Фильтрующий патрон

Полезная модель относится к области очистки ливневых сточных вод, а именно к устройствам для их очистки, размещаемым внутри канализационных колодцев.
Известны устройства для очистки ливневых сточных вод, представляющие из себя фильтрующие патроны, содержащие корпус, имеющие боковую цилиндрическую стенку, верхний и нижний водопроницаемые концы с различными очищающими загрузками внутри (патенты РФ на полезные модели №№
59996 (B01D27/00, опубликовано 10.01.2007 г.);
138579 (B01D27/02, C02F1/00, E03F5/14, опубликовано 20.03.2014 г.);
139065 (B01D27/00, опубликовано 10.04.2014 г.);
149624 (B01D27/02, C02F1/00, E03F5/14, опубликовано 10.01.2015 г.);
149627 (B01D27/02, C02F1/28, опубликовано 10.01.2015 г.);
150763 (B01D27/02, опубликовано 27.02.2015 г.);
151523 (B01D27/02, C02F1/28, опубликовано 10.04.2015 г.);
156036 (B01D27/02, B01J39/08, C02F1/28, опубликовано 27.10.2015 г.);
156676 (B01D27/02, C02F1/28, C02F101/20, C02F101/32, опубликовано10.11.2015 г.);
157322 (B01D27/02, опубликовано 27.11.2015 г.);
162748 (B01D27/02, C02F1/66, опубликовано 27.06.2016 г.);
162796 (B01D27/02, C02F1/28, опубликовано 27.06.2016 г.);
163703 (B01D27/02, C02F1/28, C02F101/20, C02F101/32, опубликовано 10.08.2016 г.);
170818 (B01D27/00, E03F5/14, опубликовано 11.05.2017 г.).
Недостатком известных фильтрующих патронов является их низкая способность удаления нефтепродуктов из очищаемой воды на единицу массы очищаемой загрузки, находящейся внутри фильтрующего патрона.
Фильтрующий патрон по патенту РФ № 139065, опубликовано 10.04.2014 по классу МПК B01D 27/00, является наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели. Фильтрующий патрон для очистки воды содержит фильтрующую загрузку, включающую листовой волокнистый материал, и сорбционную загрузку, включающую активированный уголь, а также решетку для предварительной механической очистки воды, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности очистки воды от эмульгированных нефтепродуктов, анионных СПАВ, иона марганца, фильтрующая загрузка содержит дополнительно угольную ткань, расположенную между слоями листового волокнистого материала, а сорбционная загрузка состоит из слоя малозольного активированного угля и слоя высокозольного активированного угля, расположенных один за другим по ходу движения воды в фильтрующем патроне. В фильтрующем патроне в качестве малозольного активированного угля могут быть использованы активированные угли с зольностью не более 5 вес.%, в качестве высокозольного активированного угля используют активированные угли с зольностью не менее 10 вес.%.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции водоочистного устройства в виде фильтрующего патрона, обеспечивающей очистку воды с наибольшим ресурсом работы, предназначенного для очистки воды для технических и технологических целей в водообороте, а также ее сброса в водоемы, на рельеф или в городскую канализацию.
Технический результат заключается в увеличении количества нефтепродуктов, удаляемых из воды фильтрующим патроном.
Здесь и далее под увеличением количества нефтепродуктов, удаляемых из воды фильтрующим патроном, подразумевается увеличение общего количества нефтепродуктов, удаленных фильтрующим патроном из очищаемой воды, взятое за продолжительный промежуток времени, по сравнению с прототипом. Именно общее количество удаленных нефтепродуктов и определяет экономическую эффективность заявляемого фильтрующего патрона для очистки воды, благодаря чему увеличивается ресурс работы фильтрующего патрона.
Заявляемый технический результат достигается тем, что фильтрующий патрон для очистки воды содержит корпус, выполненный в виде цилиндра с водопроницаемыми основаниями и заполненный очищающей загрузкой, при этом верхнее основание корпуса снабжено наружным сплошным фланцем и устройством для строповки и перемещения, а в очищающей загрузке расположены нефтеразлагающие микроорганизмы.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображен общий вид фильтрующего патрона, установленного в бетонный колодец для очистки стока в сети ливневой канализации, где 1 – фильтрующий патрон, 2 – железобетонный колодец, 3 – сплошной фланец фильтрующего патрона, 4 – опорное кольцо, 5 – очищающая загрузка с внесенными в нее нефтеразлагающими микроорганизмами, 6 – устройства для строповки и перемещения фильтрующего патрона, 7 - дождеприемная решетка канализационного люка, 8 - трубопровод отвода очищенного стока, 9 - емкость для сбора очищенного стока, 10 - гибкая трубка для удаления очищенного стока.
Чертеж иллюстрирует только один предпочтительный вариант выполнения полезной модели и поэтому не может рассматриваться в качестве ограничения содержания полезной модели, которое не включает другие варианты ее исполнения.
Фильтрующий патрон 1 установлен при помощи устройства для строповки и перемещения 6 и сплошного фланца 3 внутри бетонного канализационного колодца 2 на опорном кольце 4. Неочищенный ливневый сток поступает сверху на фильтрующий патрон 1 через дождеприемную решетку 7, затем очищается, проходя через очищающую загрузку 5, содержащую нефтеразлагающие микроорганизмы. Очищенная вода выходит из нижней части фильтрующего патрона 1 и удаляется из колодца 2 через трубопровод 8, расположенный в нижней части колодца 2.
Для анализа степени очистки воды к нижнему основанию корпуса фильтрующего патрона 1 может быть закреплена емкость (например, на фиксаторах, установленных на нижнем водопроницаемом основании корпуса) для сбора очищенного стока 9. Из емкости 9 очищенную воду с помощью гибкой трубки 10 удаляют при помощи соответствующего способа (откачка насосом, вакуумный отсос и др.) из канализационного колодца 2 и собирают для последующего химического анализа.
Очищающие загрузки, использующиеся в фильтрующих патронах - в аналогах и в прототипе - представляют собой пористые фильтрующие материалы и сорбенты, накапливающие нефтепродукты на своей развитой поверхности за счет явлений адгезии, сорбции и капиллярного впитывания. Такое накопление нефтепродуктов необратимо и происходит до момента исчерпания емкости сорбционного или фильтрующего материала. Однако, емкость (ресурс) таких материалов ограничен ввиду конечного значения удельной поверхности этих материалов и отсутствия возможности удаления нефтепродуктов из них. Все это ведет к частым сменам загрузок в фильтрующих патронах или замены самих этих фильтрующих патронов.
В заявляемом фильтрующем патроне предлагается использовать в качестве очищающей загрузки нефтеразлагающие микроорганизмы. Это приводит к тому, что в заявляемом фильтрующем патроне, вместе c процессом сорбционного и адгезионного поглощения нефтепродуктов (единственном, который происходит в устройстве - прототипе) происходит параллельно еще и процесс микробиологической деструкции нефтепродуктов микроорганизмами. Это способствует "очищению" поверхности фильтрующего материала внутри фильтрующего патрона от части поглощенных им нефтепродуктов (то есть восстановлению его поглотительной способности по ним), а, следовательно, и увеличению общего количества нефтепродуктов, удаленных из воды, то есть достижению технического результата.
Нефтепродукты для определенных видов микроорганизмов (Bacillusbrevis, Arthrobacterspecies, Serratiaspecies, Acinetobactervalentis и др.) являются питательной средой, то есть пищей, которая расходуется в процессе их жизнедеятельности. Необходимыми составляющими для жизнедеятельности этих микроорганизмов являются: положительная температура окружающей среды, наличие растворенного в воде кислорода и наличие солей.
Ливневый (дождевой) сток характеризуется высоким содержанием растворенного кислорода. Экспериментально определенный авторами окислительно-восстановительный потенциал дождевого стока с селитебной территории (солесодержание 250-380 мг/л, содержание нефтепродуктов 1,25-6,70 мг/л) составил плюс 230-270 мВ. Для сравнения, окислительно-восстановительный потенциал сетевой холодной воды составил плюс 117-145 мВ, а сточной канализационной (общесплавной) - минус 17-52мВ. Такие высокие значения окислительно-восстановительного потенциала ливневого стока (а, следовательно, и содержания растворенного в нем кислорода) обеспечивают аэробный режим работы микроорганизмов в очищающей загрузке фильтрующего патрона, что приводит к их высокой активности, а, следовательно, и к высокой скорости переработки нефтепродуктов. Другим обстоятельством, способствующим поступлению кислорода к микроорганизмам, расположенным в загрузке фильтрующего материала фильтрующего патрона, является свободный доступ воздуха через дождеприемную решетку люка канализационного колодца.
Ливневый (дождевой) сток характеризуется также значительным содержанием солей (смываемых с почвы и дорог), значительная часть которых представляет собой соли калия и кальция, а также соединения азота и фосфора, образующиеся при постоянном разложении на обширных поверхностях дорог, листьев, пыльцы, насекомых, а также дополнительно имеет место вынос на дороги удобрений с газонов и цветочных насаждений. Эти соли совместно с растворенным кислородом создают питательную среду, необходимую для вышеназванных микроорганизмов.
Увеличению производительности очистки воды микроорганизмами от нефтепродуктов способствует также и то обстоятельство, что дождевой сток образуется в теплый период времени года, и его температура является близкой к оптимальной для жизнедеятельности микроорганизмов.
В публикации Кобызевой Н.В., Гатауллина А. Г., Силищева Н. Н., Логинова О. Н. «Разработка технологии очистки сточной воды с использованием иммобилизованной микрофлоры» (Вестник ОГУ. - 2009. - № 1. - С. 104-107) показана применимость для целей иммобилизации (нанесения клеток микроорганизмов на подходящие носители) таких фильтрующих и сорбционных материалов, как керамзит, активированные угли различных марок, цеолитово-углеродный материал, синтепон и поролон.
Обычно процесс биоразложения углеводородов (до девяноста процентов от их общего количества) занимает около трех суток. В промежутках между дождями микроорганизмы, находящиеся во влажной шихте фильтрующего патрона, при наличии всех вышеупомянутых факторов будут уничтожать зафиксированные (поглощенные) шихтой углеводороды (нефтепродукты), таким образом восстанавливая поглотительную способность фильтрующего патрона в целом.
Нефтеразлагающие микроорганизмы, способные перерабатывать скопившиеся в фильтрующей загрузке нефтепродукты в аэробных условиях, выделяют безвредные для окружающей их среды и человека продукты жизнедеятельности, главным образом углекислый газ.
Такие микроорганизмы производятся под различными торговыми марками, например, "Путидойл" (ЗапСибНИ ГНИ, г. Тюмень), "Деворойл" (ИНМИ РАН г. Москва), "Олеоворин", "Биоприн" (ГосНИИСинтезбелок г. Москва), "НХ7" (ГосНИИ Генетики г. Москва) и другие. В России наиболее известны микроорганизмы, выпускаемые под торговой маркой "БАК-ВЕРАД"(ООО "ПРИОРИТЕТ" г. Тула) и "Ленойл" (ЗАО НПП "Биомедхим", г. Уфа).
Особенности частных форм исполнения заявляемого фильтрующего патрона в области типа нефтеразлагающих микроорганизмов не влияют на достижение технического результата, так как любые нефтеразлагающие микроорганизмы, способные перерабатывать скопившиеся в фильтрующем патроне нефтепродукты и внесенные в очищающую загрузку фильтрующего патрона, обеспечат достижение технического результата.
Следует отметить, что в состав большинства промышленно выпускаемых и доступных для использования биопрепаратов, содержащих нефтеразлагающие микроорганизмы, входят по несколько различных видов (штаммов) нефтеразлагающих микроорганизмов, а также виды (штаммы)микроорганизмов в разных биопрепаратах тоже могут существенно отличаться между собой. Данный факт говорит о рациональной степени обобщения исполнения заявляемого фильтрующего патрона в области типа нефтеразлагающих микроорганизмов.
Особенности частных форм исполнения заявляемого фильтрующего патрона в области типа очищающей загрузки не влияют на достижение технического результата, так как любая очищающая загрузка, находящаяся внутри фильтрующего патрона, будет служить матрицей для жизни и развития нефтеразлагающих микроорганизмов, способных перерабатывать скопившиеся в фильтрующем патроне нефтепродукты, тем самым обеспечивая возможность достижения технического результата.
Таким образом, очевидно, что включение в очищающую загрузку фильтрующего патрона нефтеразлагающих микроорганизмов обеспечивает достижение заявленного технического результата полезной модели.
В таблицах 1 и 2 представлены результаты исследований по степени очистки воды заявляемой полезной модели и известного технического решения - прототипа.
Фильтрующие патроны, реализующие сравнительную очистку прототипом и заявляемой полезной моделью, были идентичны по конструкции и представляли собой полые цилиндры из полиэтилена диаметров 500 мм и высотой 1200 мм (при наличии пластиковых решеток, поддерживающих очищающую загрузку). Кроме того, корпуса фильтрующих патронов имели проушины для строповки и опорный фланец, на котором фильтрующий патрон располагался в канализационном колодце.
Внутри корпусов фильтрующих патронов находится активированный уголь марки БАУ-А, используемый как сорбент для поглощения нефтепродуктов.
Приготовление очищающего материала фильтрующего патрона на основе активированного угля, содержащего нефтеразлагающие микроорганизмы, осуществляли следующим образом.
8
2
3
2
2
4
4
4
3
В качестве исходного биопрепарата, содержащего нефтеразлагающие микроорганизмы, использовали коммерческий препарат "Ленойл" (выпускается ЗАО НПП "Биомедхим", г. Уфа) с титром живых клеток 10 КОЕ/мл (КОЕ – колониеобразующая единица). Заводскую фасовку сухого препарата (2 кг) добавляли в раствор, содержащий соли (NaCO – 0,1 г/л, CaCl – 0,01 г/л, NaHPO – 1,5 г/л, MgSO – 0,1 мг/л, NHNO – 2,0 г/л) общим объемом 500 л. Полученную взвесь микроорганизмов в питательном растворе в соответствующей пластиковой емкости объемом 1000 л перемешивали воздухом (барботаж) в течение 48 часов при температуре 26 – 28 °С. После этого взвесь из емкости подавали насосом в верхнюю часть фильтрующего патрона (равномерно по всей площади его верхней решетки), а прошедший через фильтрующий патрон раствор собирали в нижней части в другую емкость, из которой его подавали насосом снова в верхнюю часть фильтрующего патрона. Таким образом осуществляли циркуляцию взвеси клеток с питательным раствором через загрузку фильтрующего патрона (активированный уголь БАУ-А) в течение 24 часов. Затем в течение суток избыток раствора стекал с фильтрующего патрона, после чего фильтрующий патрон устанавливали в штатное рабочее место в канализационном колодце.
Оба испытуемых патрона располагались в находящихся рядом канализационных колодцах на опорных кольцах (как показано на чертеже) и работали параллельно, очищая сточную воду одного и того же состава.
В пробах воды, отобранных до фильтра (т.е. до очистки) и после фильтра (т.е. после очистки), определялось содержание нефтепродуктов экстракционно - хроматографическим методом с ИК-спектрометрическим определением на приборе ИКН-025.
Расход стока, поступающего на фильтрующие патроны, был близок по величине и по изменению его во время дождя.
0
i
По значениям концентраций нефтепродуктов до фильтрующего патрона (С, мг/л) и после него (С, мг/л) рассчитывали значение эффективности очистки (Э, %) по формуле:
.
В таблицах 1 и 2 представлено изменение эффективности очистки поверхностного (дождевого) стока от нефтепродуктов во времени, на протяжении трех периодов эксплуатации (апрель – ноябрь). На время холодного периода (декабрь – март) фильтрующие патроны изымались из канализационных колодцев и хранились в сухом неотапливаемом помещении. После прохождения холодного периода фильтрующие патроны возвращались в прежние штатные места в канализационных колодцах и испытывались во время последующего теплого периода.
Отбор проб до фильтрующего патрона осуществлялся непосредственно с поверхности асфальта перед ним. Отбор проб после каждого из испытывавшихся фильтрующих патронов осуществлялся из емкости 9, расположенной в нижней части корпуса фильтрующего патрона 1, куда стекала очищенная вода.
Из таблиц 1 и 2 видно, что ресурс работы фильтрующего патрона по нефтепродуктам до появления в очищенной воде половины их исходного содержания (т.е. с эффективностью очистки более 50%) составил для образца-прототипа 13 месяцев (без учета холодных месяцев), а для заявляемого образца – 22 месяца.
Таким образом, наличие в очищающей загрузке фильтрующего патрона нефтеразлагающих микроорганизмов, способствует достижению технического результата, т.е. удалению из воды бóльшего количества поглощенных нефтепродуктов.
Заявляемый фильтрующий патрон найдет широкое применение в промышленности при очистке ливневого стока с территорий, сильно загрязненных нефтепродуктами (например, автозаправочные станции, нефтеналивные терминалы, зоны ремонта автотранспорта), так как при прочих равных условиях может поглотить больше нефтепродуктов из очищаемого стока, чем ранее известные решения, а, следовательно, более экономически эффективен для конечного потребителя.
Таблица 1. Изменения концентраций нефтепродуктов до и после очистки, а также эффективности очистки во время сезонов 2015 – 2017 гг. на фильтре с загрузкой без нанесенных нефтеперерабатывающих микроорганизмов.
№ п/п
Месяц
2015 г.
С<sub>0</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
С<sub>i</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
Э, %
1
Апрель
5,1
0,10
98
2
Май
3,5
0,07
98
3
Июнь
2,8
0,06
98
4
Июль
1,4
0,04
97
5
Август
1,6
0,03
98
6
Сентябрь
4,0
0,20
95
7
Октябрь
1,9
0,19
90
8
Ноябрь
1,5
0,27
82
№ п/п
Месяц
2016 г.
С<sub>0</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
С<sub>i</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
Э, %
1
Апрель
2,6
0,36
86
2
Май
2,0
0,38
81
3
Июнь
2,4
0,62
74
4
Июль
3,0
1,05
65
5
Август
<u>2,5</u>
<u>1,05</u>
<u>58</u>
6
Сентябрь
2,2
1,17
47
7
Октябрь
2,1
1,26
40
8
Ноябрь
2,0
1,24
38
№ п/п
Месяц
2017 г.
С<sub>0</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
С<sub>i</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
Э, %
1
Апрель
5,8
3,0
49
2
Май
4,5
2,7
40
3
Июнь
3,0
2,01
33
4
Июль
1,6
1,02
36
5
Август
1,8
1,22
32
6
Сентябрь
2,0
1,40
30
7
Октябрь
2,2
1,45
34
8
Ноябрь
2,3
1,68
27
Таблица 2. Изменения концентраций нефтепродуктов до и после очистки, а также эффективности очистки во время сезонов 2015 – 2017 гг. на фильтре с загрузкой, содержащей нефтеперерабатывающие микроорганизмы.
№ п/п
Месяц
2015 г.
С<sub>0</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
С<sub>i</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
Э, %
1
Апрель
4,8
0,10
98
2
Май
3,7
0,05
99
3
Июнь
2,4
0,05
98
4
Июль
1,2
0,03
98
5
Август
1,6
0,05
97
6
Сентябрь
4,2
0,07
98
7
Октябрь
1,7
0,08
95
8
Ноябрь
1,8
0,14
92
№ п/п
Месяц
2016 г.
С<sub>0</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
С<sub>i</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
Э, %
1
Апрель
2,8
0,17
94
2
Май
2,4
0,17
93
3
Июнь
2,2
0,18
92
4
Июль
2,6
0,16
94
5
Август
2,3
0,29
87
6
Сентябрь
1,9
0,38
80
7
Октябрь
2,5
0,60
76
8
Ноябрь
2,0
0,52
74
№ п/п
Месяц
2017 г.
С<sub>0</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
С<sub>i</sub>, мг/дм<sup>3</sup>
Э, %
1
Апрель
5,7
1,82
68
2
Май
4,0
1,20
70
3
Июнь
2,8
0,74
73
4
Июль
1,4
0,40
71
5
Август
1,9
0,61
68
6
Сентябрь
<u>2,4</u>
<u>1,12</u>
<u>53</u>
7
Октябрь
2,0
1,10
45
8
Ноябрь
2,2
1,14
48