УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ БЫТОВЫХ СТОКОВ Российский патент 2008 года по МПК C02F3/32 C02F11/04 

Изобретение относится к устройствам для обработки бытовых стоков, а именно к почвенным фильтрам, ботаническим площадкам, очистным сооружениям на основе круглогодичной теплицы, очистным сооружениям на основе аквакультуры, устройствам для фильтрования, хранения и утилизации очищенных вод, тепло-, энергонакопителям, и может быть использовано при очистке бытовых стоков отдельно расположенных объектов и индивидуальных жилых домов.

Эффективность биологической очистки бытовых стоков достигается благодаря протекающим в почве и водной фазе сложным физическим, химическим и биологическим процессам, а утилизация воды и ценных компонентов с максимально возможной пользой осуществляется при их использовании в сельском хозяйстве.

Эффективность теплонакопления состоит в сведении к минимуму потерь тепла за счет обработки стоков в теплоизолированном помещении.

Известно устройство для обработки бытовых стоков [Heeb J., Zust В. Sand and plant filter systems. In Ecological Engineering for Wastewater Treatment. Proceeding of the International Conference at Stensund Folk College. Sweden March 24-28, 1991 Ed. Etnier С., Guterstam В. Bokskogen, Sweden, 1991, p.199] от индивидуальных жилых домов, пригодное для работы с переменным количеством воды. Это устройство состоит из подземного анаэробного биофильтра с песчано-гравийной загрузкой и дренажем, аэробного почвенно-растительного фильтра, трубопроводом для подачи воды на аэробный фильтр. Исходная сточная вода поступает на подземный анаэробный песчано-гравийный фильтр, затем после фильтрации на нем часть воды уходит в грунт, а другая часть подается на горизонтальный аэробный почвенно-растительный фильтр и, пройдя разовую очистку, выводится в грунт.

Утилизация воды в таком устройстве выполняется, главным образом, за счет сброса ее в грунт. Качество обрабатываемой и сбрасываемой воды никак не контролируется, поэтому она после обработки на фильтрах может содержать количество примесей, не соответствующее экологическим нормам для сбрасывания в грунт. Кроме того, в устройстве не предусмотрено ни накопление, ни хранение очищаемой воды, а также не исключается быстрое насыщение и заиливание не имеющего уклона почвенно-растительного фильтра.

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для обработки бытовых стоков [Жуков Б.Д., Огородников И.А. Устройство для обработки бытовых сточных вод. Патент N 2119894, С02F 3/30, 3/32].

Устройство состоит из подземного анаэробного биофильтра, внутреннего почвенно-растительного фильтра, фильтра-усреднителя, соединенного трубопроводом через промежуточную емкость с внутренним почвенно-растительным фильтром, выполненным в виде склона с искусственным биоценозом, наружного наклонного почвенно-растительного фильтра, разделенного на сектора, у основания склона наружного почвенно-растительного фильтра выполнен водоем (траншея) с посадками водной растительности, соединенный самотечным дренажным каналом с анаэробным биофильтром, размещенным в зоне действия теплонакопителя, расположенного под склоном, анаэробный биофильтр снабжен, по меньшей мере, одной полостью для накопления воды.

Почвенно-растительные фильтры представляют собой слои хорошо фильтрующей почвы, расположенные на наклонной нефильтрующей основе.

Недостатком этого устройства является повышенная энергоемкость в условиях холодного климата и недостаточная оптимизация температурного режима технологического процесса в холодное время года. Кроме того, функциональные возможности прототипа ограничены обработкой бытовых сточных вод (серого стока, включающего, главным образом, стоки из кухни и ванной), хотя в общем случае в бытовом стоке наряду с серым стоком определенная доля приходится на черный сток (сток из туалета).

Задачей изобретения является снижение энергоемкости устройства для очистки бытовых стоков в условиях холодного климата и обеспечение оптимального температурного режима для технологических провесов в любое время года, а также расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для обработки бытовых стоков, состоящем из обогреваемого помещения и размещенных в нем фильтра-усреднителя, анаэробного биофильтра, внутреннего почвенно-растительного фильтра, промежуточной емкости, трубопроводов подачи воды на почвенно-растительные фильтры, а также наружного почвенно-растительного фильтра и водоема, связанного дренажным каналом с анаэробным биофильтром, компостера, приемника жидкой фракции черного стока и сообщающихся резервуаров для аквакультуры, один из которых соединяет анаэробный биофильтр с фильтром-усреднителем, соединенным через промежуточную емкость с разделенным на сектора наклонным наружным почвенно-растительным фильтром.

Поставленная задача решается тем, что наружный почвенно-растительный фильтр может быть расположен на крыше обогреваемого, теплоизолированного помещения и снабжен вентиляционными воздуховодами.

Поставленная задача решается также тем, что между отдельными секторами наружного почвенно-растительного фильтра могут быть размещены тепловые или электрические коллекторы.

Поставленная задача решается также тем, что осветители теплоизолированного помещения одновременно являются и обогревателями.

Поставленная задача решается также тем, что компостер может быть снабжен наклонными поворотными лотками для разделения различных фракций черного стока.

На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - компановка узлов устройства (вид сбоку), на фиг.3 - схема совмещения компостера с оборудованием для разделения на фракции черных стоков, а на фиг.4. - устройство наружного почвенно-растительного фильтра.

Устройство (фиг.1) состоит из размещенных в теплоизолированном помещении 1 (зона помещения показана пунктиром) фильтра-усреднителя 2, анаэробного биофильтра 3, теплонакопителя 4, внутреннего почвенно-растительного фильтра 5, теплообменника 6, компостера 7 и непосредственно связанного с ним поворотного приемного лотка 8 для черного стока, приемника жидкой фракции черного стока 9, совмещенных резервуаров для аквакультуры 10 и 11, емкости 12, а также размещенных снаружи наружного почвенно-растительного фильтра 13, разбитого на сектора, подземного самотечного дренажного канала 14, накопителя воды 15, песочного фильтра 16 и водоема с посадками водных растений 17.

Загрузка фильтра 5 находится на нефильтрующей основе с теплообменником 6, через который на фильтр подают теплую сточную воду.

Анаэробный биофильтр 3 представляет собой пространство, заполненное загрузкой из любого подходящего материала, служащего носителем анаэробной микрофлоры, например гравия с равномерно распределенными в нем частицами песка и цеолитсодержащей породы, или отдельных свободно плавающих фракций из пористого синтетического материала.

Внутри анаэробного биофильтра 3 находится, по меньшей мере, одна полость - коллектор 18 (фиг.2), предназначенная для накопления обработанной сточной воды. Биофильтр 3 соединен с фильтром-усреднителем 2 через резервуар с аквакультурой 10. Объем биофильтра 3, принимающий воду, задается примерно равным десятисуточному объему воды, используемой потребителем. Это обеспечивает время хранения в нем воды, достаточное для отмирания основной массы патогенной микрофлоры, и удовлетворяет режиму кондиционирования воды по составу в анаэробном фильтре 3, а также резервуарах с аквакультурой 10 и 11.

Анаэробный биофильтр 3 обладает свойствами водного теплонакопителя и поэтому его можно сочетать с любым другим теплонакопителем.

На фиг.1 показаны два резервуара для аквакультуры 10 и 11. На практике количество резервуаров ограничено, главным образом, способом их размещения в теплице. Предусматривается наличие как минимум двух резервуаров с аквакультурой, сообщающихся между собой таким образом, чтобы один из резервуаров мог служить промежуточной емкостью, соединяющей фильтр-усреднитель 2 и анаэробный биофильтр, а другой - резервуаром-накопителем очищенной воды.

Устройство для обработки черных стоков схематично показано на фиг.3. Оно включает компостер 7, наклонный поворотный лоток 8 и приемник жидкой фракции черного стока 9.

Компостер может иметь разные конструкции. В частности, он может быть снабжен дополнительными поворотными лотками для промежуточных циклов компостирования, например в присутствии красного калифорнийского червя.

Устройство наружного почвенно-растительного фильтра 13 показано на фиг.4. Этот фильтр состоит из функционально различающихся секторов, разбитых на наклонной крыше теплоизолированного помещения. Один из секторов служит для снятия пиковых нагрузок и может быть задействован при отключении какого-либо из рабочих секторов на просушку. Внутри загрузки наружного фильтра проложены вентиляционные воздуховоды 19. Загрузка фильтра приготовлена из почвы с улучшенными агротехническими и микробиологическими характеристиками, на которой выращивают специально подобранные растения, утилизирующие воду и примеси. Загрузка и растительный покров наружного почвенно-растительного фильтра могут одновременно служить утеплителем теплоизолированного помещения.

Растения на этом фильтре высажены таким образом, чтобы внизу были организованы поперечные склону борозды, задерживающие интенсивный сток воды в водоем 17 с водными растениями, расположенный у основания фильтра. Противоположный склону край водоема обвалован землей. Это увеличивает его объем, способный принять избыточные объемы воды. Очищенная вода поступает в накопитель 15 через песочный фильтр 16.

Устройство работает следующим образом.

Черные стоки поступают на наклонный лоток 8 компостера 7, размещенного в теплом, теплоизолированном помещении. Жидкая фракция стекает в приемник жидкого стока 9 (фиг.2), а твердая фракция после переворачивания лотка вокруг своей оси попадает на слой почвы в компостер 7. Сюда же загружают зеленую массу растений, культивируемых в теплоизолированном помещении, и через некоторое время получают готовый компост. Режим компостирования не зависит от сезонных условий. Для обработки сточных вод предусмотрены два режима.

Зимний режим.

Сточная вода после механической очистки от грубых частиц подается в фильтр-усреднитель 2. Здесь она освобождается от взвешенных частиц и кондиционируется до заданных характеристик по составу. Затем она подается через теплообменник 6 на почвенно-растительный фильтр 5, насыщает его и частично испаряется. Основная масса воды проходит через фильтр 5 в анаэробный биофильтр 3. Затем из биофильтра 3 вода подается на резервуары с аквакультурой и из резервуара 10 поступает в фильтр-усреднитель 2 через специальное вводное устройство. Вводное устройство выполнено таким образом, что делает возможным лишь ввод воды.

Такой цикл образуется естественным образом, поскольку из-за заледенения вода не может выйти наружу в накопитель 15. Между отдельными узлами вода движется самотеком, который возникает либо при ее поступлении в фильтр-усреднитель 2, либо при отборе очищенной воды из резервуара 11. Избыток воды выводят наружу, эпизодически пробивая наледь в накопителе 15. Для утилизации воду отбирают из резервуара с аквакультурой 11.

Летний режим.

Сточная вода после механической очистки от грубых частиц подается в фильтр-усреднитель 2. Здесь она освобождается от взвешенных частиц и кондиционируется до заданных характеристик по составу. Затем она подается через емкость 12 на один из секторов наружного почвенно-растительного фильтра 13, насыщает его и частично испаряется. Основная масса воды из 9, после разбавления водой из фильтра-усреднителя в емкости 12, проходит фильтр 13 и попадает в водоем 17, откуда затем через песочный фильтр 16 поступает в накопитель воды 15. В летнем варианте основная масса стока обрабатывается на внешних узлах водоочистки. Этому способствует специально подобранное соотношение уровней жидкости в узлах устройства, расположенных внутри теплоизолированного помещения и снаружи.

Растения в водоеме 17 и накопителе 15 являются мощным дополнительным фактором, перерабатывающим примеси из сточной воды. Переработка идет в прикорневой зоне, в пределах которой формируется биологическое экосообщество, включающее корни растения и почвенные микроорганизмы, активно взаимодействующие с примесями. Часть примесей из воды растения усваивают непосредственно. Особенно привлекательным оказывается тропическое растение гиацинт, который способен значительно уменьшить уровень загрязнений. Например, по данным [C.L.R.Pinto, L.T.P.Poladino, B.P.Jorge, A.C.Guimaraes. In Managing the Wastewater Resource. Proceeding of the 4 th International Conference on Ecological Engineering for Wastewater Treatment, at As, Norway, 1999] культивирование гиацинта позволяет уменьшить БПК бытовых стоков на 90%.

Кондиционирование воды состоит в том, что небольшие объемы воды, поступающие из фильтра-усреднителя 2 через почвенно-растительный фильтр 5 в накопитель 15, распределяются в значительно больших объемах воды, циркулирующей по замкнутой цепочке: почвенно-растительный фильтр-накопитель воды - водоем с водной растительностью - дренажный канал - анаэробный биофильтр, и в дальнейшем подвергаются процессам очистки, происходящим в этих узлах устройства.

Ступенчатое кондиционирование состава воды в фильтре-усреднителе, а также в анаэробном фильтре способствует максимальному сближению ее характеристик до характеристик прикорневой жидкости растений для выбранного биоценоза почвенно-растительного фильтра, повышая эффективность устройства.

Предлагаемая организация работы почвенно-растительных фильтров позволяет достигнуть их максимальное водонасыщение, достаточное обеспечение водой растений и ее интенсивное испарение с поверхности фильтров и листвой растений.

Нужное качество обрабатываемой воды достигают благодаря тому, что вода многократно обрабатывается в цепочке: почвенно-растительный фильтр - водоем с водной растительностью - подземный дренажный канал - анаэробный биофильтр.

Таким образом, предлагаемое устройство для обработки сточных вод может быть использовано для очистки, утилизации и хранения сточных вод, а также содержания в холодный период теплолюбивых растений.

Расширение функциональных возможностей устройства достигается за счет того, что оно позволяет одновременно перерабатывать и утилизировать не только сточные воды (серые стоки), но и черный сток, а также отжившую или избыточную зеленую массу растений, используемых для водообработки.

Сочетание в единой технологии обработки и утилизации черных и серых стоков, а также зеленой массы использованных растений освобождает от необходимости создавать отдельные очистные сооружения для черного стока и ненужной зеленой массы растений. Компостирование растений и твердой фракции черного стока в оптимальных круглый год условиях теплоизолированного помещения позволяет перерабатывать их в ценное органическое удобрение и решает проблему утилизации органического вещества бытовых стоков.

Эффективность обработки и утилизации воды достигается следующим образом. Исходная вода перед подачей на почвенно-растительный фильтр 5 обрабатывается в фильтре-усреднителе 2, где она доводится до заданного качества фильтрованием, подщелачиванием, разбавлением и частично биохимической обработкой (первый - этап кондиционирования).

Кондиционирование воды в фильтре-усреднителе необходимо для получения воды однородного заданного состава, приемлемого для ее дальнейшей обработки на почвенно-растительном фильтре.

Эффективность очистки достигается также тем, что устройство функционирует как замкнутая система с достаточно большой влагоемкостью. Это реализуется выполнением анаэробного биофильтра с полостью для накопления воды, искусственной задержкой воды на почвенно-растительных фильтрах, использованием водоемов с водной растительностью для обработки и накопления воды. Кроме того, вода многократно проходит по замкнутой цепочке: почвенно-растительный фильтр - водоем с водной растительностью - дренажный канал - анаэробный биофильтр. В результате очищаемая вода многократно обрабатывается в биофильтрах и постоянно подается к корням растений, что увеличивает эффективность их питания и испарения воды.

Многократная обработка воды на почвенно-растительных фильтрах и в водоеме с водной растительностью позволяет как бы увеличить длину склона, поскольку достигается эффект обработки воды, соответствующий одноразовой обработке на более длинном склоне.

Организация замкнутого цикла водообработки, включая культивирование с целью сохранения в теплоизолированном помещении в холодное время года теплолюбивых высокоэффективных при очистке сточных вод растений, компостирование органического вещества бытовых стоков и зеленой массы растений, обеспечение заданного температурного режима с помощью теплообменника и теплонакопителя, и осветителей, одновременно обогревающих теплоизолированное помещение, а также повышенная влагоемкость устройства позволяют увеличить эффективность обработки, утилизации компонентов бытового стока и устойчивую работу всего очистного комплекса в любое время года при компактном размещении узлов устройства на сравнительно небольших площадях, в пределах границ наружного почвенно-растительного фильтра и примыкающего к нему водоема.

Отбор очищенной воды из резервуаров с аквакультурой позволяет с максимальным эффектом утилизировать сточные воды, используя их для технических целей, в том числе и обеспечения нормальной работы устройства. Например, для подачи очищенной воды в фильтр-усреднитель для разбавления исходной сточной воды, а также организации непрерывного потока воды на почвенно-растительные фильтры как для испарения из искусственного слоя, так и для поддержания роста зеленой массы растений.

Эффективность теплосбережения состоит в уменьшении энергоемкости устройства за счет обработки стоков в теплоизолированном помещении.

Потери тепла в теплоизолированном помещении значительно меньше, чем в случае обычных (застекленных или пленочных) теплиц. В зависимости от технологии выращивания растений они составляют 10-20% от энергии, расходуемой на обогрев помещения, тогда как в обычных теплицах достигают 40-65% [Иванов Г.Я. Повышение эффективности технологического процесса производства овощей в светонепроницаемых гидропонных культивационных сооружениях. Диссертация... доктора техн. наук / Сиб. НИИ механизации и электрификации сел. хоз-ва. Новосибирск, 1993. - 400 с.]. В теплоизолированном светонепроницаемом помещении процесс не связан со сменой дня и ночи, что позволяет использовать любой режим облучения растений. К тому же процессы в производственном помещении легче поддаются автоматизации и регулированию электропотребления, что также экономит энергетические ресурсы. Включение осветителей в ночное время дает возможность использовать внепиковую электрическую энергию.

В формировании энергетического баланса теплоизолированного помещения существенную роль играет транспирация растений, требующая значительного количества влаги (питательного раствора), в чем нет недостатка в нашем устройстве.

Хорошо организованная утилизация тепловой энергии от облучателей растений позволяет дополнительно обогревать другие находящиеся рядом помещения.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет более широкие функциональные возможности, снижает энергоемкость устройства для очистки бытовых стоков в условиях холодного климата и обеспечивает оптимальный температурный режим для технологических процессов в любое время года.

Изобретение может быть использовано при очистке бытовых стоков отдельно расположенных объектов и индивидуальных жилых домов. Устройство состоит из размещенных в обогреваемом теплоизолированном помещении фильтра-усреднителя 2, анаэробного биофильтра 3, теплонакопителя 4, внутреннего почвенно-растительного фильтра 5, промежуточной емкости 12, трубопроводов подачи воды на почвенно-растительные фильтры, а также наружного почвенно-растительного фильтра 13 и водоема, связанного дренажным каналом 14 с анаэробным биофильтром 3. В обогреваемом теплоизолированном помещении также размещены компостер 7, поворотный приемный лоток 8, приемник жидкой фракции черного стока 9 и сообщающиеся резервуары для аквакультуры 10. Фильтр-усреднитель 2 соединен через промежуточную емкость 12 с разделенным на сектора наклонным наружным почвенно-растительным фильтром 13. Внутри загрузки наружного почвенно-растительного фильтра 13 проложены вентиляционные воздуховоды 19. Очищенная вода через песочный фильтр поступает в накопитель 15. Технический результат: снижение энергоемкости устройства в условиях холодного климата и обеспечение оптимального температурного режима для технологических процессов в любое время года. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для обработки бытовых стоков, состоящее из обогреваемого помещения и размещенных в нем фильтра-усреднителя, анаэробного биофильтра, внутреннего почвенно-растительного фильтра, промежуточной емкости, трубопроводов подачи воды на почвенно-растительные фильтры, а также наружного почвенно-растительного фильтра и водоема, связанного дренажным каналом с анаэробным биофильтром, отличающееся тем, что обогреваемое помещение является теплоизолированным, в нем размещены также компостер, приемник жидкой фракции черного стока и сообщающиеся резервуары для аквакультуры, один из которых соединяет анаэробный биофильтр с фильтром-усреднителем, соединенным через промежуточную емкость с разделенным на сектора наклонным наружным почвенно-растительным фильтром.2. Устройство для обработки бытовых стоков по п.1, отличающееся тем, что наружный почвенно-растительный фильтр расположен на крыше теплоизолированного помещения и снабжен вентиляционными воздуховодами.3. Устройство для обработки бытовых стоков по п.1 или 2, отличающееся тем, что между отдельными секторами наружного почвенно-растительного фильтра размещены тепловые или электрические коллекторы.4. Устройство для обработки бытовых стоков по п.1 или 2, отличающееся тем, что осветители теплоизолированного помещения одновременно являются и обогревателями.5. Устройство для обработки бытовых стоков по п.1 или 2, отличающееся тем, что компостер снабжен наклонными поворотными лотками для разделения различных фракций черного стока.