КОМПЛЕКС ДЛЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ И ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2011 года по МПК C02F9/14 C02F3/30 C02F1/28 C02F1/32 C02F1/463 

Предлагаемый для рассмотрения комплекс относится к области биохимической очистки и глубокой доочистки бытовых и близких к ним по составу промышленных сточных вод и может быть использован в небольших населенных пунктах и отдельно расположенных объектах.

Известно устройство в виде установки для очистки сточных вод (патент РФ №32775 на полезную модель), в котором применен принцип биотенка, где за счет использования загрузки, погруженной в зону аэрации, повышается концентрация биомассы. Однако для регенерации загрузки необходимы значительные расстояния между листами загрузки до 10-15 мм и более и пористость загрузки не более 80-85%, что снижает удельную поверхность загрузки и концентрацию прикрепленной биопленки, а следовательно, и производительность установки. Кроме того, загрузка представляет определенное сопротивление циркуляционному потоку жидкости в зоне аэрации, что требует увеличения интенсивности аэрации и соответственно увеличения расхода энергии. Также недостатком рассмотренной установки является невозможность удаления биогенных элементов азота и фосфора, что требует дальнейшей глубокой доочистки сточных вод, и данная установка должна комплектоваться дополнительными сооружениями доочистки.

Известно устройство для биологической очистки сточных вод посредством погружных дисковых биофильтров (биоконтакторов), на которых развивается биопленка и представляющих собой вращающиеся диски, насаженные на одну ось параллельно друг другу и погруженные почти до оси в сточную воду, на них происходит попеременный контакт закрепленной биомассы со сточной водой и атмосферным воздухом («Канализация населенных мест и промышленных предприятий» // Справочник проектировщика / под редакцией В.Н.Самохина - 2-е изд. - М.: Стройиздат, 1981 - стр.223-224).

Однако эти сооружения характеризуются сложной конструкцией, низкой удельной поверхностью загрузки (50-60 м²/м³), невысокой эффективностью очистки и низкой производительностью. Они требуют дополнительных сооружений для первичного и вторичного отстаивания, доочистки сточных вод от взвешенных веществ, органических веществ (по БПК) - азота и фосфора.

Известна станция очистки бытовых сточных вод «БИОФЛУИД-Е» (фирма «Fortex»), состоящая из зон отстаивания, биологического реактора с расположенными в его верхней части биодисками, с возможной дополнительной комплектацией устройствами биологической нитрификации и денитрификации.

Станция имеет недостатки, связанные с применением в ее составе дисковых биоконтакторов, которые характеризуются сложностью конструкции, невысокой удельной поверхностью загрузки и низкой скоростью массообменных процессов, и, как следствие, относительно невысокой эффективностью очистки. Для доочистки сточных вод от фосфора станция должна дополняться устройством для дозирования и подачи коагулянта, отсутствуют узлы глубокой доочистки сточных вод от взвешенных веществ, БПК, что также является недостатком станции.

Устройство, предложенное в изобретении по патенту РФ №2113412, предназначено для удаления ионов металлов гальванокоагуляцией посредством загрузки, представляющей собой гальванопары и расположенной внутри вращающейся цилиндрической обечайки, но при высоких концентрациях взвешенных и органических веществ в сточных водах загрузка будет обрастать нерастворимыми веществами и биопленкой, кольматируется, и коагуляция прекращается.

Известно устройство - гальванокоагулятор для очистки сточных вод по патенту РФ №2113412, предназначенное для удаления ионов металлов, но оно не может эффективно работать при высокой концентрации взвешенных и органических веществ в сточных водах, так как загрузка (гальванопары) обрастает биомассой и кольматируется.

Известны гальванокоагуляторы в виде гальванической пары двух металлов или металла и графита для внесения ионов железа с целью связывания фосфатов в нерастворимое вещество - фосфат железа (Коагулятор барабанный. Техническое описание КК 234.00.000 ТО. «Казмеханобр» Алма-Ата, 1985). Они также не могут эффективно работать при высокой концентрации взвешенных и органических веществ в сточных водах. В них со временем происходит обрастание загрузки и процесс коагуляции прекращается.

Рассмотренные выше технические решения применяются для очистки бытовых сточных вод, но каждое по отдельности не обеспечивает по качеству очистки, производительности, энергозатратам, ресурсам возросшие требования к установкам такого типа и требует дополнительных устройств, реагентов и оборудования для доочистки сточных вод.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому комплексу является устройство, приведенное в патенте РФ №2183592, которое включает многосекционные биореакторы в виде аэротенка, каждая секция которых снабжена гальванокоагулятором с подвижным устройством - ворошителем скрапа, помещенным в лоток очищенной жидкости, имеющее насадки из волокнистых полимерных элементов.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, трудности его эксплуатации и низкая надежность, высокие энергозатраты, неспособность переносить перерывы в подаче воздуха и электроэнергии. Также при стационарной загрузке биореакторов и гальванокоагуляторов требуются дополнительные устройства аэрации и ворошения. Кроме того, устройство требует применения сооружений доочистки сточных вод от взвешенных веществ, органических веществ (по БПК) и азота.

Технической задачей предлагаемого для рассмотрения устройства является создание комплекса для очистки сточных вод в виде транспортируемого контейнера, обеспечивающего повышение производительности и эффективности очистки, упрощение конструкции, улучшение условий обслуживания комплекса и повышение надежности его работы, улучшение массообменных процессов и рациональное взаимное расположение отдельных узлов очистной установки, сокращающее протяженность коммуникаций, а также достижение глубокой очистки и доочистки сточных вод от взвесей, растворенной органики, биогенных элементов, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и других загрязнений в одной установке.

Поставленная цель достигается тем, что комплекс для очистки и доочистки сточных вод включает разделенный перегородками на секции и отсеки резервуар, содержащий зону отстаивания, биореакторы с загрузкой для удержания биопленки, гальванокоагуляторы, загрузка которых выполнена в виде гальванической пары, системы коммуникаций для подвода, распределения и отвода сточных вод, выполнен в виде транспортируемого контейнера. Помещенные в комплекс биореакторы выполнены в виде биоконтакторов, представляющих собой вращающиеся барабаны с загрузкой, которые заглублены в очищаемые сточные воды, гальванокоагуляторы выполнены вращающимися, в отсеке вторичного отстаивания размещен фильтр с плавающей загрузкой, а в выходном отсеке комплекса размещены сорбционный фильтр и блок обеззараживания очищенной воды.

Первая ступень комплекса разделена на зону отстаивания, где происходит осветление сточных вод и расположены биореакторы для их биологической очистки. Биореакторы выполнены в виде биоконтакторов, разделенных на зоны денитрификации, окисления и нитрификации, с аноксидной зоной и зоной перегнивания осадка. В этой ступени происходит осветление сточных вод (зона отстаивания), окисление органических загрязнений (зона окисления) и аммонийного азота до нитратов (зона нитрификации), а также восстановление нитратов до молекулярного азота (зона денитрификации) и биологического удаления фосфора (аноксидная зона), а также анаэробное сбраживание выпавшего осадка (зона перегнивания).

В первой ступени комплекса происходит полная биологическая очистка сточных вод до БПК=10-15 мг/л с одновременным снижением концентрации аммонийных солей и общего азота, а также фосфора (до концентрации 1-1,5 мг/л).

Основным элементом первой ступени являются многоступенчатые биореакторы, каждая секция которых выполнена в виде барабанных вращающихся биоконтакторов, загруженных насадкой в виде насыпных элементов, удельная поверхность и пористость которой меняется по ходу очистки жидкости.

Барабанные биоконтакторы проще в конструкции и производительнее, чем дисковые биоконтакторы, позволяют применять различного вида засыпную загрузку, например в виде отрезков труб и других элементов, с разной пористостью и удельной поверхностью. Оптимальный вариант достигается, когда удельная поверхность и пористость загрузки меняется по мере очистки сточных вод; в первых ступенях биореакторов, где высокая концентрация органических загрязнений вызывает быстрый и значительный прирост биомассы, применяется загрузка большей пористости и с меньшей удельной поверхностью с тем, чтобы предотвратить кольматацию загрузки. В последующих ступенях окислителя и в нитрификаторе, где скорость прироста биопленки мала, применяется загрузка с большей удельной поверхностью, чтобы увеличить поверхность контакта биопленки с жидкостью и повысить производительность сооружения.

Для повышения эффективности процесса по ступеням биоконтакторов барабаны биоконтакторов по-разному заглублены под уровень жидкости, в частности, барабаны биоконтакторов в зоне денитрификации и аноксидной зоне заглублены полностью под уровень жидкости, так как в этих зонах не требуется аэрация загрузки. В секциях окисления и нитрификации, где необходима аэрация загрузки, барабаны биоконтакторов при вращении заглублены в жидкость лишь частично, а незатопленная часть загрузки аэрируется.

Барабаны биоконтакторов выполнены также с возможностью изменять скорость их вращения, в частности, повышение скорости вращения биоконтакторов в анаэробных зонах позволяет интенсивнее смывать с загрузки отмирающую биопленку, а в аэробных зонах - повышать интенсивность аэрации в соответствии с процессом очистки.

Предложенный для рассмотрения комплекс поясняется фигурами.

Фиг.1 - общая схема комплекса.

Фиг.2 - продольный разрез I-I.

Фиг.3 - продольный разрез II-II.

Фиг.4 - поперечный разрез III-III.

На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - резервуар,

2 - подача сточных вод,

3 - отстойная зона,

4 - анаэробный биореактор (денитрификатор),

5 - аноксидная зона,

6 - окислитель,

7 - нитрификатор,

8 - гальванокоагулятор,

9 - фильтр с плавающей загрузкой,

10 - сорбционный фильтр,

11 - установка УФ-обеззараживания,

12 - отвод очищенной воды,

13 - перегородки,

14 - зона перегнивания,

15 - трубопроводы отвода осадка.

Предлагаемый для рассмотрения комплекс для очистки и доочистки сточных вод работает следующим образом.

Исходные сточные воды поступают по трубе 2 в отстойную зону 3 резервуара 1 (фиг.1, 2 и 3), где подвергаются при нисходяще-восходящем движении потока жидкости первичному отстаиванию и освобождаются от взвешенных веществ. Осветленная вода поступает в анаэробный биореактор, выполняющий роль денитрификатора 4, затем последовательно в аноксидную зону 5, окислитель 6 и нитрификатор 7, в каждом из которых установлены барабанные вращающиеся биоконтакторы с загрузкой. В окислителе 6 происходит биологическая очистка воды, в нитрификаторе 7 - окисление аммонийных солей до нитратов.

Часть очищаемых сточных воды после нитрификатора 7 направляется в гальванокоагулятор 8, а часть - подается в отстойную зону 3 и далее вместе с исходной водой поступает в анаэробный биореактор - денитрификатор 4, где происходит восстановление нитратов до молекулярного азота. Очищенная вода из нитрификатора 7 направляется на доочистку сначала в гальванокоагулятор 8, затем в отсек вторичного отстаивания с фильтром с плавающей загрузкой 9, а затем в сорбционный фильтр 10 и узел обеззараживания 11, расположенные в выходном отсеке.

Очищенная вода после узла обеззараживания 11 по трубе 12 отводится из комплекса. Выпадающий осадок подвергается анаэробному сбраживанию в зоне перегнивания 14 (фиг.3, 4).

Выпавший осадок отводится по трубопроводам 15 в зону перегнивания 14 и после сбраживания удаляется и используется как органическое удобрение (фиг.4).

В денитрификаторе 4 происходит восстановление нитратов до молекулярного азота, который затем при аэрации удаляется в атмосферу. Из денитрификатора 4 очищаемые воды поступают в аноксидную зону 5, где происходит биологическое удаление фосфора. В биоконтакторах (денитрификаторе 4, аноксидной зоне 5, окислителе 6 и нитрификаторе 7) описанной части комплекса происходит полная биологическая очистка сточных вод до БПК=10-15 мг/л с одновременным снижением концентрации аммонийных солей и общего азота, а также фосфора до концентрации 1-1,5мг/л.

Удельная поверхность загрузки в биоконтакторах увеличивается по мере очистки сточных вод. В денитрификаторе 4 и в аноксидной зоне 5, где высокая концентрация органических загрязнений вызывает быстрый и значительный прирост биомассы, применяется загрузка большей пористости и с меньшей удельной поверхностью с тем, чтобы предотвратить ее кольматацию. В окислителе 6 и нитрификаторе 7, где скорость прироста биопленки мала, применяется загрузка с большей удельной поверхностью, чтобы увеличить поверхность контакта биопленки с жидкостью и повысить производительность сооружения.

Для более эффективного проведения процесса очистки барабаны биоконтакторов установлены с возможностью разного их заглубления в жидкость, так, в секции денитрификации 4 и аноксидной зоне 5 они заглублены полностью под уровень очищаемых вод, так как в этих зонах не требуется аэрация загрузки. В секциях окисления 6 и нитрификации 7, где необходима аэрация загрузки, барабаны биоконтакторов заглублены частично (в секции окисления - на 20-50%, а в секции нитрификации - на 40-60%), а незатопленная часть загрузки аэрируется (фиг.4). Барабаны биоконтакторов 4, 5, 6 и 7 выполнены также с возможностью изменять скорость их вращения, в частности, повышение скорости вращения биоконтакторов в анаэробных зонах позволяет интенсивнее смывать с загрузки отмирающую биопленку, а в аэробных зонах - повышать интенсивность аэрации в соответствии с процессом очистки.

Гальванокоагулятор 8 выполнен в виде вращающегося барабана, оборудованного внутренними перегородками, с загрузкой в виде гальванической пары двух металлов или металла и графита, в частности, загрузка барабанного вращающегося гальванокоагулятора может быть выполнена из железной стружки и антрацита (фиг.2). Применение гальванокоагуляции вместо реагентной коагуляции позволяет проводить очистку воды без применения специальных реагентов (коагулянтов).

Расположение гальванокоагулятора 8 между биоконтакторами 4, 5, 6, 7 и блоком доочистки 9, 10, 11 в предлагаемом комплексе позволяет уменьшить вынос металла (железа) для достижения требуемого эффекта очистки по фосфатам и органическим веществам, уменьшить объемы сооружений и специальных устройств и тем самым уменьшить эксплуатационные затраты на обслуживание установки. Перегородки в гальванокоагуляторе 8 при его вращении служат для перемешивания загрузки с целью ее активации.

В зонах фильтрования 9 и сорбции 10 комплекса осуществляется глубокая доочистка сточных вод от взвесей, растворенной органики, биогенных элементов, нефтепродуктов, ПАВ и других загрязнений, что позволяет достигать высокого качества очищенной воды, позволяющей сбрасывать ее в рыбохозяйственные водоемы, использовать повторно в промышленности или для орошения.

Размещение гальванокоагулятора 8, фильтра с плавающей загрузкой 9, сорбционного фильтра 10 и узла обеззараживания в одном блоке позволяет существенно уменьшить протяженность коммуникаций по подаче и отводу очищаемой воды на каждую стадию обработки, сокращает количество распределительных и сборных устройств, снижает объем нерабочих (застойных и водоворотных) зон, уменьшает стоимость установки, упрощает ее эксплуатацию. Данный комплекс был разработан, собран и испытан на Волгоградском заводе оросительной техники. Экспериментальным путем была установлена оптимальная глубина погружения биоконтакторов в секциях денитрификации, окисления и нитрификации. Более высокие показатели по производительности комплекса и качеству очистки были получены, если:

барабаны биоконтакторов в секции денитрификации заглублены полностью,

барабаны биоконтакторов в секции окисления заглублены на (20-50)%,

барабаны биоконтакторов в секции нитрификации заглублены на (40-60)%.

Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты испытаний комплекса на бытовых сточных водах Показатели Средние концентрации загрязнений, мг/л Исходные сточные воды Очищенные сточные воды Взвешенные вещества 320 3,0 БПК₅ 210 3,0 ХПК 380 10,0 Азот аммонийный 16 0,5 Азот общий 42 4,8 Фосфор общий 3,2 0,62 Нефтепродукты 0,4 0,05 ПАВ 8 0,0

Испытания экспериментальной установки в производственном масштабе показали, что глубина очистки сточных вод по БПК, СПАВ, нефтепродуктам, азоту и фосфору увеличивается на 15-40%, качество очищенных сточных вод отвечает самым высоким требованиям, одновременно сокращается объем сооружений на 15-20% и протяженность коммуникаций. Повышается надежность работы установки, отпадает необходимость в воздуходувках и затратах электроэнергии на подачу воздуха. Производственный цикл установки не нарушается при перерывах в электроснабжении. Очищенная вода после обработки на установке может быть использована для орошения сельскохозяйственных полей или сброшена в водоемы любой категории.

Таким образом, предложенный комплекс позволяет достигать нормативного качества очищенных сточных вод для сброса их в рыбохозяйственные водоемы или использовать повторно в промышленности и для орошения.

Из вышесказанного следует, что изготовление данного комплекса промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Заявитель просит рассмотреть представленные материалы на предмет выдачи патента на изобретение.

Изобретение относится к очистке бытовых и близких к ним по составу промышленных сточных вод и может быть использовано в небольших населенных пунктах и отдельно расположенных объектах. Комплекс для очистки и доочистки сточных вод выполнен в виде транспортируемого контейнера и включает разделенный перегородками на секции и отсеки резервуар, содержащий зону отстаивания, биореакторы с загрузкой для удержания биопленки, выполненные в виде биоконтакторов, и вращающиеся гальванокоагуляторы, загрузка которых выполнена в виде гальванической пары. Биоконтакторы представляют собой вращающиеся барабаны с загрузкой, которые установлены с возможностью их погружения в очищаемые сточные воды, причем барабаны биоконтакторов в секции денитрификации заглублены полностью, в секции окисления - на 20-50%, а в секции нитрификации - на 40-60%. В отсеке вторичного отстаивания комплекса размещен фильтр с плавающей загрузкой, а в выходном отсеке комплекса размещены сорбционный фильтр и блок обеззараживания очищенной воды. Изобретение позволяет повысить качество очистки сточных вод и производительность установки, упростить конструкцию комплекса и повысить его надежность, а также сократить объем сооружений и протяженность коммуникаций. 9 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Комплекс для очистки и доочистки сточных вод, включающий разделенный перегородками на секции и отсеки резервуар, содержащий зону отстаивания, биореакторы с загрузкой для удержания биопленки, гальванокоагуляторы, загрузка которых выполнена в виде гальванической пары, отличающийся тем, что он выполнен в виде транспортируемого контейнера, помещенные в него биореакторы выполнены в виде биоконтакторов, представляющих собой вращающиеся барабаны с загрузкой, которые установлены с возможностью их погружения в очищаемые сточные воды, гальванокоагуляторы выполнены вращающимися, в отсеке вторичного отстаивания размещен фильтр с плавающей загрузкой, а в выходном отсеке комплекса размещены сорбционный фильтр и блок обеззараживания очищенной воды, при этом барабаны биоконтакторов в секции денитрификации заглублены полностью, в секции окисления - на 20-50%, а в секции нитрификации -на 40-60%.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что барабаны биоконтакторов вращаются с различной скоростью.

3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что загрузка вращающихся биоконтакторов выполнена в виде насыпных элементов.

4. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что загрузка гальванокоагулятора выполнена в виде гальванической пары из двух металлов.

5. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что загрузка гальванокоагулятора выполнена в виде гальванической пары из металла и угля.

6. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что блок для обеззараживания очищенной воды выполнен в виде узла ультрафиолетового излучения.

7. Комплекс по п.3, отличающийся тем, что элементы загрузки биоконтакторов могут быть выполнены в виде гладких или гофрированных цилиндров.

8. Комплекс по п.3, отличающийся тем, что элементы загрузки биоконтакторов могут быть выполнены из полимерного материала.

9. Комплекс по п.3, отличающийся тем, что элементы загрузки могут быть с нулевой плавучестью.

10. Комплекс по п.3, отличающийся тем, что элементы загрузки изменяют свою пористость и удельную поверхность по ходу очистки сточных вод.