СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2008 года по МПК C02F3/00 C02F3/12 

Изобретение касается способа биологической очистки бытовых сточных вод с использованием активного ила и может быть реализовано при эксплуатации различных очистительных установок. Наиболее широкое применение изобретение может найти при эксплуатации малых домовых установок очистки сточных вод.

Способы биологической очистки сточных вод с использованием активного ила достаточно широко известны [1, 2, 3]. Такая очистка весьма эффективна и экологически благоприятна. Она основана на том, что активный ил представляет собой смесь различных бактерий и мельчайших микроорганизмов, способных потреблять в качестве питательных веществ, необходимых для обеспечения жизнедеятельности, органические соединения, содержащиеся в сточных водах. Особенно эффективна очистка с использованием ила во взвешенном состоянии, когда хлопья ила равномерно перемешиваются со сточной водой. Для протекания активационного процесса требуется непрерывное окисление, которое обеспечивается посредством нагнетания воздуха в активационный резервуар.

Известные способы очистки сточных вод с использованием активного ила можно разделить на способы, предусматривающие непрерывное и прерывистое протекание сточных вод через активационный резервуар.

При непрерывной подаче сточных вод, прошедших грубую предварительную очистку, в активационный резервуар сточные воды после некоторого периода времени выдерживания в активационном резервуаре, необходимого для очистки, отводятся вместе с активным илом во вторичный отстойник. В отстойнике происходит осаждение ила, и чистая вода уходит через выпускное отверстие либо в водоем, либо в почву, либо используется для каких-то хозяйственных нужд. Использование непрерывной очистки целесообразно при обслуживании достаточно крупных и постоянно функционирующих объектов.

В случае прерывистой подачи сточные воды, прошедшие грубую предварительную очистку, вводятся в активационный резервуар либо немедленно, либо перекачиваются из уравнивающего резервуара. После очистки активационный процесс прерывается, то есть прекращается подача воздуха и перемешивание воды в активационном резервуаре и происходит осаждение ила, а очищенная вода выпускается. Затем снова наполняется активационный резервуар, и цикл очистки повторяется. По сравнению с непрерывной очисткой при прерывистой очистке нет необходимости иметь вторичный отстойник.

В обоих случаях очистительные установки и их эксплуатация являются весьма дорогостоящими, требующими наличия квалифицированного обслуживающего персонала, преимущественно из-за того, что установки включают сложные системы управления [4]. При непрерывной очистке это связано с необходимостью регулярного и частого перекачивания ила из вторичного отстойника в активационный резервуар. При прерывистой очистке необходимо останавливать подачу воздуха в активационный резервуар, и, соответственно, процесс перемешивания смеси ила и сточной воды. Причем время прерывания процесса, с одной стороны, ограничено возможностью развития автолиза ила, а с другой стороны, должно быть достаточным для обеспечения осаждения ила.

Но помимо достижения простоты управления существует проблема повышения степени очистки сточных вод, которая, как правило, находится не на должном уровне. Последнее обстоятельство, в частности, при увеличении количества загородных домов грозит загрязнением окружающей среды, чаще всего загрязнением близлежащих водоемов, с нарушением установившегося экологического равновесия в целом.

Известен способ биологической очистки сточных вод [2], направленный на повышение степени очистки, в котором осуществляют эффективное перемешивание стоков с активным илом за счет барботажа сжатого воздуха. Причем при понижении уровня сточных вод в уравнивающем резервуаре подают сжатый воздух в уравнивающий резервуар, а при повышении уровня сточных вод в уравнивающем резервуаре сжатый воздух подают в активационный резервуар. Более того, подачу воздуха осуществляют в пульсирующем режиме. Более того, в процессе очистки сточные воды обрабатывают магнитным полем.

Однако, пытаясь бороться за повышение степени очистки, опять-таки идут на усложнение способа очистки сточных вод и управления процессом очистки, и соответственно, на увеличение затрат, связанных с очисткой сточных вод. В силу указанных недостатков данный способ не представляется оптимальным при очистке сточных вод малой мощности.

Кроме того, низкая степень очистки обусловлена в основном не низкой эффективностью средств для перемешивания сточных вод с илом и низкой эффективностью насыщения их кислородом, а прежде всего переполнением очистительной установки илом, что влечет нарушение протекания мелкопузырчатой аэробной реакции. Излишний ил должен своевременно удаляться из очистительной установки. В интенсивном режиме работы эта операция должна производится достаточно часто. Причем она требует прерывания работы очистительной установки, и удаление ила должно производится квалифицированным персоналом. Кроме того, должны быть предусмотрены специальные емкости для складирования и хранения удаленного из установки ила, поскольку не сразу весь удаленный ил может быть использован, например, в качестве удобрения [5].

Известен способ очистки сточных вод [3], который включает подачу сточных вод в уравнивающий резервуар и последующую перекачку сточных вод в активационный резервуар, подачу очищенных сточных вод во вторичный отстойник и отвод очищенных сточных вод после осаждения оставшегося ила в выпускное отверстие. При этом в случае понижения уровня сточных вод в уравнивающем резервуаре ниже установленного минимального уровня осуществляют автоматическое прерывание процесса активации. Перекачивают избыточный ил или смесь ила с загрязненной водой из активационного резервуара в уравнивающий резервуар до тех пор, пока уровень сточных вод в уравнивающем резервуаре не достигнет установленного рабочего уровня. При достижении установленного рабочего уровня сточных вод в уравнивающем резервуаре прерывают перекачивание ила из активационного резервуара и обеспечивают восстановление процесса.

Способ также предусматривает удаление избыточного ила после прерывания процесса активации после установленной временной задержки в диапазоне от 30 до 90 минут.

Достоинством способа является отсутствие необходимости частого прерывания работы очистительной установки, а также возможность более простого управления процессом очистки, без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Другими словами, согласно способу [5] при снижении уровня сточных вод изменяют характер протекания окислительной реакции во времени, придавая ей периодический характер посредством попеременного перекачивания очищаемой воды из уравнивающего резервуара в активационный резервуар и наоборот. Такой прием позволяет не прерывать работу установки в целом. Но при отсутствии притока сточных вод в течение 2-3 месяцев, как это предполагается в способе, из-за постепенного испарения количество жидкой составляющей в смеси очищаемых сточных вод и ила будет уменьшаться, а также будет уменьшаться количество питательных веществ, необходимых для поддержания жизнедеятельности бактерий активного ила. В результате очистительная способность оборудования будет нарушена.

Кроме того, необходимость попеременного перекачивания очищаемой воды в смеси с илом из уравнивающего резервуара в активационный резервуар и обратно требует затрат энергии и не позволяет упростить способ очистки настолько, чтобы сделать его оптимальным для использования при работе малых домовых установок очистки сточных вод.

Необходимо также отметить, что ни в одном из известных способов биологической очистки сточных вод не учитывается влияние климатического фактора на качество очистки. Климатический фактор учитывается только с позиции обеспечения работоспособности очистительной установки, а именно, чтобы предотвратить промерзание сточных вод, резервуары установки располагают, как правило, на соответствующей глубине от поверхности земли.

Задачей изобретения является упрощение способа очистки сточных вод и снижение экономических затрат на его осуществление при повышении степени очистки сточных вод.

Задачей изобретения является также создание способа, который можно наиболее оптимально использовать при работе малых домовых установок очистки сточных вод.

Поставленная задача решается, если способ биологической очистки сточных вод посредством активного ила во взвешенном состоянии, включающий подачу сточных вод в активационный резервуар при одновременной подаче в этот резервуар воздуха, отличается тем что, регламентируют температуру воздуха, подаваемого в активационный резервуар в зависимости от мощности сточных вод и/или температуры окружающего воздуха.

Поставленная задача решается также, если:

- при плюсовой температуре окружающего воздуха и при малой мощности сточных вод подают в активационный резервуар воздух, охлажденный, по крайней мере, до температуры, равной температуре сточных вод;

- в случае подачи сточных вод в активационный резервуар из уравнивающего резервуара охлажденный воздух подают в активационный резервуар при понижении уровня сточных вод в уравнивающем резервуаре ниже установленного минимального уровня;

- воздух, поступающий в активационный резервуар, охлаждают до температуры ниже температуры сточных вод посредством холодильника;

- воздух, поступающий в активационный резервуар, охлаждают путем пропускания по трубопроводу, пропущенному в свою очередь через емкость со льдом, расположенную относительно поверхности земли на глубине, предотвращающей таяние льда;

- в уравнивающий и/или активационный резервуар дополнительно подают водопроводную воду в регламентированном количестве;

- при минусовой температуре окружающего воздуха поступающий в активационный резервуар воздух подогревают до температуры, по крайней мере, равной температуре сточных вод;

- воздух подогревают путем пропускания по трубопроводу заданной длины, проложенному относительно поверхности земли на уровне или ниже уровня трубопровода для подачи сточных вод;

- воздух подогревают посредством нагревателя до температуры, выше температуры сточных вод на 15-20°С.

Сущность изобретения заключается в том, что посредством изменения температуры воздуха, подаваемого в активационный резервуар, управляют интенсивностью протекания окислительной аэробной реакции при очистке сточных вод посредством активного ила, в одном случае ускоряя эту реакцию, а в другом, наоборот, замедляя ее. При этом замедление окислительной реакции, по сравнению с известным способом [3], позволяет в случае понижения уровня сточных вод в уравнивающем резервуаре также не прерывать активационный процесс, но исключить операцию попеременного перекачивания очищаемой воды из уравнивающего резервуара в активирующий резервуар и наоборот. Значение времени, необходимого для протекания окислительной реакции, определяют с учетом мощности сточных вод и температуры расчетным или экспериментальным путем. Это значение необходимо учитывать при полном прекращении поступления сточных вод в очистительную установку. Очевидно, что чем ниже будет температура воздуха, поступающего в активационный резервуар, тем большим может быть промежуток времени для прекращения поступления в активационный резервуар сточных вод. В частности, при температуре поступающего в активационный резервуар воздуха около 0°С окислительный процесс, равно как и автолиз ила, протекает настолько слабо, что установка работает без поступления сточных вод около 30 дней.

Техническая суть рассматриваемого способа, как уже было отмечено, основана на обеспечении жизнедеятельности простейших микроорганизмов. Интенсивность необходимой для этого окислительной реакции в значительной мере зависит от температуры сточных вод. Очистительные установки располагают в ямах, глубина которых достаточна, чтобы предотвратить замерзание сточных вод. Температура сточных вод при этом составляет в зимний период года 4-5°С. Если в такую холодную воду подать еще более холодный воздух, то интенсивность окислительной реакции будет характеризоваться весьма малой величиной. В объеме активационного резервуара более холодные слои, насыщенные воздухом, будут оставаться внизу. В отсутствие механического перемешивания, например при помощи перфорированных барабанов [1] или барботажа воздуха [2], очистка будет проходить неравномерно из-за неравномерного насыщения сточных вод воздухом. Проблема повышения степени очистки в этой ситуации не может быть решена за счет увеличения времени пребывания сточных вод в активационном резервуаре. Наоборот, она еще более усугубляется даже при небольшом увеличении мощности сточных вод. Проблема решается подачей в холодные сточные воды теплого воздуха.

Опыт показывает, что достаточно проложить трубопровод подачи воздуха под землей на уровне или ниже уровня трубопровода для подачи сточных вод, выбрав его длину такой, чтобы воздух успевал прогреться, по крайней мере, до температуры сточных вод. Этим же путем можно в летний период охладить воздух, плюс, пропуская трубопровод через емкость, наполненную кусками льда, для этого достаточно только емкость установить на необходимой глубине. Реализация такой конструкции трубопровода для воздуха требует малых затрат, а эксплуатация является вообще экономически незатратной. Поэтому она представляется наиболее оптимальной для отдельных малонаселенных домов и коттеджей. Для более интенсивного охлаждения воздуха в летний период возможно использование холодильника, установленного на входе компрессора, посредством которого воздух подают в активационный резервуар.

Наилучший результат в зимнее время наблюдается при нагреве воздуха до температуры выше температуры сточных вод примерно на 15-20°С. При этом усиливается конвективный обмен в активационном резервуаре, который способствует равномерному насыщению сточных вод воздухом и поддерживает мелкопузырчатую аэробную реакцию, тем самым способствуя более качественной очистке. Конструктивно проблема решается посредством того, что установка снабжается нагревателем или несколькими нагревателями в зависимости от размеров установки и мощности сточных вод, которые обогревают трубопровод подачи воздуха. Устанавливают нагреватели, как правило, на выходе компрессора, посредством которого воздух подают в активационный резервуар.

При длительном перерыве в процессе подачи сточных вод во избежание понижения уровня сточных вод в уравнивающем и/или активационном резервуаре, в частности из-за испарения воды, возможна подача в очистительную установку водопроводной воды. Подача воды позволяет разжижить ил и облегчить удаление его излишков из установки. Использование данного приема в других известных способах, при наличии перерыва в подаче сточных вод и при нормальной интенсивности окислительного процесса, могло бы привести, в частности, к нехватке питательных веществ, необходимых для обеспечения жизнедеятельности бактерий активного ила. Однако при малой интенсивности окислительного процесса, которая может быть обеспечена в предлагаемом способе, при наличии перерыва в подаче сточных вод использование данного приема не приводит к отрицательным последствиям.

Как уже было отмечено выше, по сравнению со способом [3], в заявляемом способе отпадает необходимость перекачивания ила из активационного резервуара в уравнивающий резервуар и обратно. При снижении мощности сточных вод более редко возникает необходимость удаления ила из очистительной установки. Соответственно, отпадает необходимость частого и, можно характеризовать, аварийного вызова квалифицированного персонала для удаления из установки избыточного ила. Последнее обстоятельство связано с тем, что количество избыточного ила может быть снижено в связи с возможностью снижения интенсивности окислительного процесса. В результате значительно снижаются затраты энергии, в том числе электроэнергии на поддержание работоспособности очистительной установки. В заявляемом способе охлаждение или нагрев воздуха, подаваемого в активационный резервуар, также может потребовать затрат энергии, но они несопоставимо малы по сравнению с затратами энергии на перекачивание ила из активационного резервуара в уравнивающий резервуар и обратно. Более того, воздух, поступающий в активационный резервуар, можно нагревать или охлаждать естественным путем, что представляется, как было уже отмечено выше, вообще беззатратным. Возможна, в частности, в зависимости от мощности сточных вод комбинация охлаждения или нагрева с помощью аппаратов и естественным путем.

Гидронасос, предназначенный для перекачивания очищенных сточных вод из активационного резервуара во вторичный отстойник, работает, как правило, в периодическом режиме. Период времени, когда гидронасос отключен, выбирают достаточным для осуществления очистки. В заявляемом способе при снижении мощности сточных вод указанный период времени увеличивается. При этом дополнительно снижаются затраты энергии.

Необходимо отметить, что полностью отказаться от услуг квалифицированного персонала при работе любой очистительной установки не удается. Но при использовании предлагаемого способа это могут быть только запланированные профилактические работы.

В любом случае управление очистительной установкой и в целом способ очистки отличаются от известных установок и способов простотой и экономичностью. Конструкция очистительной установки также не усложняется, так как не является обязательным введение дополнительных датчиков. Переключение установки на режим работы с охлаждаемым или нагреваемым воздухом может осуществляться как вручную, так и автоматически. Автоматически или вручную можно менять и интенсивность нагрева или охлаждения, а также способ нагрева или охлаждения, а именно с помощью аппаратов и/или естественным путем.

Наиболее оптимальным является использование предлагаемого способа очистки для отдельных домов и коттеджей. Однако это не исключает использования способа при любой мощности сточных вод.

Известно решение [1], в котором предусмотрена достаточно мощная система обогрева очистительной установки, для ведения процесса в анаэробных условиях при температуре 34-37°С. Решение направлено на достижение таких преимуществ, как улучшение массообменных процессов, интенсификация процесса удаления биогаза из верхней части очистительной установки, поскольку очистке подвергаются хромсодержащие сточные воды гальванических производств. Данное решение, в отличие от предлагаемого решения, не направлено на то, чтобы адаптировать процесс очистки к условиям внешней среды и к мощности сточных вод. Кроме того, осуществляется обогрев всей установки, работающей в анаэробных условиях, что связано с гораздо большими энергетическими затратами, чем нагрев воздуха, подаваемого в установку, работающую в аэробных условиях.

Известно также решение, направленное на улучшение температурного режима процесса очистки [6], но за счет механического перемешивания смеси сточных вод и активного ила, а не изменения температуры подаваемого в активационный резервуар воздуха.

Предлагаемый способ очистки может быть реализован как при непрерывной, так и прерывистой подаче сточных вод.

Предлагаемый способ очистки может быть реализован при любом известном конструктивном исполнении очистительной установки.

Поэтому приведенный ниже конкретный пример осуществления изобретения не исчерпывает всех возможных случаев его осуществления в свете конструкций очистительных установок, мощности сточных вод и вида подачи сточных вод в очистительную установку.

Конкретный пример осуществления изобретения

Установка для очистки сточных вод содержит уравнивающий резервуар 1, активационный резервуар 2 и вторичный отстойник 3. В придонной части активационного резервуара расположен выходной патрубок 4 компрессора 5. На выходе и входе компрессора 5 установлены соответственно нагреватель 6 и холодильник эжекторного типа 7. Поз.8 показан трубопровод подачи сточных вод в уравнивающий резервуар 1. Поз.9, 10 показаны трубопроводы подачи сточных вод из уравнивающего резервуара в активационный резервуар. Гидронасос 11 предназначен для подачи очищенных сточных вод из активационного резервуара во вторичный отстойник по трубопроводу 12. Этот же гидронасос может быть использован для подачи сточных вод из уравнивающего резервуара в активационный резервуар. Переключение гидронасоса для выполнения вышеназванных функций осуществляется при помощи кранов 13 и 14. Трубопровод 15 предназначен для удаления из вторичного отстойника очищенной воды и при необходимости накопившегося ила. При длительном перерыве в процессе подачи сточных вод в активационный и уравнивающий резервуары может по трубопроводам 16 и 17 подаваться водопроводная вода. Воздух, подаваемый в компрессор 5 и далее в активационный резервуар, может быть охлажден при прохождении по трубопроводу 18, пропущенному через подземную камеру 19, наполненную кусками льда. В зимний период трубопровод, проходящий через подземную камеру, может быть снабжен утеплителем (не показан). Переключение установки на режим работы с использованием природных приспособлений для изменения температуры воздуха или специальных приспособлений, типа холодильника эжекторного типа, или при их совместном использовании осуществляется при помощи кранов 20, 21.

По приведенной на чертеже схеме был изготовлен опытный образец установки, которая имела следующие габаритные размеры:

- длина 1,0 м;

- ширина 1,0 м;

- высота 2,4 м.

Установка была углублена в землю примерно на 1 м от поверхности.

Установка и способ очистки прошли испытания в натурных условиях, а именно способ и очистительная установка использовались для очистки сточных вод в загородном доме, в котором число постоянных жителей составляло 6 человек. В летний период в течение двух месяцев число жителей сократилось до 2 человек, из них в течение двух-трех недель дом пустовал. А в течение одного из летних месяцев количество людей достигло 10 человек. Такое же количество людей было зимой, в период рождественских и школьных каникул.

В летний период при сокращении числа жителей дома было использовано охлаждение воздуха, поступающего в активационный резервуар, путем пропускания воздуха по трубопроводу, проходящему через подземную камеру, наполненную льдом. При отъезде всех жителей для этой цели был подключен холодильник. Одновременно была осуществлена подача в установку водопроводной воды практически в капельном режиме. Одновременно была осуществлена настройка гидронасоса 11 на режим работы с соответствующей периодичностью.

В зимний период воздух, поступающий в активационный резервуар, подогревали до 25°С, то есть на 18-20°С выше температуры сточных вод, которая составляла в среднем 5°С.

Операции по переключению рабочих кранов установки осуществлялись вручную. При дальнейшем тиражировании установки и усовершенствовании ее конструкции возможно введение соответствующей автоматики.

Запуск очистительной установки с установлением необходимой для очистки концентрации активного ила производился квалифицированным персоналом. Профилактический осмотр установки с удалением излишнего ила из активационного резервуара, а также вторичного отстойника производился квалифицированным персоналом три раза за год. В зимний период были взяты пробы воды для определения степени ее очистки, которые показали повышение степени очистки ориентировочно в 1,5-2 раза по сравнению со способами очистки без подогрева воздуха, подаваемого в активационный резервуар. Как было отмечено, предлагаемый способ может найти широкое применение при эксплуатации малых домовых установок очистки сточных вод.

Источники информации

1. Патент RU 21005730, МПК C02F 3/00, C02F 3/08, 1998 г.

2. Патент RU 2233247, МПК C02F 3/12, 2004 г.

3. Патент RU 2162062, МПК C02F 3/00, C02F 3/12, 2001 г.

4. Патент на полезную модель RU 369 А01К 63/04, 2004 г.

5. Патент RU 2121981, МПК C02F 3/00, 1998 г.

6. Авторское свидетельство SU 1368268, МПК C02F 3/08, 1988 г.

Изобретение может быть реализовано при эксплуатации различных очистительных установок и при эксплуатации малых домовых установок очистки сточных вод. Способ биологической очистки сточных вод посредством активного ила во взвешенном состоянии включает подачу сточных вод в активационный резервуар при одновременной подаче в этот резервуар воздуха. Изменяют температуру воздуха, подаваемого в активационный резервуар, в зависимости от температуры окружающего воздуха. При плюсовой температуре окружающего воздуха подают в активационный резервуар воздух, охлажденный, по крайней мере, до температуры, равной температуре сточных вод, а при минусовой температуре окружающего воздуха поступающий в активационный резервуар воздух подогревают до температуры, по крайней мере, равной температуре сточных вод. Технический результат: упрощение способа очистки сточных вод и снижение экономических затрат на его осуществление при повышении степени очистки сточных вод. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ биологической очистки сточных вод посредством активного ила во взвешенном состоянии, включающий подачу сточных вод в активационный резервуар при одновременной подаче в этот резервуар воздуха, отличающийся тем, что изменяют температуру воздуха, подаваемого в активационный резервуар в зависимости от температуры окружающего воздуха, причем при плюсовой температуре окружающего воздуха подают в активационный резервуар воздух, охлажденный, по крайней мере, до температуры, равной температуре сточных вод, а при минусовой температуре окружающего воздуха поступающий в активационный резервуар воздух подогревают до температуры, по крайней мере, равной температуре сточных вод.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, в случае подачи сточных вод в активационный резервуар из уравнивающего резервуара, охлажденный воздух подают в активационный резервуар при понижении уровня сточных вод в уравнивающем резервуаре ниже установленного минимального уровня.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух, поступающий в активационный резервуар, охлаждают до температуры ниже температуры сточных вод посредством холодильника.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух, поступающий в активационный резервуар, охлаждают путем пропускания по трубопроводу, пропущенному, в свою очередь, через емкость со льдом, расположенную относительно поверхности земли на глубине, предотвращающей таяние льда.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в уравнивающий резервуар и/или активационный резервуар дополнительно подают водопроводную воду в количестве, компенсирующем количество испаряющейся воды.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух подогревают путем пропускания по трубопроводу, проложенному относительно поверхности земли на уровне или ниже уровня трубопровода для подачи сточных вод.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух подогревают посредством нагревателя до температуры выше температуры сточных вод на 15-20°С.