ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 1998 года по МПК B01D39/00 B01J20/16 C02F1/28 C02F1/50 

Изобретение относится к области обработки воды, а именно к очистке воды с помощью фильтрующего материала.

Кроме того, изобретение может быть использовано для концентрирования из воды сорбируемых компонентов.

Известно применение в качестве фильтрующего материала для очистки воды от различных находящихся в ней компонентов, в частности, от микроорганизмов - кварцевого песка, который предварительно отмывают и сортируют просеиванием через сита (Жужиков В.А. Фильтрование. - М.: Химия, 1968. - 412 с.; Яковлев С. В. и др. Канализация. - М.: Стройиздат, 1976. 632 с.; Жуков А.И. и др. Методы очистки производственных сточных вод. - М.: Стройиздат, 1977. - 208 с.).

Однако кварцевый песок почти повсеместно дефицитен и отличается сравнительно высокой стоимостью, что вызвало необходимость поиска более дешевых и доступных материалов.

Задачей изобретения является очистка воды от микроорганизмов, которая решается путем пропускания воды через фильтрующий материал, представляющий собой цеолитсодержащий туф Анадырьского месторождения.

Анадырьское месторождение (Пастбищное) расположено на территории Магаданской области.

ЦТ данного месторождения относится к клиноптилолит-гейландитовым туфам. Порода светло-серого цвета, без запаха. Дробленый ЦТ представляет собой крошку с неправильной формой гранул.

Массовая доля цеолита во фракции 1,0 - 2,5 мм - 60%, во фракции 0,25 мм - 56%.

Минеральный состав породы по данным рентгенофазового анализа - клиноптилолит, кварц, монтмориллонит, слюда (аморфная фаза).

Минеральные примеси - полевые шпаты (микроклин+плагиоклаз, биотит, хлорит), рудные металлы.

Химический состав ЦТ Анадырьского месторождения представлен в табл. 1.

Микрокомпонентный состав в %:
Mn - 0,020; Ni - 0,0004; Co - 0,0003; Тi - 0,20; V - 0,004; W - 0,004; Nb - 0,008; Zn - 0,010; Cu - 0,001; Pb - 0,002; Bi - 0,002; As - 0,01; Hg - 0,0000032.

Тh - 0,8±0,1/10^-9 Ки/кг.

U-1,5 ±0,2/10^-9 Ки/кг.

Удельный вес фильтрующей загрузки на основе цеолитов Анадырьского месторождения составляет 2,2 г/см³. Адсорбция микропор - 4,08 ммоль/г; микропор + макропор - 6,78 ммоль/г. Измельчаемость - - 0,98%, истираемость - 0,19%, обменная емкость - ΣE по NH+4

В качестве тест-микроорганизмов при проведении данной работы использовали представителей кишечной группы микроорганизмов (м/o), имеющих для воды наибольшее санитарно-показательное значение. Из соображений эпидемической безопасности выбор был остановлен на непатогенной кишечной палочке M-17 (E. coli M-17 и энтерококке (Str. faecalis - фекальном стрептококке).

Для проведения экспериментов использовали водопроводную воду, предварительно прогретую на водяной бане при 100^oC в течение 30 мин для устранения влияния на результаты исследования собственной микрофлоры.

Для постановки экспериментов брали суточную бульонную культуру E.coli M-17 в разведении 1:16500, которую вносили в воду из расчета 0,2 мл культуры на 3000 мл воды. Концентрация микробных клеток в 1 мл культуры соответствовала 5•10⁸. Культуру энтерококка вносили из расчета 0,6 мл при разведении 10^-3 на 3000 мл воды. Подготовленную таким образом воду фильтровали через стеклянные колонки, заполненные отмытым дистиллированной водой (до прекращения отделения мути) и стерилизованным при 160^oC в течение 1 ч цеолитом.

После пропускания воды через колонки по 0,5 мл профильтрованной воды засевали шпателем на чашки Эндо в трех-пяти повторностях при исследованиях с кишечной палочкой и на среду Калины при исследованиях с энтерококком. Засеянные чашки инкубировали при температуре 37^oC в течение 20 - 24 ч, после чего подсчитывали процент задержанных м/о.

Для оценки исходной обсемененности воды аналогичным образом в 3 повторностях засевали воду до фильтрования. Результаты экспериментов обрабатывали статистически.

Пример 1. Сведения, подтверждающие наличие у ЦТ Анадырьского месторождения сорбционной активности с отношении микроорганизмов.

В табл. 2 представлены результаты определения сорбционной активности ЦТ "Анадырьский" в отношении кишечной палочки и энтерококка. Здесь же приведены данные по сорбционной активности кварцевого песка.

Данные табл. 2 подтверждают, что ЦТ Анадырьского месторождения обладает сорбционной активностью в отношении кишечной палочки и энтерококка: он сорбирует 95,3% кишечной палочки и 79,9% энтерококка.

Различия в эффективности сорбции энтерококка цеолитом и кварцевым песком статистически недостоверны.

Условия эксперимента: диаметр зерен цеолита 0,63 - 1,25 мм, диаметр зерен песка 0,3 - 1 мм, скорость фильтрации 0,6 м/ч, высота слоя сорбента - 50 см.

Известно, что способность фильтрующей загрузки задерживать микроорганизмы зависит от ряда факторов: от размера фракции фильтрующего материала, скорости фильтрования, pH среды, от высоты фильтрующего слоя.

Приведенные ниже результаты экспериментов подтверждают возможность осуществления изобретения при различных показателях вышеуказанных факторов.

Пример 2. Сведения, подтверждающие сорбционную активность различных фракций ЦТ "Анадырьский" в отношении кишечной палочки.

Изучение эффективности сорбции кишечной палочки ЦТ с различными размерами частиц (табл. 3) показывает высокие значения эффективности сорбции: 96,3% для фракции 0,315 - 0,63 мм и 94,3% для фракции 0,63 - 1,25 мм.

Условия опыта: высота фильтрующего слоя 50 см, pH 5,0, скорость фильтрования 0,6 м/ч.

Пример 3. Сведения, подтверждающие сорбционную активность фракций ЦТ "Анадырьский" в отношении кишечной палочки при различных скоростях фильтрования.

При исследовании скорости фильтрации воды через цеолит выяснилось, что на мелкой фракции цеолита с размером частиц 0.315 - 0,63 имеет место высокая эффективность сорбции микробных клеток на скоростях 0,2 и 0,6 м/ч: 98,0±0,93 и 96,3±1,26% соответственно. Более высокие скорости фильтрования - 4,0 и 8,0 м/ч достигаются при использовании более крупных частиц второй фракции (см. табл. 4).

На этой фракции эффективность сорбции при скоростях фильтрования 0,2 - 4,0 м/ч превышает 90%, составляя 93 - 94% на скоростях 0,2 и 0,6 м/ч. При скорости фильтрования 8,0 м/ч эффективность сорбции составляет 65,3%.

Условия опыта: pH - 5,0, высота фильтрующего слоя - 50 см.

Пример 4. Сорбционная активность ЦТ "Анадырьский" при различных значениях pH.

Как уже упоминалось, на процесс сорбции микроорганизмов может оказывать влияние концентрация водородных ионов, т.е. pH фильтруемой воды.

Как показали проведенные исследования, эффективность сорбции на фракции 0,63 - 1,25 мм в пределах изученных значений pH от 4 до 10 колеблется от 61,3 до 94,3% для pH 10 и 5 соответственно (см. табл. 5).

Условия опыта: скорость - 0,6 м/ч, высота фильтрующего слоя - 50 см.

На фракции 0,315 - 0,63 мм ЦТ "Анадырьский" показывает еще более высокую эффективность сорбции микробных клеток: от 82,7% (pH 10) и 88,7% (pH 4) до 91,3% (pH 7) и 96,3% (pH 5).

Пример 5. Сорбция микроорганизмов фильтрами различной толщины.

Результаты исследования показывают, что эффективность сорбции микроорганизмов растет с увеличением высоты фильтрующего слоя и при наибольшей из исследованных высоте слоя составляет 94,3% для фракции 0,63 - 1,25 мм и 96,3% на фракции 0,315 - 0,63 мм (табл. 6).

Условия опыта: скорость - 0,6 м/ч, pH - 5,0.

Следовательно, на основании полученных данных можно сделать вывод, что ЦТ "Анадырьский" обладает хорошо выраженной способностью при фильтрации через него воды улавливать кишечную палочку и можно полагать, что и других представителей, в том числе и патогенной для человека, микрофлоры. Для более убедительного доказательства этого положения была осуществлена серия экспериментов с другим представителем санитарно-показательных микроорганизмов - фекальным стрептококком (энтерококк), имеющим не палочковидную, а коккообразную форму и иные биологические свойства.

Пример 6. Сведения, подтверждающие сорбционную активность различных фракций ЦТ "Анадырьский" в отношении энтерококка.

Условия опыта: pH - 5,0; высота сорбирующего слоя - 50 см, скорость фильтрации - 0,6 м/ч.

Анализ полученных результатов, представленных в табл. 7, показывает, что на более мелкой фракции эффективность сорбции энтерококка выше и составляет 89,0%.

Пример 7. Сорбционная активность различных фракций ЦТ "Анадырьский" при разных скоростях фильтрования.

Как показывают данные табл. 8, при малых скоростях фильтрации (0,2 - 0,6 м/ч) через мелкую фракцию различия в улавливании энтерококка несущественны; эффективность фильтрации высока: 88,3 - 89,0%. На крупной фракции цеолита различие в результатах возрастает и становится достоверным, хоть и не вполне объяснимым: на скорости 4 м/ч эффективность сорбции возрастает до 91,2%.

Условия опыта: высота фильтрующего слоя - 50 см, pH - 5,0
Пример 8. Сорбция энтерококка при различных значениях pH
Исследование влияния pH на активность задержки энтерококка (табл. 9) выявляет в целом те же общие закономерности, что были установлены для кишечной палочки. Так, из данных таблицы следует, что и кишечная палочка, и энтерококк наиболее эффективно сорбируются при pH 5,0: эффективность сорбции энтерококка составляет 89,0% и 70,8% на фракциях N 1 и N 2 соответственно, эффективность сорбции кишечной палочки составляет 96,3% и 94,3% на указанных фракциях соответственно.

Условия опыта: высота фильтра 50 см, скорость 0,6 м/ч.

Пример 9. Сорбция энтерококков на ЦТ "Анадырьский" при различных высотах фильтрующего слоя
Анализ влияния высоты фильтрующего слоя цеолита на сорбцию энтерококков выявляет те же закономерности, что и для сорбции кишечной палочки, т.е. эффективность очистки воды от энтерококков также увеличивается с возрастанием высоты фильтрующего слоя (табл. 10).

Условия опыта: pH 5,0 скорость - 0,6 м/ч.

Таким образом, экспериментальное исследование сорбционных свойств цеолита "Анадырьский" показывает его способность активно очищать фильтруемую воду от микроорганизмов. Наибольшая эффективность сорбции энтерококка наблюдается при тех же значениях размера фракции цеолита, скорости фильтрования, pH и высоты фильтрующего слоя, что и наибольшая эффективность сорбции кишечной палочки. Возможность осуществления изобретения показана при различных значениях вышеуказанных параметров.

Изобретение относится к области обработки воды, а именно к очистке воды от микроорганизмов с помощью фильтрующего материала и может быть использовано для концентрирования сорбируемых компонентов. Сущность изобретения состоит в применении в качестве фильтрующего материала цеолитсодержащего туфа Анадырьского месторождения. Изобретение позволяет осуществить очистку воды от микроорганизмов на различных фракциях цеолита и высотах фильтрующего слоя, при различных значениях pH и скорости фильтрования. 10 табл.

Применение природного цеолитсодержащего туфа "Анадырьский" в качестве фильтрующего материала для очистки воды от микроорганизмов.