СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2004 года по МПК C02F3/02 

Изобретение относится к способам очистки сточных вод и может быть использовано в коммунальном хозяйстве при очистке городских или близких к ним по составу промышленных сточных вод.

Цель изобретения - увеличение эффективности удаления из воды биогенных элементов (в том числе фосфора), получение высокозольных незагнивающих, богатых биогенными элементами осадков сточных вод, снижение объемов емкостных сооружений и энергоемкости процессов очистки сточных вод.

Известно использование многоступенчатых аэротенков [1] с несмешивающимися иловыми системами для очистки высококонцентрированных сточных вод. Недостатками способа являются: громоздкость сооружений; сложность коммуникаций; необходимость устройства насосных станций рециркуляции илов и сооружений для кондиционирования выделяемых осадков перед обезвоживанием; высокая энергоемкость.

Решает многие задачи использование многоступенчатых аэротенков-вытеснителей [2], работа которых базируется на использовании сообществ прикрепленных и свободноплавающих микроорганизмов по ступеням очистки сточных вод. Препятствием для широкомасштабного применения конструкции и заложенного в ней способа биологической очистки сточных вод является достаточно высокая стоимость насадки для удерживания микроорганизмов и каркасов из коррозионно-стойкого материала для ее равномерного размещения в объемах емкостных сооружений, а также энергоемкость создания постоянного эффективного массообмена прикрепленного на насадке биоценоза с очищаемой сточной жидкостью. Илы первых стадий очистки стоков слизеобразующие обрастают насадку трудно промываемыми скоплениями, их промывка приводит к быстрому износу насадки.

Наиболее близким по достигаемому эффекту является способ, заложенный в конструкции очистной установки [3]. Громоздкость и энергоемкость конструкции снижена в изобретении на первой ступени очистки за счет использования двухкоридорного реактора и тонкослойного пульсационного илоотделителя с эрлифтным возвратом отделяемого ила с выхода второго коридора на вход первого коридора. Известное устройство не регламентирует нагрузки на ил, не разделяет илы по стадиям очистки и не обеспечивает минерализацию избыточных биомасс микроорганизмов.

Поставленная цель решается тем, что в способе биологической очистки сточных вод, освобожденных от крупных механических примесей и песка на стадиях предварительной механической очистки, предусмотрены следующие существенные отличия:

- используется трехиловая система очистки сточных вод, в которой первая иловая смесь использует преимущественно высоконагруженный, быстрорастущий, гетеротрофный биоценоз; вторая иловая смесь использует нитриденитрифицирующий биоценоз, включающий микроорганизмы трех трофических уровней (бактерий, простейших и мелких животных); третья иловая смесь использует нитрифицирующий биоценоз бактерий и гидробионтов преимущественно третьего трофического уровня, хищный зоопланктон;

- регламентированы нагрузки на биоценоз каждой иловой смеси: на первую иловую смесь нагрузка по органическим веществам должна быть не менее 1 кг БПК_полн на 1 кг беззольного вещества ила в сутки; на второй ил нагрузка по органическим веществам должна быть более 0,2 кг БПК_п на 1 кг беззольного вещества ила в сутки; на третью иловую смесь нагрузка по взвешенным веществам, выносимым из сооружений второй иловой системы, не должна превышать 1 кг сухого вещества взвесей на 1 кг сухого вещества зоопланктона в сутки;

- выведение осадков, избыточного ила из набора сооружений трехиловой системы биологической очистки сточных вод производится исключительно из реакторов третьей иловой системы;

- реакторы всех трех ступеней биологической очистки сточных вод максимально выполняются вытеснителями за счет деления на отсеки, системы рециркуляции аэрируемой иловой смеси внутри отсеков, размещения отсеков относительно друг друга, своеобразного размещения насадки внутри третьей ступени очистки воды.

Анализ известных технических решений, относящихся к способам очистки сточных вод, показал, что технических решений, содержащих ту же совокупность существенных признаков, что и заявляемый способ, не обнаружено. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критерию “новизна”.

Анализ выявленных отличительных от прототипа существенных признаков показал, что такие или сходные с ними признаки в известных технических решениях с проявлением тех же свойств не обнаружены, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критерию “существенные отличия”.

Заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить новый, более высокий результат, выражающийся в обеспечении более глубокой очистки сточных вод, особенно в удалении из сточных вод биогенных элементов (азота и фосфора) при отсутствии расходования реагентов, без добавления дополнительных объемов емкостных сооружений. Выделяемые осадки сточных вод не имеют ни фекального запаха, ни запаха гниения, содержат в 2-3 раза большее количество фосфора, что увеличивает их качество как органоминерального удобрения.

Способ поясняется технологической схемой очистки сточных вод и обработки выделяемых на очистной станции населенного пункта осадков (см. чертеж).

Схема включает поток сточных вод 1, поступающий на канализационную очистную станцию (КОС); процеживатели 2, песколовки 3, водоизмерительный лоток 4, распределительную камеру 5, трехступенчатый аэробный биореактор 6, включающий аэрируемый резервуар 7 первой иловой системы с илоотделителем 8, аэрируемый резервуар 9 второй иловой системы с илоогделителем 10 и аэрируемый резервуар 11с системой каркасов 12 для крепления волокнистой насадки 13 третьей иловой системы, коммуникации 14 для выведения осадков очистной станции в цех 15 механического обезвоживания после сгущения в илоотделителях 16. На вход биореактора 6 в распределительную камеру 5 возвращается поток 17 надиловой воды из илоуплотнителей и фильтрат 18 от фильтр-прессов цеха 15 механического обезвоживания осадков.

Воздух 19 в аэрируемых резервуары 7, 9 и 11 поступает от воздуходувной 20.

Обезвоженный осадок (кек) 21 складируется на специальные иловые площадки 22, откуда вывозится на дообработку и сертификацию перед утилизацией в качестве органоминерального удобрения.

Циркуляцию первой и второй иловых систем обеспечивают эрлифты 23.

Биологически очищенная сточная жидкость отводится в здание 24, где подвергается ультрафиолетовому облучению (УФО) в специальных устройствах и после УФО направляется на выпуск 25 в поверхностный водоем или на повторное использование для технических нужд предприятий, полива сельхозугодий и других целей.

Крупные примеси 26 сточных вод с процеживателей 2 и песок 27 из песколовок 3 выводится в специально отведенные места на переработку и утилизацию.

Предложенная схема работает следующим образом.

Сточные воды (СВ) потоком 1 поступают на процеживатели 2, где освобождаются от крупных (более 5 мм) примесей 26 (тряпки, бумага, косточки фруктов, резинотехнические изделия, прокладки и т.п.). Далее СВ в песколовках 3 освобождаются от песка 27 и после регистрации расхода в водоизмерительном лотке 4 поступают в распределительную камеру 5. В распределительную камеру 5 поступает также надиловая вода 17 из илоуплотнителей 16 и фильтрат 18 с промывной водой от фильтр-прессов цеха 15 механического обезвоживания осадков СВ.

Из камеры 5 СВ распределяются по параллельно работающим секциям биореактора 6 (для упрощения на чертеже приведена одна секция). Секция биореактора 6 состоит из трех ступеней. В первой ступени имеется аэрируемый резервуар 7 и илоотделитель 8 (например, в виде тонкослойного модуля).

Из илоотделителя 8 СВ направляются в аэрируемый резервуар 9 второй ступени, а отделившаяся от СВ основная масса ила первой ступени очистки возвращается эрлифтом 23 на смешение с потоком СВ, поступающих в аэрируемый резервуар 7. Воздух 19 для аэрации иловой смеси в резервуаре 7 поступает от воздуходувной 20.

В аэрируемом резервуаре 7 гетеротрофные бактерии потребляют легкоусваемые органические вещества, биогенные элементы и кислород, внесенный в воду из воздуха, дают прирост слизеобразующих комплексов, флокулирующих взвешенные вещества СВ, что обеспечивает хорошие седиментационные свойства ила первой иловой системы. Илоотделители 8 гарантируют подачу на смешение с СВ с помощью эрлифтов 23 в аэрируемый резервуар 7 концентрацию гетеротрофных бактерий, достаточную для осуществления флокуляции взвешенных веществ СВ при любых колебаниях расходов и концентрациях загрязнений, наблюдаемых в городских СВ.

Объем резервуара 7 и параметры илоотделителя 8 должны обеспечивать такую массу гетеротрофных бактерий в иле первой иловой системы, чтобы нагрузка на ил была не менее 1 кг БПК_п на 1 кг сухого беззольного вещества иловой смеси в сутки. Такая нагрузка обеспечивает наличие в иловой смеси преимущественно быстро растущих гетеротрофных бактерий с определенными поверхностными свойствами и специфической ферментной системой, богатой АТФ. Потребность таких бактерий в фосфоре в 3 и более раз выше, чем микроорганизмов активных илов, работающих в традиционных аэротенках очистных станций канализации населенных пунктов.

Весь прирастающий биоценоз гетеротрофных бактерий и сфлокулированные им взвешенные вещества вымываются из илоотделителей 8 с потоком очищаемых СВ в аэрируемый резервуар 9 второй иловой системы, давая гарантированный приток для биоценоза второй иловой системы питательных веществ, входящих в состав взвешенных веществ, а простейшим и мелким животным шлейф гетеротрофных бактерий, иловая смесь из вынесенного из илоотделителей 8 набора микроорганизмов и возвращенных из илоотделителей 10 с помощью эрлифтов 23 гидробионтов второй иловой системы вместе с нитратами, полученными в аэрированном резервуаре 9 за счет жизнедеятельности автотрофных нитрифицирующих азот аммония бактерий, обеспечивает денитрификацию и выведение из СВ азота в виде молекул газообразного азота. Пищей для денитрификаторов служит органическое вещество взвесей, сфлокулированных в первой иловой системе, но не пошедших на питание быстрорастущих гетеротрофных бактерий.

Низкая нагрузка на биоценоз ила второй иловой системы (не более 200 г БПК_п/кг сухого беззольного вещества ила в сутки) гарантирует полную нитрификацию азота аммония, выедание простейшими и мелкими животными гетеротрофов первой иловой системы и хорошие седиментационные свойства иловой смеси. Илоотделители 10 обеспечивают поддержание в аэрируемом резервуаре 9 достаточную концентрацию биомассы гидробионтов второй иловой системы, но не удерживают избыток прирастающего биоценоза и он вымывается с потоком СВ в аэрируемый резервуар 11. В аэрируемом резервуаре 11 иловая смесь, поступившая с СВ из илоотделителей 10, контактирует с волокнистой насадкой 13, равномерно распределенной в объеме резервуара 11 с помощью каркасов 12, и адсорбируется на ней вследствие наличия у волокон при движении воды электрического (положительного) потенциала. Активный же ил второй иловой системы несет на себе отрицательный потенциал. Живущие на волокнистой насадке 13 гидробионты тpeтьего трофического уровня (хищный зоопланктон) выедают сорбированный биоценоз, выделяя фекалии и псевдофекалии высокой зольности (до 67%) и стабильности. Количество волокнистой насадки и хищного зоопланктона поддерживается таким, чтобы суточная нагрузка по массе взвешенных веществ ила, выносимого с потоком СВ из илоотделителей 10 в резервуар 11, не превышала 1 кг сухого вещества ила на 1 кг сухого вещества биомассы гидробионтов хищного зоопланктона.

В этом случае наблюдается полное выедание ила и осветление СВ до концентрации взвешенных веществ на выходе СВ в здание 24 на обеззараживающую установку на уровне 3-5 мг/л, при этом фекалии и псевдофекалии накапливаются на дне резервуара 11 и частично удерживаются на волокнистой насадке, заиляя ее и создавая иллюзию большой биомассы хищного зоопланктона или большого количества задержанного, но не переработанного зоопланктоном ила второй иловой системы. Поэтому в сообществе гидробионтов биоценоза третьей иловой системы должны быть черви, клещи, моллюски и другие рыхлители, не допускающие сильного заиления насадки, транспортирующие фекалии и псевдофекалии, а также отмерших особей на дно резервуара 11. Форма волокнистой насадки в резервуаре 11 должна способствовать как протеканию процессов улавливания иловых частиц второй иловой системы, так и сползанию на дно резервуара 11 фекалий и псевдофекалий.

Процеженная фильтраторами - седиментаторами третьей иловой системы очищенная сточная жидкость имеет высокую прозрачность, низкое содержание взвесей, поэтому после УФ обеззараживания может быть использована на технические нужды, орошение сельхозугодий и другие цели.

Осадки сточных вод, выведенные из резервуара 11 по коммуникациями 14, сильно обводнены, поэтому нуждаются в сгущении. Для сгущения осадки направляются в илоуплотнители 16, откуда после отстаивания надиловая вода потоком 17 отводится в распределительную камеру 5, а уплотненный осадок в цех 15 механического обезвоживания осадков на фильтр-прессах. Фильтрат 18 и вода от промывки ткани фильтр-прессов направляются в распределительную камеру 5, а кек 21 складируется на иловые площадки 22 для подготовки к утилизации.

Для пояснения параметров процесса очистки СВ и доказательства достижения поставленных целей приводим пример реализации способа на очистной станции производительностью 500 м³/сут.

Пример

Очистная станция пос. Эсто-Садок на Красной Поляне близ г. Сочи принимает суточный расход сточных вод 500 м³/сут. Благодаря наличию на очистной станции усреднителя расходов СВ после процеживателей с прозорами 1,5 мм, задерживающих как отбросы, так и песок, в биореактор поступает часовой расход СВ не более 25 м³/ч. Концентрация загрязнений в СВ при входе в биореактор с трехиловой системой по величине БПК_п составляет 180 мг О₂/л, взвешенным веществам – 130 мг/л, азоту аммония – 22 мг/л; фосфору - 4,3 мг/л.

Резервуар первой иловой системы имеет объем 26 м³, в том числе тонкослойный пульсационный илоотделитель внутри него объемом 9 м³. В резервуаре удерживается биомасса первой иловой системы – 76 кг по сухому веществу и 55 кг по беззольному веществу (зольность 28%, концентрация ила - 2,9 г/л по сухому веществу).

За сутки в резервуар поступает 500 м³/cут· 180 г/м³=90 кг БПК_п и не менее 60 кг БПК_п/сут окисляется биоценозом первой иловой системы. Для аэрации иловой смеси в резервуаре первой иловой системы подается 50 м³/ч воздуха, в том числе на работу эрлифта отвода из илоотделителя иловой смеси обратно в резервуар.

Вынос взвешенных веществ из илоотделителя во второй аэрируемый резервуар второй иловой системы составил 170 мг/л, величина БПК_п снизилась до 70 мг О₂/л, азот аммонийный уменьшился до концентрации 16 мг/л, фосфор понизился до 2,5 мг/л.

Резервуар второй иловой системы объемом 58 м³ с илоотделителем внутри объемом 9 м³ имеет общую биомассу активного ила – 185 кг по сухому веществу и 140 кг по беззольному веществу (зольность около 30%, концентрация ила примерно равна 3,2 г/л по сухому веществу).

За сутки в резервуар второй иловой системы поступает до 35 кг БПК_п и не менее 28 кг БПК_п окисляется. Нагрузка на ил составляет 200 г БПК_п/кг беззольного вещества ила в сутки.

В результате жизнедеятельности микроорганизмов второй иловой системы в сточных водах, вытекающих из илоотделителя второго резервуара, величина БПК_п не превышает 20 мг О₂/л; концентрация взвешенных веществ снизилась до 120 мг/л, азот аммонийный уменьшился до 0,35 мг/л, нитриты не превышали 0,02 мг/л; нитраты удерживались на уровне 5,3 мг [N-NО-3

Биореактор третьей иловой системы имеет два равных отсека общим объемом – 27 м³ с общим весом волокнистой насадки из ершей 81 кг и массой гидробионтов не менее 100 кг при зольности до 40%. Учитывая наличие на насадке фекалей и псевдофекалей с зольностью не ниже 47%, можно принять биомассу гидробионтов по сухому веществу не менее 60 кг.

В сутки на биоценоз третьей иловой системы поступало до 60 кг взвешенных веществ.

Потребность в воздухе составляла 30 м³/ч.

Параметры качества очищенной сточной жидкости следующие: взвешенные вещества – 3 мг/л; БПК₅≤_{3 мг О2/л; азот аммонийный - 0,25 мг/л; фосфор - 1,3 мг/л, азот нитритов - 0,005 мг/л, азот нитратов - 5,3 мг[N-NО-3}

Ежедневно со дна биореакторов третьей ступени выводили до 40 кг сухого вещества осадков сточных вод зольностью 47%. После уплотнения объем осадка составлял около 1 м³/сут.

Таким образом, эффект удаления фосфора из сточных вод составил 70%, азота - 75%, БПК_полн - 96,6%, взвешенным веществам - 97,6%, потребность в воздухе - 7,2 м³/м³ сточных вод, удельный объем сооружений 0,222 м³/м³ сточных вод. Удельная энергоемкость очистной станции составила 0,24 квт· ч/м³ стоков.

Для сравнения очистная установка типа КУ-400 обеспечивает удаление фосфора не более чем на 30%, азота - 60%; БПК_полн - 92%; взвешенных веществ - 89% при потребности в воздухе до 10 м³/м³, удельном объеме сооружений до 1,3 м³/м³, удельной энергоемкости - 0,5 квт· ч/м³.

Выход осадков сточных вод по весу примерно одинаковый, а по объему на установке КУ-400 в 1,5 раза больше.

Содержание фосфора в осадке сточных вод более чем в 2 раза выше по предлагаемому способу в сравнении с традиционным.

Поставленная цель увеличения эффективности удаления биогенных элементов достигнута (доля удаляемого в процессе очистки СВ фосфора возрастает вдвое), зольность выделяемого осадка выросла с 35% до 47%, в них выросло количество фосфора в 2 раза. Объем потребных емкостных сооружений снизился более чем в 5 раз, удельный расход воздуха для ведения процесса биологической очистки уменьшен на треть, удельная энергоемкость снижена вдвое.

Источники информации

1. Авт. св. СССР № 929598, кл. C 02 F 3/02, 1980.

2. Авт. св. СССР № 1463721, 1985.

3. Патент РФ № 2183592, кл. C 02 F 3/02, 2002.

Изобретение относится к способам очистки сточных вод и может быть использовано в коммунальном хозяйстве при очистке городских и близких к ним по составу промышленных сточных вод. Способ включает процеживание воды, отстаивание, обработку стоков микроорганизмами и последующее обеззараживание очищенных стоков. Биологическую очистку осуществляют с использованием трехиловой системы. Первая система работает с бактериальным биоценозом и суточными нагрузками на ил не менее 1 кг БПК_полн на 1 кг беззольного вещества ила и снабжена илоотделителем отстойного типа. Вторая иловая система работает с нитриденитрифицирующим биоценозом, включая сообщество гетеротрофных и автотрофных бактерий, простейших и мелких животных третьего трофического уровня, суточными нагрузками на ил не более 200 г БПК_полн на 1 кг беззольного вещества ила, и снабжена илоотделителем отстойного типа. Третья иловая система работает с нитрифицирующим и минерализирующим биоценозом, преимущественно состоящим из гидробионтов третьего трофического уровня, зоопланктона, фиксированного в объеме сооружения, снабженного волокнистой насадкой, заселенной зоопланктоном, с суточными нагрузками не более 1 кг сухого вещества зоопланктона, системой барботеров, коммуникациями для удаления фекалий, псевдофекалий и отмершего зоопланктона на сооружения по обработке осадков сточных вод. Причем выведение осадков производят исключительно из биореакторов третьей иловой системы. Технический результат: увеличение эффективности удаления из воды биогенных элементов, получение высокозольных незагнивающих, богатых биогенными элементами осадков сточных вод, снижение объемов емкостных сооружений и энергоемкости процессов очистки сточных вод. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ биологической очистки сточных вод, включающий процеживание воды для выделения крупных механических примесей, отстаивание для задерживания песка, обработку стоков микроорганизмами для удаления из воды растворенных и коллоидных органических веществ, а также биогенных элементов и последующее обеззараживание очищенных стоков для уничтожения патогенных микроорганизмов перед выпуском в поверхностный водоем или на повторное использование, отличающийся тем, что биологическую очистку осуществляют с использованием трехиловой системы, в которой первая иловая система работает с бактериальным биоценозом и суточными нагрузками на ил не менее 1 кг БПК_полн на 1 кг беззольного вещества ила, и снабжена илоотделителем отстойного типа, вторая иловая система работает с нитри-денитрифицирующим биоценозом, включая сообщество гетеротрофных и автотрофных бактерий, простейших и мелких животных третьего трофического уровня, суточными нагрузками на ил не более 200 г БПК_полн на 1 кг беззольного вещества ила и снабжена илоотделителем отстойного типа, третья иловая система работает с нитрифицирующим и минерализирующим биоценозом, преимущественно состоящим из гидробионтов третьего трофического уровня, зоопланктона, фиксированного в объеме сооружения, снабженного волокнистой насадкой, системой барботеров для внесения кислорода и создания циркуляционных потоков воды и иловой смеси, вытекающей из второй иловой системы, через волокнистую насадку, заселенную зоопланктоном, с суточными нагрузками не более 1 кг сухого вещества зоопланктона, фиксированного на волокнистой насадке третьей иловой системы, снабжена коммуникациями для удаления фекалий, псевдофекалий и отмершего зоопланктона на сооружения по обработке осадков сточных вод.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выведение осадков, избыточного активного ила из набора сооружений трехиловой системы биологической очистки сточных вод производят исключительно из биореакторов третьей иловой системы.