Фотоавтотрофный биофильтр

Современные биофильтры не могут быть применены для очистки вод, в которых отсутствуют органические загрязнения, поскольку основной очищающий компонент - гетеротрофная биомасса может развиваться только за счет разложения органических молекул. Этот недостаток может быть преодолен путем использования предлагаемого фотоавтотрофного биофильтра. Суть изобретения состоит в том, что волокнистая загрузка биофильтра изготавливается из оптических волокон, по которым проходит свет, от источника, находящегося за пределами водоочистного аппарата. Свет создает условия для развития фотоавтотрофного биоценоза с преобладанием микроводорослей. Водоросли обладают способностью наращивать биомассу в процессе фотосинтеза, используя растворенные минеральные вещества. Нарастающая биомасса создает различные водоочищающие эффекты, так же, как это происходит в обычных традиционных биофильтрах.

Изобретение относится к области очистки природных и сточных вод, в частности, к очистке вод, которые не содержат растворимых органических примесей или содержат их в очень низких концентрациях. К таким водам относятся многие природные воды, а также сточные воды горнодобывающих предприятий (шахты, карьеры, разрезы) и некоторые другие промышленные сточные воды.

Известен способ очистки сточных вод с помощью биофильтров [1], суть которого сводится к разбрызгиванию воды сверху на крупнозернистую загрузку (щебень, гравий). Стекая тонким слоем, вода насыщается кислородом воздуха, что, при наличии органических веществ, способствует развитию микрофлоры, окисляющей органику. Многие микроорганизмы при этом выделяют слизистые вещества, которые обеспечивают эффективное поглощение тонко дисперсных взвешенных веществ развивающейся биомассой.

Недостатками устройства являются низкая пористость, невысокая удельная поверхность фильтрующей загрузки и недостаточно интенсивный газообмен между воздухом и водой.

Эти недостатки устранены в современных биофильтрах за счет применения синтетических фильтрующих материалов с высокой пористостью. Загрузка полностью погружается в воду (затопленный биофильтр) и применяется принудительная аэрация воды, например, биофильтр ФЛОПАК фирмы Дегремон (Франция) [2].

Особенно высокой пористостью и удельной поверхностью отличаются фильтры с фильтрующей загрузкой из полимерных волокон, например в виде волокон из полистирола. [3]. Такая конструкция наиболее близка к заявляемому изобретению и принята как прототип. Основным недостатком этой конструкции, также как и предыдущих двух аналогов [1,2], является невозможность биологической очистки воды, не содержащей растворимых органических веществ, являющихся питательной основой для развития гетеротрофной микрофлоры.

Указанный недостаток устраняется в заявляемой полезной модели под названием «фотоавтотрофный биофильтр». Суть изобретения состоит в том, что волокнистая загрузка представляет собой оптические волокна, по которым проходит свет, от источника, находящегося за пределами водоочистного аппарата. Проходящий по волокнам свет создает условия для развития фотоавтотрофной микрофлоры в виде микроводорослей. Водоросли не нуждаются в органической пище, поскольку при наличии света могут синтезировать органические вещества из минеральных, содержащихся в воде.

Кроме основного положительного эффекта - возможности биологической очистки воды при отсутствии органических загрязнений, заявляемое устройство позволяет получить еще несколько положительных эффектов:

- в аппарате появляется дополнительная волокнистая система в виде нитчатых водорослей с высокоразвитой адсорбирующей поверхностью;

- эффективное поглощение тонкодисперсных взвешенных веществ позволяет уменьшить или полностью исключить обычное применение химических коагулянтов и флокулянтов, процесс становится экологически чистым;

- снижается минерализация воды за счет поглощения солей нарастающей биомассой;

- выделяющийся при фотосинтезе кислород и образующаяся органическая масса стимулируют развитие гетеротрофной микрофлоры, являющейся основным водоочищающим компонентом в обычных биофильтрах;

- часть энергии, затраченной на освещение волокон можно получить обратно, используя нарастающую биомассу в качестве биотоплива.

Пример.

Лабораторная модель фотоавтотрофного биофильтра представляла собой цилиндрический сосуд вместимостью 850 см³ (рис.1). В средней части размещали фильтрующую загрузку из оптических волокон. Общее количество волокон 126. Диаметр каждого волокна 0,75 мм, длина 1 м. Объем, охватываемый загрузкой, составлял около 600 см³, пористость 92%. Концы волокон были собраны в пучок, на который направлялся луч света от светодиода белого теплого свечения марки OSM5XZE3E (3000 К, 180 lm, 140°). Сила тока составляла 0,25А напряжение 3,5 В, мощность 0,875 Вт.

Сосуд был оборудован аэратором, который помимо аэрации обеспечивал циркуляцию обрабатываемой воды через фильтрующую загрузку, как показано на фиг.1. Расход воздуха составлял 50±10 см³/мин.

В экспериментах по обработке воды использовали два идентичных аппарата, один из которых не освещали, и он работал, таким образом, в режиме прототипа (контрольный вариант), как обычный затопленный биофильтр.

В качестве модели обрабатываемой воды использовали суспензию глины в водопроводной воде. Исходное содержание твердой фазы составляло 100±5 мг/дм³.

Аппараты работали непрерывно в течение 4 месяцев с заменой суспензии 1 раз в неделю. При этом старый раствор осторожно сливали сифоном, не повреждая слоя биообрастания, и осторожно заливали свежую порцию. Через 1 час после заливки из каждого сосуда отбирали пробу воды и после измерения концентрации взвешенных веществ определяли эффект их удаления. После первого замера эффективности удаления взвешенных веществ в оба аппарата были внесены одинаковые порции посевного материала в виде суспензии микроводорослей. Водоросли были получены путем соскоба зеленого налета с камней и стенок лабораторного аквариума.

Результаты экспериментов представлены на фиг.2 в виде графика, показывающего изменение эффекта осветления глинистой суспензии в зависимости от возраста биообрастания.

Первые два месяца от начала эксперимента аппараты практически не отличались по эффективности, которая медленно снижалась по мере уменьшения свободного пространства в фильтрующей загрузке. На третьем месяце опытный сосуд (кривая 1) начал постепенно увеличивать эффективность, поскольку к этому времени сформировался развивающийся миководорослевый биоценоз. К концу четвертого месяца эффективность опытного (заявляемого) варианта превысила 75%. В то же время, в контрольном сосуде (прототип) эффективность не увеличивалась, демонстрируя колебания около средней величины 65%.

Представленные результаты показывают, что использование оптических волокон в качества фильтрующей загрузки позволяет создать экологически чистый биологический метод для очистки вод, не содержащих органических загрязнений и повысить эффективность работы волокнистых фильтрующих систем.

Источники информации:

1. http://www.ecofil.ru/vodopodgotovka11.htm Дата обращения 12.12.2012 г.

2._О_S_V/METOD/FOMIN/UP1.htm Дата обращения 29.08.2012 г.

3. Проектирование и расчет водоочистительных станций с биореакторами и контактно-осветлительными фильтрами / Хоружий П.Д., Хомутецкая Т.П., Котельчук А.Л., Рубан О.В., Рудницкий Е.А..- Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев, Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса. Дата обращения 12.12.2012 г.

Устройство для фильтрования воды, представляющее собой емкость с волокнистой фильтрующей загрузкой, системой аэрации и циркуляции воды, отличающееся тем, что фильтрующая загрузка изготовлена из оптических волокон, по которым подается свет, обеспечивающий развитие фотоавтотрофного микробиоценоза, за счет которого создается комплекс водоочищающих эффектов.