) активизировать адсорбцию загрязнений на носителях 3) увеличить активность микроорганизмов в процессах биодеградации загрязнений 4) сохранить простую конструкцию проточного биофильтра с твердой неподвижной загрузкой 5) обеспечить длительный эффект активизирующего воздействия носителей на микроорганизмы. Поставленные задачи решаются тем, что известный носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод, выполненный в виде конструкционных элементов стабильной формы, которые состоят из полипропиленовых волокон со средним диаметром 10200 мкм, соединенных когезионными спайками в местах контакта так, что объемная плотность элементов составляет 0,2-0,3 г/см 3, имеет новое свойство. Волокнистые элементы несут стабильный в сточной воде электрический поляризационный заряд отрицательной полярности, который характеризуется эффективной поверхностной плотностью 1-7 нКл/см 2. Нетканые полимерные носители волокнистой структуры получают методом, получившим название -. Его суть состоит в экструзии полимерного материала, выдавливании расплава в виде волокон через фильерную головку, диспергировании и вытягивании волокон потоком сжатого газа и осаждении волокнистой массы на формообразующей подложке 15. Недостаток этого метода состоит в том, что он не содержит технологических операций,вызывающих электрическую поляризацию полимерных носителей и их перевод в электретное состояние. Электреты - диэлектрики, длительно сохраняющие поляризацию и являющиеся источником постоянного электрического поля. Прототипом технологии изготовления предложенных носителей является способ получения волокнистых конструкционных элементов 16. Он включает операции экструзии полимерного термопластичного материала, продавливания его расплава через фильеру, на которую подано постоянное отрицательное электрическое напряжение, диспергирования волокон расплава сжатым газом, формирования потока газо-полимерной смеси, осаждения волокон на формообразующей заземленной подложке, охлаждения и снятия с подложки волокнистого элемента. Недостаток прототипа состоит в низкой эффективности электрической поляризации полимерного расплава во время его продавливания через фильеру. С помощью такой операции не удается сформировать на волокнах поляризационный заряд достаточной величины по следующим причинам поляризующее напряжение ограничено величиной пробивного напряжения, которое для расплавленных волокон полипропилена толщиной порядка 100 мкм не превышает 1 кВ воздействие электрического поля на расплав прекращается раньше, чем начинается отвердевание волокон время воздействия поляризующего напряжения на расплав очень мало (10-2 с). Задачи на решение которых направлен способ изготовления предложенных носителей 1) формирование в волокнистых элементах устойчивого в водной среде поляризационного заряда с эффективной поверхностной плотностью 17 нКл/см 2 2) возможность применения поляризующего напряжения порядка десятков кВ 3) увеличение времени воздействия электрического напряжения на волокна 4) воздействие высокого напряжения на волокна не должно прекращаться до начала их отвердевания 5) снижение вероятности травматизма при эксплуатации - установки, снабженной устройством для электрической поляризации волокон. Поставленные задачи решаются тем, что известный способ получения волокнистых конструкционных элементов, заключающийся в экструзии полипропилена, продавливании его 3 7228 1 2005.09.30 расплава через фильеру, на которую подано напряжение отрицательной полярности, диспергировании расплава и вытяжке волокон потоком сжатого газа, осаждении волокнистой массы на заземленной подложке, охлаждении и снятии с нее волокнистого элемента, дополнен новой технологической операцией. На волокна подают униполярный коронный разряд отрицательного знака. Напряжение коронного разряда составляет 5-25 кВ. Обработка разрядом начинается сразу после выхода волокон из отверстий фильеры и продолжается во время их вытяжки динамическим потоком газа, вызывающим интенсивное охлаждение волокон. Сущность изобретения состоит в том, что полимерным волокнистым носителям микроорганизмов придано свойство быть источником постоянного электрического поля. Оно активизирует метаболизм микроорганизмов, которые осуществляют биодеградацию загрязнителей сточных вод. Особенность способа получения предложенных носителей состоит в новом сочетании метода- и обработки формируемых волокон коронным разрядом. Обработку осуществляют на стадии диспергирования расплава и вытяжки волокон. Это позволяет создавать в носителях объемный электретный заряд значительной величины, стабильный в сточных водах. Приведем примеры реализации изобретения. Носители в виде колец с внутренним диаметром 40 мм, толщиной стенки 5 - 6 и высотой 30 мм формировали из полипропилена методом -. Температуры в зонах экструдера поддерживали 1190 С, 2320 С, а в распылительной головке 3400 С. Параметры распыляющего воздуха температура 460 С, давление р 20-30 кПа. Носители плотностью 0,25 г/см 3 были образованы волокнами со средним диаметром 80 мкм. На фигуре приведена схема установки для формирования носителей. Экструзионная распылительная головка 1 оснащена фильерой 2 со множеством отверстий и щелями 3 для истечения сжатого воздуха, который поступает в головку по трубопроводу 4. Напротив головки установлена заземленная оправка 5, а возле фильерных отверстий - блок 6 игольчатых электродов, соединенный с источником 7 постоянного высокого напряжения . Установка работает следующим образом. После вывода экструдера на стационарный режим работы из отверстий фильеры 2 поступает расплав полипропилена в виде волокон. Они подхватываются потоками воздуха, истекающими из щелей 3, в виде газо-полимерного потока 8 транспортируются к вращающейся оправке 5 и оседают на ней, образуя трубчатый носитель 9. При включении источника 7 возле игольчатых электродов 6 возникает униполярная корона 10. Ее воздействие на волокна в потоке 8 начинается сразу после их выхода из отверстий фильеры 2 и продолжается во время их диспергирования и вытяжки газовым потоком, который интенсивно охлаждает волокна. Согласно способу - прототипу электрическую поляризацию носителей осуществляли,подавая постоянное напряжениена фильеру, электрически изолированную от металлических частей экструдера. Эффективную поверхностную плотность заряда е на носителях измеряли компенсационным методом (ГОСТ 25209-82). Средние значения результатов не менее чем 10 измерений,выполненных на образцах каждого типа, приведены в табл. 1. Таблица 1 образцов 1 2 3 4 5 6 7 7228 1 2005.09.30 Анализ данных табл. 1 свидетельствует о следующем 1) заряжение волокон коронным разрядом в процессе - (образцы 1-6) более эффективно чем заряжение согласно способу-прототипу (образец 7) 2) область оптимальных значений напряжения коронного разряда соответствует 5-25 кВ, т.к. при меньших значенияхплотность поверхностного заряда е образцов не намного больше, чем при заряжении согласно способу - прототипу (для образцов 1 и 7 е-1,7 и -0,7 нКл/см 2), а увеличение 25 кВ (образец 5) не приводит к росту е 3) эффективность заряжения образцов в отрицательной короне при прочих равных условиях выше, чем в положительной, т.к. абсолютная величина е для образцов 3 и 6 составляет соответственно 6,5 и 4,1 нКл/см 2. Сравнение образцов проводили в два этапа. На первом - определяли кинетику иммобилизации микроорганизмов на образцах. На втором - оценивали эффективность очистки сточных вод, загрязненных дизельным топливом, с помощью стандартных лабораторных биофильтров, каждый из которых был укомплектован носителями определенного типа. Методика определения параметров адсорбционной иммобилизации микроорганизмов на образцах состояла в следующем. 5-суточную культуральную жидкость 2 В(109 клеток/мл) в количестве 50 мл вносили в колбы Эрленмейера. Туда же помещали образцы носителей массой 3 г. Через 2 ч в колбы добавляли 0,2 об. дизельного топлива, и их содержимое перемешивали (180 об./мин) при температуре 29 С. Контроль адгезионной иммобилизации микроорганизмов на образцах осуществляли весовым методом. В табл. 2 приведены значения удельной массымикроорганизмов, иммобилизованных на образцах,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 носителя, наращивали биопленку путем рециркуляции культуральной жидкости 2 В, содержащей в качестве источника энергии микроорганизмов дизельное топливо (0,1 об.) и биогенные добавки (, 4, 24, (4) 24,рН 7,3-7,4). После этого начинали испытания, прокачивая через биофильтры модельную сточную воду. Она содержала дизельное топливо, количество которого соответствовало значению показателя химического потребления кислорода ХПК 1350 мг/л. Аэрацию носителей проводили воздухом, который подавали в биофильтры со скоростью 18 л/ч от компрессора. Эффективность(Э, ) биоочистки оценивали при разных расходах сточной воды по формуле ХПК 1 ХПК 2 Э 100,ХПК 1 где индексы 1 и 2 соответствуют воде на входе и выходе из биофильтра. ХПК определяли стандартным бихроматным методом.образ- , мг/г носителя, спустя время от начала испытаний цов 2 ч 48 ч 120 ч 192 ч 1 11,22,3 40,56,8 70,48,9 100,013,3 2 12,51,4 60,15,4 78.28.9 108,511,8 3 13,22,0 66,77,8 85,711,2 115,213.0 4 14,84,1 95,23,5 100,54,9 130,015,1 5 14,83,1 95,65,6 100,412,4 130,312,6 6 11,33,8 32,59,1 58,75,9 63,38,8 7 10,75,0 36,76,4 68,59,3 95,917,0 Таблица 2 Э,при удельных расходах стоков, л/дм 3 носителяч 0,34 0,50 0,65 87,8 73,10 62,75 89,2 76,22 64,20 92,3 83,40 69,74 95,1 86,81 72,40 95,0 86,92 72,25 81,4 70,49 58,99 86,6 73,03 59,71 7228 1 2005.09.30 Результаты испытаний представлены в табл. 2. Их анализ приводит к следующим заключениям. 1. Образцам 2-5 соответствуют наилучшие кинетические параметры , а также самые высокие значения Э при всех исследованных расходах стоков. По этим параметрам они заметно превосходят прототип (образец 7). 2. Образцы 1, 6 и 7 имеют близкие показателии Э. Это значит, что заряжение носителей в отрицательной короне при 5 кВ, а также в положительной короне не дает выигрыша по сравнению с прототипом. 3. Показатели образцов 4 и 5 находятся на одном уровне. Это свидетельствует, что применение напряжения отрицательного коронного разряда 25 кВ не имеет смысла. Итак, применение предложенных носителей и способа их получения позволяет улучшить показатели адсорбции микроорганизмов на неподвижной загрузке биофильтра, несущей отрицательный поляризационный заряд плотностью 1-7 нКл/см 2 увеличить активность микроорганизмов в процессах биодеградации дизельного топлива, что обусловливает повышение эффективности очистки сточной воды активизировать адсорбцию полярных углеводородных молекул загрязнителя в поле электретного заряда носителя, чем объясняется значительное повышение эффективности очистки сточной воды биофильтрами, которые укомплектованы носителями с оптимальной плотностью заряда сохранить неизменной традиционно простую конструкцию биофильтров обеспечить длительный эффект активизирующего воздействия электрического поля на микроорганизмы, т.к. объемный поляризационный заряд электретных носителей сохраняется в течение десятков лет при их эксплуатации в водных средах повысить производительность процесса формирования носителей со стабильным электретным зарядом уменьшить травмоопасность процесса электрической поляризации волокон, т.к. токи коронных разрядов малы (10-3 А), а оправка, на которой собираются загрязненные волокна, заземлена. Таким образом, поставленные задачи решены. Предложенный носитель биомассы фильтров для биологической очистки сточных вод позволяет реализовать в промышленных условиях с высокой эффективностью процессы микробной инактивации загрязнений сточных вод. Источники информации 1. Заявка Японии 2-26558, МПК С 023/10, 3/8, 1990. 2. Патент ГДР 270521, МПК С 023/00, 1989. 3. А.с. СССР 1542917, МПК С 023/04, 1990. 4. А.с. СССР 1560486, МПК С 023/04, 1990. 5. Заявка ФРГ 3641960, МПК С 023/10, В 0120/28, С 121/00, 3/04, 1988. 6. Заявка Японии 1249194, МПК С 023/10, 1989. 7. Заявка Франции 2639342, МПК С 023/06, 3/12, 3/28, 1990. 8. Заявка РФ 92011342, МПК С 023/04, 1995. 9. Заявка РФ 94000686, МПК С 023/04, 1995. 10. Заявка РФ 96115241, МПК С 023/04, 1998. 11. Патент РФ 2091331, МПК С 023/04, 1997. 12. Заявка ЕПВ 0348551, МПК С 021/48, А 612/02, В 03 С 1/02, 1990. 13. Патент РФ 2100289, МПК С 023/00, 1997. 14. Патент РБ 2753, МПК С 023/00, 3/10, 1999 (прототип). 15. Патент США 4 526 733, МПК В 293/04, 1985. 16. Патент РБ 1424, МПК В 29 С 41/48,041/56, 1996 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.