ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГИБРИДНОГО МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ГРАДИРЕН Российский патент 2013 года по МПК C02F1/44 C02F1/50 B01D29/66 B01D37/04 

Область техники

Данное изобретение относится к экологическому гибридному микробиологическому регулированию, представляющему собой физический способ тонкой фильтрации, который удаляет питательные вещества, бактерии и суспендированные твердые вещества из охлаждающих систем с рециркуляцией и поэтому значительно снижает расход биоцида и программы химической микробиологической очистки, ранее требуемые для получения подобных уровней эффективности.

Предпосылки создания изобретения

Сепарация микрочастиц может осуществляться на основе исключения по размеру. Частицы большого размера легко удаляются песочной фильтрацией. Однако, только фильтры с малым размером пор, такие как мембраны или некоторые гранулированные среды, могут сепарировать коллоидные частицы, бактерии, макромолекулы, небольшие молекулы или даже ионы. Мембрана представляет собой физический барьер (тонкий слой), способный сепарировать материалы как функцию их физических и химических свойств в присутствии приложенной движущей силы. Гранулированные среды образуются из небольших частиц и имеют небольшой эффективный размер пор.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Биоциды

Биоциды представляют собой активные вещества и препараты, содержащие одно или более активных веществ, применяемые в форме, в которой они поставляются потребителю, предназначенные разрушать, отпугивать, делать безвредным, предотвращать действие или иным образом оказывать регулирующее воздействие на любой вредный организм физическим, химическим или биологическим способом.

Окисляющие биоциды

Окисляющие биоциды обычно являются неселективными, они могут окислять весь органический материал, включая микроорганизмы. Они окисляют компоненты клеток организмов, чем тоньше стенка клетки, тем более уязвимыми являются организмы к окисляющим биоцидам. Поскольку окисляющие биоциды являются неселективными, сопротивляемость не развивается. Примеры окисляющих биоцидов включают в себя галогены, источники активного кислорода.

Неокисляющие биоциды

В отличие от окисляющих биоцидов неокисляющие биоциды являются селективными в их механизме воздействия на микроорганизмы. Они препятствуют метаболизму организма, разрушают стенку клетки или предотвращают размножение. Чтобы неокисляющие биоциды были эффективными, обычно требуются более высокие концентрации, чем для окисляющих биоцидов. Микроорганизмы могут развивать сопротивляемость/устойчивость, когда биоцид используется долго, поэтому существует хорошая практика чередовать неокисляющие биоциды.

Биодиспергаторы и биодетергенты

Биодиспергаторы и биодетергенты являются поверхностно-активными химическими веществами, которые показывают обычно небиоцидные характеристики как таковые, предотвращают прикрепление микроорганизмов к поверхностям и ускоряют отделение биопленки ослаблением слизистой матрицы.

Тонкий фильтр

Тонкий фильтр представляет собой физический барьер, способный сепарировать материалы по их физическим и химическим свойствам. Тонкий фильтр способен сепарировать частицы от жидкостей с размером частиц в части или во всем интервале от нескольких мм до 0,1 нм.

Мембрана

Мембрана представляет собой физический барьер, способный сепарировать материалы как функцию их физических и химических свойств, когда к мембране прикладывается движущая сила.

Гранулированная среда

Гранулированная среда содержит частицы, размещенные в контейнере так, чтобы образовать физический барьер, способный сепарировать материалы по их физическим и химическим свойствам, когда материалы вынуждают перемещаться через гранулированный барьер. Гранулированная среда может иметь один размер или смесь размеров. Гранулами могут быть диоксид кремния, антрацит, активированный уголь или другой неорганический или органический материал.

В зависимости от размера пор можно различать следующие мембранные технологии: микрофильтрацию ((МФ) (MF)), ультрафильтрацию ((УФ) (UF)), нанофильтрацию ((НФ) (NF)) и обратный осмос ((ОО) (RO)).

Ультрафильтрация (размер пор 0,01-0,1 мкм) используется для удержания частиц размера нескольких нанометров, тогда как микрофильтрация, которая использует пористые мембраны с диаметром пор 0,05-10 мкм, способна сепарировать частицы размера в микронном интервале.

Ультрафильтрация и микрофильтрация представляют собой барьеры, приводимые в действие давлением, для суспендированных твердых веществ и бактерий для получения воды с высокой чистотой. Суспендированные твердые вещества и растворенные вещества высокой молекулярной массы задерживаются, тогда как вода и низкомолекулярные растворенные вещества проходят через мембрану. Вода и другие растворенные компоненты, которые проходят через мембрану, известны как пермеат. Компоненты, которые не проходят через мембрану, известны как концентрат. В зависимости от среза молекулярной массы ((СММ) (MWCO)) используемой мембраны макромолекулы могут быть очищены, сепарированы или концентрированы в любой фракции.

Поскольку удаляются только низкомолекулярные частицы, перепад давления через поверхность мембраны является относительно низким. Поэтому низкие приложенные давления являются достаточными для достижения высоких скоростей потока от УФ/МФ-мембраны. Поток мембраны определяется как количество пермеата, получаемого на единицу площади поверхности мембраны в единицу времени. Обычно поток выражается как л/м²/час ((лмч) (LMH)). УФ- и МФ-мембраны могут иметь чрезвычайно высокие потоки, но в большинстве практических применений поток варьируется в интервале от 10 до 100 лмч при рабочем давлении примерно 0,1-4 бар (10-400 кПа).

Модули УФ/МФ-мембраны устанавливаются в конфигурациях пластина-и-рама, спиральная намотка и трубчатая. Конфигурация выбрана в зависимости от типа и концентрации коллоидного материала. Для более концентрированных растворов используют более открытые конфигурации, подобные конфигурации пластина-и-рама и трубчатой конфигурации. Во всех конфигурациях разработка оптимальной системы должна принимать в расчет скорость потока, падение давления, энергопотребление, засорение мембраны и стоимость модуля.

Ряд материалов используют для промышленных полимерных УФ/МФ-мембран, например, полисульфон ((ПСф) (PS)), полиакрилонитрил ((ПАН) (PAN)), полиэфирсульфон ((ПЭС) (PES)), ацетат целлюлозы ((АЦ) (СА)) и поливинилиденфторид ((ПВДФ) (PVDF)). Также используют неорганические мембраны, подобные любым керамическим мембранам.

Ультрафильтрация представляет собой способ мембранной сепарации с широчайшим спектром применения. Она все в большей степени используется в очистке питьевой воды, удаляя главные патогены и загрязнения, такие как Giardia lamblia, Cryptosporium oocyts и крупные бактерии. Однако, растворимые компоненты, такие как соли и низкомолекулярные органические вещества, обычно не могут быть задержаны ультрафильтрационными мембранами.

Имеются некоторые факторы, которые могут ухудшать характеристики УФ/МФ-системы.

1. Поток через поверхность мембраны. Скорость пермеата увеличивается с увеличением скорости потока жидкости через поверхность мембраны. Скорость потока является особенно критической для жидкостьсодержащих суспензий. Более высокий поток также означает более высокое энергопотребление и более крупные насосы. Увеличение скорости потока также снижает загрязнение поверхности мембраны. Обычно оптимальная скорость потока достигается балансом между мощностью насоса (в л.с.) и увеличением скорости пермеата.

2. Рабочее давление. Скорость пермеата является прямо пропорциональной давлению, приложенному к поверхности мембраны. Большинство мембранных модулей имеет предел рабочих давлений благодаря ограничению физической прочности, придаваемой мембранному модулю.

3. Рабочая температура. Скорость пермеата увеличивается с увеличением температуры благодаря сниженной вязкости жидкости. Важно знать влияние температуры на мембранный поток для того, чтобы отличать падение пермеата благодаря падению температуры и влиянию других параметров.

Способ микрофильтрации и ультрафильтрации осуществляется при низком перепаде давления, что делает его способом с низким энергопотреблением, и МФ/УФ удаляет питательные вещества и бактерии из воды; возможность биозагрязнения охлаждающей системы замедляется, снижая поэтому расход биоцида.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение описывает следующие ключевые аспекты:

1. Преимуществом изобретения является обеспечение низкого перепада давления.

2. Преимуществом изобретения является обеспечение удаления тонкого осадка, мутности, частиц СОУ (суммарного органического углерода) (ТОС), питательных веществ со снижением биологического роста.

3. Преимуществом изобретения является обеспечение высокой эффективности удаления бактерий.

4. Предусматривается способ регенерации обратной промывкой или очищающим воздухом для удаления слоя загрязнения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение описывает способ микробиологического регулирования в охлаждающих системах, где рециркулирующая текучая среда, содержащая биоцид, проходит через систему тонкой фильтрации, в которой рециркулирующая текучая среда может быть отведена в боковой поток, затем проходящий через систему тонкой фильтрации.

Система тонкой фильтрации изобретения содержит мембраны, которые имеют размер пор 5 мкм или менее, предпочтительно, имея размер пор от 0,01 до 0,5 мкм. Система тонкой фильтрации изобретения может также содержать мембраны, которые являются микро-/ультрафильтрующими мембранами. Указанные мембраны могут быть регенерированы обратной промывкой системы или воздухом, очищающим систему.

Патентуемое изобретение использует окисляющий биоцид, который представляет собой одно или более из следующего: хлор, гипохлорит, ClO₂, бром, озон, пероксид водорода, перуксусная кислота и пероксисульфат. Альтернативно данное изобретение может использовать неокисляющий биоцид, который представляет собой одно или более из следующего: глутаровый альдегид, дибромонитрилопропионамид, изотиазолон, четвертичный аммоний, тербутилазин, полимерный бигуанид, метилен-бис-тиоцианат и тетракис-гидроксиметилфосфонийсульфат. Патентуемое изобретение может также использовать смесь окисляющего биоцида и неокисляющего биоцида с предпочтительными примерами, приведенными выше.

Примеры

Приведенное выше может быть лучше понято со ссылкой на следующие примеры, которые приводятся для иллюстрации способов осуществления изобретения и не предназначены для ограничения объема изобретения.

Должно быть понятно, что специалистам в данной области техники будут видны различные изменения и модификации настоящих предпочтительных вариантов, описанных здесь. Такие изменения и модификации могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения и без уменьшения его подразумеваемых преимуществ. Поэтому подразумевается, что такие изменения и модификации охватываются прилагаемой формулой изобретения.

Микробиологическое регулирование, использование биоцида исследуют в пилотной градирне ((ПГ) (РСТ)) в присутствии или в отсутствие физического способа мембранной фильтрации (ультрафильтрации), которая благодаря исключению по размеру удаляет микродисперсное вещество, включая бактерии, с размером более 0,01 мкм.

Ультрафильтрационное устройство

Ультрафильтрационное устройство было арендовано у Norit BV. Главные характеристики установки и мембраны представлены в приложении. Установка состоит из емкости (объем 25 л), где концентрируется вода. Регулятор уровня регулирует уровень воды в емкости. Из емкости воду прокачивают с помощью насоса Р01 через мембрану. Концентрат пропускают через охлаждающую систему и затем возвращают в емкость для хранения. Пермеат вводят в резервуар градирни.

Для предотвращения засорения мембраны устанавливают минимальную скорость потока 2 м/с через мембраны. Открытие или закрытие клапанов V1 и V2 регулирует поток. Клапаны V1 и V2 никогда не закрыты полностью. Кроме того, согласно документации поставщика давление подаваемого потока Р1 не превышает 1 бар (100 кПа) (продув мембран). Мембраны никогда не должны становиться сухими после первого использования (всегда поддерживаются влажными).

Проточная мембрана представляет собой 8-мм полое волокно, с фильтрацией внутрь-наружу. Пилотная установка первоначально оборудована 2 мембранными модулями с площадью поверхности 0,15 м² каждый, общая поверхность мембраны составляет 0,3 м².

Очистка УФ-мембраны для запуска

При использовании новых мембран сначала вымывают глицерин, который сохраняет мембрану влажной, и биоцид (для предотвращения разрушения ХПК (COD) для входа в градирню как дополнительный источник питания). Емкость 1 заполняют деионизированной водой, которую рециркулируют через мембраны согласно рекомендациям поставщика (Norit). Через 30 минут воду сливают. Процедуру повторяют, по меньшей мере, три раза. Наконец систему дренируют, клапан закрывают, и емкость 1 заполняют водой из резервуара пилотной градирни, тогда как пермеат повторно вводят в резервуар пилотной градирни.

Испытания пилотной градирни (ПГ) (РСТ) с и без мембранного устройства

Испытания характеристик гибридной физической/химической микробиологической очистки охлаждающей воды проводят с использованием стандартного Nalco-оборудования градирни с заданием параметров. Объем резервуара составляет 200 л. Для базовой линии к резервуару добавляют дополнительную емкость 25 л для имитации указанной емкости 1, когда используют УФ-устройство. Емкость нагревают до 30°С подобно емкости 1.

Испытания ПГ проводят с использование металлических труб. Все трубы пускают в эксплуатацию после тщательного обезжиривания без какой-либо предварительной пассивации. В испытание также включают купоны. Испытание ПГ начинают без нагревания в течение первых 12 ч, чтобы позволить начальным реакциям коррозии идти до остановки. После этого подводят тепло, как представлено в таблице 3. Испытание начинают с циклированной водой. Продукт 3DT165 очистки охлаждающей воды дозируют на основе технологии the Naico Trasar. Сброс регулируют 3DTrasar на основе установленной точки проводимости, когда мембранная установка не используется.

Когда УФ-установка является запущенной, сброс устанавливают вручную с использованием насоса и удаления раз в день концентрата из емкости 1. Общий объем сброса является эквивалентным сбросу, регулируемому 3DT-установкой.

ПГ инокулируют культурными бактериями (Pseudonomas) с достижением микробиологических уровней примерно 10⁵ кое/мл. Инокуляцию выполняют в начале каждого испытания. В систему вводят непрерывно жидкие питательные вещества (питательный бульон 4 г/л, поставщик - Oxio) со скоростью 0,01 г/л/сутки. Микробиологическое регулирование выполняют с использованием гипобромита. Дозирование биоцида выполняют на основе ORP-регулирования.

Химический состав воды контролируют с использованием ICP. Соответствующие параметры рециркулирующей охлаждающей воды анализируют или контролируют с использованием методов натурных испытаний на ежедневной основе. Обычным образом определяют следующие параметры: рН, М-щелочность, проводимость, твердость калия и общая твердость, уровень орто-фосфата, общего фосфата и полимера.

ПГ-ультрафильтрация

К ПГ-резервуару монтируют УФ-установку. Воду из резервуара непрерывно вводят в емкость 1 УФ-установки. Уровень воды в емкости поддерживают постоянным с использованием регулятора уровня. Насос Р02 непрерывно удаляет объем 1,4 л/ч как сброс и сбрасывает 10 л/24 ч концентрата из емкости 1. Пермеат повторно вводят в резервуар. Поток пермеата поддерживают при 20-26 л/ч. Когда поток пермеата снижается примерно на 15% от начальных значений, осуществляют процедуру очистки.

Процедура очистки УФ-установки

УФ-установку очищают в процессе осуществления характерного примера 1 ежедневно. Такую же методику используют для характерного примера 2 с тем отличием, что очистку выполняют только тогда, когда поток пермеата падает ниже 15% от начального потока пермеата. Сначала поток воды перекрывают, когда пермеат вводят в резервуар градирни.

Когда концентрат имеет объем около 10 л, трубу пермеата выводят из резервуара и вводят в емкость. Концентрат удаляют и сбрасывают в дренаж. Емкость заполняют деионизированной водой, биодетергентом и биоцидом (гипохлоритом) и осуществляют рециркуляцию в соответствии с рекомендациями поставщика (Norit). Воду пермеата и рециркупированную воду содержат в емкости. Через 30 минут насос останавливают, и воду дренируют. Чистую деионизированную воду вводят в систему и рециркулируют через УФ-мембрану. Процедуру повторяют, по меньшей мере, три раза. В конце систему дренируют, закрывают клапан, и емкость 1 заполняют водой из резервуара, тогда как пермеат повторно вводят в резервуар ПГ.

ПРИМЕР 1

ORP 260 мВ

Сутки Использование биоцида (г/ч) Общий объем инокулирования (кое/мл) Без УФ С УФ Без УФ С УФ 11 0,951 1,04     12 1,111 0,97 3,70Е+05 1,03Е+04 13   0,82 4,20Е+05 1,38Е+04 14   1,15 5,00Е+05 6,00Е+03 15 0,642 0,95   6,40Е+02 16 0,745       17 0,875 0,83 1,80Е+05 1,33Е+03 18   0,61 2,60Е+05 4,30Е+03 19 0,728 0,86 3,00Е+05 3,40Е+03 Среднее 0,84 0,90 3,38Е+05 5,68Е+03

ПРИМЕР 2

ORP 200 мВ

Сутки Использование биоцида (г/ч) Общий объем инокулирования (кое/мл) Без УФ С УФ Без УФ С УФ 11 0,433   3,60Е+04   12 0,592 0,326 3,80Е+04   13   0,241 1,71Е+05 7,80Е+04 14     2,30Е+05 8,50Е+04 15 0,633   1,42Е+05 6,80Е+04 16   0,311   1,49Е+05 17       1,46Е+05 18 0,556 0,339 5,10Е+04   19 0,600 0,208 5,50Е+04   Среднее 0,5628 0,285 1,03Е+05 1,05Е+05

Изобретение относится к способу микробиологического регулирования, представляющего собой физический способ тонкой фильтрации, который удаляет питательные вещества, бактерии и суспендированные твердые вещества из охлаждающих систем с рециркуляцией. Способ заключается в том, что сначала добавляют окисляющий и/или неокисляющий биоцид в рециркулирующую текучую среду, содержащую питательные вещества, бактерии и суспендированные твердые вещества. Далее пропускают рециркулирующую текучую среду через систему тонкой фильтрации, содержащую мембраны, которые имеют размер пор 5 мкм или менее для удаления питательных веществ, бактерий и суспендированных твердых веществ из рециркулирующей текучей среды, тем самым значительно снижая расход биоцида. В результате обеспечивается снижение содержания микробиологического вещества, суспендированных твердых и питательных веществ. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр.

1. Способ микробиологического регулирования в охлаждающих системах, содержащий следующие этапы:
добавляют биоцид в рециркулирующую текучую среду, содержащую питательные вещества, бактерии и суспендированные твердые вещества;
пропускают рециркулирующую текучую среду через систему тонкой фильтрации для удаления питательных веществ, бактерий и суспендированных твердых веществ из рециркулирующей текучей среды, тем самым значительно снижая расход биоцида.

2. Способ по п.1, в котором рециркулирующую текучую среду отводят в боковой поток и затем пропускают через систему тонкой фильтрации.

3. Способ по п.1, в котором система тонкой фильтрации содержит мембраны, которые имеют размер пор 5 мкм или менее.

4. Способ по п.1, в котором система тонкой фильтрации содержит мембраны, которые имеют размер пор от 0,01 до 0,10 мкм.

5. Способ по п.1, в котором система тонкой фильтрации содержит мембраны, которые являются микро-/ультрафильтрационными мембранами.

6. Способ по п.1, в котором систему тонкой фильтрации обратно промывают для регенерации мембран.

7. Способ по п.1, в котором систему тонкой фильтрации очищают воздухом для регенерации мембран.

8. Способ по п.1, в котором биоцидом является окисляющий биоцид.

9. Способ по п.8, в котором окисляющим биоцидом является одно или более из следующего: хлор, гипохлорит, ClO₂, бром, озон, пероксид водорода, перуксусная кислота и пероксисульфат.

10. Способ по п.1, в котором биоцидом является неокисляющий биоцид.

11. Способ по п.10, в котором неокисляющим биоцидом является одно или более из следующего: глутаровый альдегид, дибромонитрилопропионамид, изотиазолон, четвертичный аммоний, тербутилазин, полимерный бигуанид, метилен-бис-тиоцианат и тетракис-гидроксиметилфосфоний сульфат.

12. Способ по п.1, в котором биоцидом является смесь окисляющего биоцида и неокисляющего биоцида.

13. Способ по п.1, в котором биоцидом является одно или более из следующего: хлор, гипохлорит, ClO₂, бром, озон, пероксид водорода, перуксусная кислота, пероксисульфат, глутаровый альдегид, дибромонитрилопропионамид, изотиазолон, четвертичный аммоний, тербутилазин, полимерный бигуанид, метилен-бис-тиоцианат и тетракис-гидрокси-метилфосфоний сульфат.

14. Способ микробиологического регулирования в охлаждающих системах, содержащий следующие этапы:
добавление окисляющего или неокисляющего биоцида, или смеси окисляющего и неокисляющего биоцида в рециркулирующую текучую среду, содержащую питательные вещества, бактерии и суспендированные твердые вещества;
пропускание рециркулирующей текучей среды через систему тонкой фильтрации, содержащую мембраны, которые имеют размер пор 5 мкм или менее для удаления питательных веществ, бактерий и суспендированных твердых веществ из рециркулирующей текучей среды, тем самым значительно снижая расход биоцида.

15. Способ по п.14, в котором система тонкой фильтрации содержит мембраны, которые являются микро-/ультрафильтрационными мембранами.

16. Способ по п.14, в котором систему тонкой фильтрации обратно промывают для регенерации мембран.

17. Способ по п.14, в котором систему тонкой фильтрации очищают воздухом для регенерации мембран.