УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ ВОД Российский патент 2000 года по МПК C02F1/52 C02F3/10 

Изобретение относится к устройствам для кондиционирования мутных и высокоцветных природных вод, в частности для удаления взвешенных и коллоидных примесей, а также растворенных устойчивых соединений органической природы из воды, обработанной коагулянтом.

Известны камеры хлопьеобразования зашламленного типа, представляющие собой прямоугольную емкость с пирамидальным днищем, совмещаемую обычно с корпусом коридора горизонтального отстойника (Николадзе Г.И. Водоснабжение: Учебник для техникумов. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1979, стр. 121-122, рис. V.12a). В основании днища размещены водораспределительные трубы или короба, обеспечивающие образование равномерного восходящего потока обрабатываемой жидкости с предварительно введенным коагулянтом, в верхней части имеются сборные лотки, обеспечивающие подачу воды с образовавшимися укрупненными хлопьями взвеси в горизонтальный отстойник для дальнейшей очистки. При скорости восходящего потока в верхнем сечении камеры 2-4 мм/с образуется и поддерживается во взвешенном состоянии слой осадка, частицы которого являются центрами коагуляции.

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность очистки при обработке высокоцветных вод, в которых повышенная цветность определяется наличием комплексных органических соединений. Это объясняется тем, что в зоне образования взвешенного слоя осадка в связи с высокой подвижностью этого слоя отсутствуют оптимальные условия развития микрофлоры, способной обеспечить деструкцию растворенной органики - минерализацию устойчивых комплексных органических соединений, и достаточно полного обесцвечивания не происходит. В связи с чем неоправданно увеличиваются дозы коагулянта, время обработки воды в камере хлопьеобразования, время отстаивания, что, тем не менее, не обеспечивает требуемого эффекта очистки даже после отстаивания и фильтрования. Кроме того, при обеззараживании воды хлором образуются высокотоксичные хлорорганические соединения, а при попадании растворенной органики в разводящую сеть трубопроводов в них активно протекают процессы биокоррозии.

Известны осветлители, включающие корпус прямоугольной формы в плане с нижней частью в виде призмы с углом наклона стенок к горизонтали около 60^o, оборудованный системой подачи исходной воды, обработанной коагулянтом и лотками для отвода осветленной воды, выносные осадкоуплотнители также с пирамидальным днищем, оборудованные системой отведения осадка и системой отбора осветленной воды, обеспечивающей принудительный отбор избытка осадка из камеры осветлителя через специальные окна в смежной с осадкоуплотнителем стенке, оборудованные защитным козырьком, позволяющим производить отбор осадка только из рабочей зоны (Н.Н.Абрамов. Водоснабжение: Учебник для вузов. - 3-е изд. , перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1982, стр. 241-244, рис. V.25). При подаче обработанной коагулянтом воды в осветлитель в его рабочей зоне образуется слой взвешенного осадка, причем скорость восходящего потока должна быть равной гидравлической крупности частиц осадка - скорости их выпадения. В слое взвешенного осадка проходит процесс контактной коагуляции, так называемое стесненное осаждение хлопьев и частиц мути, что и обеспечивает осветление воды.

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность очистки при обработке высокоцветных вод, в которых повышенная цветность определяется наличием устойчивых форм комплексных органических соединений. Это объясняется тем, что в зоне образования взвешенного слоя осадка слабо развивается микрофлора, способная обеспечить деструкцию растворенной органики - минерализацию устойчивых комплексных органических соединений, поскольку в связи с высокой подвижностью этого слоя отсутствуют оптимальные условия развития таких микроорганизмов и достаточно полного обесцвечивания не происходит. Наличие устойчивых форм специфических загрязнителей приводит к необходимости существенно увеличивать дозы коагулянта, время обработки воды в осветлителе, что, тем не менее, не обеспечивает требуемого эффекта очистки даже после фильтрования, которое традиционно используется в схеме очистки воды с осветлителями. При осветлении воды в слое взвешенного осадка важно точное соблюдение технологического регламента, в частности соотношение скорости восходящего потока и скорости осаждения частиц взвеси, что осложняется при существенном изменении качества исходной воды (показателей мутности и цветности) в процессе очистки. Кроме того, при обеззараживании воды хлором образуются высокотоксичные хлорорганические соединения, а при попадании растворенной органики в разводящую сеть трубопроводов в них активно протекают процессы биокоррозии.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является устройство для очистки воды (а. с. СССР N 1310005, МКИ⁵ В 01 D 29/08, 35/10, Б.И., 1987, N 18, с. 17), содержащее вертикально расположенный корпус с пирамидальным днищем с патрубками для подвода очищаемой воды, обработанной коагулянтом, и отвода очищенной воды, с патрубками для подачи сжатого воздуха и отвода воздуха из верхней части корпуса, оснащенный пакетом трубок с закрепленными внутри них ершами из стекловолокна с диаметром, равным диаметру этих трубок, причем плотность заполнения ершей нитями выполнена уменьшающейся по ходу движения очищаемой воды. Устройство обеспечивает снижение расхода коагулянта и может быть использовано для частичного и глубокого осветления природных вод на промышленных водопроводах, а также для очистки промышленных и коммунальных сточных вод.

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность очистки при обработке высокоцветных вод, что обусловлено невозможностью полной регенерации ершей при образовании на них и на внутренней поверхности трубок биологических обрастаний, которые полностью не удаляются, сужая живое сечение трубок и вызывая слипание волокон ершей, а также тем, что подача воздуха при регенерации ершовой загрузки может обусловливать сорбирование микропузырьков на волокнах ершей, что снижает эффект коагуляции. Снижение эффекта очистки определяется еще и тем, что в межтрубном пространстве образуются застойные зоны, в которых могут возникать процессы гниения, это является нарушением одного из главных принципов проектирования водопроводных очистных сооружений. Кроме того, применение ершей из стекловолокна по существующим требованиям недопустимо в системах водоподготовки для питьевых целей.

Задача изобретения - обеспечить деструкцию комплексных органических соединений, обусловливающих повышенную цветность природных вод, за счет метаболизма микроорганизмов, закрепленных на насадке в рабочей зоне и коагуляцию взвешенных и коллоидных примесей, содержащихся в воде, при сокращении расхода коагулянта за счет создания благоприятных условий процесса хлопьеобразования при минерализации органических соединений с обеспечением упрощенной регенерации сетчатой насадки. Это позволит существенно снизить эксплуатационные затраты, обеспечить очистку сложно обрабатываемых цветных вод, исключить попадание органических соединений в разводящую водопроводную сеть и, следовательно, исключить биокоррозию и образование высокотоксичных хлорорганических соединений при обеззараживании воды хлором.

Указанная задача решается следующим образом.

В известном устройстве для очистки жидкости, содержащем корпус прямоугольный в плане с призматическим днищем, систему подвода очищаемой воды, обработанной коагулянтом и отвода очищенной воды, рабочую зону контактной коагуляции со слоем насадки из волокон и систему отвода осадка, причем рабочая зона контактной коагуляции оснащена пространственным каркасом, на котором по всей высоте этой зоны зигзагообразно закреплены сдвоенные полотнища мелкоячеистых сеток, расположенных относительно друг друга в прямом и диагональном направлениях с шагом не более 70-150 мм.

Отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения являются:
- рабочая зона контактной коагуляции оснащена пространственным каркасом;
- на пространственном каркасе по всей высоте рабочей зоны зигзагообразно закреплены сдвоенные полотнища мелкоячеистых сеток;
- сдвоенные полотнища мелкоячеистых сеток расположены относительно друг друга в прямом и диагональном направлениях с шагом не более 70-150 мм.

Пространственный каркас, которым оснащена рабочая зона устройства, позволяет разместить и закрепить в ней материал насадки - полотнища мелкоячеистой сетки, на которой развивается микрофлора, способная обеспечить деструкцию комплексных органических соединений, обусловливающих повышенную цветность природных вод.

Зигзагообразное закрепление сдвоенных полотнищ мелкоячеистых сеток позволяет увеличить "полезную" площадь контакта обрабатываемой воды и микроорганизмов, образующих колонии на сетках, при минимальном гидравлическом сопротивлении, обеспечивающем оптимальные условия коагулирования - укрупнения хлопьев взвеси.

Сдвоенные полотнища мелкоячеистых сеток, расположенных относительно друг друга в прямом и диагональном направлениях с шагом не более 70-150 мм, обеспечивают оптимальные условия закрепления микроорганизмов на сетках и увеличение площади контакта обрабатываемой воды с закрепленными на сетках микроорганизмами при относительно простой конструкции устройства без применения специальных мероприятий по регенерации материала насадки в рабочей зоне, которая осуществляется самопроизвольным сбросом избытка продуктов метаболизма микроорганизмов и частиц взвеси, сорбируемых на насадке в процессе очистки, после достижения предельного по отношению к "несущей способности" насадки объема взвеси - предельной нагрузки.

Таким образом, обеспечивается причинно-следственная связь совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата: обеспечение достаточной степени очистки мутных и высокоцветных природных вод за счет деструкции устойчивых комплексных органических соединений, обусловливающих цветение этих вод, при обработке их в биологически активной среде и сокращение дозы реагентов, используемых при обработке.

Пример промышленной применимости изобретения.

На чертежах изображено устройство для очистки воды: фиг. 1 - поперечный разрез; фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1; фиг. 3 - узел I на фиг. 2.

Устройство для очистки высокоцветных вод содержит корпус 1 прямоугольный в плане с призматическим днищем, систему подвода очищаемой воды, выполненную в виде перфорированного трубопровода 2 с отбойной пластиной 3, обеспечивающей равномерное распределение воды в поперечном сечении корпуса 1, сборные лотки 4 в верхней части корпуса 1 для отвода обработанной воды, а также перфорированный трубопровод 5 для отвода осадка, расположенный в нижней части призматического днища - зоне накопления осадка 6. В рабочей зоне контактной коагуляции в корпусе 1 установлен стержневой пространственный каркас 7, на поперечных стержнях и (или) шнурах которого по всей высоте рабочей зоны зигзагообразно закреплены сдвоенные полотнища мелкоячеистых сеток 8, причем сетки 8 расположены относительно друг друга в прямом и диагональном направлениях с шагом 70-150 мм.

Устройство для очистки воды работает следующим образом.

Очищаемая вода, имеющая повышенную мутность и цветность, обусловленную наличием устойчивых форм комплексных соединений органической природы, после обработки коагулянтом подается по перфорированному трубопроводу 2 в корпус 1. Перфорированный трубопровод 2 расположен выше зоны накопления осадка 6 и оснащен отбойной пластиной 3, обеспечивающей равномерное распределение очищаемой воды и образование восходящего потока. В рабочей зоне, в которой установлен стержневой пространственный каркас 7, на поперечных стержнях и (или) гибких шнурах которого зигзагообразно закреплены сдвоенные полотнища мелкоячеистых сеток 8, обеспечивается контактная коагуляция взвеси, содержащейся в обрабатываемой воде. Причем при очистке вод с высокой цветностью, обусловленной наличием комплексных органических соединений, в рабочей зоне контактной коагуляции на зигзагообразно установленных сетках 8 образуется микрофлора, способствующая деструкции устойчивых форм различных комплексных органических соединений. В природных водах концентрация органических соединений сравнительно невелика и по сравнению со сточными водами природные обладают низкой питательной ценностью и в этих условиях активно развиваться могут только поверхностно прикрепляемые (сидячие) бактерии, которые получают питательные вещества при протоке обрабатываемой жидкости в насадке с закрепленными микроорганизмами. Основные требования к устройствам, обеспечивающим микробиологическую деструкцию комплексных органических соединений, можно представить как возможность равномерного распределения обрабатываемой воды в рабочей зоне при достаточно высокой удельной нагрузке, что определяет оптимальный режим питания микроорганизмов, закрепляющихся на насадке, минимальное гидравлическое сопротивление насадки при высокой эффективности удержания биомассы, а также как возможность самопроизвольно освобождаться от излишков биомассы. Зигзагообразно установленные сетки 8 в рабочей зоне вполне удовлетворяют указанным требованиям к насадкам при обработке высокоцветных вод и обеспечивают возможность закрепления на них особых видов микроорганизмов. Наиболее целесообразно использовать нитяные сетки из инертного по отношению к свойствам воды материала, например из капроновых нитей с размером ячеи 10-15 мм. С целью создания оптимальных условий закрепления и развития микрофлоры, а также с целью обеспечения оптимальной плотности ее в зоне контактной коагуляции полотнища зигзагообразно расположенных сеток 8 выполняются сдвоенными и располагаются относительно друг друга в прямом и диагональном направлении с шагом 70-150 мм. При расположении сдвоенных полотнищ мелкоячеистых сеток 8 в прямом и диагональном направлениях за счет оптимальной схемы пересечения нитей полезная площадь контакта увеличивается примерно на 50% по сравнению с параллельным их расположением и на 80-100% - по сравнению с одиночными сетками. Зигзагообразное расположение сеток 8 с шагом 70-150 мм обеспечивает оптимальную плотность насадки в рабочей зоне контактной коагуляции, составляющей около 10% ее общего объема, при меньшем шаге существенно усложняется схема пространственного каркаса из-за увеличения количества поперечных стержней и шнуров, на которые закрепляются полотнища сдвоенных мелкоячеистых сеток 8.

В присутствии таких микроорганизмов в зоне контактной коагуляции комплексоорганические соли металлов минерализуются, и дальнейшее осветление воды упрощается, при этом необходимое количество коагулянтов, используемых для обработки воды, существенно (на 40-70%) сокращается. Образующиеся в процессе коагуляции укрупненные хлопья взвеси, гидравлическая крупность которых превышает скорость восходящего потока обрабатываемой воды в рабочей зоне, выпадают в виде осадка и накапливаются в нижней части призматического днища корпуса 1 - зоне накопления осадка 6 и частично сорбируются на сетках 8. Предельный объем осадка, сорбирующегося на сетках 8, составляет не более 5-7 кг/м², а избыточная его масса самопроизвольно сбрасывается и поступает в зону накопления осадка 6, при этом не требуется применение каких-либо дополнительных мероприятий по регенерации сетчатой насадки. Периодически из зоны накопления осадка 6 он удаляется перфорированным трубопроводом 5 за пределы устройства. Осветленная вода поступает в верхнюю зону корпуса 1 установки и собирается системой отвода осветленной воды, выполненной, например, в виде сборных лотков 4, установленных вдоль продольных стенок корпуса 1, и отводится для дальнейшей обработки, например, на скорые фильтры.

Устройство предназначено для очистки и кондиционирования загрязненных природных вод. Устройство содержит прямоугольный корпус с призматическим днищем, систему подвода очищаемой воды, обработанной коагулянтом, систему отвода очищенной воды и осадка и рабочую зону контактной коагуляции. Рабочая зона оснащена пространственным каркасом, на котором по всей высоте зоны зигзагообразно закреплены сдвоенные полотнища мелкоячеистых сеток, расположенных относительно друг друга в прямом и диагональном направлениях с шагом не более 70 - 150 мм. Изобретение обеспечивает очистку сложно обрабатываемых цветных вод, исключает попадание органических соединений в разводящую водопроводную сеть и позволяет снизить эксплуатационные затраты. 3 ил.

Устройство для очистки высокоцветных вод, содержащее корпус прямоугольный в плане с призматическим днищем, систему подвода очищаемой воды, обработанной коагулянтом и отвода очищенной воды, рабочую зону контактной коагуляции со слоем насадки из волокон и систему отвода осадка, отличающееся тем, что рабочая зона контактной коагуляции оснащена пространственным каркасом, на котором по всей высоте этой зоны зигзагообразно закреплены сдвоенные полотнища мелкоячеистых сеток, расположенных относительно друг друга в прямом и диагональном направлениях с шагом не более 70 - 150 мм.