СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ ОТ ИСХОДНОЙ СТОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ АЭРОБНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 1997 года по МПК C02F3/02 

Изобретение относится к области разделения суспензий путем отстаивания и может быть использовано в очистных сооружениях населенных пунктов, сельскохозяйственных и промышленных предприятий.

Известен способ отделения взвешенных веществ от сточной жидкости путем осаждения, включающий предварительную аэрацию жидкости
Известен также способ отделения взвешенных частиц от сточной жидкости путем осаждения, включающий предварительную кавитацию жидкости перед осаждением
Недостатком обоих способов является низкая эффективность осаждения и, как результат, низкие показатели осветления сточной жидкости из-за отсутствия в осаждаемой жидкости хорошо оседающих крупных флокул загрязняющих веществ.

Наиболее близким к заявленному способу является известный способ отделения взвешенных веществ от сточной жидкости, включающий введение в сточную жидкость коагулянта химического реагента и ее последующее осаждение
Введение коагулянта позволяет в некоторой степени обеспечить адгезию загрязняющих дисперсных частиц и, тем самым, улучшить условия осаждения и качество осветленной жидкости. Однако и в этом случае отсутствуют условия формирования крупных агрегатов загрязняющих веществ, т.к. сам по себе коагулянт не вырабатывает веществ, стимулирующих флокулообразование, и не позволяет повысить концентрацию коагулирующих элементов в процессе обработки жидкости перед осаждением. Поэтому при использовании указанного способа не может быть достигнута высокая эффективность осаждения и удовлетворительное качество осветленной сточной жидкости. Недостатками указанного способа являются также большие материальные затраты, ухудшение свойств осадка с точки зрения его последующего использования, прямые потери реагента в сбрасываемой осветленной жидкости, необходимость строительства сложного реагентного хозяйства.

Цель изобретения повышение эффективности осаждения, улучшение качества осветленной сточной жидкости, снижение материальных и эксплуатационных затрат на очистку сточной жидкости, улучшение экологической обстановки.

Поставленная задача достигается тем, что при отделении взвешенных веществ от исходной сточной жидкости при аэробной биологической очистке сточных вод, включающем введение в исходную сточную жидкость коагулянта и последующее осаждение полученной смеси, согласно изобретению, в качестве коагулянта используют избыточный активный ил, причем последний подвергают предварительной физико-механической обработке для удаления с поверхностного слоя клеток микроорганизмов фибриллярных чехлов, образованных внеклеточными биополимерами, и за счет этого стимулирования выделения клетками биофлокулянтов, а также для повышения концентрации биокоагулянта в сточной воде, при этом перед осаждением смесь сточной жидкости и активного ила интенсивно перемешивают для создания условий адгезии дисперсных коллоидных и мелкодисперсных частиц и формирования в сточной жидкости хорошо осаждающихся крупных флокул загрязняющих веществ. Для коагуляции используют активный ил, находящийся в эндогенной фазе метаболизма в процессе аэробной биологической очистки сточных вод. Эндогенную фазу метаболизма обеспечивают путем создания режимов культивирования микроорганизмов при аэробной биологической очистке, обеспечивающих последовательную смену условий их питания от избытка питательного субстрата до глубокой старвации микроорганизмов. Состав биоценоза активного ила в процессе аэробной биологической очистки формируют преимущественно из флокулирующих микроорганизмов путем введения в сточную воду предварительно выращенного консорциума, обеспечивающего сдвиг процесса формирования биоценоза в сторону подавления роста нитчатых и нефлокулирующих микроорганизмов. Обработку активного ила производят путем гидродинамического воздействия на его микроорганизмы. Гидродинамическое воздействие на микроорганизмы осуществляют с помощью генерации ультразвуковых колебаний. Гидродинамическое воздействие на микроорганизмы осуществляют путем создания кавитационного режима течения. Обработку активного ила производят путем дезинтеграции клеток микроорганизмов в "щадящем" режиме, исключающем деструкцию и разрушение самих клеточных структур. Перемещение сточной жидкости и активного ила производят при введении последнего в магистраль подачи сточной жидкости на отстаивание. Перемешивание сточной жидкости и активного ила производят в смесительном резервуаре перед подачей на отстаивание. Перемешивание сточной жидкости и активного ила осуществляют пневматическим способом с помощью пневмоаэраторов. Перемешивание сточной жидкости и активного ила производят гидравлическим способом путем создания непрерывной циркуляции смеси в смесительном резервуаре. Перемешивание сточной жидкости и активного ила производят механическим способом с помощью приводных перемешивающих устройств, создающих непрерывные циркуляционные потоки смеси в смесительном резервуаре. Смесь сточной жидкости и активного ила перемешивают в течение 15-30 мин.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленный способ отличается новой совокупностью признаков, состоящей в том, что в качестве коагулянта используют избыточный активный ил, причем последний подвергают предварительной физико-механической обработке для удаления с поверхностного слоя клеток микроорганизмов фибриллярных чехлов, образованных внеклеточными биополимерами, и за счет этого стимулирования выделения клетками биофлокулянтов, а также для повышения концентрации биокоагулянта в сточной воде, при этом перед осаждением смесь сточной жидкости и активного ила интенсивно перемешивают для создания условий адгезии дисперсных коллоидных и мелкодисперсных частиц и формирования в сточной жидкости хорошо осаждающихся крупных флокул загрязняющих веществ: для коагуляции используют активный ил, находящийся в эндогенной фазе метаболизма в процессе аэробной биологической очистки сточных вод; эндогенную фазу метаболизма обеспечивают путем создания режимов культивирования микроорганизмов при аэробной биологической очистке, обеспечивающих последовательную смену условий их питания от избытка питательного субстрата до глубокой старвации микроорганизмов; состав биоценоза активного ила в процессе аэробной биологической очистки формируют преимущественно из флокулирующих микроорганизмов путем введения в сточную воду предварительно выращенного консорциума, обеспечивающего сдвиг процесса формирования биоценоза в сторону подавления роста нитчатых и нефлокулирующих микроорганизмов; обработку активного ила производят путем гидродинамического воздействия на его микроорганизмы; гидродинамическое воздействие на микроорганизмы осуществляют с помощью генерации ультpазвуковых колебаний; гидродинамическое воздействие на микроорганизмы осуществляют путем создания кавитационного режима течения; обработку активного ила производят путем дезинтеграции клеток микроорганизмов в "щадящем" режиме, исключающем деструкцию и разрушение самих клеточных структур; перемешивание сточной жидкости и активного ила производят при введении последнего в магистраль подачи сточной жидкости на отстаивание; перемешивание сточной жидкости и активного ила производят в смесительном резервуаре перед подачей на отстаивание; перемешивание сточной жидкости и активного ила осуществляют пневматическим способом с помощью пневмоаэраторов; перемешивание сточной жидкости и активного ила производят гидравлическим способом путем создания непрерывной циркуляции смеси в смесительном pезеpвуаре; перемешивание сточной жидкости и активного ила производят механическим способом с помощью приводных перемешивающих устройств, создающих непрерывные циркуляционные потоки смеси в смесительном резервуаре; смесь сточной жидкости и активного ила перемешивают в течение 15-30 мин.

Указанные обстоятельства свидетельствуют о соответствии заявленного технического решения критерию "новизна".

Сравнение заявленного способа с известными показывает, что он для специалиста не следует явным образом из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Заявленное техническое решение является промышленно применимым и используется на ряде экспериментальных установок и действующих комплексов биологической очистки как производственных, так и хозяйственно-бытовых сточных вод (см.далее примеры конкретной реализации способа).

Отделение взвешенных веществ от сточной жидкости предлагаемым способом осуществляется следующим образом.

Исходная сточная жидкость, подлежащая очистке, смешивается с коагулянтом, в качестве которого используется избыточный активный ил, подаваемый из очистных сооружений аэробной биологической очистки.

Интенсификация процесса коагуляции достигается за счет использования активного ила, находящегося в эндогенной фазе метаболизма при аэробной биологической очистке сточных вод. Эндогенная фаза обеспечивается путем реализации режимов культивирования, предусматривающих последовательную смену условий их питания от избытка питательного субстрата (начальная стадия аэробной биологической очистки) до старвации (голодания микроорганизма на последней стадии очистки, когда питательные вещества полностью исчерпываются). Указанный выше процесс осуществляется в аэротенках и является, в данном случае, подготовительной фазой для создания наиболее подходящей коагуляционной среды. При этом наибольший эффект коагуляции достигается в том случае, когда биоценоз активного ила, используемого в качестве коагулянта, преимущественно состоит из флокулирующих микроорганизмов. Это достигается путем введения в обрабатываемую в аэротенках сточную воду предварительно выращенного, прошедшего адаптацию в условиях периодически меняющегося режима по питанию, консорциума активного ила. Указанная выше мера позволяет искусственно сдвинуть процесс формирования биоценоза в аэротенке в сторону подавления роста нитчатых и нефлокулирующих микроорганизмов. Насыщенный флокулирующими микроорганизмами активный ил является оптимальной коагуляционной средой и позволяет в максимальной степени достичь флокуляции содержащихся в исходной сточной жидкости коллоидных и мелкодисперсных частиц.

Избыточный активный ил предварительно, перед смешением его со сточной жидкостью, подвергается физико-механической обработке. Предварительная обработка активного ила состоит в том, что с помощью различных по своему физико-механическому принципу воздействий (ультразвуковому гидродинамическому, кавитационному гидродинамическому, дезинтегрирующему) создаются условия, обеспечивающие непрерывное выделение микроорганизмами биополимеров.

Сущность этого процесса состоит в том, что микроорганизмы активного ила (бактерии) в процессе своей жизнедеятельности образуют и выделяют особые вещества внеклеточные биополимеры, которые и являются основными флокулирующими агентами. Флокуляция бактерий активного ила происходит в аэротенке и вторичном отстойнике и состоит в образовании ассоциаций флокул. Флокулы захватывают и удерживают в своем объеме органические и минеральные вещества, находящиеся в коллоидном и мелкодисперсном состоянии. Флокулирующий активный ил в процессе осаждения увлекает в осадок все виды дисперсных взвешенных веществ, находящихся в сточной воде (дисперсные клетки микроорганизмов, остаточные продукты метаболизма органического субстрата и другие вещества, находящиеся в коллоидном и мелкодисперсном состоянии). Благодаря свойству захвата флокулами коллоидных и мелкодисперсных частиц, находящихся в смеси, флокуляция позволяет интенсифицировать процесс отстаивания в первичных отстойниках на участке механической обработки сточных вод. Это, в свою очередь, обеспечивает снижение нагрузки по органическим загрязнениям на последующую ступень очистки аэротенки, где осуществляется процесс биохимического окисления загрязнений и обеспечивается снятие около 70% всех органических загрязнений, находящихся в исходной сточной жидкости. Поэтому для повышения эффективности осаждения и улучшения качества осветления жидкости в первичных отстойниках необходимо в максимальной степени интенсифицировать процесс биофлокуляции. Для этого необходимо, с одной стороны, получить как можно больше флокул центров коагуляции, а, с другой стороны, в максимальной степени интенсифицировать выделение клетками бактерий активного ила внеклеточных биополимеров. Процесс, обеспечивающий оба выше указанных эффекта, может быть реализован путем воздействия на клетки микроорганизмов активного ила различными физико-механическими методами с целью непрерывного (в течение определенного времени) удаления (срыва) непрерывно выделяемых клетками внеклеточных биологимерных фибриллярных структур. Поскольку материалом для образования последних служат запасные (резервные) жировые вещества клетки, то этот процесс идет до полного исчерпания клеточных запасов. Поэтому необходимо осуществлять физико-механическое воздействие до тех пор, пока, после удаления с ее поверхности биополимеров, клетка будет уже не в состоянии восстанавливать их за счет своих запасных веществ, необходимых для ее нормальной жизнедеятельности. Как показали экспериментальные исследования, оптимальное потребное время воздействия на клетки микроорганизмов активного ила зависит от вида сточных вод и свойств самого активного ила и составляет 15-30 минут. При меньшем времени обработки снижается количество выделяемых клетками биополимеров, т.к. запасные резервы клеток не исчерпываются полностью. При большем времени обработки дальнейшее механическое воздействие на клетку, уже лизированную и разрушающуюся, приводит к ухудшению дальнейшего процесса флокулирования смеси исходной сточной жидкости и обработанного активного ила. После исчерпания запасных веществ клетки бактерий лизируются и разрушаются, лопаются образуя дополнительные центры коагуляции. Физико-механическая обработка, различная по своей природе, имеет в своей основе гидродинамическое или механическое воздействие на внешнюю поверхность клетки, на которой концентрируются выделяемые последний биополимерные структуры, имеющие вид фибриллярного чехла, охватывающего клетку. Гидродинамическое воздействие может производиться за счет генерирования в сточной жидкости ультразвуковых колебаний (ультразвуковой "ветер") с помощью ультразвукового излучателя (свистка), либо путем создания кавитационного режима течения, сопровождающегося резкими скачками давления в жидкой среде (при перекачке жидкости через магистрали с резко изменяющимися проходными геометрическими сечениями). Для механического воздействия на клеточные структуры бактерий могут использоваться различные методы дезинтеграции. Однако в этом случае должен быть создан "щадящий" режим воздействия на клетки, который обеспечивает исключение деструкции и разрушение самих клеточных структур. При превышении степени механического воздействия выше этого предела клеточные оболочки немедленно разрушаются, жизнедеятельность клеток прекращается, а значит прекращается и выделение ими биополимеров. Обработанная указанными выше способами суспензия активного ила состоит из находящихся в жидком состоянии биополимеров и находящихся в них дисперсных клеток (как живых, так и разрушенных), и уже образовавшихся флокул.

После физико-механической обработки полученная суспензия активного ила (состав которой указан выше) смешивается с исходной сточной жидкостью. При этом смешение может производиться как путем подачи суспензии активного ила в подающую магистраль сточной жидкости и перемешивания при дальнейшем ее движении в отстойник, так и путем подачи обеих указанных выше сред в смесительный резервуар, где перемешивание осуществляется либо пневматическим способом (с помощью пневмоаэраторов), либо гидравлическим способом (с помощью насосов, обеспечивающих непрерывную циркуляцию смеси в резервуаре), либо механическим способом (с помощью приводных перемешивающих устройств, например, типа мешалок). В процессе перемешивания в присутствии биополимерной субстанции в смеси протекают интенсивные процессы биофлокуляции. При этом имеет место процесс гетерокоагуляции, при котором две дисперсные системы (микроорганизмы активного ила и частицы загрязнений) взаимно коагулируют друг друга в результате адгезии частиц одной дисперсной фазы к частицам другой. В результате этого образуется суспензия, содержащая крупные агрегаты флокулы, которая подается на разделение в отстойник. Агрегаты частиц, имеющих большие размеры быстро осаждаются, что повышает эффективность осаждения в отстойнике и улучшает качество осветленной сточной жидкости. Это, в свою очередь, позволяет существенно снизить материальные и эксплуатационные затраты на очистку сточной жидкости. Кроме того, одновременно решается вопрос утилизации избыточного активного ила очистных сооружений, а также улучшается экологическая обстановка за счет исключения загрязнений почвы и подземных вод при складировании отходов очистки сточных вод на иловых площадках.

Предлагаемый способ отделения взвешенных веществ от сточной жидкости прошел комплекс лабораторных испытаний и в настоящее время внедряется при проектировании и строительстве очистных сооружений ряда промышленных, сельскохозяйственных и городских предприятий Российской Федерации и Республики Беларусь.

Примеры использования способа.

Пример 1.

Лаборатория отдела производственной санитарии и охраны окружающей среды Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности.

Вид сточных вод хозяйственно-бытовые, стоки биопредприятий, животноводческих комплексов (свиноводческих, РКС, птицеводческих), мясо-молочных предприятий. Рабочие объемы емкостей (перемешивающих, отстойников) 20-40 л. Перемешивание смеси сточной жидкости и активного ила - пневматическое. Обработка активного ила ультразвуковое гидродинамическое воздействие, дезинтеграция клеток микроорганизмов. Подача активного ила производилась в сточную жидкость как до перемешивающей емкости, так и непосредственно в последнюю. Эффективность осаждения по сравнению с традиционными методами повышалась в среднем на 20-30%
Пример 2.

Очистные сооружения совхоза "Борисовский" Минской области Республики Беларусь.

Вид сточных вод стоки свинокомплекса. Рабочие объемы емкостей: перемешивающих 60 м³, отстойников 150 м³. Перемешивание смеси сточной жидкости и активного ила пневматическое. Обработка активного ила кавитационное гидродинамическое воздействие. Подача активного ила производилась в сточную жидкость непосредственно в перемешивающую емкость. Эффективность осаждения по сравнению с традиционными методами повышалась в среднем на 15-25%
Пример 3.

Очистные сооружения совхоза "Восточный" Удмуртской республики (Завьяловский р-н, пос. Италмас).

Вид сточных вод стоки свинокомплекса. Рабочие объемы емкостей: перемешивающих 80 м³, отстойников 225 м³. Перемешивание смеси сточной жидкости и активного ила гидравлическое. Обработка активного ила механическое перемешивание. Подача активного ила производилась в сточную жидкость непосредственно в перемешивающую емкость. Эффективность осаждения по сравнению с традиционными методами повышалась в среднем на 18-23%

Использование: разделение суспензий путем отстаивания в очистных сооружениях населенных пунктов, сельскохозяйственных и промышленных предприятий. Сущность: способ состоит в том, что в исходную сточную жидкость вводят в качестве коагулянта избыточный активный ил, после чего производят осаждение полученной смеси. Активный ил подвергают предварительной физико-механической обработке. С ее помощью удаляют с поверхностного слоя клеток микроорганизмов фибриллярные чехлы, образованные внеклеточными биополимерами. За счет этого стимулируется выделение клетками биофлокулянтов, а также повышается концентрация биокоагулянта в сточной воде. Перед осаждением смесь сточной жидкости и активного ила интенсивно перемещают для создания условий адгезии дисперсных коллоидных и мелкодисперсных частиц и формирования в сточной жидкости хорошо осаждающихся крупных флокул загрязняющих веществ. Для коагуляции используют активных ил, находящийся в эндогенной фазе метаболизма в процессе аэробной биологической очистки сточных вод. Эндогенную фазу метаболизма обеспечивают путем создания режимов культивирования микроорганизмов при аэробной биологической очистке. Это обеспечивает последовательную смену условий их питания от избытка питательного субстрата до глубокой старвации микроорганизмов. 13 з.п. ф-лы.

1. Способ отделения взвешенных веществ от исходной сточной жидкости при аэробной биологической очистке сточных вод, включающий введение в исходную сточную жидкость коагулянта и последующее осаждение полученной смеси, отличающийся тем, что в качестве коагулянта используют избыточный активный ил, причем последний подвергают предварительной физико-механической обработке для удаления с поверхностного слоя клеток микроорганизмов фибриллярных чехлов, образованных внеклеточными биополимерами, и за счет этого стимулирования выделения клетками биофлокулянтов, а также для повышения концентрации биокоагулянта в сточной воде, при этом перед осаждением смесь сточной жидкости и активного ила интенсивно перемешивают для создания условий адгезии дисперсных коллоидных и мелкодисперсных частиц и формирования в сточной жидкости хорошо осаждающихся крупных флокул загрязняющих веществ. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для коагуляции используют активный ил, находящийся в эндогенной фазе метаболизма в процессе аэробной биологической очистки сточных вод. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что эндогенную фазу метаболизма обеспечивают путем создания режимов культивирования микроорганизмов при аэробной биологической очистке, обеспечивающих последовательную смену условий их питания от избытка питательного субстрата до глубокой старвации микроорганизмов. 4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что состав биоценоза активного ила в процессе аэробной биологической очистки формируют преимущественно из флокулирующих микроорганизмов путем введения в сточную воду предварительно выращенного консорциума, обеспечивающего сдвиг процесса формирования биоценоза в сторону подавления роста нитчатых и нефлокулирующих микроорганизмов. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку активного ила производят путем гидродинамического воздействия на его микроорганизмы. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что гидродинамическое воздействие на микроорганизмы осуществляют с помощью генерации ультразвуковых колебаний. 7. Способ по п.5, отличающийся тем, что гидродинамическое воздействие на микроорганизмы осуществляют путем создания кавитационного режима течения. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку активного ила производят путем дезинтеграции клеток микроорганизмов в щадящем режиме, исключающем деструкцию и разрушение самих клеточных структур. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание сточной жидкости и активного ила производят при введении последнего в магистраль подачи сточной жидкости на отстаивание. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание сточной жидкости и активного ила производят в смесительном резервуаре перед подачей на отстаивание. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что перемешивание сточной жидкости и активного ила осуществляют пневматическим способом с помощью пневмоаэраторов. 12. Способ по п.10, отличающийся тем, что перемешивание сточной жидкости и активного ила производят гидравлическим способом путем создания непрерывной циркуляции смеси в смесительном резервуаре. 13. Способ по п.10, отличающийся тем, что перемешивание сточной жидкости и активного ила производят механическим способом с помощью приводных перемешивающих устройств, создающих непрерывные циркуляционные потоки смеси в смесительном резервуаре. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь сточной жидкости и активного ила перемешивают в течение 15-30 мин.