УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 1997 года по МПК C02F3/12 

Изобретение относится к области очистки сточных вод, а именно к биологической очистке городских и производственных сточных вод.

Известно устройство для биологической очистки сточных вод (заявка ФРГ МКИ С 02 F 3/12 N 3601669, 1987 г.), включающее корпус, разделенный по длине на секции (зоны) с засыпным пористым загрузочным материалом в виде гранул диаметром пор от 1/5 до 1/30 диаметра гранул. В зонах используется наполнитель с разным размером пор и объемом фракций. Объем загрузки одинаковый во всех зонах и составляет от 15 до 30% от общего полезного объема устройства. В данном аэротенке предусмотрена циркуляция гранул с биообрастаниями из конечной точки (выход) устройство в его головную часть (вход), степень рециркуляции от 20 до 100% Кроме того предусмотрена различная по зонам аэрация, что позволяет поддерживать в зонах различную концентрацию растворенного кислорода от 0,5 - 1,0 в 1 зоне до 1 4 мг/л в 4 зоне.

Такое размещение загрузочного материала и подача активного ила на гранулах насосом из конечной точки очистки в начало сооружения ведет к несоответствию родового состава биообрастаний на гранулах и состава очищаемой воды на первых этапах, и значительная часть активного ила будет отторгнута с поверхности гранул за счет механического трения между ними, что создает недостаточный режим работы сооружения. Происходит смыв и вынос из зоны аэрации большого количества биомассы за счет механического соударения (трения) фрагментов загрузочного материала при интенсивной аэрации.

Кроме того, размещение загрузочного материала по всей длине аэротенка нерационально с точки зрения его расхода, требует определенных конструктивных элементов для равномерного распределения загрузочного материала по длине сооружения, применение насоса сложной конструкции, что ведет к удорожанию сооружения.

Также представляет сложность организация неравномерной аэрации коридора аэротенков по секциям (зонам).

Все эти факторы усложняют конструкцию и приводят к снижению производительности работы сооружения. Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является устройство для биологической очистки сточных вод (uber den Eiusatr von getauchten Festbettkozpern bei der biologishen Abwasser reinigung Schlegel Sigurd "cheuring-Techn". 1987, 59 N 3 op. 252 253), содержащее корпус с размещенным в нем жестким носителем, аэраторы, узел подачи сточных вод и узел отвода иловой смеси. Носитель выполнен из расположенных по всей длине аэротенка, вдоль продольной оси коридора, блоков с инертным загрузочным материалом. Блок собран из элементов (материал полиэтилен), представляющих собой перфорированную плоскость. Удельная поверхность загрузки от 100 до 200 м²/м³. Основным недостатком данного сооружения является нарушение поперечной циркуляции сточных вод, что приводит к появлению мертвых (застойных) зон, выпадению активного ила в коридоре аэротенка, проскоку неочищенной сточной жидкости, создает неблагоприятный режим работы устройства и снижает производительность работы сооружения, эффективность очистки.

Рециркуляция значительного объема активного ила приводит к увеличению объема и материалоемкости конструкции, а также значительным технологическим и эксплуатационным затратам.

Изобретение направлено на увеличение эффективности очистки высококонцентрированных и трудноокисляемых сточных вод и снижение стоимости очистки за счет сокращения объема устройства, снижения энергозатрат путем сокращения объема свободноплавающего активного ила, уменьшения времени аэрации и возможности гибкого регулирования технологического процесса.

Это достигается тем, что в устройстве для биологической очистки сточных вод, содержащем установленные вдоль продольной оси коридораблоки с инертным загрузочным материалом, который может быть как регулярным, так и нерегулярным, блоки установлены в нескольких зонах в аэрируемом объеме, размещенные друг от друга на расстоянии не менее ширины коридора. Причем блоки выполнены съемными с возможностью горизонтального перемещения, что позволяет перемещать их по длине резервуара и изменять объем зон и расстояние между ними в соответствии с качеством очищаемого стока. Для улучшения гидродинамического режима движения воды в устройстве, в зоне с инертным загрузочным материалом блоки состоят из плоскостных элементов, размещенных в нем на расстоянии 12 30 мм друг от друга. Полосы в блоках закреплены с возможностью горизонтального и вертикального движения, а в смежных элементах со смещением относительно друг друга, что ведет к образованию дополнительных лабиринтов, удлиняет путь, создает более свободный ток и увеличивает время контакта сточных вод с активным илом. Полосы могут быть выполнены с перфорацией, составляющей 10 30% от площади элемента. Подача активного ила из вторичного отстойника по дополнительному трубопроводу после первой зоны создает условия активного удаления органических загрязнений активным илом на участке коридора устройства, свободного от загрузочного материала, причем видовой состав активного ила в жидкой фазе более подходит для этих условий, чем для работы в начале очистных сооружений.

Целесообразно размещать блоки на расстоянии 20 40 см над поверхностью аэраторов, а ширину блока выполнять соответствующей ширине коридора, так как при меньшем расстоянии нарушаются гидравлические потоки и образуются застойные зоны.

Предложенное конструктивное выполнение устройства позволяет рационально размещать загрузочный материал, чередовать зоны с загрузочным материалом и без него, менять объем загрузочного материала и расстояние между зонами за счет уменьшения или добавления в зонах кассет из полос загрузочного материала и их горизонтального перемещения, что дает возможность гибкого регулирования технологическим процессом.Чередование зон создает условия для образования различных микроорганизмов биомассы, способных окислять соответствующие загрязнения. По мере уменьшения органики в сточных водах по длине аэротенка происходит мобилизация нитрифицирующих бактерий, конкретизация микроорганизмов биопленки на инертном носителе и увеличение биомассы на поверхности загрузочного материала в различных зонах, что позволяет окислять с наибольшей эффективностью сточные воды, содержащие органические вещества с различной скоростью окисления, снизить концентрацию выносимого активного ила в жидкой фазе и уменьшить подачу воздуха от зоны к зоне. Чередование зоны с интенсивной скоростью потребления кислорода и более замедленной, где нет загрузочного материала, дает возможность восстановления окислительной способности свободноплавающего активного ила. Чем меньше органики по течению воды, тем меньше бактериальной флоры, увеличивается содержание кислорода. В зонах свободных от загрузочного материала, происходит интенсивное перемешивание сточных вод. Создается наиболее благоприятный режим продольно-поперечного винтового перемешивания жидкости вдоль коридора устройства, что исключает возможность выпадения в устройстве активного ила и появления застойных зон. Улучшается гидродинамика путем увеличения пути прохождения сточной жидкости в сооружении.

Таким образом в предлагаемом устройстве создается наиболее благоприятный режим для глубокой очистки сточных вод от органических соединений, т.е. повышается эффективность очистки высококонцентрированных и трудноокисляемых сточных вод, сокращается объем устройства и снижаются энергозатраты.

На фиг.1 изображено устройство для биологической очистки сточных вод; на фиг. 2 разрез А-А и Б-Б на фиг.1 (соответственно для плоскостной, свободноплавающей загрузок); на фиг. 3 вариант размещения зон с блоками загрузки в двухкоридорном устройстве; на фиг. 4 вариант обработки высококонцентрированных сточных вод при рассредоточенном впуске в четырехкоридорном устройстве; на фиг.5, 6 фрагмент компоновки плоскостных элементов и их выполнения в блоке (соответственно в шахматном порядке и со смещением); на фиг.7 оптимальный вариант размещения зон с блоками загрузки трехкоридорном устройстве.

Устройство состоит из резервуара (корпуса) 1, разделенного на коридоры 2, продольными перегородками 3 (могут быть 1,2-х, 3-х, 4-х коридорные аэротенки и т.п.).

В коридорах устройства размещены блоки с инертным загрузочным материалом 4, 5. Загрузочный материал может быть нерегулярным блоки 4 (засыпным, свободноплавающим в основном из пористых пластических материалов) или регулярным блоки 5 (плоскостным из пластических материалов, синтетических тканей, металла, керамики, других некондиционных плоских или гофрированных материалов).

Блоки с инертным загрузочным материалом (4, 5) установлены на расстоянии l₁ друг от друга с образованием аэрационных зон с загрузкой 6 и без загрузки 7. Наиболее оптимальный вариант размещения загрузочного материала в 3-х зонах устройства, первая из которых находится в начальной части устройства (а) на участке l₂ от 0 до 30% от суммарной длины коридора, начиная от места впуска воды, вторая в средней части устройства (в) на участке l₃ + l₄ от 50 до 70% а третья в конце устройства (с) на участке l₅ от 80 до 100% причем объем первой зоны составляет 20 50% второй 10 25% а третьей 10 25% от общего объема загрузочного материала. Весь загрузочный материал занимает от 2 до 30% общего объема устройства. Этих объемов загрузочного материала достаточно для высокоэффективной очистки воды при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.

При заполнении блоков регулярным плоскостным материалом, он может быть выполнен в виде плоскостных элементов 8, размещенных в коридорах устройства 2 по всей ширине (В) коридора (оптимально) и установлены в блоке 5 на расстоянии l₆ от 12 до 30 мм, что способствует сохранению поперечной циркуляции сточных вод в устройстве. Блоки 5 собираются из плоскостных элементов 8, которые могут иметь равномерно распределенные по поверхности отверстия (площадь перфорации 10 30%). Расстояние между блоками l₁ должно быть не менее ширины (В) коридора. Элементы 8 располагаются в блоке 5 плоскопараллельно и перпендикулярно току воды. Расстояние l₆ менее 12 мм нежелательно, т.к. затрудняется поперечная циркуляция сточных вод и возможен контакт полотнищ с повреждением биообрастаний за счет колебания их в турбулентном потоке, расстояние l₆ более 30 мм нерационально, поскольку снижается удельная поверхность биообрастаний на единицу объема сооружения.

Элементы 8 блока 5 выполнены из отдельных полос загрузочного материала 9, размещенных с промежутками l₇ по ширине элемента 8 (расстояние 20 30 мм).

Полосы 9 в соседних элементах 8 могут размещаться со смещением в шахматном порядке (см. фиг.5, 6).

Блоки с инертным загрузочным материалом (4, 5), а также элементы 8 в блоках 5 и полосы 9 в элементах могут быть закреплены жестко и консольно к боковым стенам устройства 1, а могут быть закреплены с возможностью горизонтального перемещения, например, путем размещения крепежных элементов (швеллеров 10) по всей длине аэротенка. Такое крепление позволяет применять в зависимости от качества исходных сточных вод, количество блоков (4, 5) в зонах 6 между блоками (4, 5) в каждой из зон вводить дополнительные блоки и менять месторасположение самих зон 6.

Нижний край блока (4, 5) располагается на расстоянии (h) 20 40 см выше уровня пневматического аэратора 11 (поверхности фильтросных пластин, колпачков, дырчатых труб), т.к. верхний уровень блоков может совпадать с уровнем воды в аэротенке или быть ниже его на 20 30 см, что способствует сохранению поперечной циркуляции потоков сточной воды.

Дополнительный трубопровод подачи активного ила 12 размещен после первой зоны 6 с загрузочным материалом, что позволяет подавать активный ил в зону, свободную от загрузочных материалов 7, что способствует повышению эффекта биосорбции.

Устройство имеет трубопроводы подачи сточной воды 13, трубопроводы отвода иловой смеси 14 во вторичный отстойник, воздуховоды 15. Полосы 9 могут быть выполнены с перфорацией 16.

Устройство работает следующим образом. Сточные воды по трубопроводу 13 подают в коридоры 2 устройства, где они последовательно проходят через зоны с загрузочным материалом 6 и без него 7. Зональность позволяет держать различную массу биопленки на инертной загрузке по длине устройства, что позволяет снизить концентрацию выносимого активного ила в жидкой фазе и уменьшать подачу воздуха от зоны к зоне. Процесс полной биохимической очистки можно дифференцировать на три фазы. В первой зоне с загрузочным материалом (4, 5) происходит основное изъятие органических загрязнений из сточных вод, т.е. адсорбция и биосорбция взвешенных и коллоидных веществ на хлопьях активного ила и биопленки и начало окислительного процесса. При установке блоков 5, собранных из плоскостных элементов 8, размещенных на расстоянии l₆ друг от друга и со смещением l₇ составляющих их полос загрузочного материала 9 в соседних элементах 8, (см. фиг.5, 6) сточная жидкость проходит дополнительный путь, образованный лабиринтом, при сохранении продольно-поперечной циркуляции сточных вод в устройстве и улучшению гидравлического режима, тем самым исключая возможность выпадения активного ила и появления застойных зон. Затем сточные воды вместе со свободно-плавающими хлопьями активного ила попадают в зону 7, свободную от загрузочного материала, куда может дополнительно подаваться по трубопроводу 12 возвратный активный ил из вторичных отстойников в объеме 5 30% от общего его количества, а также воздух по воздуховодам 15 через аэраторы 11. Подача воздуха может быть непрерывной и периодической с интервалами, идентичными установленным зонам. В зонах без инертного загрузочного материала можно по мере очистки сточных вод уменьшать количество подаваемого воздуха, т. к. в этих зонах уменьшенное количество активного ила в жидкой фазе. Снижение расхода воздуха даетэкономию электроэнергии до 30%
Во второй зоне с загрузочным материалом 6 происходит дальнейшая более глубокая адсорбция и окисление адсорбированных биопленкой растворенных органических соединений за счет конкретизации микроорганизмов, способных окислять определенные органические соединения.

На участке между второй и третьей зонами 6, свободном от загрузочного материала, происходит также интенсивное перемешивание сточной жидкости и начало частичного восстановления окислительных способностей активного ила в жидкой фазе, насыщение ее кислородом воздуха, подаваемого по воздуховодам 15 через аэраторы 11 в коридоры 2 устройства и затухание процесса окисления при развитии процессов нитрификации.

Наличие зон с интенсивной скоростью потребления кислорода и более замедленном, где нет загрузочного материала, позволяет восстановить окислительную способность свободноплавающего ила.

В третьей зоне происходит глубокая очистка сточных вод от органических загрязнений, значительное улучшение седиментационных свойств активного ила за счет отработанной биопленки с поверхности загрузочного материала. Количество зон с загрузочным материалом 6 и их объем зависит от свойства и состава очищаемой сточной воды, количества требуемого активного ила в жидкой фазе и биопленке на носителе, продолжительности времени аэрации и способов диффузии.

Очищенная вода поступает в трубопровод отвода иловой смеси 14 для дальнейшей обработки сразу после третьей зоны 6, или после прохождения дополнительного участка, свободного от загрузочного материала (зоны 7) в зависимости от требуемого качества очищенной воды.

В зависимости от состава очищаемой сточной воды меняют количество зон и блоков с инертным загрузочным материалом в зонах 6, а также размещение зон по длине коридора за счет выполнения блоков съемными путем специального крепления на стенах коридоров 2 и размещения крепежных элементов 10 (например швеллеров) по всей длине коридора. Это даетвозможность гибко регулировать процесс очистки.

Вводимая авторами зональность в проведение биохимического процесса позволяет не только увеличивать биомассу активного ила за счет введения инертного загрузочного материала, но и образовать зоны для осуществления процесса регенерации и окисления органики активным илом в жидкой фазе.

Необходимо отметить, что зоны, заполненные блоками с загрузочным материалом (4, 5), позволяют максимально сорбировать взвешенные, коллоидные и растворенные органические вещества по мере продвижения очищаемой сточной жидкости вдоль устройства. Помещенные блоки с инертным загрузочным материалом увеличивают площадь поверхности адсорбента и классифицируют, судя по гидробиологическим исследованиям, микроорганизмы в разных зонах для окисления легко и трудноокисляемой органики, т.к. каждая последующая зона с инертным заполнителем как бы фильтрует активный ил в жидкой фазе, осаждая его на своей поверхности. Каждая последующая зона, свободная от инертного носителя, сорбирует на поверхности хлопка и окисляет определенный класс органических соединений и восстанавливает свою окислительную способность по мере перемешивания жидкости в объеме устройства.

При полупроизводственных испытаниях предлагаемое устройство хорошо зарекомендовало себя в биохимической очистке сточных вод, имеющих в своем составе большое количество углеводов, т.к. позволяет предотвращать вспухание активного ила. Это преимущество достигается за счет нитчатых бактерий на инертном носителе, а не в структуре активного ила. Полупроизводственные испытания проведены на установке с расходом 8,6 м³/сут. В качестве инертного носителя использовались: 1) блоки с нерегулярным (насыпным) загрузочным материалом, 2) блоки, заполненные регулярным плоскостным материалом, 3) блоки, заполненные свободноплавающим пористым материалом. Блоки размещались по зонам в начале, середине и конце устройства по ходу движения зоны. Причем объем первой зоны составил 20, 35, 50% второй 10, 15, 15% а третьей 10, 20, 25% при общем объеме загрузки 2, 15, 30% от объема устройства.

Плоскостные элементы размещены в блоках соответственно на расстоянии 12, 20, 30 мм при размещении полос в шахматном порядке, со смещением в соседних элементах. Расстояние между полосами 20, 25 и 30 мм. Блоки размещены на расстоянии 20, 30, 40 см над поверхностью аэраторов.

Параллельно с экспериментальной установкой, работала установка, где инертный носитель также как и в экспериментальной установке в количестве 2% от объема сооружения размещался по всей длине аэротенка. Время аэрации составило 4,2 часа. Аэротенки классической конструкции (очистные сооружения города) с производительностью 19000 м³/сут работали с временем аэрации 10 часов. Следует заметить, что экспериментальные установки работали без возврата активного ила. На очистных сооружениях активный ил из вторичных отстойников возвращался в регенератор. Сточная вода, поступающая на очистные сооружения и экспериментальные установки, представляла собой смесь бытовой воды и промышленной с льняного комбината. И таким образом, данная сточная вода относится к трудноокисляемым, так как исходное ХПК стоков намного превышает БПК.

Санитарно-химические показатели биохимической очистки, которые ярко иллюстрируют преимущество экспериментальной установки перед типовой конструкцией аэротенков, представлены в таблице.

Проведенный эксперимент, биохимическая очистка сточных вод с применением чередующихся зон, показал возможность интенсификации ведения процесса по сравнению с применением аэротенков обычной конструкции и аэротенков с инертным загрузочным материалом, размещенным равномерно по всему объему. Так, эффект очистки по БПК₅ 95% был достигнут за 4,2 часа аэрации, тогда как на очистных сооружениях эффект составил 91% при времени аэрации 10 часов и 86% на базовой установке.

Следует заметить более глубокую очистку на экспериментальных установках по сравнению с прототипом. Эффект очистки по ХПК был получен на экспериментальных установках 70% тогда как на установке прототипа 59% Причем удельная поверхность носителя в прототипе составила от 100 до 200 м²/м³, что весьма неэкономично. В нашем случае он составил 8,3 м²/м³. И последнее, известно, что нагрузка на единицу объема и период аэрации взаимосвязанные параметры, зависящие от концентрации по БПК поступающей воды и от объема аэротенка. Данная величина определяет характер процесса с активным илом независимо от периода аэрации или степени загрязненности.

Итак, исходя из полученных технологических параметров (таблица) органическая нагрузка на м³ сооружения в 2 раза больше на базовом объекте и экспериментальной установке, чем в аэротенках на очистных сооружениях, окислительная мощность, ввиду получения максимального эффекта, на экспериментальных моделях выше, чем на базовой установке. Расчетный параметр - нагрузка на активный ил (в экспериментальных моделях это сумма активного ила в жидкой фазе и биопленки на поверхности носителя) показал, что: 1) биологические сооружения города работают в режиме аэрации с нагрузкой на активный ил 0,66 г/г сут; 2) базовая и экспериментальная установки с регулярным и нерегулярным носителем работали в режиме продленной аэрации; 3) экспериментальная установка с блоками, заполненными инертным носителемсвободноплавающем в режиме высоконагружаемой аэрации. Эти показатели свидетельствуют, что предлагаемое устройство позволяет получить высокий эффект очистки, большую производительность (почти в 2,5 раза) по объеме обрабатываемой воды, при:
уменьшении эксплуатационных и капитальных затрат,
экономии электроэнергии на перекачку огромных объемов активного ила;
уменьшении объемов ила, идущего на переработку,
уменьшении площадей под очистные сооружения и иловые площадки.

Во всех представленных вариантах примера (таблица) использовалась сточная вода с ХПК 400 мг/л, что в 5 раз выше используемой воды в прототипе (80 мг/л), т. е. в нашем случае трудноокисляемая органика была очищена с высоким эффектом очистки 70% против 59% (в прототипе).

Использование: биологическая очистка сточных городских и производственных вод, в частности для использования на различных химических производствах, в легкой, пищевой и других отраслях производства. Сущность: в предложенном устройстве блоки с инертным загрузочным материалом установлены в нескольких зонах в аэрируемом объеме на расстоянии не менее ширины коридора. Блоки выполнены съемными с возможностью горизонтального перемещения, что позволяет перемещать их по длине резервуара и изменять объем зон и расстояния между ними в соответствии с качеством очищаемого стока. Для улучшения гидродинамического режима блоки могут быть выполнены из плоскостных элементов, размещенных на расстоянии 12 - 30, мм, а элементы выполнены из отдельных полос загрузочного материала, размещенных на расстоянии 20 - 30 мм друг от друга. 8 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Устройство для очистки сточных вод, содержащее установленные вдоль продольной оси коридора блоки с инертным загрузочным материалом, аэраторы, узел подачи сточных вод и узел отвода иловой смеси, отличающееся тем, что блоки с инертным загрузочным материалом установлены в нескольких зонах, размещенных друг от друга на расстоянии не менее ширины коридора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блоки с инертным загрузочным материалом размещены в трех зонах, первая из которых находится в начале, вторая в средней части и третья в конечной части устройства, причем объем первой зоны составляет 20 50% второй 10 25% а третьей 10 25% от общего объема загрузочного материала, объем которого составляет 2 30% от объема устройства. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что блоки выполнены с регулярным или нерегулярным загрузочным материалом, объемными и установлены с возможностью горизонтального перемещения. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что инертный загрузочный материал выполнен в виде плоскостных элементов, размещенных в блоке на расстоянии 12 30 мм, а каждый элемент выполнен из отдельных полос загрузочного материала, размещенных с промежутками по ширине элемента. 5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что полосы загрузочного материала закреплены с возможностью горизонтального и вертикального перемещения, причем полосы в смежных элементах размещены со смещением относительно друг друга. 6. Устройство по пп.1 5, отличающееся тем, что полосы выполнены с перфорацией, составляющей 10 30% от площади элемента и размещены на расстоянии 20 30 мм друг от друга. 7. Устройство по пп.1 6, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным трубопроводом подачи активного ила, размещенным после первой зоны. 8. Устройство по пп.1 7, отличающееся тем, что ширина блока не более ширины устройства. 9. Устройство по пп.1 8, отличающееся тем, что блоки размещены на расстоянии 20 40 см над поверхностью аэратора.