фильтрующий материал для очистки воды

Формула изобретения

Применение цеолитсодержащего туфа Чугуевского месторождения в качестве фильтрующего материала для очистки воды от микроорганизмов.

Описание изобретения к патенту

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 (Большая медицинская энциклопедия. 3-е изд. - 1985, - т. 26, - с. 325. Статья "Фильтры").

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

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

Чугуевское месторождение цеолитсодержащих туфов (ЦГ) расположено в Чугуевском районе Приморского края.

Породы представлены белыми, желтовато-белыми, зелеными разновидностями и подразделяются на туфы, туфобрекчии, лавобрекчии и лавы липаритов. Эти породы по содержанию SiO₂ (в среднем 6,0%) в соответствии с общепринятыми классификациями изверженных пород относят к классу кислых эффузивов. По соотношению главных компонентов Al₂O₃ Na₂O + K₂O + CaO - к липаритам 1 группы.

Основным цеолитовым минералом месторождения является клиноптилолит с примесью морденита и монтмориллонита. Среднее содержание цеолитов в туфе 60%.

Высокое соотношение SiO₂/Al₂O₃ присуще обычно высококремниевым цеолитам, таким как клиноптилолит, морденит.

В табл. 1 представлены данные об усредненном химическом составе пробы.

Плотность фильтрующей загрузки 2,0 - 2,6 г/см³. Массовая доля целевой фракции не менее 90%. Механическая прочность 4,5%, истираемость 0,5%, измельчаемость 4,0%. Химическая стойкость 4,6 мг/дм³. Прирост сухого остатка 20 мг/л, прирост окисляемости 10 мг/л, прирост кремнекислоты 10 мг/л.

Внешний вид загрузки - мелкозернистая крошка, беловато-желтого, серого, зеленовато-серого цвета.

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

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

Для постановки экспериментов брали суточную бульонную культуру E.coli М-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^o 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 исследовании с кишечной палочкой и на среду Калины при исследованиях с энтерококком. Засеянные чашки инкубировали при температуре 37^o в течение 20 - 24 ч, после чего подсчитывали процент задержанных м/о.

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

В экспериментальных вирусологических исследованиях в качестве модельного микроорганизма избран аттенуированный штамм вируса полиомиелита 1 типа 1Sc2ab, который является типичным представителем вирусов кишечной группы и широко используется во многих исследованиях в качестве модельного микроорганизма при разработке методов индикации вирусов в воде. Он наиболее устойчив к действию различных химических и физических факторов окружающей среды, УФ- и гамма-излучениям, pH 2 - 10, хлору, озону, брому и др. по сравнению с другими энтеровирусами и способен длительно сохранять свои инфекционные свойства в воде.

Предварительные исследования показали отсутствие токсического действия на биологические ткани водных вытяжек из цеолитов, что выявлено по отсутствию цитопатического действия на культуру ткани.

Подготовка сорбентов к эксперименту включала трехкратное отмывание их в дистиллированной воде.

Все исследования проводили с использованием экспериментально приготовленной воды, освобожденной от хлора. В день эксперимента в воду вносили суспензию вируса, концентрация которого составляла в воде 2,75 - 4,25 lg ТПД₅₀/мл.

Вода, инфицированная вирусом, пропускалась через стеклянные колонки с загрузкой из Чугуевского ЦТ.

После каждого опыта вирусологические исследования обработанных проб проводили по методикам, общепринятым в вирусологической практике.

Количественное определение вирусов полиомиелита 1 типа проводили методом титрования по цитопатическому действию в ТЦД₅₀/мл на культуре клеток перевиваемой линии НЕР-2 (клетки рака гортани), обладающей высокой чувствительностью к энтеровирусам.

При проведении всех этапов исследований соблюдался принцип максимального приближения к натурным условиям в отношении скоростей фильтрования, фракционного состава загрузки, выбора модельных микроорганизмов и т.д.

Пример 1. Применение Чугуевского ЦТ в качестве фильтрующего материала для очистки воды от бактерий: палочковидные бактерии (E. coli).

1.1. Сорбционная активность различных фракций Чугуевского цеолита.

Ниже представлены результаты исследований зависимости адсорбции микроорганизмов от фракционного состава цеолитсодержащей породы (сорбционная активность цеолита "Чугуевский" в зависимости от размеров фракций).

Размер фракции, мм - % адсорбции микробных клеток

0,315 - 0,63 - 90,78 1,93

0,63 - 1,25 - 84,70 2,40

Условия опыта: культура E. coli М-17, высота фильтрующего слоя 50 см, pH 5,0, скорость фильтрации 0,6 м/ч.

Из вышеприведенных результатов исследований следует, что Чугуевская цеолитсодержащая порода обладает высокой сорбционной активностью в отношении палочковидных бактерий E. coli. С уменьшением частиц цеолита эффективность сорбции возрастает, достигая 90,7% на мелкой фракции, против 84,7% на более крупной.

Выявленная закономерность подтверждается и во всех последующих опытах. Это особенно важно при проектировании фильтров для очистки питьевой воды с целью выбора наиболее эффективной фракции.

1.2. Сорбционная активность Чугуевского ЦТ при различных скоростях фильтрации.

Исследование сорбирующей активности цеолита в зависимости от скорости фильтрации показало высокую эффективность применения Чугуевского цеолита для очистки воды от бактерий на разных (достигнутых) скоростях фильтрования (табл. 2). Не выявлено существенных различий при скоростях 0,2 м/ч, 0,6 м/ч, 4 м/ч на обеих взятых в опыт фракциях. Активность сорбции кишечной палочки при фильтровании воды с большими скоростями (4 и 8 м/ч на фракции 0,315 - 0,63 и 8 м/ч на фракции 0,63 - 1,25) определить не удалось, т.к. исследуемые фракции не позволяют получить такие скорости фильтрования.

Условия опыта: pH 5,0; высота фильтрующего слоя 50 см, микроорганизм E. coli М-17.

1.3. Сорбционная активность Чугуевского цеолита при различных pH фильтруемой воды.

Чугуевский цеолит показывает высокую эффективность очистки воды от бактерий при pH воды 4 - 10. Анализ влияния pH фильтруемой воды на задерживающую активность цеолита не позволяет говорить о четко выраженной закономерности и значительных различиях. Можно предположить, что выявленные колебания степени задержки кишечной палочки являются случайными и, следовательно, реакция фильтруемой воды не оказывает существенного влияния на результаты фильтрации (табл. 3).

Условия опыта: скорость 0,6 м/ч, высота фильтрующего слоя 50 см, м/о E. coli М-17.

1.4. Эффективность очистки воды от бактерий на фильтрах различной высоты.

Исследование активности задержки кишечной палочки при фильтрации через слой цеолита различной высоты (табл. 4) показывает, что при высоте фильтрующего слоя 50 см эффективность очистки достигает 90,78% для фракции 0,315 - 0,63 мм и 84,7% на фракции 0,63 - 1,25 мм.

Условия опыта: скорость 0,6 м/ч, pH 5,0, м/о E. coli М-17.

Следовательно, на основании приведенных данных можно сделать заключение, что цеолит "Чугуевский" обладает способностью освобождать фильтруемую воду от микроорганизмов палочковидной формы.

Для убедительного доказательства сорбирующих свойств Чугуевского цеолита в отношении бактерий была проведена серия аналогичных дополнительных исследований с использованием другого представителя санитарно-показательных микроорганизмов воды - фекального стрептококка (энтерококк - Str. faecalis).

Пример 2. Применение Чугуевского ЦТ в качестве фильтрующего материала для очистки воды от бактерий: шарообразные бактерии (Str. faecalis).

Данные, представленные ниже, свидетельствуют, что эффективность очистки воды от энтерококка тоже высока и составляет 90,93% на фракции 0,315 - 0,63 мм и 78,07% на фракции 0,63 - 1,25 мм. (эффективность очистки воды цеолитом "Чугуевский" от шарообразных микроорганизмов).

Размер фракции - % адсорбции

0,315 - 0,63 - 90,93 1,91

0,63 - 1,25 - 78,07 2,76

Условия опыта: pH 5,0; высота фильтра 50 см, скорость фильтрации 0,6 м/ч, м/о - Str. faecalis.

Исследование эффективности осаждения энтерококков в зависимости от скорости фильтрации (табл. 5), pH фильтруемой воды (табл. 6), высоты фильтрующего слоя также показывает хорошую эффективность Чугуевского цеолита в отношении микроорганизмов шарообразной формы. Закономерности очистки воды, ранее выявленные с кишечной палочкой, обнаруживаются и в опытах с энтерококком. Процент задержки энтерококков практически такой же, как и кишечных палочек. Это позволяет сделать вывод, что цеолит "Чугуевский" способен очищать воду от двух и более разновидностей микроорганизмов.

Условия опыта при исследовании эффективности сорбции в зависимости от скорости фильтрации воды: высота фильтрующего слоя 50 см, pH 5,0, м/о Str. faecalis.

Условия опыта при исследовании эффективности сорбции в зависимости от pH фильтруемой воды: высота фильтрующего слоя 50 см, скорость фильтрации 0,6 м/ч, м/о Str. faecalis.

Ниже приведена эффективность сорбции энтерококков цеолитом "Чугуевский" в зависимости от высоты фильтрующего слоя.

Высота - Эффективность сорбции, %

10 - 81,93 2,56

30 - 89,78 2,02

50 - 90,71 1,94

Условия опыта при исследовании эффективности сорбции в зависимости от высоты фильтрующего слоя: фракция 0,315 - 0,63 мм, скорость фильтрации 0,6 м/ч, pH 5,0.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что Чугуевский ЦТ является эффективным фильтрующим материалом для очистки воды от бактерий.

Пример 3. Применение Чугуевского цеолита в качестве фильтрующего материала для очистки воды от вирусного загрязнения (вирус полиомиелита 1 типа, штамм 2Sc2ab).

3.1. Изучение сорбционных свойств крупнодисперсной фракции цеолита.

В первой серии экспериментов было изучено влияние высоты загрузки цеолита в колонки (12,25 и 50 см) на его сорбционную способность в отношении вируса. Результаты исследований представлены в табл. 7.

Как видно из данных, представленных в табл. 7, крупнодисперсная фракция цеолита обладает также сорбционными способностями в отношении вируса полиомиелита. На эффективность сорбции существенное влияние оказывает высота загрузки. Установлена прямая зависимость между высотой загрузки и процентом сорбции вируса. Так, наибольшая сорбция вируса (25,6%) наблюдалась при высоте загрузки 50 см и наименьшая (6,0) - при высоте загрузки 12 см.

Во второй серии экспериментов изучалась эффективность сорбции вируса на цеолите при различных скоростях фильтрации (1, 2, 4, 6 и 8 м/ч). Исследование проводилось при высоте загрузки 25 см.

Результаты эксперимента представлены в табл. 8. Полученные материалы показывают, что эффективность фильтрации возрастает при снижении скорости фильтрации и составляет 23,9 - 25,0% при скоростях 1 и 2 м/ч.

В следующей серии экспериментов было проведено расширенное исследование влияния на сорбцию вирусов скорости фильтрования и высоты загрузки. Результаты представлены в табл. 9. Данные таблицы показывают, что увеличение высоты загрузки и снижение скорости фильтрования приводят к увеличению эффективности фильтрации. При скорости фильтрования 1 м/ч и высоте загрузки 50 см эффективность очистки воды от энтеровирусов достигает 35,4%.

3.2. Изучение сорбционных свойств мелкодисперсной фракции Чугуевского цеолита.

В первой серии эксперимента были проведены исследования по изучению эффективности сорбции мелкодисперсной фракцией цеолита вируса при различных показателях pH воды (4, 6, 8 и 10). В условиях контрастных pH воды (4 и 10) эксперименты проводились при 2-х концентрациях вируса, на уровнях 3,47 и 2,47 lg ТЦД₅₀/мл.

Проведенные исследования (табл. 10) показали, что мелкодисперсная фракция цеолита обладает высокой эффективностью в отношении сорбции вирусов. Полная задержка вирусов наблюдалась во всех случаях при всех значениях pH и концентрациях вируса.

Во второй серии экспериментов изучалось влияние на сорбционную способность мелкодисперсной фракции цеолита таких параметров, как высота загрузки и скорость фильтрации.

Высота загрузки была установлена на уровнях 12, 25 и 50 см.

Однако из-за того что данная фракция сорбента обладает высокой плотностью загрузки, оказалось невозможным установить одинаковые скорости фильтрации в колонках с различной высотой загрузки. В этой связи скорости фильтрации устанавливались произвольно и составляли соответственно (пог.м/ч):

а) для 25 см - 0,3; 0,25; 0,125 м/ч;

б) для 50 см загрузки - 0,13; 0,08 м/ч;

Результаты представлены в табл. 11. Как видно из представленных данных, мелкодисперсная фракция цеолита обладает высокой сорбционной способностью в отношении вирусного загрязнения для всех значений высоты загрузки сорбента и скоростей фильтрации (в пределах изученных). При всех параметрах экспериментов эффективность сорбционной активности цеолита составляла 100%.

Скорость фильтрации, по-видимому, может быть значительно увеличена при использовании механического побудителя или специального устройства для изменения плотности загрузки, или путем подбора определенных соотношений крупнодисперсной и мелкодисперсной фракций цеолита.

Вода после прохождения через фильтры с загрузкой из Чугуевского цеолита не обладает токсическим действием на биологические ткани, что выявлено по отсутствию цитопатического действия на перевиваемую культуру ткани.

Таким образом, приведенные сведения подтверждают, что цеолитсодержащий туф Чугуевского месторождения является эффективным фильтрующим материалом для очистки воды от микроорганизмов - при различных значениях pH фильтруемой воды, диаметра частиц, скорости фильтрования и высоты фильтрующего слоя.