ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ СЕРОВОДОРОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК C02F3/02 C02F3/34 C02F101/10 C02F103/06 

Группа изобретений относится к области биологической очистки подземных вод от сероводорода в системах водоподготовки питьевых вод, поступающих из подземного водоисточника, для приведения ее качества в соответствие с нормативными требованиями. Область применения: сооружения или установки водоподготовки для нужд коммунального хозяйства, практически все отрасли промышленности.

Известен способ биохимической очистки подземных вод в аэроокислителе, представляющем собой вентилируемый биофильтр с незатопленной шлаковой загрузкой, в котором реализуются процессы: десорбции сероводорода выдуванием, химического окисления сероводорода кислородом воздуха, микробиологического окисления сероводорода, образующейся на загрузке биопленкой серобактерий [1]. Недостатком известного способа является протекание параллельно с биохимическим процессом ряда физико-химических процессов, в результате которых происходит значительный выброс сероводорода в окружающую среду и образование в очищаемой воде трудно удаляемой коллоидной серы, придающей воде мутность и опалесценцию. Поэтому, после аэроокислителя, воду необходимо доочищать с применением коагулянтов, флокулянтов, процессов осветления и фильтрования. Вследствие нарушения сульфид-карбонатного равновесия при десорбции сероводорода и углекислоты происходит зарастание загрузки аэроокислителя карбонатом кальция и серой [2].

Наиболее близким аналогом и прототипом является устройство для осуществления способа удаления сероводорода из подземных вод с использованием аэрируемого биореактора путем пропускания воды снизу-вверх через затопленную загрузку и барботирования воздухом, подаваемым под загрузку [3]. На загрузке биореактора, состоящей из слоя щебня или гравия крупностью 10-30 мм и высотой 1.0 м, развиваются микроорганизмы, окисляющие сероводород до серы и сульфатов. Недостатком устройства является его одноступенчатая конструкция с применением исключительно биореактора с восходящим аэрируемым потоком очищаемой воды, что не обеспечивает ее качества в соответствие с нормативными требованиями. Кроме того, существенный недостаток прототипа - его конструктивное решение, в котором широко использованы железобетонные конструкции, подверженные коррозии в связи с агрессивным воздействием сероводорода.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является способ удаления сероводорода из подземных вод, включающий их биологическую обработку в аэробных условиях в биореакторе с помощью серобактерий, прикрепленных к твердому, затопленному в воде носителю, после чего вода подвергается коагуляции с последующим осаждением в отстойнике избыточной биомассы и частично коллоидной серы. Заключительное осветление воды производится путем удаления коллоидной серы в скорых фильтрах и путем окончательного удаления сероводорода посредством хлорирования [4]. Существенным недостатком этого способа является необходимость применения химических реагентов (коагулянтов и окислителей) для удаления коллоидной серы и остаточных концентраций сероводорода и, как следствие, высокая себестоимость очистки воды.

Решаемая задача - обеспечение биологической очистки подземных вод от сероводорода в системах водоподготовки питьевых вод, поступающих из подземного водоисточника, для приведения ее качества в соответствие с нормативными требованиями безреагентными методами с одновременным сокращением выброса сероводорода в окружающую среду и удешевлением способа очистки.

Задача решается за счет того, что исходную воду при аэрации насыщают кислородом воздуха только до уровня, обеспечивающего достаточные аэробные условия протекания биохимических процессов, а биохимическое окисление сероводорода осуществляют бесцветные серобактерии в две ступени, сначала в биореакторе с накоплением образующейся элементарной серы внутри микробных клеток, затем в фильтре-биосорбере с окислением внутриклеточной серы до серной кислоты в предложенной установке, конструктивное исполнение которой обеспечивает двухступенчатый процесс очистки и не предполагает использование железобетонных конструкций, а все элементы выполнены из полимерных конструктивных материалов, инертных к воздействию сероводорода и обладающих антикоррозионными свойствами.

В основу предлагаемого способа положено предположение о том, что предотвращение образования коллоидной серы может быть достигнуто при минимальном уровне аэрации обрабатываемой воды, обеспечивающем только достаточные аэробные условия протекания биохимических процессов, а окисление сероводорода осуществляется бесцветными серобактериями, фиксирующими образовавшуюся элементарную серу внутри микробных клеток, что исключает необходимость применения химических реагентов для удаления коллоидной серы, снижает себестоимость очистки воды и минимизирует выбросы сероводорода в окружающую среду. Полнота удаления сероводорода обеспечивается реализацией двухступенчатого биохимического процесса его окисления:

Известно около 50 видов бесцветных серобактерий, принадлежащих к 8 родам. В одну группу они объединены на основании одного основного принципа - способности к накоплению внутри клеток глобул элементарной серы. Этот процесс протекает на первой стадии окисления. Во второй стадии, при недостатке сероводорода, серобактерии начинают окислять внутриклеточную серу до серной кислоты. Количество потребляемого кислорода зависит от концентрации сероводорода.

Предлагаемая группа изобретений позволяет получить следующий технический результат: безреагентное удаление сероводорода из подземных вод до норм, предъявляемых к качеству питьевых вод при одновременном сокращении вредных выбросов в окружающую среду и снижении себестоимости очистки.

Технический результат в предлагаемом способе очистки подземных вод от сероводорода и его производных достигается тем, что исходная вода насыщается кислородом воздуха только до уровня, обеспечивающего достаточные аэробные условия протекания биохимических процессов, а биохимическое окисление сероводорода осуществляют в две ступени с помощью бесцветных серобактерий.

На рисунке представлена конструктивная схема установки для осуществления предлагаемого способа очистки подземных вод от сероводорода, включающей: биореактор 1 с затопленной пластмассовой загрузкой 2, устройством для подачи и регулируемой аэрацией исходной воды (аэратором) 3, зоной накопления и уплотнения осадка 4, автоматическим клапаном 5, промежуточный бачок 6 и фильтр-биосорбер 7 со слоем неоднородной полимерной плавающей гранулированной загрузки 8, надфильтровом пространством 9 и клапаном 10.

Реализация заявленного способа в предложенном устройстве происходит следующим образом. На первой ступени очищаемая вода подается в верхнюю зону биореактора 1, через аэратор 3, обеспечивающий только создание достаточных аэробных условий протекания последующих биохимических процессов с концентрацией растворенного кислорода не более 50% его растворимости. Это практически предотвращает физико-химическое окисление сероводорода и образование трудноудаляемой коллоидной серы, минимизирует его отдувку и загрязнение воздушной среды. При пропускании с гидравлической нагрузкой 4,0-4,5 м³/ч на м² поверхности биореактора обрабатываемой воды, содержащей сероводород, гидросульфиды и растворенный кислород через затопленную загрузку 2, имеющую удельную поверхность не менее 150-200 м²/м³ и высоту не менее 1,5-2,0 м, в направлении сверху вниз на ее поверхности развиваются бесцветные серобактерии, способные окислять сероводород до элементарной серы, накапливая ее в протоплазме микробных клеток (формула 1).

Избыточная биомасса, образующаяся в результате жизнедеятельности бактерий, нисходящим потоком выносится из зоны загрузки 2, частично осаждается и накапливается в зоне накопления и уплотнения осадка 4, и периодически выводится из биореактора через автоматический клапан 5. Частично очищенная в биореакторе вода через промежуточный бачок 6 подается на вторую ступень биохимической очистки, состоящей из фильтра-биосорбера 7. Вода в направлении снизу вверх фильтруется через слой неоднородной полимерной плавающей гранулированной загрузки 8 с диаметром гранул 0,8-2,5 мм и высотой 1,0-1,5 м со скоростью фильтрования 4,0-4,5 м/ч. Выносимая часть биомассы способствует развитию бесцветных серобактерий на загрузке фильтра-биосорбера 7, биосорбции и доокислении остаточных концентраций сероводорода. В связи с тем, что основная масса сероводорода удаляется в биореакторе 1, в фильтре-биосорбере 7 наблюдается недостаток питания и происходит окисление внутриклеточной серы до серной кислоты (формула 2). Этот процесс сопровождается дальнейшим потреблением кислорода, который при необходимости дополнительно вводится перед фильтром-биосорбером 7 аэрацией поступающей воды в бачке 6, и некоторым снижением pH в связи с образование серной кислоты. Очищенная вода накапливается в надфильтровом пространстве 9 и отводится в резервуары. Промывка фильтра биосорбера производится очищенной водой, накапливаемой в надфильтровом пространстве путем открывания клапана 10. При этом отпадает необходимость в использовании промывных насосов и резервуаров, что сокращает капитальные и эксплуатационные затраты, тем самым удешевляет процесс очистки.

Важной особенностью серобактерий является образование ими значительных количеств перекиси водорода - H₂O₂, являющейся сильным окислителем. В этих условиях роль восстановленных соединений серы заключается в детоксикации продуктов кислородного метаболизма и предотвращении их ингибирующего и летального воздействия на клетки бесцветных серобактерий. Это способствует существенному повышению окислительно-восстановительного потенциала и скорости биохимического окисления сероводорода, а фиксация образовавшейся элементарной серы внутри микробных клеток предотвращает появление коллоидной серы в обрабатываемой воде.

Стационарность процесса биохимического окисления сероводорода в биореакторе обеспечивается балансом питательных веществ в поступающей воде и биомассой серобактерий, удерживаемых на поверхности загрузки 2. Процесс биосорбции и фильтрования обеспечивает дальнейшее снижение концентраций сероводорода, гидросульфидов и их производных до нормативных требований, а окисление внутриклеточной серы до сульфатов предотвращает образование коллоидной серы и необходимость применения химических реагентов для ее удаления.

Технический результат в предлагаемом устройстве для очистки подземных вод от сероводорода достигается тем, что в сравнении с прототипом конструкция биореактора, осуществляющего очистку на первой ступени, дополнена фильтром-биосорбером, обеспечивающим очистку на второй ступени процесса, конструктивное исполнение устройства не предполагает использование железобетонных конструкций, а все элементы выполнены из полимерных конструктивных материалов, инертных к воздействию сероводорода и обладающих антикоррозионными свойствами.

Возможность осуществления группы изобретений с достижением технического результата подтверждается результатами полномасштабных лабораторных и полупроизводственных технологических изысканий, выполненных на реальной воде одного из подземных источников.

Для осуществления заявленного способа и устройства для очистки подземных вод от сероводорода была разработана и изготовлена пилотная установка в соответствии с технологической и конструктивной схемой, приведенной на рисунке. Все параметры загрузок и фильтрующих материалов, включая их размеры и высоту, соответствовали описанию и производственным образцам. Производительность установки - до 10 м³/сут. Установка была подключена непосредственно к действующей скважине и работала непрерывно более двух месяцев. В период испытаний изменялись гидравлические нагрузки и условия аэрации с ежедневным отбором и анализом проб. Каждый режим отрабатывался до стабилизации показателей в течение не менее 5-7 суток. Результаты испытаний приведены в таблице.

Полученные результаты подтверждают возможность осуществления группы изобретений с достижением технического результата при заявленных технологических и конструктивных параметрах предложенного способа и устройства. При уровне аэрации обрабатываемой воды, обеспечивающей ее насыщение кислородом не более 50% его растворимости, предотвращается образование трудноудаляемой коллоидной серы, и создаются достаточные аэробные условия для развития бесцветных серобактерий и эффективного протекания биохимических процессов окисления сероводорода с накоплением образующейся элементарной серы внутри микробных клеток.

На первой ступени очистки в биореакторе при гидравлической нагрузке до 4,0-4,5 м³/м²·ч, обеспечивается удаление не менее 90-95% сероводорода. Однако даже при минимальных нагрузках его остаточная концентрация существенно превышает нормы, установленные для питьевой воды. В биореакторе, при отсутствии интенсивной аэрации, существенно увеличивается значение окислительно-восстановительного потенциала (на 250-330 мВ), что является следствием развития серобактерий и подтверждением перекисного механизма биохимического окисления сероводорода. С увеличением нагрузки эффективность этих процессов снижается.

На второй ступени очистки в фильтре-биосорбере при скорости фильтрования до 4,0-4,5 м/ч (гидравлической нагрузке до 4,0-4,5 м³/м²·ч) обеспечивается дальнейшее снижение концентрации сероводорода до значений, ниже нормируемых для питьевой воды. При этом происходит некоторое снижение pH (на 0,1-0,2 единицы), что свидетельствует о протекании процессов биохимического окисления внутриклеточной серы до серной кислоты. С увеличением нагрузки прирост величины окислительно-восстановительного потенциала возрастает, однако, его абсолютное значение снижается, что приводит к увеличению остаточного содержания сероводорода в очищаемой воде.

Таким образом, совокупность таких факторов как: низкоинтенсивная аэрация исходной воды, обеспечивающая достаточные аэробные условия протекания биохимических процессов при концентрации растворенного кислорода не более 50% его растворимости, двухступенчатое биохимическое окисление сероводорода бесцветными серобактериями, осуществляемая в биореакторе и фильтре-биосорбере, использование затопленных пластмассовых загрузок с развитой поверхностью в биореакторе и неоднородных плавающих полимерных гранулированных загрузок в фильтре-биосорбере с заявленными параметрами, осуществление процесса в самотечном режиме в нисходящем потоке в биореакторе и восходящем потоке в фильтре-биосорбере с заявленными гидравлическими нагрузками, обеспечивает снижение концентрации сероводорода в подземных водах до нормативных требований без образования трудноудаляемой коллоидной серы. При этом исключается необходимость использования химических реагентов для ее удаления и доокисления сероводорода, снижается себестоимость очистки воды, сокращается загрязнение воздушной среды сероводородом, а также исключается воздействие агрессивной среды сероводорода на конструктивные элементы устройства.

Примечание: 1 - исходная вода из скважины;

2 - вода после очистки в биореакторе;

3 - очищенная вода после очистки в фильтре-биосорбере.

Условные обозначения:

pH - водородный показатель, ед;

Eh - окислительно-восстановительный потенциал, мВ;

О₂ - концентрация растворенного кислорода, мг/дм³;

H₂S - суммарная концентрация сероводорода, сульфидов и гидросульфидов, мг/дм³.

Источники информации

1. Линевич С.Н., Комплексная обработка и рациональное использование сероводородсодержащих природных и сточных вод. - М., Стройиздат, 1987, 87 с.(см. стр.26-27).

2. Золотова Е.Ф., Асе Г.Ю. Очистка воды от железа, марганца, фтора и сероводорода. - М., Стройиздат, 1975, 176 с. (см. стр.161-162).

3. Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды (к СНиП 2.04.02-84) (см. стр.68-71). - М., ЦИТП, 1989, 95 с.

4. Патент MD 2056, МПК C02F 3/00, 3/02.

Группа изобретений может быть использована в системах водоподготовки питьевых вод, поступающих из подземного водоисточника, для их биологической очистки от сероводорода. Способ очистки осуществляют в две ступени. Сначала в очищаемой воде обеспечивают создание аэробных условий, при этом исходную воду при аэрации насыщают кислородом воздуха с концентрацией растворенного кислорода не более 50% его растворимости. Биохимическое окисление осуществляют бесцветными серобактериями в две ступени. На первой ступени - в биореакторе с накоплением образующейся серы внутри микробных клеток, затем в фильтре - биосорбере с окислением внутриклеточной серы до серной кислоты. Устройство включает биореактор (1) и биосорбер (7). При этом биореактор (1) с затопленной пластмассовой загрузкой (2) в нисходящем потоке воды с гидравлической нагрузкой 4,0-4,5 м³/м²·ч, имеющий удельную поверхность не менее 150-200 м²/м³ и высоту не менее 1,5-2,0 м, оснащенный аэратором (3) с регулируемым уровнем аэрации исходной воды, осуществляет очистку на первой ступени. Биосорбер (7), оснащенный неоднородной полимерной плавающей гранулированной загрузкой (8) крупностью 0,8-2,5 мм и высотой 1,0-1,5 м при скорости фильтрования 4,0-4,5 м/ч, обеспечивает очистку на второй ступени. Очищенная вода с высоким качеством очистки накапливается в надфильтровом пространстве (9) и отводится в резервуары. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ биохимической очистки подземных вод от сероводорода, включающий предварительную аэрацию обрабатываемой воды и окисление сероводорода серобактериями с последующим фильтрованием, отличающийся тем, что исходную воду при аэрации насыщают кислородом воздуха с концентрацией растворенного кислорода не более 50% его растворимости, а биохимическое окисление сероводорода осуществляют бесцветные серобактерии в две ступени, сначала в биореакторе с накоплением образующейся элементарной серы внутри микробных клеток, затем в фильтре-биосорбере с окислением внутриклеточной серы до серной кислоты.

2. Устройство для очистки подземных вод от сероводорода, включающее биореактор с затопленной пластмассовой загрузкой, отличающееся тем, что биореактор в нисходящем потоке воды с гидравлической нагрузкой 4,0-4,5 м³/м²·ч на затопленной пластмассовой загрузке, имеющей удельную поверхность не менее 150-200 м²/м³ и высоту не менее 1,5-2,0 м, оснащенный устройством (аэратором) с регулируемым уровнем аэрации исходной воды, осуществляющий очистку на первой ступени, дополняют фильтром-биосорбером, оснащенным неоднородной полимерной плавающей гранулированной загрузкой крупностью 0,8-2,5 мм и высотой 1,0-1,5 м при скорости фильтрования 4,0-4,5 м/ч, обеспечивающим очистку на второй ступени процесса, конструктивное исполнение устройства предполагает использование элементов, выполненных из полимерных конструктивных материалов, инертных к воздействию сероводорода и обладающих антикоррозионными свойствами.