насадка для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод и способ ее изготовления

Формула изобретения

1. Насадка для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод, выполненная из полимерного материала в виде элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью и проходными отверстиями для циркуляции сточных вод, отличающаяся тем, что элемент трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью выполнен из непрерывного жгута полимерного материала круглого или профильного сечения в виде нескольких слоев соосных винтовых спиралей с противоположным направлением навивки, при этом винтовые спирали последовательно соединены между собой в местах их перекрещивания таким образом, что между ними образуются проходные отверстия для циркуляции сточных вод во всех направлениях системы координат.

2. Насадка для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод по п.1, отличающаяся тем, что жгут выполнен из полимерного материала, имеющего микропористую структуру.

3. Способ изготовления насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод, включающий формирование из полимерного материала путем экструзии элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью и проходными отверстиями для циркуляции сточных вод, отличающийся тем, что формирование элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью ведут путем экструзии непрерывного жгута пластифицированного полимерного материала круглого или профильного сечения и намотки его на вращающуюся и совершающую возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости оправку в виде нескольких слоев соосных винтовых спиралей с противоположным направлением навивки, при этом при намотке на оправку винтовые спирали последовательно соединяют между собой в местах их перекрещивания путем термического склеивания при отвердении пластифицированного полимерного материала таким образом, что между ними образуются проходные отверстия для циркуляции сточных вод во всех направлениях системы координат.

4. Способ изготовления насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод по п.3, отличающийся тем, что в пластифицированный полимерный материал жгута дополнительно вводят сорбирующее, и/или пигментное, и/или разрыхляющее вещество.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биологической обработке воды, промышленных или бытовых сточных вод, в частности к конструкции насадки (наполнителя) для иммобилизации (неподвижности) микроорганизмов (бактерий) при биологической очистке сточных вод и способу ее изготовления.

В настоящее время широкое распространение получили насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод, выполненные, например, из полимерного материала в виде элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью и проходными отверстиями для циркуляции сточных вод.

Насадка служит в качестве носителя для необходимых при биологической очистке бактерий, так называемой биологической дернины или биомассы, и является основным модульным элементом установки для биологической очистки сточных вод.

Как правило, из нескольких связанных между собой насадок формируют блоки или пакеты насадок, так называемую, загрузку установки для биологической очистки сточных вод.

Насадки такого типа находят применение для улучшения обмена веществ между газами и/или жидкостями, например, при абсорбции, десорбции, дистилляции, ректификации, экстракции, увлажнении и конденсации.

Производительность и эффективность установки для биологической очистки сточных вод, загруженной такого типа насадками, в большой степени зависит от следующих основных факторов.

Насадка должна иметь максимально возможную удельную площадь обрастания микроорганизмами, обеспечивать надежную иммобилизацию на ней микроорганизмов и хорошую циркуляцию сточных вод для интенсивного смывания биологической дернины через проходные отверстия (ячейки) сетчатой структурированной боковой поверхности.

Способ изготовления такой насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод обычно включает формирование из полимерного материала путем экструзии через экструзионную головку экструдера элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью и проходными отверстиями для циркуляции сточных вод.

Известна насадка для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод, выполненная из полимерного материала в виде элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью и проходными отверстиями для циркуляции сточных вод (патент ФРГ №4427576, А1, 6 МПК: C 02 F 3/10, заявл. 04.08.94, опубл. 08.02.96, прототип).

Основная боковая поверхность известной насадки образована жгутами из полимерного материала, расположенными, например, по спирали с противоположным направлением навивки и соединенными в узловых точках их перекрещивания в один слой в виде сетчатой трубы с образованием проходных отверстий для циркуляции сточных вод в поперечном направлении.

Для увеличения удельной площади обрастания на основной боковой поверхности насадки расположены дополнительные элементы (один или несколько), каждый из которых выполнен в виде гладкой полосы полимерного материала и термически скреплен с основной боковой поверхностью насадки.

Дополнительные элементы могут быть расположены по спирали, вдоль продольной оси, кольцеобразно или перекрестно с образованием сетчатой структуры.

При этом дополнительные элементы перекрывают от 20% до 80% основной боковой поверхности насадки.

Известная насадка имеет существенный недостаток, который выражается в том, что его однослойная сетчатая основная боковая поверхность и частично перекрывающая ее поверхность дополнительных элементов, выполненных в виде гладких полос, имеют небольшую суммарную площадь.

По этой причине при такой конструкции насадки не достигается существенное увеличение удельной поверхности обрастания микроорганизмами, надежная иммобилизация на ней микроорганизмов и хорошая циркуляция сточных вод для интенсивного смывания биологической дернины через проходные отверстия сетчатой структурированной боковой поверхности во всех направлениях системы координат.

Известен способ изготовления насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод, включающий формирование из полимерного материала путем экструзии элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью и проходными отверстиями для циркуляции сточных вод (патент ФРГ №4427576, А1, 6 МПК: C 02 F 3/10, заявл. 04.08.94, опубл. 08.02.96, прототип).

При таком способе изготовления насадки формирование ее основной боковой поверхности обычно ведут путем экструзии элемента трубчатой формы с однослойной сетчатой структурированной боковой поверхностью с образованием проходных отверстий для циркуляции сточных вод в поперечном направлении.

Для увеличения удельной площади обрастания на сформированной основной боковой поверхности насадки формируют дополнительные элементы (один или несколько), каждый из которых выполняют в виде гладкой полосы из полимерного материала и термически связывают с основной боковой поверхностью насадки.

Дополнительные элементы располагают по спирали, вдоль продольной оси, кольцеобразно или перекрестно с образованием сетчатой структуры.

Известный способ изготовления насадки имеет существенный недостаток, который выражается в том, что формирование однослойной сетчатой основной боковой поверхности и формирование на ней частично перекрывающих дополнительных элементов, выполненных в виде гладких полос, имеют небольшую суммарную площадь.

По этой причине при таком способе изготовления насадки не достигается существенное увеличение удельной поверхности обрастания микроорганизмами, надежная иммобилизация на ней микроорганизмов и хорошая циркуляция сточных вод для интенсивного омывания биологической дернины через проходные отверстия сетчатой структурированной боковой поверхности во всех направлениях системы координат.

Задачей изобретения является усовершенствование конструкции насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод и способа ее изготовления. Эта задача решена за счет выполнения многослойной сетчатой структурированной боковой поверхности насадки и простой технологии ее формирования методом волокнообразования, что позволяет обеспечить увеличение ее общей площади.

При этом в насадке для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод, выполненной из полимерного материала в виде элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью и проходными отверстиями для циркуляции сточных вод, согласно изобретению элемент трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью выполнен из непрерывного жгута полимерного материала круглого или профильного сечения в виде нескольких слоев соосных винтовых спиралей с противоположным направлением навивки, при этом винтовые спирали последовательно соединены между собой в местах их перекрещивания таким образом, что между ними образуются проходные отверстия для циркуляции сточных вод во всех направлениях системы координат.

Приведенные признаки изобретения являются существенными, так как в совокупности достаточны для обеспечения работоспособности, решения поставленной задачи, а каждый в отдельности необходим для идентификации заявляемой насадки.

Новая совокупность общих и отличительных существенных признаков, которыми характеризуется усовершенствованная насадка, является достаточной во всех случаях, на которые распространяется объем правовой защиты, так как решает поставленную задачу.

Приведенные признаки изобретения не являются обязательными, но, по мнению заявителя, являются лучшими и не исключают возможности иного эквивалентного выполнения насадки.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков насадки, в том числе отличительных при их взаимодействии с общими признаками, в обеспечении ее новых технических свойств, обусловленных решаемой задачей, заключается в следующем.

Так, выполнение элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью из непрерывного жгута полимерного материала круглого или профильного сечения в виде нескольких слоев соосных винтовых спиралей с противоположным направлением навивки обеспечивает многослойную его структуру с развитой поверхностью из перекрестно расположенных жгутов.

За счет этого достигается существенное увеличение как общей площади боковой поверхности насадки, так и ее удельной поверхности обрастания микроорганизмами, особенно при использовании непрерывного жгута полимерного материала профильного сечения.

Кроме того, образованная из жгутов многослойная структура боковой поверхности насадки обеспечивает надежную иммобилизацию микроорганизмов на ней.

Последовательное соединение винтовых спиралей между собой в местах их перекрещивания таким образом, что между ними образуются проходные отверстия для циркуляции сточных вод во всех направлениях системы координат, обеспечивает жесткость конструкции, а также хорошую циркуляцию сточных вод между жгутами.

За счет этого достигается интенсивное омывание сточными водами биологической дернины через образованные между жгутами проходные отверстия сетчатой структурированной боковой поверхности во всех направлениях системы координат.

Из уровня техники заявителем не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с упомянутыми отличительными признаками предлагаемой насадки.

Насадка имеет и другие отличительные признаки, которые дополняют и характеризуют ее в отдельных случаях выполнения и используются для улучшения ее технических свойств.

В насадке для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод, согласно изобретению, жгут может быть выполнен из полимерного материала, имеющего микропористую структуру.

Микропористая структура полимерного материала жгута повышает его шероховатость, увеличивает площадь поверхности обрастания, обеспечивает устойчивую иммобилизацию на ней микроорганизмов и дополнительно уменьшает массу насадки.

Поставленная задача решается также тем, что в способе изготовления насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод, включающем формирование из полимерного материала путем экструзии элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью и проходными отверстиями для циркуляции сточных вод, согласно изобретению формирование элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью ведут путем экструзии непрерывного жгута пластифицированного полимерного материала круглого или профильного сечения и намотки его на вращающуюся и совершающую возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости оправку в виде нескольких слоев соосных винтовых спиралей с противоположным направлением навивки, при этом при намотке на оправку винтовые спирали последовательно соединяют между собой в местах их перекрещивания путем термического склеивания при отвердении пластифицированного полимерного материала таким образом, что между ними образуются проходные отверстия для циркуляции сточных вод во всех направлениях системы координат.

Приведенные признаки изобретения являются существенными, так как в совокупности достаточны для обеспечения работоспособности, решения поставленной задачи, а каждый в отдельности необходим для идентификации заявляемого способа.

Новая совокупность общих и отличительных существенных признаков, которыми характеризуется усовершенствованный способ, является достаточной во всех случаях, на которые распространяется объем правовой защиты, так как решает поставленную задачу.

Приведенные признаки изобретения не являются обязательными, но, по мнению заявителя, являются лучшими и не исключают возможности иного эквивалентного выполнения способа.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков способа, в том числе отличительных при их взаимодействии с общими признаками, в обеспечении его новых технических свойств, обусловленных решаемой задачей, заключается в следующем.

Так, формирование элемента трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью, которое ведут путем экструзии непрерывного жгута пластифицированного полимерного материала круглого или профильного сечения и намотки его на вращающуюся и совершающую возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости оправку в виде нескольких слоев соосных винтовых спиралей с противоположным направлением навивки, обеспечивает простую технологию формообразования его многослойной структуры с развитой поверхностью из перекрестно намотанных жгутов методом волокнообразования.

За счет этого достигается существенное увеличение как общей площади боковой поверхности насадки, так и ее удельной поверхности обрастания микроорганизмами, особенно при формировании ее из непрерывного жгута полимерного материала профильного сечения.

Кроме того, формирование такой многослойной структуры боковой поверхности насадки из жгута обеспечивает надежную иммобилизацию микроорганизмов на ней.

В связи с тем, что при намотке на оправку винтовые спирали последовательно соединяют между собой в местах их перекрещивания путем термического склеивания при отвердении пластифицированного полимерного материала таким образом, что между ними образуются проходные отверстия для циркуляции сточных вод во всех направлениях системы координат, обеспечивается жесткость конструкции и улучшенная циркуляция сточных вод между жгутами насадки.

За счет этого в насадке достигается интенсивное смывание сточными водами биологической дернины через образованные между жгутами проходные отверстия сетчатой структурированной боковой поверхности во всех направлениях системы координат.

Из уровня техники заявителем не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с упомянутыми отличительными признаками предлагаемого способа.

Способ имеет и другие отличительные признаки, которые дополняют и характеризуют изобретение в отдельных случаях его выполнения и используются для улучшения ее технических свойств.

В способе изготовления насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод, согласно изобретению, в пластифицированный полимерный материал жгута дополнительно вводят сорбирующее, и/или пигментное, и/или разрыхляющее вещество.

Введение в пластифицированный полимерный материал жгута дополнительно сорбирующего вещества придает полимерному материалу насадки свойство частично поглощать токсичные вещества и газы.

При этом в установках биологической очистки сточных вод, загруженных такими насадками, значительно улучшаются экологическая обстановка окружающей среды и санитарные условия для обслуживающего персонала.

Введение в пластифицированный полимерный материал жгута пигментного вещества позволяет в зависимости от требований заказчика формировать насадки требуемого цвета.

Введение в пластифицированный полимерный материал жгута разрыхляющего вещества позволяет получить микропористую структуру материала и шероховатость поверхности жгута.

За счет этого увеличивается площадь поверхности обрастания, обеспечивается устойчивая иммобилизация на ней микроорганизмов и дополнительно уменьшается масса насадки.

Таким образом, усовершенствованная конструкция насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод и предложенный способ ее изготовления путем выполнения сетчатой структурированной боковой поверхности насадки многослойной и применения простой технологии ее формирования методом волокнообразования обеспечивает увеличение ее общей площади.

Это позволяет существенно увеличить удельную площадь обрастания микроорганизмами, обеспечить надежную иммобилизацию на ней микроорганизмов и добиться хорошей циркуляции сточных вод для интенсивного смывания биологической дернины через проходные отверстия сетчатой структурированной боковой поверхности во всех направлениях системы координат.

Производительность и эффективность установки для биологической очистки сточных вод, загруженной насадками усовершенствованной конструкции и изготовленной по предлагаемой технологии формирования ее сетчатой структурированной боковой поверхности, существенно повышается.

В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием конструкции насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод и предложенного способа ее изготовления со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 изображена насадка для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод.

На фиг.2 изображен жгут полимерного материала круглого сечения, поперечное сечение.

На фиг.3 изображен жгут полимерного материала профильного сечения, поперечное сечение (вариант 1).

На фиг.4 изображен жгут полимерного материала профильного сечения, поперечное сечение (вариант 2).

На фиг.5 изображен жгут полимерного материала профильного сечения, поперечное сечение (вариант 3).

На фиг.6 изображен жгут полимерного материала профильного сечения, поперечное сечение (вариант 4).

На фиг.7 изображен жгут полимерного материала профильного сечения, поперечное сечение (вариант 5).

На фиг.8 изображен жгут полимерного материала профильного сечения, поперечное сечение (вариант 6).

На фиг.9 изображен жгут полимерного материала профильного сечения, поперечное сечение (вариант 7).

На фиг.10 изображена схема установки для осуществления способа изготовления насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод.

Насадка для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод (фиг.1) выполнена из полимерного материала в виде элемента 1 трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью 2 и проходными отверстиями 3 для циркуляции сточных вод.

Элемент 1 трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью 2 выполнен из непрерывного жгута 4 полимерного материала круглого (фиг.2) или профильного (фиг.3-9) (варианты 1-7) сечения в виде нескольких слоев 5 соосных винтовых спиралей 6 с противоположным направлением навивки.

Винтовые спирали 6 последовательно соединены между собой в местах 7 их перекрещивания таким образом, что между ними образуются проходные отверстия 3 для циркуляции сточных вод во всех направлениях системы координат (Х-Y-Z) (фиг.1).

Каждый слой 5 состоит из двух соосных винтовых спиралей 6 с противоположным направлением навивки.

Жгут 4 может быть выполнен из полимерного материала, имеющего микропористую структуру.

Для изготовления такой насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод по предлагаемому способу используют экструзионную установку (фиг.10).

Экструзионная установка включает бункер-питатель 8 для загрузки и подачи сырья - полимерного материала, экструдер 9, нагревательные элементы 10, шнек 11, привод 12 шнека 11, прядильную балку 13, фильерный блок 14 с фильерой 15 и приводную оправку 16.

Оправка 16 установлена с возможностью вращения вокруг своей оси и возвратно-поступательного движения в горизонтальной плоскости (средства привода не показаны).

Оправка 16 предназначена для наматывания на нее струи 17 пластифицированного полимерного материала, выпрессовываемой через фильеру 15 экструдера 9 в виде жгута 4 круглого (фиг.2) или профильного (фиг.3-9) (варианты 1-7) сечения и формирования элемента 1 трубчатой формы (фиг.1, 10).

Способ изготовления насадки для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод включает формирование из полимерного материала путем экструзии элемента 1 трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью 2 и проходными отверстиями 3 для циркуляции сточных вод.

Формирование элемента 1 трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью 2 ведут путем экструзии непрерывного жгута 4 пластифицированного полимерного материала круглого (фиг.2) или профильного (фиг.3-9) (варианты 1-7) сечения через фильеру 15 фильерного блока 14 экструдера 9 с помощью прядильной балки 13 и намотки его на вращающуюся и совершающую возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости оправку 16 в виде нескольких слоев 5 соосных винтовых спиралей 6 с противоположным направлением навивки.

Каждый слой 5 формируют двумя соосными винтовыми спиралями 6 с противоположным направлением навивки при двойном (прямом и обратном) ходе оправки 16 в горизонтальной плоскости.

При намотке на оправку 16 винтовые спирали 5 последовательно соединяют между собой в местах 7 их перекрещивания путем термического склеивания при отвердении пластифицированного полимерного материала таким образом, что между ними образуются проходные отверстия 3 для циркуляции сточных вод во всех направлениях системы координат (X-Y-Z) (фиг.1).

При необходимости в пластифицированный полимерный материал жгута 4 дополнительно вводят сорбирующее, и/или пигментное, и/или разрыхляющее вещество для придания ему дополнительных свойств.

Введение в пластифицированный полимерный материал жгута 4 дополнительно сорбирующего вещества придает полимерному материалу насадки свойство частично поглощать токсичные вещества и газы.

При этом в установках биологической очистки сточных вод, загруженных такими насадками, значительно улучшаются экологическая обстановка окружающей среды и санитарные условия для обслуживающего персонала.

Введение в пластифицированный полимерный материал жгута 4 пигментного вещества позволяет в зависимости от требований заказчика формировать насадки требуемого цвета.

Введение в пластифицированный полимерный материал жгута 4 разрыхляющего вещества позволяет получить микропористую структуру материала и шероховатость поверхности жгута 4.

За счет этого увеличивается площадь поверхности обрастания, обеспечивается устойчивая иммобилизация на ней микроорганизмов и дополнительно уменьшается масса насадки.

В примере конкретного выполнения предлагаемую насадку с внутренним диаметром D₁=44 мм, наружным диаметром D₂=50 мм и длиной L=500 мм из жгута 4 профильного сечения (фиг.3) (вариант 1) с диаметром описанной окружности d=1,0 мм из полимерного материала, например полипропилена, изготавливали путем его намотки на оправку 16 с помощью эструзионной установки (фиг.10) по предлагаемой технологии.

Общая длина навитого жгута 4 в заявляемой насадке примерно в 2 раза больше, чем в известном наполнителе трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью (патент ФРГ №4427576, А1, 6 МПК: C 02 F 3/10, заявл. 04.08.94, опубл. 08.02.96, прототип).

Такого рода насадки могут использоваться как в нерегулярных засыпках, так и в упорядоченных пакетах наполнителей.

Из готовых насадок, как правило, формируют блок насадок, так называемую загрузку, которую монтируют в установке для биологической очистки сточных вод (на чертежах не показано).

При работе установки для биологической очистки сточных вод, загруженной блоками из таких насадок (фиг.1), микроорганизмы мигрируют из сточных вод на образованную жгутами 4 многослойную высокоразвитую сетчатую структурированную боковую поверхность 2.

Насадка с многослойной высокоразвитой сетчатой структурированной боковой поверхностью 2 является носителем биомассы, образующейся на ней за счет процесса хемосинтеза, при котором происходит рост бактерий - хемосинтетиков - С - автотроф (микробиоценоз активного ила) с образованием биологической дернины, в результате чего происходит процесс нитрификации.

Выполнение насадки из полимерного материала, особенно синтетического, например полипропилена, стимулирует необходимое развитие микроорганизмов на ее сетчатой структурированной боковой поверхности 2.

Многослойная структура насадки из перекрестно расположенных винтовых спиралей 6 жгутов 4 полимерного материала обеспечивает существенное увеличение как площади ее сетчатой структурированной боковой поверхности 2, так и удельной поверхности обрастания микроорганизмами.

Дополнительным фактором для увеличения удельной поверхности обрастания является сложная профильная форма сечения жгута 4 полимерного материала (фиг.2-9).

Образованная из таких жгутов 4 многослойная структура сетчатой боковой поверхности 2 обеспечивает надежную иммобилизацию микроорганизмов на ней (фиг.1).

Последовательное соединение винтовых спиралей 6 между собой в местах их перекрещивания обеспечивает образование проходных отверстий 3 для циркуляции сточных вод во всех направлениях системы координат (X-Y-Z), необходимую жесткость конструкции, а также хорошее проникновение сточных вод между жгутами 4 как в рабочем режиме очистки, так и при промывке насадок.

Установка, загруженная блоками усовершенствованных насадок, которые изготовлены по новой технологии, имеет повышенную производительность и высокую эффективность биологической очистки сточных вод.

Насадка для иммобилизации микроорганизмов при биологической очистке сточных вод и способ ее изготовления могут быть реализованы промышленным способом с использованием известных полимерных материалов и существующего экструзионного волокнообразующего технологического оборудования.

Перечень обозначений

1. Элемент трубчатой формы

2. Сетчатая структурированная боковая поверхность

3. Проходные отверстия для циркуляции сточных вод

4. Жгут пластифицированного полимерного материала

5. Слои винтовых спиралей

6. Винтовые спирали

7. Места перекрещивания винтовых спиралей

8. Бункер-питатель

9. Экструдер

10. Нагревательные элементы

11. Шнек

12. Привод шнека

13. Прядильная балка

14. Фильерный блок

15. Фильера

16. Оправка

17. Струя пластифицированного полимерного материала