НЕСУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ НОСИТЕЛЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ И РЕАКТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 1998 года по МПК C02F3/10 B01J19/30 

Настоящее изобретение относится к несущему элементу для использования в качестве носителя микробиологической пленки для очистки природных и сточных вод и реактору для очистки природных и сточных вод.

В процессе биологической очистки природных или сточных вод воду пропускают через реактор определенного типа, в котором для превращения находящихся в воде примесей в безвредные конечные продукты, такие как углекислый газ и вода, используются микроорганизмы. Очистка может происходить в присутствии воздуха (аэробно) или без доступа воздуха (анаэробно). Для того, чтобы повысить эффективность очистки, обычно стремятся к достижению высокого содержания активных микроорганизмов в процессе или за счет того, чтобы не допускать выноса указанных организмов вместе с очищенной водой, или путем обеспечения роста микроорганизмов в суспензии, которая находится в реакторе и отделяется от воды в ходе операции сепарации после выхода из реактора, возвращаясь в реактор (например, процесс активного ила), или же путем введения в процесс определенного типа материала-носителя, на поверхности которого могут расти в форме биопленки микроорганизмы, поддерживая таким образом ход процесса (биопленочный процесс).

Биопленочный процесс обладает рядом преимуществ по сравнению с процессом применения активного ила и других процессов со взвешенной биомассой. Среди других факторов можно указать на возможность применения более высоких нагрузок, а также на то, что эти процессы значительно менее чувствительны к отклонениям и нарушениям. В большинстве случаев обычные биопленочные процессы основываются на заполнении очистного реактора материалом-носителем в форме заполнительных тел или блоков, которые остаются неподвижными в ходе процесса. Недостатком таких вариантов реализации процесса является вероятность блокирования материала-носителя биомассой или другим состоящим из мелких частиц материалом, а также возможность возникновения мертвых зон, в которых контакт между водой и активными микроорганизмами сильно ослаблен.

В другом виде биопленочного процесса применяется материал-носитель, находящийся во взвешенном состоянии и движущийся в ходе процесса. Материал-носитель с растущими на нем микроорганизмами сохраняется в процессе за счет того, что отходящую воду пропускают через сетчатый фильтр или решетку, диаметр отверстий или ширина прорезей в которой настолько малы, что материал-носитель не может через них пройти. Преимущество процесса такого типа заключается таким образом в том, что значительно снижаются опасность блокирования материала-носителя и возникновения мертвых зон. В процессе такого типа могут применяться различные виды материалов-носителей: куски пенорезины EP-A-0142123), кольца нетканого пластического материала (На: Kangijntn Vol. 29(4): pp 64-69, 1987) и куски экструдированных пластмассовых шлангов, площадь поверхности которых увеличена за счет механической обработки (На: Kangijntn Vol. 29(4): pp 64-69, 1987), перемешивание материала, ведущее к образованию неровной поверхности (Water Environment Ressarch vol. 64(7): pp 884-889), или размещение внутренних перегородок и наружных ребер (WO-A-91/11396). Общим свойством этих материалов является то, что они обладают плотностью, близкой к плотности воды, чтобы легко удерживаться во взвешенном состоянии. Хотя процессы с несущими элементами таких типов часто могут использоваться при высоких нагрузках, все применявшиеся до сих пор технические решения несущих элементов обладали, однако, недостатками, значительно ограничивающими производительность процесса, в особенности в случае аэробных процессов, в которых поступление кислорода к работающим микроорганизмам имеет решающее значение для обеспечения эффективности очистки. В кусках пенорезины и кольцах из нетканого материала поры часто засоряются растущей биомассой, что ведет к уменьшению площади активной поверхности, находящейся в контакте со сточными водами и воздухом. Несущие элементы, полученные путем экструдирования пластмассового шланга, делают небольшими, менее 1 см, с тем, чтобы увеличить отношение площади поверхности к объему. Кроме того, в этих элементах часто засоряются каналы, и кроме того, в случае, когда этого не случается, обнаружено, что поступление кислорода к биопленке, размещенной в большинстве случаев на внутренних поверхностях носителей, сильно ограничивает возможности процесса. Обнаружено также, что небольшие размеры этих несущих элементов создают серьезные конкретные проблемы, связанные с тем, что они будут захвачены пеной, образующейся в ходе процессов, и таким образом могут быть вынесены из участия в процессе пеной или ветром. Более того, часто могут возникать проблемы с очисткой сточных вод, содержащих взвешенные частицы, например волокна, из-за засорения небольших отверстий в сетчатых фильтрах или решетках, предназначенных для задержки несущих элементов. Обнаружено, что по этой причине такие мелкие несущие элементы не пригодны для очистки сточных вод, несущих волокна и образующихся в деревообрабатывающей промышленности.

До сих пор не существовало возможности решить эти проблемы за счет применения более крупных несущих элементов, поскольку не было возможно, в том что касается существовавших технических решений, предложить крупный носитель с большой площадью поверхности для биопленки, защищенной от износа, без значительного понижения эффективности процесса из-за еще более значительного, чем на существующих мелких носителях, ограничения поступления кислорода к биопленке.

Задачей настоящего изобретения является решение указанных проблем, и изобретение относится к несущему элементу, предназначенному для использования в качестве носителя микробиологической пленки в процессе биологической очистки природных или сточных вод, причем несущие элементы перемещаются в воде, а поверхность несущего элемента частично защищена от столкновения с поверхностями других несущих элементов и несущий элемент снабжен каналами и кроме того сконструирован таким образом, чтобы обеспечить через него хорошее пропускание воды и после образования на поверхностях микробиологической пленки.

Для достижения указанной задачи несущий элемент содержит отличительные признаки, перечисленные в п.1, с тем чтобы добиться сочетания больших размеров с большой площадью поверхности, защищенной от износа и с очень хорошим прохождением через элемент как воды, так и воздуха. Таким образом, несущий элемент, являющийся предметом настоящего изобретения, обладает значительными преимуществами по сравнению с материалами-носителями, применявшимися ранее как за счет значительного увеличения подачи кислорода, так и за счет значительного уменьшения опасности засорения сетчатых фильтров или решеток, предназначенных для задержки материала-носителя.

Изобретение относится также к использованию таких несущих элементов для обработки сточных вод деревообрабатывающей промышленности, т.е. сточных вод, содержащих, по меньшей мере, 100 мг/л взвешенного материала согласно измерениям на фильтре GF/A.

Кроме того, изобретение относится к реактору, предназначенному для биологической очистки природных и сточных вод с использованием несущих элементов, являющихся предметом настоящего изобретения.

Для того, чтобы более подробно разъяснить изобретение, ниже будут описаны в качестве иллюстрации варианты реализации изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых: на фиг. 1 и 2 показаны перспективные изображения первого варианта воплощения несущего элемента, являющегося предметом настоящего изобретения, при наблюдении с одного и с другого конца соответственно; на фиг. 3 показано изображение с торца несущего элемента с фиг. 1 и 2 при наблюдении с конца, показанного на фиг. 1; на фиг. 4 показано изображение с торца несущего элемента с фиг. 1 и 2 при наблюдении с конца, показанного на фиг. 2; на фиг. 5 и 6 показаны соответствующие перспективные изображения, подобные фиг. 1 и 2, второго варианта реализации; на фиг. 7 и 8 показаны соответствующие перспективные изображения, подобные фиг. 1 и 2, третьего варианта реализации; на фиг. 9 показано схематическое перспективное изображение реактора, в котором могут использоваться несущие элементы.

Несущий элемент по всем показанным вариантам реализации изобретения представляет собой ряд стенок, расположенных и соединенных между собой таким образом, что большая часть суммарной поверхности стенок защищена от износа под воздействием поверхностей других тел, что в несущем элементе сохраняются свободные сквозные каналы и что суммарная площадь поперечного сечения каналов на граничной поверхности, обращенной к окружающей среде, достаточно велика. Несущий элемент, показанный на фиг. 1-4, состоит таким образом из двенадцати равномерно распределенных радиальных внутренних стенок 11 и 12, простирающихся в осевом направлении от одного конца несущего элемента к другому его концу. Среди стенок чередуются более длинные в радиальном направлении стенки 11 и более короткие в радиальном направлении стенки 12. С одного конца несущего элемента стенки соединяются между собой наружным кольцом 13 и с другого конца - внутренним кольцом 14, причем стенки ограничивают радиальные окна 15. Таким образом, несущий элемент имеет структуру, сходную со структурой рабочего колеса турбины. Несущий элемент может быть выполнен из пластмассы или композиционного материала и поэтому при его изготовлении можно применить литье под давлением. Для того, чтобы обеспечить необходимую тягу, наружная поверхность несколько сходится на конус и стенки обладают толщиной, уменьшающейся по направлению от одного конца несущего элемента к другому его концу, как показано на чертежах. Можно выполнить несущий элемент из другого материала, отличающегося от пластмассы или композиционного материала. Несущий элемент образует несколько осевых каналов 16 между стенками и, кроме того, имеет сквозной канал 17 в центре, допуская беспрепятственное протекание потока непосредственно через элемент от одного его конца до другого. Продольная длина элемента и его диаметр предпочтительно составляют около 3,2 см. Обычно длина и диаметр несущего элемента (ширина и/или высота) должны превышать 1,5 см и предпочтительно составляют от 2,5 до 10 см, в особенности в пределах от 3 до 5 см. Стенки 11 и 12 образуют защищенные поверхности, т. е. поверхности, которые защищены от износа, вызванного столкновением с другими несущими элементами, и на этих поверхностях возможно выращивание микробиологической пленки для процесса биологической очистки воды. Площадь полностью защищенной поверхности должна превышать 100 м²/м³ объема несущего элемента, предпочтительно более 200 м²/м³ объема несущего элемента, в особенности больше 275 м²/м³ объема несущего элемента. Если несущие элементы разработаны таким образом, чтобы иметь очень большую поверхность, превышающую 500 м²/м³, может оказаться затруднительным избежать того, чтобы каналы в несущем элементе оказались настолько узки, что мешали бы росту.

Для аэробных процессов обычным является применение несущих элементов, обладающих плотностью, близкой к плотности воды, однако, согласно настоящему изобретению было обнаружено, что удобнее использовать несущие элементы, обладающие более высокой плотностью, что объясняется тем фактом, что несущие элементы, плотность которых близка к плотности воды, будут без сопротивления переноситься с потоком воды и будут быстро освобождаться от поднимающихся пузырьков воздуха; отсюда следует, что вода внутри этих элементов легко может оказаться неподвижной, а воздух будет редко проходить через внутренние каналы несущего элемента. В отличие от этого несущие элементы, обладающие более высокой плотностью, имеют тенденцию к опусканию в воду и оказывают сопротивление идущему в ходе процесса вверх потоку воды и воздуха, так что вода и воздух будут продуваться через внутренние каналы, обеспечивая снабжение биопленки кислородом. В то же время пузырьки воздуха будут разбиваться на более мелкие пузырьки, которые также способствуют увеличению переноса кислорода из воздуха в воду. Сила потока через несущие элементы будет увеличиваться при увеличении плотности несущего элемента, однако, при слишком высокой плотности, превышающей 1,40 кг/дм³, затрудняется перемешивание обрабатываемого материала, что ведет к уменьшению эффективности процесса очистки. Очень высокая эффективность достигается при плотности несущих элементов в диапазоне от 1,20 до 1,30 кг/дм³, при условии сильного потока, идущего через несущие элементы и при все еще хорошем перемешивании. Высокая плотность в сочетании с размерами устраняет также опасность выноса несущих элементов из процесса за счет вспенивания, легко усиливающегося при сильной аэрации.

Сочетание размеров, площади поверхности, открытой структуры и плотности в соответствии с приведенным выше описанием позволяет получить несущий элемент, обладающий значительно улучшенными свойствами для процесса аэробной очистки по сравнению с несущими элементами, применявшимися до сих пор.

Несущий элемент, являющийся предметом настоящего изобретения, обладает также хорошими свойствами при анаэробной или бескислородной очистке, при которой несущие элементы могут поддерживаться в движении за счет, например, механического перемешивания. В этих системах желательно также выбрать плотность, близкую к плотности воды с тем, чтобы избежать большого расхода энергии на поддержание движения носителей.

Выяснено, что эти несущие элементы дают очень хорошие результаты при очистке различных типов сточных вод.

В частности, несущий элемент обеспечивает большие преимущества при обработке сточных вод деревообрабатывающей промышленности, содержащих волокна и другие частицы. Благодаря относительно большим размерам несущего элемента для задержки несущих элементов возможно применение решеток с относительно большими размерами ячейки, что позволяет избежать возникновения всех проблем, связанных с засорением волокнами и т.п. Во многих отраслях деревообработки, где уже намечено использовать биологическую очистку, применяется только механическая очистка, представленная осадительными бассейнами для отделения волокон и т.п. Биологический процесс с применением взвешенных несущих элементов, являющихся предметом настоящего изобретения, может быть применен до существующего осаждения, поскольку волокна беспрепятственно проходят через этот процесс. И волокна, и избыточная биомасса, полученная в ходе процесса, могут быть затем отделены в процессе существующего осаждения, так что не требуется создания дополнительной процедуры отделения. В некоторых случаях до биологического процесса может возникнуть необходимость применения грубого отделения крупных частиц, таких как щепки или куски коры, однако в данном случае это вопрос значительно более простого и дешевого разделения по сравнению с осаждением.

Очень важной особенностью изобретения является то, что большая часть граничной поверхности, обращенной к окружающей среде несущего элемента, открыта для прохождения воды и воздуха в любом направлении. Площадь поперечного сечения отверстий каналов в граничной поверхности в направлении окружающей элемент среды составляет по меньшей мере 35%, предпочтительно по меньшей мере 40%, в особенности по меньшей мере 50% от площади граничной поверхности в направлении окружающей среды однородного тела, имеющего такие же размеры.

Предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения, позволяющими удовлетворить потребность в большой площади поперечного сечения отверстий каналов, являются такие варианты, в которых несущий элемент открыт для протекания по всем трем измерениям. Вариант осуществления, показанный на фиг. 1-4, является таким предпочтительным вариантом осуществления, в котором вода может спокойно протекать через несущий элемент.

Вариант осуществления, показанный на фиг. 5 и 6, отличается от варианта, изображенного на фиг. 1-4, наличием помещенной в центре несущего элемента осевой трубки 18, наружная поверхность которой соединяется со стенками 11, которые все имеют одинаковую радиальную длину. В конце несущего элемента чередуются стенки 19 и отверстия каналов 16, другой же канал полностью открыт.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 7 и 8, применяются спиральные стенки 11' и 12', создающие вращательное движение несущего элемента при прохождении через него воды, что дополнительно интенсифицирует поступление кислорода к биопленке.

Несущие элементы поддерживаются взвешенными в природных или сточных водах, предназначенных для биологической очистки в реакторе, в котором воздух подается посредством аэраторов, размещенных на дне реактора, как показано на фиг. 9, на котором резервуар реактора обозначен позицией 20 и аэраторы на его дне - позицией 21. Вода поступает в резервуар из верхней части его 23 и сливается на дне через выпускное отверстие 24. Несущие элементы, взвешенные в воде, обозначены позицией 25.

Проблема, возникающая в процессах, предусматривающих применение взвешенных несущих элементов, заключается в том, что существует необходимость в замене или ремонте аэраторов. В обычных резервуарах до аэраторов трудно добраться, поскольку резервуар заполнен большим количеством несущего материала, опускающегося на дно резервуара после спуска воды. Когда используют несущие элементы, являющиеся предметом настоящего изобретения, этой проблемы можно избежать за счет снабжения резервуара решеткой 26, накрывающей дно над аэраторами 21 на уровне, обеспечивающем доступ к аэраторам под решеткой. Решетка должна иметь такую ширину ячеек, при которой через нее не могут проходить несущие элементы 25. После спуска воды из резервуара несущие элементы осядут на решетку, после чего появляется возможность проникнуть в пространство под решеткой, например, через люк 27. Это решение проблемы возможно по той причине, что несущие элементы, являющиеся предметом настоящего изобретения, настолько велики, что позволяют использовать решетку с достаточно большой шириной ячейки, допускающей беспрепятственное прохождение воздуха.

Решетка 26 также используется как выпускная решетка с тем, чтобы задерживать несущие элементы в процессе прохождения вытекающей воды через решетку и затем через выпускную трубу, выполненную в форме стояка 24. Благодаря использованию донной решетки 26 в качестве выпускной решетки отпадает необходимость в дополнительной решетке для того, чтобы предупредить вынос несущих элементов вместе с вытекающей из резервуара водой. Кроме того, вероятность засорения решетки 26 очень мала, поскольку решетка будет непрерывно продуваться воздухом, поступающим снизу через решетку по направлению вверх, в резервуар.

Изобретение относится к несущему элементу, предназначенному для использования в качестве носителя микробиологической пленки в процессе биологической очистки природных или сточных вод, причем несущие элементы перемещаются в воде. Поверхность несущего элемента частично защищена от столкновения с поверхностями других несущих элементов. Несущий элемент снабжен каналами и, кроме того, сконструирован с возможностью хорошего пропускания воды после образования на поверхности микробиологической пленки. Несущей элемент имеет длину, ширину и/или высоту, превышающие 1,5 см, и защищенную поверхность, превышающую 100 м²/м³ объема несущего элемента, площадь поперечного сечения отверстий каналов в граничной поверхности в направлении окружающей среды составляет по меньшей мере 35% от площади граничной поверхности в направлении окружающей среды однородного тела, имеющего такие же размеры. В случае использования несущего элемента для обработки сточных вод деревообрабатывающей промышленности содержание взвешенного вещества составляет по меньшей мере 100 мг/л взвешенного вещества при замере на фильтре. Реактор для биологической очистки природных или сточных вод включает резервуар, содержащий несущий элемент согласно настоящему изобретению, и снабжен решеткой, покрывающей дно резервуара и имеющей размер ячейки меньше, чем размер несущего элемента, и отделенной от дна резервуара расстоянием, обеспечивающим доступ в пространство под решеткой. Изобретение позволяет упростить проблему замены несущих элементов и повысить эффективность процесса за счет применения более крупных несущих элементов. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Несущий элемент, предназначенный для использования в качестве носителя микробиологической пленки в процессе биологической очистки природных или сточных вод, выполненный с возможностью перемещения в воде, поверхность которого частично защищена от столкновения с поверхностями других несущих элементов, причем несущий элемент снабжен каналами и сконструирован с возможностью хорошего пропускания через него воды после образования на поверхностях микробиологической пленки, отличающийся тем, что несущий элемент имеет длину, ширину и/или высоту, превышающие 1,5 см, предпочтительно в интервале от 2,5 до 10 см, в особенности в интервале от 3 до 6 см, защищенная поверхность превышает 100 м²/м³ объема несущего элемента, предпочтительно более 200 м²/м³ объема несущего элемента, в особенности больше 275 м²/м³ объема несущего элемента, а площадь поперечного сечения отверстий каналов в граничной поверхности в направлении окружающей элемент среды составляет по меньшей мере 35%, предпочтительно по меньшей мере 40%, в особенности по меньшей мере 50% от площади граничной поверхности в направлении окружающей среды однородного тела, имеющего такие же размеры. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что отверстия каналов в граничной поверхности элемента размещены с обеспечением возможности поступления воды и воздуха со всех направлений. 3. Элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что несущий элемент пересекается каналами (15, 16, 17, 18) для прохождения воды через элемент по всем трем измерениям. 4. Элемент по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что он выполнен из радиально направленных стенок (11, 12, 11', 12'), соединенных между собой в конструкцию, сходную с рабочим колесом турбины. 5. Элемент по п. 4, отличающийся тем, что стенки (11, 12, 11', 12') соединены между собой посредством кольцевой части (13, 14), помещенной на каждом конце несущего элемента. 6. Элемент по п. 4 или 5, отличающийся тем, что стенки (11, 12) соединены между собой в середине посредством трубки (18) в центре несущего элемента. 7. Элемент по любому из пп. 4 - 6, отличающийся тем, что каналы между стенками (11, 12) с одного конца несущего элемента поочередно открываются и закрываются стенками (19). 8. Элемент по любому из пп. 4 - 7, отличающийся тем, что стенки (11, 12, 11', 12') поочередно имеют большую и меньшую длину в радиальном направлении. 9. Элемент по любому из пп. 1 - 8, отличающийся тем, что стенки (11', 12') имеют спиральную форму. 10. Элемент по любому из пп. 1 - 9, отличающийся тем, что плотность несущего элемента находится в интервале от 0,92 до 1,40 кг/дм³, предпочтительно в интервале от 0,94 до 1,35 кг/дм³ и в особенности в интервале от 1,10 до 1,30 кг/дм³. 11. Элемент по любому из пп. 1 - 10, отличающийся тем, что несущий элемент выполнен из пластмассы или композиционного материала способом литья под давлением. 12. Элемент по любому из пп. 1 - 11, отличающийся тем, что в случае использования несущего элемента для обработки сточных вод деревообрабатывающей промышленности содержание взвешенного вещества составляет по меньшей мере 100 мг/л при замере на фильтре GF/A. 13. Реактор для биологической очистки природных или сточных вод, включающий резервуар (20), содержащий взвешенные несущие элементы (25), отличающийся тем, что резервуар содержит взвешенные несущие элементы по любому из пп. 1 - 11, и снабжен решеткой, покрывающей его дно и имеющей размер ячейки меньший, чем наименьший размер несущего элемента, отделенной от дна резервуара расстоянием, обеспечивающим доступ в пространство под решеткой, когда из резервуара спущена вода. 14. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что решетка (26) выполнена как выпускная решетка, предназначенная для отделения несущих элементов (25) от воды, спускаемой из резервуара через выпускное отверстие.