СПОСОБ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СТОЧНЫХ ВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C02F9/00 C02F1/32 

Изобретение относится к области комплексной физико-химической и последующей биологической очистки высоконцентрированных сточных вод сложного состава, например промстоков, фильтратов свалок твердых бытовых отходов (ТБО), и может быть применено в коммунальном хозяйстве и различных отраслях промышленности. Характерной особенностью таких стоков является содержание в них, наряду с органическими и неорганическими веществами, большого числа металлоорганических комплексных соединений, например соединений тяжелых многовалентных металлов с аминокислотами или гуминовыми кислотами. Такие соединения практически не поддаются традиционным методам очистки, так как не осаждаются вследствие своих поверхностно-активных свойств и не разрушаются обычно применяемыми методами окисления из-за высокой стабильности, а биологическими методами из-за высокой токсичности. Заметным осложнением процесса очистки является также большое содержание в стоках продукта анаэробных процессов аммиака.

В то же время свалки и полигоны являются сегодня наиболее распространенным методом захоронения ТБО и занимают по стране тысячи гектаров, а вытекающие из них стоки, обладая высокой токсичностью, отрицательно действуют на окружающую среду, загрязняя наземные и подземные водоисточники.

Учитывая высокие требования к очищенным стокам в соответствии с нормативами на сброс в водоемы культурно-бытового и рыбохозяйственного водопользования, для очистки фильтрата рекомендуется комплексная физико-химическая обработка в сочетании с аэробной и анаэробной биологической очисткой.

Известны способы и установки очистки сильно загрязненных стоков. В патенте Германии (N 4116557, C 02 F 1/72, 1/70, 1992 г.) предложено обрабатывать стоки от установок переработки макулатуры по многостадийной схеме, включающей предварительную флотацию, измельчение и растворение ряда компонентов с последующим окислением или восстановлением при повышенной температуре. Эта схема позволяет снизить ХПК и уменьшить концентрацию солей и коллоидных частиц. Однако интенсивность обработки таким образом сложных комплексных стоков невелика и не позволяет довести их состав до параметров, отвечающих требованиям при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения.

В патенте США (N 5139679, C 02 F 1/32, 1/72, 1992 г.) предложено обрабатывать стоки путем окисления их пероксидом водорода и катализатором с последующей обработкой ультрафиолетовым (УФ) облучением. Такой способ позволяет повысить эффективность облучения, однако не обеспечивает полного разложения сложных органических соединений и удаления неорганических компонентов. Кроме того, предварительная обработка не обеспечивает обесцвечивание стока, что необходимо для эффективного УФ-облучения.

Патент Германии (N 4130340, C 02 F 1/78, 1/28, 1992 г.) предполагает перед УФ-облучением смешивать очищаемую воду с воздухом, обогащенным озоном. В этом случае воды от осветлительной установки очищаются при дополнительной сорбции на активированном угле и фильтрации. Однако этот метод не позволяет полностью очистить стоки от органических загрязнений (поскольку фильтрация предшествует облучению) и обладает низкой эффективностью по отношению к неорганическим, растворенным в воде веществам.

В патенте США (N 5130032, C 02 F, 1/36, 1/32, 1/48) предложен способ очистки загрязненных жидкостей путем последовательного применения озонирования, воздействия магнитного поля и УФ-облучения. Однако, отсутствие стадии биологической очистки и слабая интенсивность УФ-облучения не позволяют использовать этот способ для очистки фильтрата свалки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является "Система отведения и очистки поверхностного стока" (патент России, N 1699954 A1, C 02 F 3/00, 1/00, 1991 г.), путем их последовательной физико-химической очистки, состоящей из корректировки pH и фильтрования, а также биоочистки. Этот способ принят за прототип. К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании данного известного технического решения, относится отсутствие системы, позволяющей реализовать интенсивное энергетическое воздействие на сложные, не поддающиеся прямой биоочистке компоненты стока, и, соответственно, разрушить их до подачи на биоочистку. Кроме того, прямое использование лишь одной корректировки pH, предлагаемое в решении-прототипе, не позволяет эффективно реализовать в едином технологическом цикле операции электрокоагуляции и биоочистки, поскольку для их проведения необходима различная кислотность раствора.

Предлагаемое в данной заявке изобретение направлено на разработку универсального способа глубокой очистки сильно загрязненных сточных вод с использованием физико-химических и биологических методов, который позволяет обезвреживать стоки, характеризующиеся высокой токсичностью, содержанием значительных концентраций гуминовых кислот, многовалентных металлов, ПАВ'ов и других видов загрязнений.

Сущность изобретения заключается в следующем. Глубокую очистку сильно загрязненных сточных вод, включающую физико-химическую и биологическую очистку, осуществляют путем последовательного использования стадий:
отгонки аммиака;
корректировки pH;
электрокоагуляции;
электрофлотации;
активного фильтрования с повторной корректировкой pH;
УФ-обработки;
анаэробной и аэробной обработки с доочисткой в биопрудах.

В результате осуществления изобретения за счет определенной последовательности операций и особенностей проведения процессов корректировки pH и УФ-облучения достигается полная очистка сильно загрязненных стоков до параметров, удовлетворяющих требованиям по сбросу в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Указанный результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе глубокой очистки сильно загрязненных сточных вод, содержащем стадии физико-химической очистки, включающем корректировку pH, фильтрование и биоочистку, на стадии физико-химической очистки перед первой корректировкой pH осуществляют отгонку аммиака, после чего проводят электрокоагуляцию и электрофлотацию, затем осуществляют фильтрование и УФ-обработку. При этом корректировку pH проводят дважды: перед электрокоагулированием и перед УФ-обработкой, совмещая процесс второй корректировки pH с фильтрованием на минеральном фильтрующем агенте, что обеспечивает совмещение операций осветления и корректировки pH.

Дополнительная особенность предлагаемого способа заключается в том, что УФ-обработку проводят с помощью ксеноновой импульсной лампы, имеющей сплошной спектр излучения в диапазоне длин волн 200-2000 нм и пиковую мощность в ультрафиолетовом диапазоне 150-250 кВт. Интенсивность облучения регулируют путем установки числа импульсов в единицу времени.

На фиг. 1 показаны частотные характеристики ртутных и ксеноновой ламп в УФ-диапазоне, которые подтверждают преимущества последней как по интенсивности, так и по частотным возможностям. Сравнение этих данных с фиг 2, на которой приведен спектр поглощения водного раствора фенола, позволяют сделать вывод о несомненном преимуществе ксеноновой лампы перед ртутной в случае резонансного разрушения молекул фенола.

Дополнительным преимуществом ксеноновой лампы является ее способность разрушать не только сложные молекулы, как например фенола, но и продукты, образующиеся на первой стадии разрушения фенола; соответствующие данные приведены на фиг.3 и в табл.1.

Отличительной особенностью применения УФ-облучения для очистки воды является зависимость эффективности обработки от ее прозрачности. Чем выше мутность или цветность исходного раствора или суспензии, тем на меньшем расстоянии от источника происходит затухание светового потока и, соответственно, падает эффективность облучения. В этом случае энергия света тратится не на резонансное разрушение органических молекул, а на рассеяние.

Поэтому перед подачей очищаемой жидкости на УФ-обработку необходимо ее осветлить в максимальной степени. В табл.2 показано как разрушаются под воздействием импульсной ксеноновой лампы сложные углеводороды алифатического и ароматического ряда.

*) Примечание к табл.2: исходные концентрации веществ составляли, соответственно, (10^-2 мг/л): 5; 9,8 и 14,7.

Сложный состав загрязнений фильтрата приводит к необходимости использования для его глубокой очистки комплексного технологического потока, включающего ряд последовательных операций.

В соответствии с приведенной на фиг.4 технологической схемой фильтрат, поступающий из дренажной системы полигона, направляется в приемную емкость 1, обеспечивающую его равномерное поступление на установку глубокой очистки. Из приемной емкости фильтрат насосом 2 перекачивается в аппарат 3, где производится частичная отгонка аммиака. Из аппарата 3 фильтрат самотеком поступает в аппарат 4 для корректировки pH. В аппараты 3 и 4 с помощью компрессора 5 подается воздух для отгонки аммиака и перемешивания раствора при корректировке pH.

Соляная кислота, применяемая для корректировки pH фильтрата, из железнодорожной цистерны передавливается с помощью компрессора 5 в приемную емкость 6. Из емкости 6 кислота передавливается в расходную емкость 7, откуда поступает в аппарат 4. Количество поступающей кислоты регулируется системой контроля pH в аппарате. Корректировка pH происходит по мере заполнения аппарата. Для обеспечения непрерывной работы технологического потока устанавливаются параллельно два аппарата, в одном из которых происходит корректировка pH, а из второго прошедший эту операцию фильтрат насосом 8 непрерывно подается в электрокоагулятор электрофлотатор 9.

В электрокоагуляторной части аппарата (с расходуемыми электродами) из фильтрата осаждаются растворенные неорганические (в основном содержащие тяжелые металлы) и, частично, органические примеси. Часть скоагулировавших веществ образует шлам, который удаляется из аппарата через нижний фланец. После коагуляции и отделения осадка очищаемая вода направляется на электрофлотацию. Особенность этого процесса в предлагаемой схеме связана с присутствием в исходной воде, как правило, большого количества органических соединений, обладающих поверхностно-активными свойствами, что позволяет проводить процесс электрофлотации без введения флокулянтов и флотирующих агентов. При отсутствии таких соединений в сточной воде в нее могут быть добавлены соответствующие агенты.

Шлам выгружается и направляется для захоронения в специальный могильник 10. Пена из флотатора поступает в систему пеногашения 11, откуда получившийся осадок направляется также в могильник 10. Поскольку электрокоагулятор содержит расходуемые электроды в потоке параллельно установлены два аппарата, что позволяет реализовать непрерывную обработку фильтрата при смене электродов.

Частично очищенная в электрокоагуляторе флотаторе жидкость насосом 12 направляется в осветлительный фильтр 13, особенность которого связана с применением вместо инертной фильтрующей загрузки активной, например известняка, что позволяет совместить процесс фильтрования с регулировкой pH - увеличением его до значения 6,5-7, что необходимо для эффективного проведения последующей биологической очистки. В потоке параллельно установлены два фильтра для обеспечения непрерывной работы потока при промывке одного из фильтров.

Предварительно очищенная перечисленными методами вода, обладающая заметно большей, по сравнению с исходной, прозрачностью, поступает на УФ-облучение в аппарат 5, в котором установлены импульсные ксеноновые лампы. Аппарат питается от специального блока. Интенсивность УФ-облучения регулируется изменением числа импульсов свечения лампы в единицу времени. В этом аппарате происходит разрушение тех органических соединений, которые не были высажены при коагуляции и, соответственно, удалены при флотации. Эти соединения обладают, как правило, высокой стабильностью, поверхностно-активными свойствами и не поглощаются микроорганизмами при биоочистке.

Обработанный фильтрат с помощью насоса 15 поступает на биоочистку, где из него удаляются остатки разрушенных органических соединений, аммиачный азот и фосфаты. Биоочистка осуществляется в расположенных на открытом воздухе аэробных и анаэробных установках 16. После биообработки очищенный фильтрат поступает в биопруд 17, где проходит доочистку, а образовавшийся при биообработке избыточный ил ассимилируется.

Очищенный сток частично подается с помощью насоса 15 на промывку фильтров. Промывные воды возвращаются в начало потока очистки в приемную емкость 1.

Предлагаемый способ очистки сильно загрязненных стоков реализуется с помощью устройства, представляющего собой поточную линию, состоящую из перечисленных выше последовательно и параллельно установленных аппаратов. С его помощью могут быть очищены не только стоки от свалок (фильтраты), но и такие наиболее сложные для очистки стоки, как, например от предприятий агропромышленного комплекса, животноводческих и птицеферм.

Приведенные ниже примеры иллюстрируют изобретение, не ограничивая его.

Пример 1.

Исходная сточная вода со свалки ТБО имеет состав, приведенный в табл.3.

Для очистки ее последовательно пропускают через стадии отгонки аммиака, корректировки pH, электрокоагуляции, электрофлотации, фильтрования с одновременной корректировкой pH, УФ-обработки и биоочистки. При этом на первой стадии корректировки pH его величину снижают до 5,2, а на втором этапе - повышают до 7. Для обработки используют ксеноновую УФ-лампу мощностью 200 кВт, количество импульсов составляет 3 в секунду. Результаты комплексной очистки воды по стадиям приведены в табл.4.

Как видно из приведенных данных, предлагаемая технология обеспечивает полную очистку сильно загрязненного стока от полигона до параметров, соответствующих требованиям при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Пример 2 (сравнительный).

Исходную воду того же состава, как и в примере 1 (табл. 3), обрабатывают по такой же схеме, но не проводят отгонку аммиака. В этом случае содержащийся в воде аммиак негативно влияет на процесс электрофлотации, а потому и на последующую УФ-обработку и биоочистку. В результате (см. табл. 4) очищенная сточная вода по величинам БПК и ХПК не отвечает требованиям, предъявляемым к водоемам рыбохозяйственного назначения.

Пример 3 (сравнительный).

Фильтрат, имеющий состав, приведенный в табл. 3, обрабатывают по следующей схеме: отгонка аммиака, электрокоагуляция и электрофлотация, УФ-обработка и биоочистка. Как видно из табл. 4, отсутствие стадии корректировки pH до электрокоагуляции и электрофлотации приводит к неэффективному проведению этих процессов. При этом наблюдалось лишь незначительное осветление раствора, что, в свою очередь, приводило к ухудшению условий для УФ-обработки и резкому падению ее эффективности. Данные, приведенные в табл. 4, показывают, что очищенный сток не соответствует заданным нормативам.

Пример 4 (сравнительный).

Фильтрат, имеющий такой же состав, как и в предыдущих примерах, обрабатывают по схеме, показанной на фиг. 4, но проводят УФ-обработку, используя ртутные лампы среднего давления. Как показано в табл. 4, в этом случае УФ-обработка существенно менее эффективна, чем при использовании ксеноновой лампы со сплошным спектром излучения. В результате биологическая доочистка стока не позволяет достигнуть нормативов водоемов рыбохозяйственного назначения.

Использование: изобретение относится к области глубокой физико-химической и последующей биологической очистки высококонцентрированных сточных вод сложного состава, например фильтратов, вытекающих из полигонов твердых бытовых отходов. Сущность изобретения: используют технологический поток, состоящий из следующих основных стадий: отгонки аммиака, корректировки pH, электрокоагуляции и электрофлотации, фильтрования с одновременной повторной корректировкой pH, ультрафиолетовой обработки и биоочистки с последующей доочисткой в биопрудах. 2 з.п.ф-лы, 4 ил., 4 табл.

1. Способ глубокой очистки высококонцентрированных сточных вод путем их последовательной физико-химической очистки, состоящей из корректировки pH и фильтрования, и биологической очистки, отличающийся тем, что физико-химическая очистка включает следующие дополнительные стадии: отгонку аммиака, электрокоагуляцию, электрофлотацию, повторную корректировку pH, совмещенную с фильтрованием через загрузку, взаимодействующую с раствором и повышающую его pH до 6 7, и ультрафиолетовую обработку с регулируемой интенсивностью облучения. 2. Устройство для глубокой очистки высококонцентрированных сточных вод, представляющее собой поточную линию, снабженную узлами физико-химической и биологической очистки, отличающееся тем, что узел физико-химической очистки включает соединенные последовательно аппараты для отгонки аммиака и корректировки pH, электрокоагулятор, электрофлотатор, фильтр с минеральной загрузкой, обеспечивающей наряду с фильтрованием повышение pH раствора, и установку ультрафиолетовой обработки. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что установка ультрафиолетовой обработки состоит из ксеноновой импульсной лампы, имеющей сплошной спектр излучения в диапазоне длин волн 200 2000 нм и пиковую мощность в ультрафиолетовом диапазоне 150 250 кВт, причем интенсивность облучения ультрафиолетовой лампой регулируется автоматически путем установки числа импульсов излучения в единицу времени.