Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГРУЗКИ БИОФИЛЬТРА С ИММОБИЛИЗАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод, в частности, к получению загрузочного материала для биофильтров.

Применяемые в настоящее время материалы загрузок биофильтров (пластиковые сетки, синтетические волокна и проч.) зачастую имеют недостаток - вымываемость микроорганизмов из материала-носителя ввиду низкой адсорбционной способности или низкой пористости материал, и вследствие этого ухудшение со временем качества очистки, а также повышенное образование избытка активного ила, влекущее за собой необходимость утилизации осадка.

Актуальной задачей повышения качества работы биофильтров с загрузкой является снижение вымываемости микрофлоры и, как следствие, повышение эффективности очистки, снижение нагрузки на вторичные отстойники и уменьшение образования осадка активного ила.

Известен зернистый материал-носитель для биотехнологических процессов [Патент ГДР DD 264887 А1] с удельным весом менее 0,5 г/см³, который получают термической усадкой пенополистироловых хлопьев, которые дополнительно покрыты по своей поверхности адсорбентами и/или инертными наполнителями.

Недостатком аналога является сложность технологии производства, необходимость дополнительной обработки материала адсорбентом для получения необходимой структуры.

Известен способ биологической очистки сточных вод от органических загрязнений [Пат. РФ №2023685, опубл. 30.11.1994], включающий обработку в аэротенке микроорганизмами активного ила, иммобилизованными на плоскостной загрузке, с целью повышения степени очистки и интенсификации процесса, используют плоскостную загрузку, выполненную из материала, содержащего термопластичный полимер и активированный уголь, при следующем соотношении компонентов, мас.%: термопластичный полимер 83-86, активированный уголь 14-17.

Недостатком способа является низкое содержание наполнителя (лимитирующее прочностные показатели материала), приводящее к снижению удельной поверхности загрузки за счет обволакивания расплавом термопласта частичек угля, который становится недоступным для микроорганизмов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является плавучий турбулизируемый материал-носитель для биотехнологических процессов [Пат. РФ №2136611, опубл. 10.09.1999], состоящий из полимерных веществ, содержащих органические и/или неорганические добавки, и снабженный стержнем из пеноматериала с замкнутыми ячейками и мелкопористую структуру ячеек, поверхность структурирована и профилирована, имеет форму цилиндрических полых тел, длина от 3 до 25 мм, наружный диаметр от 3 до 25 мм, внутренний диаметр от 2 до 24 мм и плотность 0,4÷0,98 г/см³, при этом свойства носителя регулируются добавкой 0,1÷2,0% вспенивающих веществ, таких как бикарбонат с лимонной кислотой, крахмал, сахар и/или активированный уголь.

Недостатком прототипа является то, что закрепление (иммобилизация) микрофлоры на носителе происходит за счет пористой структуры материала без дополнительных связей между материалом и микроорганизмами, что приводит к вымываемости микрофлоры из объема загрузки и снижению эффективности работы биофильтра, кроме того, недостатком является длительность технологического процесса изготовления загрузки, сложность аппаратурного оформления производственного процесса - применение сопла специальной формы с продольными канавками, что ведет к удорожанию процесса.

При очистке стоков в биофильтрах желательно, чтобы материал-носитель обеспечивал запас энергетического субстрата для микроорганизмов на случай прекращения поступления питательных веществ [Копытина С.В. Разработка технологии очистки сточных вод от нефтяных загрязнений с использованием иммобилизованных микроорганизмов-биодеструкторов. Автореф. на соиск. уч. степ. к.т.н. Москва - 2000]. Известно также [Пат. РФ №2446189, опубл. 27.03.2012, Пат. РФ №2446191, опубл. 27.03.2012], что использование в качестве питательных веществ природных полисахаридов (например, крахмала) и биогенных элементов (например, фосфолипидов) в составе термопластов ведет к лучшему обрастанию материала микроорганизмами, при этом содержание полисахаридов свыше определенного предела (около 30 мас.%) приводит к снижению прочности и преждевременному биоразложению материала, а при содержании наполнителя ниже 20 мас.% его гранулы остаются капсулированными в синтетическом полимере и поэтому труднодоступны для ферментов и микроорганизмов [Д.В. Кряжев, В.В. Романов, В.А. Широков. Последние достижения химии и технологии производных крахмала // Химия растительного сырья. - 2010. - №1. - С. 5-12].

Техническая задача изобретения заключается в разработке способа получения загрузки биофильтра с иммобилизационными свойствами, позволяющего за счет применения в ее составе природных полисахаридов и биогенных элементов повысить эффективность биологической очистки сточных вод за счет низкой вымываемости микроорганизмов из объема загрузки, упростить и интенсифицировать технологию ее изготовления за счет упразднения стадии вспенивания специальными агентами и за счет использования в производстве стандартного оборудования без специальных профилирующих элементов, сохранить длительность срока службы материала без потери прочностных свойств, а также снизить себестоимость материала загрузки за счет применения вторичных сырьевых ресурсов.

Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе получения загрузки биофильтра с иммобилизационными свойствами, включающем изготовление материала загрузки из полимерных веществ, содержащих органические добавки, новым является то, что в полимерном материале в качестве органической добавки используют отход рафинации растительных масел - отработанную микроцеллюлозу, содержащую в своем составе пластифицирующие компоненты, такие как воски, и легколетучие органические примеси, способствующие порообразованию с получением материала плотностью 0,6÷0,8 г/см³ и пористостью от 50 до 150 ячеек/см², а также биогенные вещества, такие как триацилглицериды, стиролы, каротиноиды, способствующие иммобилизации микрофлоры на загрузке, загрузку готовят при следующем содержании компонентов, мас.%:

- полиолефины - стрейч-полиэтилен - 60÷80,

- отработанная микроцеллюлоза - 20÷40;

гранулы стрейч-полиэтилена смешивают с отработанной микроцеллюлозой, полученную смесь экструдируют при температуре 170±180°C в двухшнековом экструдере с гранулирующим устройством с получением гранул диаметром 2÷20 мм и длиной 3÷100 мм.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности биологической очистки сточных вод за счет низкой вымываемости микроорганизмов из объема загрузки, интенсификации и упрощении технологии изготовления материала загрузки за счет упразднения стадии вспенивания специальными агентами и за счет использования в производстве стандартного оборудования без специальных профилирующих элементов, сохранении длительности срока службы материала без потери прочностных свойств.

Применение в качестве наполнителя микроцеллюлозы способствует снижению биодеструкции материала за счет ее большой молекулярной массы, а переработка композиции в двухшнековом экструдере позволяет получить гомогенную смесь с равномерным распределением наполнителя в полиолефиновой матрице, в этом случае возможно повышение содержания наполнителя до 40 мас.% без преждевременной биодеструкции материала.

В качестве полиолефиновой матрицы материала загрузки биофильтра с иммобилизационными свойствами используют полиэтилен и полипропилен, например стрейч-полиэтилен, обладающий высоким показателем текучести расплава ПТР=2÷4, что способствует равномерному распределению наполнителя (отработанной микроцеллюлозы) в объеме материала, а также позволяет перерабатывать материал в высокоскоростном оборудовании при достаточно низких нагрузках.

Отработанная микроцеллюлоза - отход рафинации растительных масел, применяется для удаления восков из подсолнечного масла, после использования содержит в своем составе пластифицирующие компоненты (воски), а также биогенные вещества (триацилглицериды, стиролы, каротиноиды и некоторые другие). Кроме того, средний размер частиц отработанной микроцеллюлозы составляет около 50 мкм, что способствует гомогенности композиции за счет лучшего распределения наполнителя в полиолефине, и не требует предварительной подготовки наполнителя.

Способ получения загрузки биофильтра с иммобилизационными свойствами осуществляют следующим образом.

В смеситель загружают гранулы полиолефина, например стрейч-полиэтилена, в количестве 60÷80 мас.%, добавляют отработанную микроцеллюлозу (отход рафинации растительных масел) в количестве 20÷40 мас.%, перемешивают в течение 1,0÷2,0 минут при температуре 20÷30°C, далее смесь экструдируют в двухшнековом экструдере с гранулирующим устройством при температуре 170÷180°C с получением гранул диаметром 2÷20 мм и длиной 3÷100 мм.

Готовят загрузку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- полиолефины - стрейч-полиэтилен - 60÷80,

- отработанная микроцеллюлоза - 20÷40.

Готовую загрузку подвергают иммобилизации микрофлорой, например активным илом.

Способ получения загрузки биофильтра с иммобилизационными свойствами поясняется следующими примерами:

Пример 1 (прототип).

Поливинилацетат расплавляют и смешивают с 0,6 кг (0,6%) гранулята, содержащего 40% бикарбоната с лимонной кислотой в качестве вспенивающего агента. Эту смесь формуют в пруток в экструдере с соплом специальной формы с получением полого цилиндра с рифленой в продольном направлении поверхностью. Он имеет наружный диаметр, равный 5 мм, и внутренний диаметр, равный 4 мм. Рифления имеют глубину около 0,6 мм. Затем пруток после охлаждения в ванне с водой разрезают на отрезки длиной 5 мм. При этом получают на каждую частицу носителя поверхность роста свыше 2,7 см² и на каждый м³ насыпного веса - поверхность свыше 950 м². Благодаря применению материала-носителя в установке для обработки сточных вод с удалением азота, объемная нагрузка, связанная с биохимическим потреблением кислорода, удваивается по сравнению с известными параметрами до 0,8-1,0 кг биохимически потребляемого кислорода/м³ без возникновения отрицательных воздействий на степень удаления. Анализируют общее количество биомассы сухого вещества (микрофлоры) на носителе. На каждый м³ насыпного объема общее количество биомассы составляет 8 кг сухого вещества (табл. 1).

Пример 2.

Готовят загрузку биофильтра с иммобилизационными свойствами следующим образом.

В смеситель загружают 8 кг стрейч-полиэтилена (80 мас.%) и 2 кг отработанной микроцеллюлозы (20 мас.%), перемешивают в течение 2 минут и экструдируют смесь при температуре 180°C в стандартном двухшнековом экструдере с получением гранул диаметром 3 мм и длиной 20 мм. Определяют плотность и пористость материала. Данные анализа представлены в таблице 1.

Очистку сточных вод, загрязненных синтетическими поверхностно-активными веществами (СПАВ), в биофильтре с загрузкой с иммобилизационными свойствами проводили следующим образом.

В емкость с суспензией активного ила помещали загрузку биофильтра на 2 суток, при этом для удобства перемещения гранул загрузки их предварительно помещали в капроновые сетки, не препятствующие проникновению микрофлоры в объем загрузки, но и не позволяющие гранулам высыпаться. Затем в биофильтр помещали загрузку с иммобилизованным активным илом насыпью, и через слой загрузки пропускали сточную воду с pH 6,5, содержащую 10 мг/л СПАВ, при этом осуществляли аэрацию внутри биофильтра воздухом со скоростью 10 м³/м²·ч. Температура очистки составляла 25°C. Через 5 часов очищенную воду сливали в отстойник, где в течение 2 часов вода отстаивалась от избыточного ила. Загрузка извлекалась из биофильтра и исследовалась на сухой остаток биомассы. Очищенная вода исследовалась на остаточное содержание СПАВ. Данные анализа представлены в таблице 1.

Пример 3.

Загрузку биофильтра с иммобилизационными свойствами получали аналогично примеру 2, но содержание стрейч-полиэтилена составляет 6,0 кг (60 мас.%), содержание отработанной микроцеллюлозы - 4,0 кг (40 мас.%).

Как видно из таблицы 1, способ получения загрузки биофильтра с иммобилизационными свойствами при содержании микроцеллюлозы в композиции 20÷40 мас.% дает возможность повысить сухой остаток биомассы на носителе, что говорит о лучшей иммобилизации микрофлоры и, следовательно, повышении эффективности очистки сточных вод в биофильтре с данной загрузкой.

При содержании микроцеллюлозы в композиции менее 20 мас.% снижается пористость и иммобилизационная способность материала, а при содержании более 40 мас.% понижается прочность материала и, как следствие, снижается срок его службы.

Использование способа получения загрузки биофильтра с иммобилизационными свойствами позволяет:

- снизить вымываемость микрофлоры из объема загрузки биофильтра за счет применения в его составе природных полисахаридов и биогенных элементов, способствующих лучшей иммобилизации;

- повысить эффективность биологической очистки сточных вод за счет низкой вымываемости микроорганизмов из объема загрузки, а также снизить нагрузку на вторичные отстойники и сократить объем образующегося избыточного активного ила за счет лучшей иммобилизационной способности материала,

- интенсифицировать технологический процесс получения загрузки биофильтра,

- упростить технологию изготовления материала за счет упразднения стадии вспенивания специальными агентами, а также за счет использования в производстве стандартного оборудования без специальных профилирующих элементов, что способствует снижению себестоимости материала,

- снизить себестоимость материала загрузки за счет использования вторичных сырьевых ресурсов.