CZ4772U1 - Plovoucí vířitelný nosný materiál pro biotechnologické procesy - Google Patents

Description

(54) Název užitného vzoru:

Plovoucí vířitelný nosný materiál pro biotechnologické procesy

CZ 4772 Ul

Plovoucí vířitelný nosný materiál pro biotechnologické procesy

Oblast techniky

Technické řešení se týká plovoucího vířitelného nosného materiálu pro biotechnologické procesy, zejména kultivačního nosného materiálu pro mikroorganismy, který může být použit při způsobech a v zařízeních pro dodatečnou úpravu vody, ke zpracování odpadních vod a kalů a ve fermentačních procesech.

Dosavadní stav techniky

A Je známo, že při zpracování vody a odpadních vod lze ke zvýšení koncentrace biomasy a tím i zvýšení čisticího výkonu použít rozličné nosné materiály.

Aí

Ve spisu DD 261 921 A3 je popsán způsob výroby zrnitého nosného materiálu pro biotechnologické procesy s měrnou hmotností pod 0,5 g/cm krychlový, který se vyrábí tepelným smršťováním vloček pěnového polystyrénu. Podle spisu DD 264 887 AI je tento materiál na svém povrchu přídavně opatřován vrstvami adsorbentů a/nebo inertních plniv.

Nosné materiály s nanesenými vrstvami jsou popsány například také ve spisech DE 29 45 609 AI, DE 30 06 171 B1 a DE 31 05 887 C2.

Všem těmto materiálům je společný nedostatek spočívající v tom, že při jejich výrobě vznikají částice s různými tvary, velikostmi a hustotou, které pak vedou k rozdílným chováním při nadouvání, čímž je ztížena spolehlivost a regulovatelnost řízení * procesu za definovaných podmínek. Mikroorganismy se kromě toho usazují výlučně na povrchu nosných materiálů. V důsledku toho se mohou vyvíjet pouze mikroorganismy s požadavky na aerobní nebo ,, anareobní prostředí. V zavzdušňovaném vířivém loži jsou nosné materiály osidlovány téměř výlučně jen aerobně žijícími mikroorganismy. Nejsou k dispozici dutiny, ve kterých by v důsledku nedostatku kyslíku mohly probíhat i anaerobní-anoxické procesy, například denitrifikační procesy.

Je také známo použití pěnových nosných materiálů. Ve spisu DE 31 37 062 je popsáno použití pěnových tělísek kusového tvaru s otevřenými komůrkami na bázi polyurethanu. Ve spisu DD 269 610 AI je popsáno použití stlačitelných nosných materiálů s otevřenými póry v kultivačních nádobách. Ve spisu DE 37 19 418 Cl jsou tato tělíska z umělé hmoty opatřena lepicí vrstvou a na, popřípadě do otevřených pórů jsou naneseny, popřípadě vneseny adsorpční částice.

Tyto materiály mají výhodu spočívající v tom, že mikroorganismy s různými požadavky na prostředí se neusidlují jen ve vnějších, nýbrž také ve vnitřních vrstvách, přičemž zásluhou toho, že současně probíhají nitrifikační i denitrifikační procesy, lze dosáhnout značných čisticích výkonů.

V praxi však přesto vznikají problémy z toho, že porostlé částice pěnové hmoty nabývají měrné hmotnosti mezi 0,9 až

-1CZ 4772 U1

1,1 g/cm krychlový. V důsledku toho není možné jejich spolehlivé zadržení v reaktorech pomocí norných stěn. Zadržení lze dosáhnout pouze pomocí sít, sítí nebo děrovaných desek. Důsledkem toho je, že použití těchto nosných materiálů je možné pouze v zařízeních s dobrým předčištováním a že průměr těchto nosných částic musí činit nejméně 2 cm. Každé zvětšení částic však sebou nese zmenšení měrné kultivační plochy a současně zvýšené požadavky na rozměry reaktorů, aniž by se dosáhlo odpovídající biologické aktivity. Další nedostatek nosných materiálů na bázi pěnových hmot spočívá v tom, že otevřené póry se rostoucím porostem uzavírají, takže čištěné médium se již nemůže v dostatečné míře dostat k vnitřním vrstvám.

Úkolem technického řešení je nalezení nosného materiálu pro biotechnologické a mikrobiologické procesy, který bude současně umožňovat jak aerobní, tak i anaerobní-anoxické zpracování vody. Část povrchu má být i v aerobní vířivém loži osídlena anaerobněanoxicky žijícími mikroorganismy. Materiál má být kromě toho vyrobitelný v úzkém spektru definované hustoty a velikosti a má mít velkou, adsorpčně působící kultivační plochu.

Podstata technického řešení

Uvedený úkol řeší a nedostatky známých nosných materiálů tohoto druhu do značné míry odstraňuje plovoucí vířitelný nosný materiál pro biotechnologické procesy podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že základní materiál sestává z polymerních látek, obsahuje organické a/nebo anorganické přísady, obsahuje pěnové jádro s uzavřenými komůrkami a jemně porézní komůrkové struktury, má strukturovaný a profilovaný povrch a má formu válcovitých dutých tělísek s délkou od 3 do 25 mm, vnějším průměrem od 3 do 25 mm, vnitřním průměrem od 2 do 24 mm a měrnou hmotností mezi 0,4 až 0,98 g/cm krychlový.

Povrch plovoucího vířitelného nosného materiálu je pokryt vrstvou sorbentů a/nebo enzymů a/nebo antigenů a/nebo jiných biochemických preparátů.

Polymerními látkami jsou s výhodou polyolefiny, popřípadě jejich kopolymery a terpolymery, například polyvinylacetát.

Sypná měrná hmotnost, hustota a vztlakové vlastnosti plovoucího vířitelného materiálu jsou nastavitelné nadouváním pomocí přísady chemických a/nebo organických nadouvacích prostředků v rozsahu 0,1 až 2,0 % hmotn.

Nadouvací prostředky jsou s výhodou tvořeny bikarbonáty s kyselinou citrónovou a/nebo škrobem a/nebo cukrem a/nebo aktivním uhlím, přičemž vnitřní a/nebo vnější povrch je porézní a/nebo obsahuje podélné drážky.

Základní polymerní materiál z polyolefinů, popřípadě jejich kopolymerů a terpolymerů, například polyvinylacetátu, se roztaví a s přísadou organických a/nebo anorganických látek jako nadouvadel se v extrudéru se speciálně tvarovanou tryskou tvaruje ve válcovitá dutá tělíska s definovanými rozměry. Takto vznikne pěnové jádro s uzavřenými komůrkami a komůrkové struktury s jemnými póry. Jako nadouvacích prostředků se použije 0,1 až 2,0 % hmotn.

-2CZ 4772 U1 bikarbonátu s kyselinou citrónovou a/nebo škrob a/nebo cukr ¹ a/nebo aktivní uhlí. Vnitřní a/nebo vnější povrch může být podle prostředku použitého pro nadouvání porézní. Povrch je strukturovaný a profilovaný. Měrná hmotnost materiálu by měla být mezi

0,4 až 0,98 g/cm krychlový. Krátce po výstupu z trysky může být na dosud nevytvrzený povrch tělísek nanesena vrstva sorbentů a/nebo enzymů a/nebo antigenů a/nebo jiných biochemických preparátů. Použitá tryska je za účelem zvětšení měrné kultivační plochy tělísek opatřena podélnými drážkami, zásluhou čehož má rýhovaný povrch i vytlačovaný nosný materiál. Po vytvrzení se vytlačený profil nařeže na definované délky.

Vyrobený nosný materiál plove, dobře se víří a je velmi j trvanlivý i po mechanické a biologické stránce. Má velkou adsorpčně působící kultivační plochu. Materiál lze velmi dobře použít v biotechnologických procesech, zejména v procesech dalšího zpracování odpadních vod, při kterých se požaduje eliminace dusíku. Nosný materiál lze podle potřeby použít v reaktorech s vířivým nebo pevným ložem pro aerobní, anaerobní nebo anoxické procesy. Zadržení v reaktorech lze bez problému dosáhnout speciálně uspořádanými nornými stěnami. Zvláštní výhoda vyplývá z toho, že podle délky nosných tělísek lze v jejich vnitřním prostoru vytvořit kultivační plochy, které v porostlém stavu nejsou ani v aerobním vířivém loži dostatečně zásobovány kyslíkem, takže v nich vznikne anaerobní-anoxické prostředí. Zásluhou toho mohou na nosném tělísku v těsném prostoru současně probíhat aerobní a anaerobníanoxické procesy. Vzájemný poměr aerobních a anaerobních-anoxických kultivačních ploch lze nastavit délkou jednotlivých nosných tělísek. Jsou-li požadovány převážně aerobní procesy, například nitrifikace nebo aerobní odbourávání biochemickou spotřebou kyslíku, pak mají nosná tělíska použitá v tomto stupni procesu délku mezi 3 a 6 mm. Prodlouží-li se délka nosných tělísek na 15 až 25 mm, usidlují se v jejich vnitřku mikroorganismy schopné ·' denitrifikace.

Příklad provedení technického řešení ·/

Nosný materiál, jeho výroba a možnosti použití budou dále popsány na příkladu zařízení pro zpracování odpadní vody s dalekosáhlou eliminací dusíku nitrifikací a denitrifikací.

Polyvinylacetát se roztaví a smísí s 0,6 % hmotn. granulátu, který obsahuje 40 % hmotn. bikarbonátu s kyselinou citrónovou jako nadouvací prostředek. V extrudéru se speciálně provedenou tryskou se tato směs tvaruje ve vytlačený profil ve tvaru dutých válečků s povrchem rýhovaným v podélném směru. Tento vytlačený profil má vnější průměr 5 mm a vnitřní průměr 4 mm. Rýhy jsou hluboké přibližně 0,6 mm. Následně se vytlačený profil po ochlazení ve vodní lázni nařeže na kousky dlouhé 5 mm. Takto se na nosném tělísku dosáhne kultivační plochy přes 2,7 cm čtverečních a na metr krychlový sypného objemu plochy přes 950 m čtverečních.

Stejným způsobem se vyrobí druhá dávka s délkou nosných tělísek 15 mm.

Druhá dávka se v množství 45 % objemových přidává do nitrifikačního stupně a první dávka ve stejném množství přidává do denitrifikačního stupně zařízení pro zpracování odpadních vod

-3CZ 4772 U1 s eliminací dusíku. Nosný materiál v nitrifikačním stupni je intenzivně vířen přiváděním tlakového vzduchu, zatímco nosná tělíska v denitrifikačním stupni jsou ve styku se zpracovávanou odpadní vodou trvale udržovány pomalu běžícím míchadlem. Nahoru vyplavaný noshý materiál je v jednotlivých stupních procesu zadržován speciálně tvarovanými nornými stěnami.

Nosný materiál v zavzdušňovaném nitrifikačním stupni porůstá na kyslíkem dobře zásobovaných površích především aerobně žijícími mikroorganismy, zejména nitrifikujícími bakteriemi. Poměrně pomalu rostoucí nitrifikující bakterie zůstávají s nosičem trvale v tomto stupni a zajišťují tak v poměrně krátké době biochemickou přeměnu ammonia obsaženého v odpadní vodě v nitrát. Střední část vnitřního prostoru tělísek, která mají tvar dutých válečků, je v důsledku nepatrné turbulence silně porostlá nejrůznějšími mikroorganismy. V této oblasti je potlačeno zásobování kyslíkem. Usazují se zde především takové bakterie, které mohou růst v anaerobním a anoxickém prostředí. Většina z těchto mikroorganismů je schopna nitrát, který mikrobiální cestou vzniká na zavzdušňovaných plochách, denitrifikovat s využitím rozpuštěných uhlovodíkových sloučenin v molekulární dusík. Takto je určité množství dusíku eliminováno dokonce již v nitrifikačním stupni.

Úplné odbourání nitrátu probíhá v následujícím nezavzdušňovaném denitrifikačním stupni. V tomto stupni jsou nosná tělíska v důsledku anaerobního-anoxického prostředí osídlena především mikroorganismy, které jsou schopny využít pro procesy látkové výměny kyslík vázaný na nitrátové ionty. Molekulární dusík opouští zařízení v plynné formě.

Použitím nosného materiálu podle tohoto technického řešení v zařízení pro zpracování odpadních vod s eliminací dusíku mohlo být prostorové využití k biochemické spotřebě kyslíku ve srovnání se známými hodnotami zdvojnásobeno na 0,8 až 1,0 kg biochemické spotřeby kyslíku/metr krychlový, aniž by se projevilo negativní ovlivnění stupně eliminace. Tohoto efektu se dosáhne vyšší měrnou koncentrací biomasy v nádržích. Na metr krychlový sypného objemu bylo zjištěno až 5 kg sušiny z biomasy vázané na nosný materiál. Ve volných prostorech mezi nosnými tělísky bylo možno prokázat další biomasu, mající v sušině přibližně 2,5 kg. Z toho vyplývá, že celkové množství biomasy činí v sušině přibližně 7 až 8 kg. Takových koncentrací nelze v běžných zařízeních na zpracování odpadních vod dosáhnout. Dočišťovací zařízení, které je zapotřebí k oddělení biomasy od čištěné vody, mohlo být zásluhou vysokého podílu biomasy, která je vázána na nosný materiál, zmenšeno přibližně o 35 % objemových. Také množství zpětně zaváděné biomasy mohlo být zredukováno na hodnotu kolem 40 % objemových množství přitékající odpadní vody. Při nízkých přítocích lze zpětné zavádění biomasy vypustit úplně.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Plovoucí vířitelný nosný materiál pro biotechnologické procesy, vyznačující se tím, že základní materiál sestává z polymerních látek, obsahuje organické a/nebo anorganické přísady a pěnové jádro s uzavřenými komůrkami a jemně porézní komůrkové struktury, má strukturovaný a profilovaný povrch a má tvar válcovitých dutých tělísek s délkou od 3 do 25 mm, vnějším průměrem od 3 do 25 mm, vnitřním průměrem od 2 do 24 mm a měrnou hmotností mezi 0,4 až 0,98 g/cm krychlový.
2. 2. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že jeho povrch je pokryt vrstvou sorbentů a/nebo enzymů a/nebo antigenů a/nebo jiných biochemických preparátů.
3. 3. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že polymerními látkami jsou polyolefiny, popřípadě jejich kopolymery a terpolymery, jako je polyvinyacetát.
4. 4. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že sypná měrná hmotnost, hustota a vztlakové vlastnosti jsou nastavitelné nadouváním pomocí přísady chemických a/nebo organických nadouvacích prostředků v rozsahu 0,1 až 2,0 % hmotn.
5. 5. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle nároku 4, vyznačující se tím, že nadouvací prostředky jsou tvořeny bikarbonáty s kyselinou citrónovou a/nebo škrobem a/nebo cukrem a/nebo aktivním uhlím.
6. 6. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že jeho vnitřní a/nebo vnější povrch je porézní a/nebo obsahuje podélné drážky.