УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2007 года по МПК C02F3/08 C02F3/10 

Настоящее изобретение относится к устройству для биологической обработки жидкости.

Стадии биологической очистки, которые функционируют аэробно или анаэробно, применяются, в частности, при обработке сточных вод. Иногда это представляет собой случай так называемой субстратной биологии, то есть когда микроорганизмы фиксируются на материале субстрата с большой поверхностью, вдоль которой вводится жидкость, которая подвергается обработке. Такой способ известен, например, из Европейского патента ЕР 0470931 А2.

Одна из проблем, связанных с этой поверхностью, покрытой микроорганизмами, заключается в том, что активность поверхности изменяется с ростом толщины слоя, поскольку при увеличении толщины слоя микроорганизмы, лежащие на дне, снабжаются хуже, и, таким образом, они не могут активно участвовать в процессе. По этой причине избыточные микроорганизмы должны удаляться с поверхностей через регулярные интервалы времени, и осадок, который оседает при этом, должен отводиться, что обычно осуществляется путем промывки в обратном направлении или посредством скребка. Такие скребковые устройства известны, например, из патента Великобритании GB 1418348 А и патента Германии DE 4441866 А1.

Дополнительная проблема с замкнутыми реакторами, в которые жидкость вводится по каналам и у которых стенки наиболее узких каналов служат в качестве поверхностей адгезии для микроорганизмов, заключается в том, что с увеличением толщины слоя микроорганизмов каналы закупориваются и прохождение жидкости осуществляется только при повышенном сопротивлении, что означает вероятное уменьшение активности. В противоположность этому, для открытых реакторов, например для тех, которые известны из патента США № US 3466241 А1 или патента США № US 4157303 А1, поток жидкости вводится через пакеты дисков, которые образуют сравнительно большую поверхность для размещения микроорганизмов, которая, тем не менее, используется сравнительно неэффективно, в связи с тем, что диски только частично погружаются в сточные воды.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для биологической обработки жидкости, в котором толщина слоя микроорганизмов поддерживается на поверхности адгезии настолько постоянной, насколько это возможно.

Технический результат достигается посредством создания устройства для биологической обработки текучей среды, в частности для обработки сточных вод, выполненного с возможностью ввода текучей среды вдоль поверхностей, покрытых микроорганизмами, которые формируют части дисков, приводимых в движение вокруг их оси вращения, при этом указанные поверхности образованы посредством углублений, выполненных на обеих сторонах дисков, которые имеют по существу прямоугольное поперечное сечение и направлены по существу радиально, но под различными углами, причем диски расположены относительно друг друга таким образом, что введение текучей среды осуществляется через углубления, причем углубление одного из дисков ограничивается посредством образования канала с помощью другого соседнего диска, перемещающегося по отношению к нему.

При этом поверхности, покрытые микроорганизмами, могут быть пористыми, шероховатыми или могут иметь структурированную поверхность.

Предпочтительно, углубления образованы посредством бороздок, выполненных в дисках. Бороздки в дисках направлены по существу радиально, а канал через бороздки проходит от внутренней стороны дисков к наружной стороне, или наоборот.

Диски могут быть выполнены в виде колец и расположены в виде пакетов. В одном варианте осуществления изобретения выполнены два пакета дисков, которые зацепляются друг с другом.

Предпочтительно, два пакета дисков могут быть расположены коаксиально.

При этом один пакет дисков может быть выполнен неподвижным, а другой приводится во вращательное движение вокруг его оси вращения.

Диски одного пакета содержат, по меньшей мере, один выступ, расположенный снаружи, с помощью которого они крепятся в пакете.

Диски другого пакета содержат, по меньшей мере, один выступ, расположенный внутри, с помощью которого они крепятся в пакете.

Предпочтительно диски снабжены отверстиями, которые образуют просвет при соединении друг с другом, посредством которых подается газ, в частности воздух/кислород.

В одном варианте осуществления изобретения поверхность/поверхности расположена/расположены в части канала или емкости, в которой создается давление газа, ускоряющего реакцию.

Основная идея настоящего изобретения, с одной стороны, заключается в удалении избыточной части микроорганизмов с поверхности адгезии настолько непрерывно, насколько это возможно, а с другой стороны, в их надежном удалении посредством потока жидкости. В соответствии с настоящим изобретением это достигается посредством углублений, которые размещены в дисках, и эти углубления образуют каналы, которые ограничиваются другим диском, расположенным рядом с первым и перемещающимся по отношению к нему. Таким образом, посредством перемещения дисков относительно друг друга осуществляется одновременное соскребывание, а также возобновляемое формирование канала, при этом в канале происходят непрерывные изменения благодаря относительному перемещению дисков относительно друг друга. Посредством этой непрерывной операции осуществляется точно контролируемый процесс взаимодействия.

В то же время является важным получение основы для роста для дальнейшего микробиологического процесса. Для этого поверхности, на которых оседают микроорганизмы, предпочтительно состоят из пористого материала или материала, имеющего шероховатости и/или некоторую структуру на их поверхностях. В то же время структурирование поверхности, само по себе, уже может формировать каналы или может дополнительно обеспечиваться каналом. Предпочтительно, углубления или каналы формируются с помощью бороздок в диске. Поверхность этих бороздок и соседняя поверхность примыкающего диска затем формируют поверхность, покрытую микроорганизмами, которая, в некоторой своей части, предпочтительно является пористой, шероховатой или имеет структурированную поверхность.

В то же время бороздки выполнены открытыми по направлению к расположенному напротив диску, так что этот расположенный напротив диск, вместе с бороздкой, образует канал для прохождения жидкости. Бороздки могут быть выполнены, в основном, на одном диске, причем на противоположной стороне соседнего диска образуется плоскость, при этом соседние диски перекрываются только частично, однако предпочтительно, диски размещены коаксиально, и/или в них выполнены круговые бороздки на обеих сторонах. Тогда центральный подвод жидкости может осуществляться через внутреннее отверстие, а удаление может осуществляться через наружную сторону, или наоборот. В этом случае бороздки выполнены по существу радиальными или, по меньшей мере, выровнены в радиальном направлении, например, таким образом, что определяющие бороздки краев дисков, расположенных напротив друг друга, расположены таким образом, что при вращении они всегда встречаются под одинаковым углом.

Устройство особенно компактной конструкции и действующее особенно эффективно может быть получено при использовании двух пакетов дисков или пластин, расположенных коаксиально относительно друг друга, которые снабжены бороздками на обеих сторонах, при этом диски попеременно размещены на соответствующих пакетах, и один пакет выполнен неподвижным, а другой пакет выполнен вращающимся. Это может быть достигнуто таким способом, при котором кольцевые диски одного пакета содержат, по меньшей мере, одну часть, расположенную внутри, посредством которой они закреплены в пакете, например, посредством внутреннего вала, обеспечивающего вращение этого пакета, а существующие соседние диски другого пакета в каждом случае содержат, по меньшей мере, одну часть, расположенную снаружи, посредством которой они крепятся в этом пакете. Поскольку приведение в действие осуществляется посредством центрального вала, предпочтительно закреплять части, расположенные внутри, на валу или на опорном элементе, расположенном на валу, и жестко соединять наружные части друг с другом и с корпусом. Однако это можно осуществить и противоположным образом.

Преимущественно, диски обоих пакетов содержат одно или несколько отверстий, которые могут быть совмещены друг с другом, посредством которых может подаваться газ, в частности воздух/кислород. Смесь воздух-кислород затем проходит по существу параллельно общей оси пакетов для того, чтобы отклоняться примерно на 90° в область диска, и для прохождения по существу радиально наружу, вместе с потоком жидкости. В то же время конструкция выполнена таким образом, что на концевой стороне предусмотрены соответствующие окончания или соединения, посредством которых подается газ или предотвращается неконтролируемый выход на конце.

В предпочтительном варианте осуществления два пакета пластин с бороздками, выполненными на их поверхностях, вместе образуют решетку, и прохождение жидкости осуществляется от внутренней стороны, от центра, наружу, причем такое выполнение является не только компактным по конструкции, но может также дополнительно применяться в существующих уже системах для обработки сточных вод, например таких, как очистные бассейны, для увеличения производительности конструкции или для уменьшения времени обработки. Такие узлы также могут применяться в воде, например в озерах и тому подобное, в виде плавающих устройств, для улучшения качества воды.

Для стационарного применения на месте устройство размещено в герметически изолированном корпусе или включено в герметически изолирующую систему труб, так что оно приводится в действие с помощью давления газа, ускоряющего реакцию, например воздуха, для ускорения аэробной реакции.

Настоящее изобретение далее объясняется более подробно посредством вариантов осуществления изобретения, изображенных на чертежах, на которых:

на фиг.1 изображен схематический продольный разрез устройства, поверхности которого, покрытые микроорганизмами, предусмотрены на двух пакетах дисков, находящихся в зацеплении друг с другом,

на фиг.2 изображен вид сверху диска внутреннего пакета дисков,

на фиг.3 изображен вид сбоку, в направлении стрелки III на фиг.2,

на фиг.4 изображен вид сверху диска внешнего пакета дисков,

на фиг.5 изображен вид сверху альтернативной конструкции диска на фиг.4,

на фиг.6 изображен вид сверху еще одной конструкции диска на фиг.4,

на фиг.7 изображена конструкция такого устройства с соединениями для подключения по одной линии,

на фиг.8 схематически изображено устройство с пакетами дисков, расположенными коаксиально относительно друг друга, в продольном разрезе, с дополнительной подачей газа, и

на фиг.9 изображен общий вид конструкции диска, в которой предусмотрено крепление внутри или снаружи, по выбору.

На фиг.1 показана емкость, которая содержит входной канал 11 для текучей среды, которая должна обрабатываться, например, для сточных вод, а также выходной канал 13. Емкость 15 герметически изолирована, при этом к ней может прикладываться давление для ускорения реакции. Необходимо отметить, что каналы 11 и 13 затем включаются в замкнутую систему. Вал 23 мотора 10 проходит через емкость 15, через ее торцевую стенку, расположенную напротив входного и выходного каналов 11 и 13. На конце вала 23 размещен опорный элемент, на котором пакет 17 с дисками 19, расположенными на некотором расстоянии друг от друга, крепится посредством крепежных болтов 21. Эти диски 19 имеют кольцевую форму и изображены на фиг.4 на виде сверху. На своей наружной окружности они содержат диаметрально расположенные выступы 20, через которые проходят крепежные болты 21, которые крепятся на общем опорном элементе 22. Пакет 17 дисков, расположенных таким образом, может вращаться с помощью мотора 10 посредством вала 23 вокруг оси мотора внутри емкости 15.

На торцевой стороне по существу цилиндрической емкости 15, содержащей входной и выходной каналы 11, 13, диски 18 жестко крепятся к корпусу в виде пакета 16 дисков между этой лицевой стороной и опорным элементом 26 посредством крепежных болтов 25. Диски 18 также расположены на некотором расстоянии друг от друга, они изображены отдельно на фиг.2 и 3. Эти диски 18 также являются кольцевыми и на их внутренней стороне они содержат выступы 24, через которые проходят болты 25 и фиксируют их. Пакет 16 дисков, выполненный таким образом, жестко размещен в корпусе, коаксиально относительно вращающегося пакета 17 дисков. Диски 18 и 19 расположены рядом друг с другом, они зацепляются друг с другом и образуют каналы, между которыми текучая среда, которая подвергается обработке, протекает снаружи вовнутрь.

Диски 18 и 19, в каждом случае, имеют углубления, выполненные в виде бороздок 27 на обеих сторонах, которые имеют по существу прямоугольное поперечное сечение и направлены по существу радиально, но под различными углами, как показано на фиг.2. Диски 18 и 19 расположены в пакетах 16 и 17, соответственно, на таком расстоянии, что прилегающий диск перекрывает бороздки 27 одного из дисков таким образом, что образуются каналы, но при этом диски могут легко перемещаться относительно друг друга. Бороздки 27 образуют поверхности 28, на которых происходит адгезия микроорганизмов таким образом, что два пакета 16 и 17 дисков образуют множество каналов со сравнительно большой активной поверхностью и с малым конструктивным размером. Диски 18 и 19 могут производиться с малой себестоимостью в виде деталей из пластика путем формования под давлением.

Прохождение через емкость 15 осуществляется от входного канала 11 через бороздки 27 между пакетами 16 и 17 дисков к свободному центру по направлению выходного канала 13. Поверхности 28, ограничивающие бороздки 27, образуют поверхности, несущие микроорганизмы. Они предпочтительно являются шероховатыми, пористыми или имеют мелкоструктурированную поверхность с тем, чтобы на них легко осуществлялась адгезия микроорганизмов.

Микроорганизмы, которые образуются на поверхности 28, с увеличением толщины слоя при работе устройства удаляются механически и, предпочтительно, непрерывно посредством вращения вала 23. В то время как пакет 16 пластин, закрепленный на внутренних выступах 24, выполнен неподвижным, пакет 17 пластин, закрепленных на наружных выступах 20, вращается, при этом края 29 бороздок 27 действуют в качестве скребков и освобождают избыточные микроорганизмы, которые затем захватываются посредством проходящей через систему текучей среды и затем удаляются. Посредством вращательного движения этот процесс представляет собой не гладкое срезание выступающего материала, а, как и в природных процессах, отламывание части микроорганизмов, так что, по меньшей мере, часть поперечного сечения канала опять освобождается, и таким образом может осуществляться прохождение текучей среды. Дополнением к этому является тот факт, что процессы обычно осуществляются под давлением, поскольку среда, подвергающаяся обработке, как правило, перемещается через устройство посредством насоса, с помощью которого процесс, описанный ранее, дополнительно облегчается. В показанном варианте воплощения прохождение текучей среды осуществляется снаружи вовнутрь, тем не менее, оно может также осуществляться изнутри наружу. В любом случае опорный элемент 26 отделяет выходной канал 13 от остальной части внутреннего пространства емкости 15, так что прохождение текучей среды может осуществляться только вдоль каналов, образованных бороздками 27.

В кольцевых дисках 18 и 19, показанных на фиг.2-4, бороздки 27 расположены по существу радиально, а в дисках 30 и 31 выполнена альтернативная система бороздок, которые зацепляются друг с другом таким же образом, как описано ранее, посредством пакетов 16 и 17 дисков. Диск 30 (фиг.5) снабжен множеством коротких и по существу радиальных каналов, которые, однако, в поперечном сечении являются относительно малыми и которые снабжены выступающей частью, которая выступает на поверхности диска примерно в форме зигзага. Диски 31 имеют каналы, которые расположены по спирали. С помощью сочетания этих дисков 30 и 31 может быть получена очень однородная толщина слоя микроорганизмов, причем бороздки на дисках 30 образуют, по существу, путь потока, в то время как с другой стороны края бороздок дисков 31 по существу обеспечивают выполнение соскребывания. Эта конструкция дисков 30 и 31 имеет очень хорошие свойства проскальзывания, так что можно выполнять сравнительно высокие пакеты дисков.

Для ускорения обработки и для достижения еще более интенсивной обработки текучей среды осуществляется дополнительная подача газа, в частности воздуха-кислорода (окружающего воздуха). Для этого в дисках в отдельном пакете дисков могут быть дополнительно выполнены отверстия, как это изображено посредством диска 36 на фиг.9. Этот диск 36 выполнен в виде кольца и в виде детали, полученной формованием под давлением. Он содержит внутренние выступы 24, а также наружные выступы 20, так что диск 36 может применяться как для одного, так и для другого пакета дисков. Соответствующие выступы 20 или 24, которые не нужны, удаляются с помощью вспомогательного инструмента.

Как видно на фиг.9, бороздки, выполненные в диске 36, образованы с поверхностью, большей чем для варианта воплощения, описанного ранее со ссылкой на фиг.1-4, при этом они выполнены посредством по существу радиально проходящих решеток 37 и 38, которые расположены под различными углами друг к другу, в виде рядов, одинаковым образом направленных по отношению к оси вращения диска 36. Между двумя рядами решеток 37 и 38 выполнен ряд отверстий 39, которые образованы кольцом из круговых отверстий. Эти отверстия 39, которые предусматриваются во всех дисках обоих пакетов, образуя просвет в соответствующем положении вращения, формируют центральные поперечные каналы 40, через которые может вводиться воздух/кислород. Приток осуществляется посредством проходов 41, которые открываются в стационарный опорный элемент 42 неподвижного пакета дисков. Диски 36 на их наружной стороне выполнены так же, как и на верхней стороне, которая показана на фиг.9.

Два таких пакета дисков, зацепляющихся друг с другом, показаны в устройстве, изображенном на продольном разрезе на фиг.8. Устройство также имеет по существу цилиндрическую емкость 43, на одной из торцевых сторон которой расположен входной канал 11, а также проходящий через нее и прикрепленный вал 23, и на другой торцевой стороне которой расположен выходной канал 13. Вращающийся пакет 44 дисков крепится на валу 23 внутри емкости 43, неподвижный пакет 45 дисков размещен между опорным элементом 42 и опорным элементом 46. Диски обоих пакетов соответствуют тем, которые показаны на фиг.9, в каждом случае, с удаленными внутренними или наружными выступами 24, 20. В этом варианте осуществления выполнены каналы для прохождения текучей среды, которые являются большими по поперечному сечению, поскольку прохождение может осуществляться почти по всей поверхности диска, за исключением поверхностей 38 и 39 решеток. Подача воздуха/кислорода почти на половине пути потока через пакет является особенно предпочтительной, поскольку для начальной обработки, как правило, достаточное количество кислорода по-прежнему является доступным посредством захвата, так что эта подача в средней части является особенно эффективной для обработки текучей среды.

На фиг.1 и 8 показана по существу основная конструкция устройства, на фиг.7 показано такое устройство, как оно применяется на практике. Здесь можно использовать стандартный мотор 10 с шестерней 32, расположенной за ним, с которой емкость 33 находится на одной и той же оси, при этом емкость выполнена по существу трубчатой и имеет длину, например, в один метр. Пакет дисков размещен внутри этой трубчатой секции 33. Гидравлическое соединение устройства осуществляется на нижнем конце посредством двух фланцев 34 и 35, лежащих на одной линии, в качестве входа и выхода.

Как уже указывалось ранее, устройство в соответствии с настоящим изобретением может также применяться в дополнение к существующим (открытым) системам для обработки сточных вод или также в водных массивах. Необходимо только предусмотреть соответствующие средства для перемещения текучей среды, подвергающейся обработке, через устройство. Для этого, как правило, достаточно центробежного насоса, который перекачивает текучую среду через устройство.

Изобретение относится к биологической обработке текучей среды, в частности к обработке сточных вод. Устройство выполнено с возможностью ввода текучей среды вдоль поверхностей, покрытых микроорганизмами, которые формируют части дисков, приводимых в движение вокруг их оси вращения. При этом поверхности образованы посредством углублений, выполненных на обеих сторонах дисков, которые имеют, по существу, прямоугольное поперечное сечение и направлены, по существу, радиально, но под различными углами. Диски расположены относительно друг друга таким образом, что введение текучей среды осуществляется через углубления, причем углубление одного из дисков ограничивается посредством образования канала с помощью другого соседнего диска, перемещающегося по отношению к нему. Технический эффект - поддержание постоянной толщины слоя микроорганизмов на поверхности адгезии. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для биологической обработки текучей среды, в частности для обработки сточных вод, выполненное с возможностью ввода текучей среды вдоль поверхностей (28), покрытых микроорганизмами (5), которые формируют части дисков (18, 19, 30, 31, 36), приводимых в движение вокруг их оси вращения, при этом поверхности (28) образованы посредством углублений, выполненных на обеих сторонах дисков, которые имеют, по существу, прямоугольное поперечное сечение и направлены, по существу, радиально, но под различными углами, причем диски расположены относительно друг друга таким образом, что введение текучей среды осуществляется через углубления, причем углубление одного из дисков ограничивается посредством образования канала с помощью другого соседнего диска, перемещающегося по отношению к нему.2. Устройство по п.1, в котором поверхности, покрытые микроорганизмами, являются пористыми, шероховатыми или имеют структурированную поверхность.3. Устройство по п.1 или 2, в котором углубления образованы посредством бороздок (27), выполненных в дисках.4. Устройство по п.3, в котором бороздки в дисках направлены, по существу, радиально, а канал через бороздки проходит от внутренней стороны дисков к наружной стороне, или наоборот.5. Устройство по п.4, в котором диски выполнены в виде колец и расположены в виде пакетов (16, 17, 44, 45).6. Устройство по п.5, в котором выполнены два пакета дисков, которые зацепляются друг с другом.7. Устройство по п.6, в котором два пакета дисков расположены коаксиально.8. Устройство по п.1, в котором один пакет дисков выполнен неподвижным, а другой приводится во вращательное движение вокруг его оси вращения.9. Устройство по п.1, в котором диски (19) одного пакета (17) содержат, по меньшей мере, один выступ (20), расположенный снаружи, с помощью которого они крепятся в пакете (17).10. Устройство по п.9, в котором диски (18) другого пакета (16) содержат, по меньшей мере, один выступ (24), расположенный внутри, с помощью которого они крепятся в пакете (16).11. Устройство по п.1, в котором диски снабжены отверстиями, которые формируют центральные поперечные каналы при соединении друг с другом, посредством которых подается газ, в частности, воздух/кислород.12. Устройство по одному из предыдущих пунктов, в котором поверхность/поверхности (28) расположена/расположены в части канала или емкости (15, 33, 43), в которой создается давление газа, ускоряющего реакцию.