фильтр для очистки воды

Формула изобретения

1. ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ, содержащий носитель, выполненный из водопроницаемого материала, отличающийся тем, что носитель выполнен из водопроницаемого материала, не токсичного к микроорганизмам, устойчивого к температурам от -15 до +65^oС и биологически трудно деградируемого, предварительно пропитанного ЭКЗО-полисахаридпродуцирующими грамм-негативными бактериями, способными к реактивации при использовании фильтра.

2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что в качестве ЭКЗО-полисахаридпродуцирующих гамма-негативных бактерий используют штаммы АТСС 25935, и/или АТСС 23203, и/или N С1В40121, и/или N С1В10340, и/или N С1В10541, и/или N С1В11264.

3. Фильтр по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве водопроницаемого материала используют жесткий или сжимаемый пористый материал.

4. Фильтр по п.3, отличающийся тем, что в качестве водонепроницаемого материала используют целлюлозную губку.

5. Фильтр по пп.3 и 4, отличающийся тем, что водопроницаемый материал имеет диаметр пор по крайней мере 20 мк или пористость по крайней мере 70%

6. Фильтр по пп.1 3, отличающийся тем, что в качестве водопроницаемого материала используют водопроницаемый мат.

7. Фильтр по п.6, отличающийся тем, что водопроницаемый мат содержит волокна кокосовой пальмы.

8. Фильтр по пп.1 3, отличающийся тем, что в качестве водопроницаемого материала используют тканый или нетканый материал.

9. Фильтр по пп.1 8, отличающийся тем, что осуществляют его сушку холодом.

10. Фильтр по пп.1, 5 и 9, отличающийся тем, что водопроницаемый материал содержит песок/гравий, сетку из нержавеющей стали, спеченное стекло, вермикулит, перлит или опилки и щепки твердых пород дерева.

Описание изобретения к патенту

Изобретение представляет фильтрующее устройство для обработки воды и получения питьевой воды и имеет особое значение в чрезвычайных ситуациях, когда возникает срочная потребность в микробиологически безопасной воде, а дезинфицирующие вещества отсутствуют.

Фильтрация через слой песка является основной особенностью почти всех водоочистных установок. Описаны два основных способа фильтрации через песок: медленная и быстрая фильтрация, названия которых определяются относительными скоростями водного потока, проходящего через фильтрующий слой. Однако эти два способа фильтрации через песок имеют также существенные технологические отличия.

В случае песчаных фильтров быстрого действия воду подвергают обработке для коагуляции мелко раздробленных и суспендированных примесей (в том числе имеющихся многих вредных микроорганизмов) в флоккуляционных резервуарах, после чего крупные частицы, образовавшиеся в процессе коагуляции, сбрасываются в отстойники. Такая предварительная очистка воды позволяет увеличить скорость фильтрации через песок. В случае фильтров медленного действия никакой предварительной обработки не проводится.

В фильтрах медленного действия удаление примесей и в особенности вредных микроорганизмов достигается не только за счет физического продавливания сквозь верхние слои зерен песка, но также благодаря улавливанию примесей микроорганизмами, развивающимися в верхнем слое песка, который известен как слой Шмутэдеке, формирование которого может длиться несколько недель, и в случае песчаного фильтра медленного действия, имеющего ключевое значение для получения высококачественной воды.

В экстренном случае, когда необходимо снабжение безопасной питьевой водой, а необходимые для химической обработки вещества, например дезинфекционные, отсутствуют, то в принципе для этой цели пригоден медленный песчаный фильтр. Однако образование необходимого слоя Шмутэдеке длится так долго, что песчаные фильтры медленного действия становятся непригодными в экстремальных случаях.

Известен фильтр для очистки воды, содержащий носитель, выполненный из водонепроницаемого материала [1]

В отличие от известного уровня техники настоящее изобретение относится к фильтрующим устройствам, необходимым в экстренных случаях, и может быть использовано для подачи чистой воды через несколько часов.

Фильтр для очистки воды согласно настоящему изобретению содержит носитель, выполненный из водопроницаемого материала, нетоксичного к микроорганизмам, устойчивого к температурам в интервале от (-15) до 65^оС, биологически трудно деградируемого, предварительно пропитанного экзополисахаридпродуцирующими грамм-негативными бактериями, способными к реактивации.

Предпочтительно использовать бактерии штамма АТСС 25935, АТСС 23203, NCIВ 10340, 10541, 11264, 40121.

В качестве водопроницаемого материала используют предпочтительно жесткий или сжимаемый пористый материал, целлюлозную губку. Диаметр пор используемого материала по крайней мере 20 мк или пористость по крайней мере 70%

При выборе водопроницаемого материала следует иметь ввиду, что как диаметр, так и плотность пор влияют на скорость, с которой очищаемая вода может проходить через фильтрующее устройство, этим соображением следует руководствоваться при выборе водопроницаемого материала.

Предпочтительно также в качестве материала фильтра использовать водопроницаемый мат, содержащий, например, волокна кокосовой пальмы. Используют также тканый или нетканый материал. Предпочтительным является и то, что сушку фильтра осуществляют холодом.

В предпочтительном варианте фильтрующее устройство замораживается сухим холодом после использования бактерий на водопроницаемом материале. Замороженный продукт затем вакуумируют, чтобы исключить попадание влаги, и хранят до следующего использования. Если возникает срочная необходимость в питьевой воде, продукт может быть реактивирован в течение нескольких часов добавлением воды и затем использован помещенным на носитель для очистки имеющейся воды медленной фильтрацией через песок.

Экзополисахариды, производящие грамм-негативные бактерии, используемые в фильтрующем устройстве, принадлежат к тому же типу, что и присутствующие в слое Шмутэдеке, то есть встречаются в природе в биологическом пленочном слое обычного медленного песчаного фильтра для воды в пределах 5 см, более точно 2,5 см поверхностного слоя фильтрующей среды. Такие существующие в природе бактерии являются характерным производителем большого количества полисахаридов, образующихся в виде вязкого или желатинозного материала, при наличии небольшого количества питательных веществ. Бактерии, используемые в настоящем изобретении, могут представлять собой смесь бактерий, полученных из слоя Шмутэдеке, или чистые культуры отдельных видов, используемые по отдельности или в смеси.

Особенно предпочтительными бактериями для использования в фильтрующем устройстве по настоящему изобретению являются такие, которые составляют часть преобладающей микробиологической флоры в поверхностной биологической пленке песочного фильтра известного типа и образуют отложения, подобные NCIB 40121. Они обладают следующими свойствами: непигментированным быстрым ростом на среде А (см. ниже), обильным продуцированием полисахаридного шлама на среде В (см. ниже) как в жидкой среде, так и на среде, отвержденной 1,5% агар-агара, отсутствием или очень слабым ростом на сильно концентрированной стандартной бактериологической питательной среде агар-агара и отсутствием роста на агар-агаре Мак.Конки. В дальнейшем описании среда А представляет собой питательный бульон M-IAB-IТД с концентрацией 2,5 г/л, содержащий 1 г/л глюкозы. Среда В представляет собой питательный бульон с концентрацией 2,5 г/л, содержащий 10 г/л глюкозы.

Выбранные бактерии или смеси бактерий помещают на водопроницаемый материал с описанными ранее свойствами. Используемый материал не должен быть биологически легко деградируемым, а деградировать относительно медленно, например, за период работы устройства, который обычно может составлять от трех до шести месяцев, что приемлемо для этой цели. В предпочтительном варианте материал должен быть устойчивым к ультрафиолетовому излучению, что позволяет его использовать при продолжительном интенсивном действии солнечного света. Для формирования колонии микроорганизмов на поверхности материала желательно, чтобы поверхность материала не была ни сильно полированной, ни гладкой. Конечно, выбранный водопроницаемый материал должен быть либо плохо растворимым, либо нерастворимым в водных растворах.

Водопроницаемый материал может иметь различные формы. Так, например, он может представлять собой жесткий или сжимаемый пористый материал, например расширенный полимерный материал, или волокнистый материал, например волокно кокосовой пальмы, либо нетканый материал, например бумагоподобный продукт, или тканый продукт, например, из хлопка или из целлюлозного материала. Подходящим вспученным материалом является целлюлозная губка. При использовании эластичного материала этого типа его можно хранить и/или транспортировать в скатанном и/или сжатом виде. Тонкие листовые материалы, например вилен, могут применяться в виде одного или множества слоев, которые могут перемежаться другими материалами в качестве основы.

Если выбранный водопроницаемый материал является пористым, то поры должны быть открытыми. Средний диаметр пор в предпочтительном варианте составляет по крайней мере 10 мкм как до, так и после пропитки бактериями. В более продолжительном варианте средний диаметр пор составляет по крайней мере 20 мкм, в особенности порядка 50 мкм перед пропитыванием. При выборе водопроницаемого материала следует иметь ввиду, что как диаметр пор, так и плотность пор влияют на скорость, с которой очищаемая вода может проходить через фильтрующее устройство, этим соображением следует руководствоваться при выборе водопроницаемого материала. Из этих соображений предпочтительна пористость от 70 до 90%

Если устройство необходимо заморозить, то прибегают к обычным приемам замораживания. В предпочтительном варианте пропитанный материал замораживают при температуре порядка -70^оС или ниже. Последующее удаление воды сублимацией в предпочтительном варианте проводят под вакуумом величиной 1 торр или ниже. После замораживания пропитанный материал обертывают любым подходящим непроницаемым для воды и ее паров материалом, например листовым синтетическим полимерным материалом. Если возникает необходимость в использовании замороженного сухого материала, то сбрасывают вакуум и добавляют воду, в результате чего через несколько часов, например 6-8 ч, микроорганизмы реактивируются и могут быть использованы. Для ускорения реактивации и роста сухих замороженных микроорганизмов питательные вещества для микробов могут быть внедрены в пропитанный материал перед его замораживанием или добавлены в воду, используемую для реактивации.

При использовании предлагаемого устройства фильтр должен соприкасаться со слоем песка или другим несущим слоем, чтобы очищаемая вода поочередно проходила через устройство и через фильтрующий слой носителя. Например, устройство может располагаться горизонтально на слое песка или вертикально крепится к одному или нескольким блокам из жесткого пористого носителя.

На фиг. 1 изображен вертикальный разрез первого варианта конструкции узла фильтрования; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг. 3 вертикальный разрез второго варианта узла фильтрования; на фиг. 4 то же, вид сверху.

Фильтрующий узел, показанный на фиг. 1 и 2, имеет квадратное сечение в плане со стороной квадрата примерно 1 м и его высота несколько выше ширины примерно 1,5 м. Он состоит из секций с плоскими фланцами, изготовленных из армированного стеклопластика и собираемых на месте из легко транспортируемых единиц на опорной плите 1. В нижней части узла, образованной боковыми секциями 2, имеются дренажные слои из гравия 3 или подобного материала, а над этими слоями 3 находится несущая среда 4 из песка.

Фильтрующее устройство 5 в соответствии c изобретением в виде бактериального слоя на упругом водопроницаемом материале поддерживается средой 4. Края устройства 5 удерживаются и закреплены между фланцами боковых секций и верхних боковых секций 6. Уровень воды 7 в узле регулируется перетоком 8.

При использовании устройства очищаемая вода подается в верхнюю часть резервуара по входной трубе 9 и просачивается через фильтрующее устройство 5 и поддерживающую среду 4, откуда вода выводится по выпускному трубопроводу 10, снабженному клапаном. Если в процессе работы фильтрующее устройство 5 забилось, оно может быть легко заменено другим.

Устройство, изображенное на фиг. 3 и 4, расположено на вертикальных фильтрующих панелях, сквозь которые вода проходит большей частью в горизонтальном направлении от входного отверстия 11 к выходному отверстию 12, причем уровень воды регулируется перетоком 13. Узел фильтрования состоит из фильтрующих устройств 14, края которых примыкают к блокам 15 из пористой поддерживающей среды, отстоящих друг от друга и расположенных вертикально в резервуаре с водой.

В случае использования узла, изображенного на фиг. 3 и 4, при забивке фильтрующего устройства, оно и соответствующий поддерживающий блок 15 могут быть легко заменены, не прерывая работы узла.

Опытные пробеги каждой из изображенных установок показали, что максимальное извлечение патогенных микроорганизмов происходит через несколько часов после инициирования реактивации бактерий на носителе.

Ниже изобретение будет рассмотрено на некоторых примерах, описывающих изготовление двух конструкций фильтрующего устройства в соответствии с изобретением и использованием одного из них для очистки загрязненной воды. В обоих случаях используемые бактерии представляют собой ранее описанный предпочтительный вариант, где бактерии идентифицируются как Депозит N CIB 40121.

П р и м е р 1.

Поддерживающая среда вышеописанная среда В, отвержденная 1,5 об. агар-агара. Ю бактерии, выросшие на поддерживающей среде при 30^оС в течение 48 ч, суспендируют в среду В, содержащую глицерин (20 об.) и хранят при (-70)^оС в бутылках c завинчивающимися крышками. В обоих случаях глюкозу, стерилизованную отдельно автоклавированием при 121^оС в течение 15 мин, добавляют после стерилизации среды подобным образом.

Выращивание посевного материала осуществляют следующим образом.

Шлам-продуцирующие бактерии высаживают с поддерживающего листа в 50 мл среды А, находящейся в конической колбе объемом 250 мл, и выдерживают в термостате-шейкере при 100 об/мин, 30^оС в течение 16 ч. Введение водопроницаемого материала и выращивание бактерий осуществляют следующим образом. Стерильные диски диаметром 5 см из губчатой целлюлозы, промытые при 121^оС дистиллированной водой в автоклаве под давлением, помещают в термостат с указанными выше бактериями при описанных условиях на 3 ч. Фильтрующие диски с посевным материалом асептически переносят в 50 мл среды В, находящейся в конической колбе объемом 250 мл, и выдерживают в термостате при 30^оС, 100 об/мин до появления биологической пленки шлама, достаточной, чтобы обеспечить такое сопротивление потоку воды, при котором напор потока, проходящего через фильтр с линейной скоростью примерно 0,2 м/ч, составлял бы 10 см. Обычно время, необходимое для получения такого количества биопленки, составляет от 8 до 16 ч в зависимости от начального размера пор поддерживающего материала. Чем больше размер пор, тем длиннее инкубационный период.

П р и м е р 2.

Технология, описанная в примере 1, применяется для получения биологических пленок на дисках диаметром 5 см и с толщиной слоев от 1 до 200 мм из нетканого материала с торговой маркой "Вилен". Подходящая биопленка образуется спустя 8 ч инкубационного периода.

П р и м е р 3.

Биологическая пленка формируется, как это описано в 1 и 2 на дисках диаметром 5 см, толщиной 10 мм, содержащих волокна кокосового ореха, усиленные пластической сеткой. Инкубационный период составляет 16 ч.

П р и м е р 4. Лабораторное исследование эффективности фильтра.

Исследования проводят, используя диски диаметром 5 см, пропитанные биологическими пленками, приготовленными как описано в примерах 1-3, в стандартных лабораторных держателях фильтра с пластмассовыми опорными сетками при гидростатическом давлении 10 см. Для испытаний используют два типа воды: а) фекальную колиформзагрязненную природную воду, обычно поступающую на установки обработки городских сточных вод; в) фосфат-буферный солевой раствор, содержащий лабораторный штамм Escherichia coli и налидиксовый кислотостойкий ген (от 10000 дл 20000 бактерий/100 мл). Число колиформных бактерий, используемое как мера качества воды, измеряют в двух типах воды с помощью стандартных международных методик, основанных на принципе использования селективной среды (среда Макконки) во множестве труб и фильтровальных проб и стандартных подтверждающих опытах для E.coli. Налидиксовые кислотостойкие бактерии подсчитывают путем нанесения Ф 0,1 мл образцов загрязненной воды на пластины из питательного агар-агара, содержащие налидиксовую кислоту в количестве 10 мг/мл. Отходящую с фильтров воду исследуют на калиформное загрязнение, последовательно отбирая пробы фильтрата в количестве 250 мл. Обычно калиформное число понижается до менее 10 бактерий/100 мл/с во второй пробе 200 мл фильтрата и остается ниже во всех последующих (по крайней мере 10) 200 мл пробах.

П р и м е р 5. Используют водопроницаемый несущий материал в виде квадратного листа длиной 1 м из целлюлозной губки с торговой маркой "Спонтекс" толщиной от 15 до 20 мл. Этот лист промывают дистиллированной водой в автоклаве при температуре 121^оС в течение 2 ч и затем высушивают. Этот лист полностью погружают в среду А в лабораторном ферментере и стерилизуют с помощью этой среды в том же ферментере. Глюкозу стерилизуют отдельно как в примере 1 и добавляют асептически. Температуру в ферментере устанавливают 30^оС и высаживают 5 об. бактериальной культуры, приготовленной как и в примере 1. Ферментер продувают воздухом с расходом 1 л воздуха/мин на 1 л культуральной среды и перемешивают со скоростью 200 об/мин. После 8 ч перемешивания добавляют 40 мас. стерильной глюкозы с получением конечной концентрации 10 г/л и инкубирование продолжают при тех же условиях в течение дополнительного периода между 16 и 24 ч, концентрацию растворенного кислорода не контролируют.

Полученный пропитанный лист пригоден для применения в фильтре, например, одного или обоих типов, показанных на фиг. 1-4.

Одним из предпочтительных материалов для изготовления водопроницаемого слоя является целлюлозная губка, описанная в данном изобретении. Однако могут применяться другие материалы, удовлетворяющие следующим основным требованиям: водопроницаемость, нетоксичность для микроорганизмов и человека, устойчивость к воздействию температур в диапазоне от (-15) до 65^оС (высокая биологическая устойчивость).

Дополнительные материалы, которые могут применяться в фильтре по данному изобретению для удерживания экзополисахаридпродуцирующих грамм-негативных бактерий, могут быть самонесущими или наноситься на соответствующее основание. Примерами этих дополнительных материалов являются песок, гравий, тканая сетка из нержавеющей стали, спеченное стекло, вермикулит, перлит и опилки и щепки твердых пород дерева.