БИОРЕАКЦИОННАЯ НАСАДКА

Полезная модель относится к устройствам для проведения очистных биореакционных и фильтрационных процессов и может быть использована для интенсификации физических и биологических процессов, проходящих в сооружениях по очистке поверхностных и сточных вод.
Рост промышленного и городского водопотребления, сопровождаемый сбросом в поверхностные воды большого количества сточных вод, приводит к тому, что зачастую вода превращается в ценное и дефицитное сырье.
В настоящее время для решения проблемы очистки поверхностных и сточных вод применяется широкий спектр водоочистных сооружений, в которых устанавливаются различные биореакционные насадки для проведения очистных биореакционных и фильтрационных процессов на основе прикрепления микрофлоры. Такие водоочистные сооружения реализуют способ очистки поверхностных вод, бытовых и промышленных сточных вод, заключающийся в биохимическом разрушении микроорганизмами органических веществ, растворенных и эмульгированных в поверхностных и сточных водах. Наиболее распространенными являются водоочистные сооружения, реализующие аэробный способ биологической очистки поверхностных и сточных вод, заключающийся в том, что в биохимическом разрушении микроорганизмами органических веществ участвуют бактерии, использующие при дыхании растворенный в воде кислород. Такая очистка поверхностных и сточных вод может осуществляться в условиях, близких к естественным, и в искусственно создаваемых условиях, когда жизнедеятельность микроорганизмов интенсифицируется в специально предназначенных для этих целей контейнерах, таких как биореакторы, биофильтры, аэрофильтры. Такие контейнеры снабжены каркасами, которые размещаются под уровнем свободной поверхности жидкости внутри упомянутых контейнеров. Каркасы могут быть выполнены из черного
или антикоррозионного металла, плоскими или объемными и с любыми заданными технологическими размерами. Упомянутые каркасы используются для фиксации на них биореакционных насадок, предназначенных для прикрепления к ним влажной биомассы микрофлоры с последующей интенсификацией ее жизнедеятельности за счет концентрации на поверхности насадок необходимых для развития упомянутой микрофлоры питательных веществ. Скопления микрофлоры на поверхности биореакционных насадок, представляют собой биопленку, наличие которой и позволяет осуществить биохимическое разрушение органических веществ в поверхностных и сточных водах.
Известно использование волокнистых насадок в виде пучков волокон для массообменных, очистных биореакционных и фильтрационных процессов, в которых волокна выполняются из стекла, капрона или лавсана, а также ионнообменных, импрегнированных или модифицированных напылением волокон. Однако детально закрепление этих волокон в пространстве и в объеме водоочистных сооружений не отработано, опыт эксплуатации указанных насадок не позволяет сделать однозначный вывод об их прочности и жесткости. Кроме того, изменение параметров указанных насадок в процессе эксплуатации невозможно. Учитывая несовершенство конструкций существующих на сегодняшний биореакционных насадок, эффективная очистка промышленных и городских сточных вод, а также поверхностных вод по-прежнему является одной из первоочередных водохозяйственных проблем.
Наиболее близкой по конструкции и биореакционным характеристикам является биореакционная насадка, описанная в патенте РФ №2182848, которая представляет собой объемную конструкцию, выполненную с возможностью фиксации на каркасе, состоящую из сердечника с двумя некорродирующими металлическими проволочными нитями, на котором равномерно по длине закреплены полимерные волокна, расходящиеся от сердечника в радиальном направлении. Кроме того, сердечник включает центральный шнур, выполненный
из некорродирующей металлической проволочной нити, а также по меньшей мере два периферийных шнура, выполненных из крученого химволокна.
Образующие сердечник две некорродирующие металлические проволочные нити и по меньшей мере два периферийных полимерных шнура навиты на центральный шнур, при этом полимерные волокна прижимаются указанными конструктивными элементами к центральному шнуру сердечника с образованием сложного тройного изгиба волокна.
Основным недостатком описанной биореакционной насадки является ее сложное конструктивное исполнение, а также тот факт, что в процессе эксплуатации в водоочистных установках указанная насадка растягивается под собственным весом и весом влажной биомассы удерживаемой ею микрофлоры, а при обрыве сердечника самопроизвольно раскручивается, теряя полимерные волокна. Использование периферийных шнуров из крученного полимерного волокна не позволяет осуществлять выполнение насадки с большими линейными размерами, а также не позволяет увеличивать диаметр цилиндра насадки более 80 мм, поскольку скрученные полимерные волокна имеют ограниченную прочность на растяжение. Кроме того, отсутствие возможности выполнения насадки с большими линейными размерами обуславливает значительное усложнение ее монтажа на каркасах контейнеров сооружений по очистке поверхностных и сточных вод, что приводит к снижению экономической эффективности использования насадки с указанным конструктивным исполнением.
В основу полезной модели поставлена задача создания такой биореакционной насадки, которая благодаря простоте и надежности конструкции, а также за счет повышения прочности и жесткости конструкции, позволит исключить растяжение сердечника насадки в процессе эксплуатации, позволит увеличить линейные размеры насадки, уменьшить ее вес, что в свою очередь обеспечит простоту фиксации насадки на каркасе и повысит
экономическую эффективность ее использования в сооружениях по очистке поверхностных и сточных вод.
Поставленная задача решается тем, что биореакционная насадка, представляющая собой объемную конструкцию, выполненную с возможностью фиксации на каркасе, состоит из сердечника с двумя некорродирующими металлическими проволочными нитями, на котором равномерно по длине закреплены полимерные волокна, расходящиеся от сердечника в радиальном направлении, при этом некорродирующие металлические проволочные нити перевиты непосредственно между собой, а каждое из полимерных волокон в серединной части зафиксировано сопряженными поверхностями некорродирующих металлических проволочных нитей.
Некорродирующая металлическая проволочная нить, образующая сердечник, предпочтительно имеет диаметр от 1 до 1,5 мм. Использование проволочной нити, имеющей меньший диаметр, не позволяет обеспечить достаточную жесткость сердечника, образуемого указанными проволочными нитями. Использование проволочной нити, имеющей больший диаметр, приводит к избыточной жесткости сердечника, образованного указанными проволочными нитями, снижению его упругости, а также к повышению расхода металла и повышению стоимости изделия. Выполнение сердечника из двух некорродирующих проволочных нитей, перевитых непосредственно между собой и имеющих диаметр от 1 до 1,5 мм позволяет обеспечить жесткость сердечника и существенно увеличить его прочность за счет незначительного растяжения проволочных нитей при значительных продольных растягивающих усилиях, что в свою очередь позволяет размещать насадку в водоочистных сооружениях с большими линейными размерами.
Предпочтительно выполнение некорродирующей металлической проволочной нити из материалов, имеющих твердость НВ от 200 до 120, предел текучести от 190 до 210 МПа, временное сопротивление разрыву от 450 до 510 МПа, сопротивление коррозионному хлоридному растрескиванию от 300 до 400 МПа.
Использование материалов, физико-механические характеристики которых находятся в указанных пределах, позволяет обеспечить прочность проволочной нити благодаря высокому уровню временного сопротивления разрыву и высокому значению твердости по методу Бринеля, что в свою очередь позволяет снизить прочность используемых каркасов контейнеров сооружений по очистке поверхностных и сточных вод, на которые осуществляется фиксация биореакционной насадки.
Выполнение некорродирующей металлической проволочной нити из материалов, значения физико-механических характеристик которых не превышают нижней границы указанных выше интервалов значений, не позволяет обеспечить достаточную прочность, жесткость, упругость и коррозионную стойкость металлической проволоки, образующей сердечник биореакционной насадки. Использование материалов, предел текучести которых превышает значение 210 МПа, приводит к избыточной жесткости и недостаточной пластичности проволочной нити, поскольку предел текучести устанавливает границу между упругой и упруго-пластической зонами деформирования материала, и, следовательно, чем выше значение предела текучести, тем более жестким является материал. В данном конкретном случае избыточная жесткость является негативным фактором. Превышение уровня других указанных физико-механических характеристик также ведет к избыточной жесткости и недостаточной пластичности проволочной нити, что в свою очередь не позволяет обеспечить надежное защемление полимерных волокон.
Надежность защемления полимерных волокон обеспечивается как конструктивным исполнением сердечника, а именно тем, что проволочные нити перевиты непосредственно между собой, так и пластичностью указанных проволочных нитей, позволяющей предотвратить выпадение полимерных волокон даже при их разрыве, поскольку препятствует непроизвольному раскручиванию сердечника.
Предпочтительно использование полимерных волокон, имеющих диаметр от 0,2 до 1,5 мм. Использование полимерных волокон, имеющих диаметр менее 0,2 мм, является нецелесообразным, поскольку такие волокна не обеспечивают надежного удерживания влажной биомассы прикрепленной микрофлоры на своей поверхности, не обеспечивают возможности осуществления концентрации необходимых для микрофлоры питательных веществ, а также не обеспечивают возможность свободной циркуляции очищаемой воды. Использование полимерных волокон, имеющих диаметр более 1,5 мм, также является нецелесообразным, поскольку приводит к большому расходу химического сырья, и кроме того, такие волокна будут обладать избыточной жесткостью. Возможность использования полимерных волокон, имеющих большой диаметр обусловлена достаточной прочностью и жесткостью проволочных нитей, образующих сердечник биореакционной насадки. Также использование полимерных волокон больших диаметров обеспечивает увеличение диаметра самой насадки, а это в свою очередь уменьшает трудоемкость монтажа насадки на каркасах контейнеров сооружений по очистке поверхностных и сточных вод, что в свою очередь повышает экономическую эффективность использования биореакционной насадки.
Наиболее предпочтительно выполнение некорродирующей металлической проволочной нити из стали марки AISI 430. Жаростойкая хромистая нержавеющая сталь марки AISI 430 не уступает по механическим свойствам более дорогостоящим никельсодержащим сталям и гарантировано обеспечивает коррозионную стойкость насадки во многих промышленных агрессивных средах. Формально данную сталь позиционируют по химическому составу как аналог отечественной марки стали 12Х17. Однако низкая концентрация углерода в стали 430 позволяет отказаться от дополнительной стабилизации титаном, поскольку реальное содержание углерода на уровне 0,020-0,025% гарантирует отсутствие склонности проволочной нити, выполненной из указанной стали, к межкристаллитной коррозии при повышенных температурах. Кроме того, сталь AISI 430 хорошо противостоит атмосферной коррозии, коррозии в пресной воде, является стойкой к органическим материалам.
Предпочтительно выполнение биореакционной насадки с рабочей длиной от 800 до 1200 мм, диаметром от 80 до 120 мм и весом до 0,4 кг. Установленный интервал рабочей длины биореакционной насадки обуславливается эксплутационными требованиями, поскольку в настоящее время наиболее распространенным является изготовление каркасов контейнеров сооружений по очистке поверхностных и сточных вод в указанном интервале размеров. Выполнение биореакционной насадки с диаметром менее 80 мм значительно увеличит требуемое для установки в водоочистном сооружении количество биореакционных насадок, что в свою очередь приведет к увеличению расхода металла и полимерного сырья и снизит экономическую эффективность использования указанного изделия. Выполнение биореакционной насадки с диаметром, превышающим 120 мм, значительно усложнит процедуру очистки насадки от прикрепленной к ее волокнам микрофлоры и других загрязнителей. Выполнение биореакционной насадки весом, превышающим указанное значение 0,4 кг, является экономически неэффективным, поскольку также приводит к значительному увеличению расхода металлаи полимерного сырья, и, кроме того, также усложняет процедуру извлечения и очистки биореакционной насадки от оседающих на ее поверхности загрязнителей.
На фигуре представлен вид спереди биореакционной насадки.
Биореакционная насадка представляет собой объемную конструкцию, выполненную с возможностью фиксации на каркасе, и состоит из сердечника 1 с двумя некорродирующими металлическими проволочными нитями (не показаны). На указанном сердечнике 1 равномерно по длине закреплены полимерные волокна 2, расходящиеся от сердечника 1 в радиальном направлении. Указанные некорродирующие металлические проволочные нити перевиты непосредственно между собой, при этом каждое из полимерных волокон 2 в серединной части зафиксировано сопряженными поверхностями некорродирующих металлических проволочных нитей. При этом полимерные волокна 2 волокна, зафиксированные предыдущими сопряженными поверхностями, перекрещиваются с волокнами, зафиксированными последующими сопряженными поверхностями, и между ними образуются
проходные отверстия для циркуляции сточных вод во всех направлениях системы координат.
Интенсификация физических и биологических процессов, проходящих в сооружениях по очистке поверхностных и сточных вод, с использованием биореакционной насадки может осуществляться следующим образом.
Биореакционная насадка фиксируется на каркасе путем закрепления свободных от полимерных волокон 2 концов сердечника 1 с помощью шурупов, болтов или любых других крепежных элементов. Каркас с зафиксированными на нем биореакционными насадками помещается в контейнер сооружения по очистке поверхностных и сточных вод.
В течение времени нахождения биореакционной насадки в контейнере сооружения по очистке поверхностных и сточных вод, полимерные волокна 2, при циркуляции жидкости через образованные ими проходные отверстия, сорбируют на своей поверхности взвеси и микрофлору, а также удерживают агломераты нерастворенных частиц и сгустки биопленки, которая представляет собой скопления упомянутой микрофлоры. Таким образом, полимерные волокна постепенно накапливают на своей поверхности жизнеспособные ассоциации микрофлоры и концентрируют необходимые для нее питательные вещества, что приводит к интенсификации жизнедеятельности микрофлоры и к увеличению ее количества. Микрофлора осуществляет окисление и минерализацию органических веществ, то есть, таким образом производится осуществление биохимического разрушения органических веществ поверхностных и сточных вод. После значительного обрастания поверхности волокон микрофлорой, а также взвесями и другими загрязнителями, насадку извлекают и подвергают чистке для исключения вторичного загрязнения очищенных вод, после чего возможно ее повторное использование.
Таким образом, полезная модель, которая заявляется, представляет собой биореакционную насадку, которая благодаря простоте и надежности конструкции, а также повышению ее прочности и жесткости позволяет исключить растяжение сердечника насадки в процессе эксплуатации, увеличить
линейные размеры насадки, уменьшить ее вес, что в свою очередь обеспечивает простоту фиксации насадки на каркасе и повышает экономическую эффективность ее использования в сооружениях по очистке поверхностных и сточных.