Спосіб роботи адсорбційного фільтра

1. Спосіб роботи адсорбційного фільтра, що включає фільтрування води через активоване вугілля з іммобілізованими на ньому мікроорганізмами в присутності речовини-донора кисню, який відрізняє ться тим, що фільтрування води здійснюють в присутності пероксиду водню, який вводять в адсорбційну колону по ходу фільтр ування води хоча б в одному місці, і висоту останнього визначають із виразу: 2 3 82627 хімічної природи використовували показник хімічного споживання кисню (ХСК) [Ю.Ю. Лурье. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М: Химия, 1984. 447с]. Концентрація вище вказаних речовин в одиницях ХСК складала 115,85754,00мгО/дм 3. Як випливає з приведених в [1] даних, при очищені 1м 3 води зазначеного складу ступінь очищення води від суміші органічних речовин різної хімічної природи складав 62-67%. Отже, основним недоліком відомого способу [1] є його низька ефективність при видаленні з водних розчинів суміші органічних речовин різної хімічної природи. Відомий спосіб роботи адсорбційного фільтру по очищенню від органічних речовин [В.Н. Сшивальников, С.В. Яковлев, К.М. Морозова, И.А. Нечаев, В.И. Миркис. - Глубокая очистка природных и сточных вод на биосорберах. Водоснабжение и санитарная техника. - Москва. - Стройиздат. 1995, №11. C.6-11] [2]. Суть способу полягає в сполученні біологічних і адсорбційних стадій у єдиний біо-фізико-хімічний процес, тобто процеси адсорбції і біологічного руйнування відбуваються одночасно при очищенні води від розчинених органічних речовин. Біосорбційний процес реалізований у вертикальному апараті, що містить два шари активованого вугілля з іммобілізованими мікроорганізмами. При цьому нижній являє собою псевдозріджений шар активованого вугілля, а верхній - щільний шар активованого вугілля. Через реактор фільтрували водний розчин, що містить органічні сполуки: фенол, суміш ПАР (С12) і суміш нафтопродуктів (С-16), дихлорфенол, симазин, нафтален, біфеніл, карбофос, бенз(а)пірен і ліндан. Концентрації приведених речовин складали 2-14мгО/дм 3, виражених в одиницях окиснюваності - ХСК. Воду фільтр ували спочатку через псевдозріджений шар активованого вугілля, а потім через щільний шар АВ. Показано, що в двошаровому біосорбері в довготривалому експерименті ефективність очищення по використаним речовинам досягала 75-85%. Основним недоліком відомого способу [2] є його невисока ефективність по видаленню з водних розчинів речовин з різною сорбційною здатністю та різною окиснюваністю мікроорганізмами. Найближчим аналогом до винаходу за технічною суттю і ефектом, що досягається, є спосіб роботи адсорбційного фільтру по очистці води від органічних речовин [USA, патент №3779909. Оп. 18.12.1973, МПК C02F3/06] [3]. С уть способу полягає в тому, що воду, яка містить органічні забруднення, обробляють газом, що містить кисень, а потім пропускають через адсорбер, який складається хоча б з двох шарів АВ з іммобілізованими мікроорганізмами. Між цими двома шарами основну порцію води, яка виходить з першого шару, обробляють озоном перед введенням в наступний шар АВ. Потім воду пропускають через адсорбційну колону з АВ. Одержаний фільтрат хлор ують щонайменше 0,05мг/дм 3 хлору або обробляють еквівалентною кількістю іншого дезінфектанту. 4 Через зазначену систему пропускали річкову воду з перманганатною окиснюваністю 45мгО/дм 3. Як випливає з приведених даних, при очищені 1м 3 води зазначеного складу ступінь очищення води від суміші органічних речовин різної хімічної природи складав 80-90%. Тобто при ступені очистки 90% перманганатна окиснюваність води складає 4,5мг/дм 3. Час роботи цієї системи між регенераціями складає 30-90 днів (720-2160год). З [Когановский A.M., Левченко Т.М., Гора Л.Н., Савчина Л.А. Адсорбционная очистка речной воды от органических веществ активными углями различной пористой структуры // Химия и технология воды. - 1992. - Т.14, №4. - С.275-280] відомо, що співвідношення ПО/ХСК для природних вод складає приблизно 1:2, з чого випливає, що концентрація органічних речовин у вихідній воді складала 90мгО/дм 3, в очищеній воді 9мгО/дм 3. Таким чином, основними недоліками відомого способу [3] є недостатньо високий ступінь очистки води та невеликі проміжки між регенераціями АВ. Крім того, слід відмітити багатостадійність процесу. В основу винаходу поставлена задача розробити спосіб роботи адсорбційного фільтру по очистці води від розчинених органічних речовин на АВ з іммобілізованими мікроорганізмами, в якому використання речовини-донора кисню в рідкому стані, в кількості яка забезпечує ефективну роботу мікроорганізмів протягом тривалого часу забезпечило б підвищення ефективності роботи адсорбційного фільтру за рахунок збільшення ступеня очистки та терміну дії АВ. При цьому, введення речовини, що заявляється, дозволяє спростити технологічну схему очистки води. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб роботи адсорбційного фільтру, що включає фільтрування через АВ з іммобілізованими мікроорганізмами в присутності речовинидонора кисню, в якому, згідно з винаходом, фільтрування води здійснюють в присутності пероксиду водню, який вводять в адсорбційну колону по ходу фільтрування води хоча б в одному місці і висоту останнього визначають із виразу: H= pD 2 (Cпоч - Снеобх ) 4 × 0,02 × С орг × w (1) де D - діаметр колони, м; Споч - початкова концентрація кисню, мг/дм 3; Снеоб х - концентрація кисню, необхідна для життєдіяльності мікроорганізмів, мг/дм 3; Сорг - концентрація органічної речовини в розчині, що фільтрується, мг/дм 3; СН2О2 - концентрація пероксиду водню в розчині, що фільтрується, мг/дм 3; w - об'ємна швидкість фільтрування, м 3/год, при цьому пероксид водню використовують в концентрації 5-10мг/дм 3 в розчині, що фільтрують. Поставлена задача вирішується також тим, що пероксид водню вводять в декількох місцях за висотою колони і висоту кожного введення визначають із виразу: Hn = Hn-1 + pD 2CH2O 2 (Cпоч - С необх ) 4 × 0,1 × С орг × w (2 ) 5 82627 Нами показано, що при використанні в способі роботи адсорбційного фільтру як речовини-донора кисню пероксиду водню (рідина), при заявляємих параметрах введення (висота введення та кількість пероксиду водню) створюються умови насичення розчину, що фільтрується, киснем до рівня, необхідного для стабільної життєдіяльності мікроорганізмів (не менше 5 мг/дм 3). Це дозволяє забезпечити практично повне очищення води від органічних речовин різної природи та збільшити тривалість роботи шару АВ з іммобілізованими мікроорганізмами. Таким чином, сукупність суттєви х ознак способу, що заявляється, є необхідною і достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату - практично повного вилучення (99,0-99,5%) з забрудненої води органічних речовин та підвищення тривалості роботи шару АВ як мінімум у 2 рази. Цей результат не досягається жодним з відомих способів. Спосіб реалізується наступним чином. В колонку, заповнену АВ КАУ (кісточкове активоване вугілля - ДСТУ 2335-93) з іммобілізованими бактеріями-деструкторами, знизу вгору подається вода, яка містить органічні речовини в концентрації 50100мгО/дм 3 по ХСК. В колонці через відгалуження відбирають зразки для аналізу на вміст розчиненого кисню. В колонку на висотах, визначених за виразами 1 та 2, через відгалуження вводиться розчин пероксиду водню у кількості необхідній для утворення у воді, що фільтрується, концентрації пероксиду водню 5-10мг/дм 3. Необхідна кількість місць введення пероксиду визначається наступним чином: висоту місця першого введення визначають із виразу (1), необхідність подальшого введення пероксиду водню визначають з виразу (2). Якщо висота місця вводу, визначена із виразу (2), більша за висоту шару АВ, то введення не потрібне, якщо менша - пероксид водню вводять на висоті визначеній за виразом (2). Для введення використовується 35% розчин пероксиду водню. Фільтрування води триває до моменту, коли в очищеній воді концентрація органічних речовин по ХСК складатиме 0,5мгО/дм 3. Тривалість роботи фільтру 3000-4000год. Приклади виконання за винаходом Приклад 1 В колонку, заповнену АВ КАУ, при висоті шару вугілля 1,2м та діаметрі колонки 0,025см, знизу догори подається розчин торф'яних фульвокислот з концентрацією за ХСК 50мгО/дм 3. Швидкість фільтрування води в колонці - 0,0025м 3/год. Початкова концентрація кисню в розчині, що очищується, 8мг/дм 3. Мінімальна необхідна для життєдіяльності мікроорганізмів концентрація кисню становить 5мг/дм 3. Таким чином, відповідно до виразу 1: H= pD 2 (Cпоч - С необх ) 3,14 × 0,025 2 × (8 - 5 ) = = 0,6м, 4 × 0,02 × С орг × w 4 × 0,02 × 50 × 0,0025 тобто пероксид водню потрібно вводити на висоті 0,6м. Вводили 35% пероксид водню таким чином, щоб його концентрація в розчині, що фільтрується, в місці введення становила 5мг/дм 3. 6 Експеримент проводили в хронічному режимі протягом 4000 годин з відбором проб води після очистки на аналіз через кожні 4 години. По закінченні експерименту очищена вода містила органічні речовини в кількості, що в одиницях ХСК складала 0,5мгО/дм 3. Ступінь очистки складає 99,0% (Таблиця, приклад 1). Приклад 2 В колонку, заповнену АВ КАУ, при висоті шару вугілля 1,2м та діаметрі колонки 0,025м, знизу догори подається розчин торф'яних фульвокислот з концентрацією за ХСК 100мгО/дм 3. Швидкість фільтрування води в колонці - 0,0025м 3/год. Початкова концентрація кисню в розчині, що фільтрується, 8мг/дм 3. Таким чином, відповідно до виразу 1: H= pD 2 (Cпоч - С необх ) 3,14 × 0,0252 × (8 - 5 ) = = 0,3м, 4 × 0,02 × С орг × w 4 × 0,02 × 100 × 0,0025 тобто пероксид водню потрібно вводити на висоті 0,3м. Водили 35% пероксид водню таким чином, щоб його концентрація в розчині, що фільтрується, в місці введення становила 5мг/дм 3. Відповідно до виразу 2 визначали висоту др угого введення пероксиду водню. Концентрація органічних речовин на висоті 0,3м - 40мгО/дм 3, концентрація кисню - 6мг/дм 3. H2 = H1 + p D2 (C поч - Снеобх ) 3,14 × 0,025 2 × ( 6 - 5) = 0,3 + = 0,5м 4 × 0,02 × Сорг × w 4 × 0,02 × 40 × 0,0025 Висота другого введення - 0,5 м. Відповідно до виразу 2 визначали висоту третього введення пероксиду водню. Концентрація органічних речовин на висоті 0,5м - 10мгО/дм 3, концентрація кисню 6мг/дм 3. H3 = H2 + pD 2 (C поч - Снеобх ) 3,14 × 0,0252 × ( 6 - 5 ) = 0,5 + = 1 5м , 4 × 0,02 × Сорг × w 4 × 0 ,02 × 10 × 0,0025 Висота третього введення - 1,5м. Оскільки висота фільтру 1,2м, то третє введення не потрібне. Експеримент проводили в хронічному режимі протягом 3000 годин з відбором проб води після очистки на аналіз через кожні 4 години. По закінченні експерименту очищена вода містила органічні речовини в кількості, що в одиницях ХСК складала 0,5мгО/дм 3. Ступінь очистки складає 99,5% (Таблиця, приклад 21). Для порівняння ефективності процесів очистки води запропонованим способом та описаним в найближчому аналогові, були проведені досліди на установці, що описана вище. Приклад 3 В колонку, заповнену АВ КАУ, при висоті шару вугілля 1,2м та діаметрі колонки 0,025м, знизу догори подається вода з р. Дніпро з концентрацією за ХСК 65мгО/дм 3. Швидкість фільтрування води в колонці -0,0025м 3/год. Початкова концентрація кисню в розчині, що фільтрується, 6мг/дм 3. Таким чином, відповідно до виразу 1: H= pD 2 (Cпоч - С необх ) 3,14 × 0,025 2 × (6 - 5 ) = = 0,2м, 4 × 0,02 × С орг × w 4 × 0,02 × 65 × 0,0025 тобто пероксид водню потрібно вводити на висоті 0,2м. Водили 35% пероксид водню таким чином, щоб його концентрація в розчині, що фільтрується, в місці введення становила 5мг/дм 3. 7 82627 Відповідно до виразу 2 визначали висоту др угого введення пероксиду водню. Концентрація органічних речовин на висоті 0,2м - 48мгО/дм 3, концентрація кисню - 6мг/дм 3. H2 = H1 + p D2 (C поч - Снеобх ) 3,14 × 0,025 2 × ( 6 - 5) = 0,2 + = 0,4 м 4 × 0,02 × Сорг × w 4 × 0,02 × 48 × 0,0025 Висота другого введення - 0,4м. Відповідно до виразу 2 визначали висоту третього введення пероксиду водню. Концентрація органічних речовин на висоті 0,4м - 33мгО/дм 3, концентрація кисню 6мг/дм 3. H3 = H2 + pD2 ( Cпоч - Снеобх ) 3,14 × 0,025 2 × ( 6 - 5 ) = 0,4 + = 0,7м 4 × 0,02 × Сорг × w 4 × 0,02 × 33 × 0,0025 Висота третього введення - 0,7м. Відповідно до виразу 2 визначали висоту четвертого введення пероксиду водню. Концентрація органічних речовин на висоті 0,7м - 16мгО/дм 3, концентрація кисню - 6мг/дм 3. Як видно з приведених експериментальних даних, при досить тривалому фільтруванні (30004000год) глибина очищення 99,0-99,5% досягається тільки запропонованим способом (таблиця, приклади 1-8). При позамежному зменшеному значенні вмісту пероксиду водню в розчині 3мг/дм 3 не досягається 8 H4 = H3 + p D2 ( Cпоч - Снеобх ) 3,14 × 0,0252 × (6 - 5 ) = 0 ,7 + = 1,3м 4 × 0,02 × С орг × w 4 × 0,02 × 16 × 0,0025 Висота четвертого введення - 1,3м, оскільки висота фільтру 1,2м, то че тверте введення не потрібне. Експеримент проводили в хронічному режимі протягом 4000 годин з відбором проб води після очистки на аналіз через кожні 4 години. По закінченні експерименту очищена вода містила органічні речовини в кількості, що в одиницях ХСК складала 0,5мгО/дм 3. Ступінь очистки складає 99,2% (Таблиця, приклад 3). Аналогічно прикладам виконання за винаходом 1; 2 були проведені досліди по очистці води з різними початковими концентраціями органічних речовин та кисню в присутності різної кількості пероксиду водню та при різних швидкостях фільтрування, як в заявляємому діапазоні так і при позамежних значеннях. Дані по ефективності очистки води представлені в таблиці (приклади 1-10) високий ступінь очистки (85,1%). При позамежному збільшеному значенні вмісту пероксиду водню в розчині 13мг/дм 3 тривалість роботи фільтру зменшується до 1500год. Переваги запропонованого способу роботи адсорбційного фільтру з очистки води від органіч 9 82627 них забруднень у порівнянні з відомим [3] полягають в наступному: 1. Забезпечується практично повне (99,099,5%) очищення води від органічних сполук різної Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 10 природи, що на 9,0-9,5% вище, ніж у відомому способі [3]. 2. Збільшується ресурс роботи активованого вугілля з іммобілізованими мікроорганізмами з 2000год до 3000-4000год, тобто в 1,5-2 рази. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601