Система утилизации сточных вод четвертой группы примесей животноводческих комплексов Российский патент 2020 года по МПК C02F9/06 C02F1/461 C02F103/20 C01B3/02 F24D10/00 

Предлагаемое изобретение относится к области утилизации сточных вод путем воздействия электрического тока и использования их для отопления производственных помещений животноводческого комплекса.

Производство сельскохозяйственной продукции на промышленной основе обуславливает выход огромных масс навозосодержащих стоков. Широкий спектр загрязнений по химическому и дисперсному составу промышленных, городских бытовых сточных вод, а в особенности стоков животноводческих комплексов, требует разработки сложных технологических линий их переработки и очистки, строительства дорогих очистных сооружений.

Существует классификация примесей как по химическому, так и по дисперсному составу. По этому признаку все примеси природных и сточных вод делятся на четыре группы. Грубые примеси, взвешенные вещества первой группы выделяются механическим способом и средствами. Примеси второй группы и частично третьей (запах, цвет, растворенная молекулярная органика) выделяют методом коагуляции и флотации, биохимическим способом. Выделение примесей второй группы с помощью ультрацентрифуг, сепараторов, химической и электрической коагуляции наиболее выгодно, так как загрязнения полностью исключаются из технологии очистки, в то время как биологический метод способствует повышению содержания концентрации солей за счет минерализации органики микроорганизмами.

На большинстве действующих очистных сооружений при животноводческих комплексах переработку навозосодержащих стоков осуществляют следующим образом. Жидкий навоз влажностью 98…98,5% из навозоприемников насосами подают в цех механического разделения, где на динамических виброфильтрах подвергают разделению на твердую и жидкую фракции. Эффективность выделения взвешенных веществ виброситом составляет 35-40%. Твердая фракция влажностью 85-87% транспортерами подается в бункер дозатор, где дополнительно обезвоживается до влажности 78-80%, а затем складируется в бурты для биотермического обеззараживания. Жидкая фракция поступает в первичные вертикальные отстойники. Содержание взвешенных веществ в жидкости после первичных отстойников составляет 1,5-3,0 кг/м³. Осветленную в отстойниках жидкость направляют на многоступенчатую биологическую очистку в аэротенках с механической аэрацией. Из аэротенков первой ступени жидкость поступает во вторичные отстойники для осаждения избыточного активного ила, а затем в аэротенки второй ступени с пневматической аэрацией. Из аэротенков второй ступени осветленную жидкость направляют в отстойник. После хлорирования жидкость подается в биологические пруды-накопители для доочистки в естественных условиях, а затем используется в качестве удобрительного полива или сбрасывается в открытые водоемы. Осадок из отстойников и избыточный активный ил из аэротенков первой и второй ступеней направляется на иловые площадки, или выводится на поля под запашку, или в полевые илонакопители. Из практики эксплуатации очистных сооружений известно, что качество очищенной воды по основным показателям ниже проектного. Эта вода относится к четвертой группе примесей. Показатели жидкости после полной очистки приблизительно на 2 порядка ниже показателей, требуемых при сбросе в открытые водоемы. (В.Н. Афанасьев. «Система разделения навоза на свинокомплексах». - Техника в сельском хозяйстве, 1981, №1, стр. 21-22).

На примеси четвертой группы до сих пор почти не обращали внимания. В водоемы, в которые сбрасываются идеально, с нынешней точки зрения, очищенные сточные воды, относящиеся к четвертой группе примесей, насыщены солями - стимуляторами роста водорослей, которые в свою очередь лишают воду кислорода и способности к самоочищению. Накопление солей, растворимых нитратов, фосфатов и сульфатов стало причиной эвтрофии многих водоемов.

Основным недостатком существующих систем очистки сточных вод на животноводческих комплексах состоит в отсутствии эффективной системы утилизации сточных вод четвертой группы примесей.

Биохимический способ не может обеспечить качество очистки сточных вод до норм сброса в открытые водоемы.

Очистка воды электролизом представляет собой физико-химический процесс. Он заключается в выделении на электродах различных составных частей веществ, растворенных в воде. Процедура очистки воды электролизом возникает при пропускании через раствор или расплав электролита электрического разряда. Суть процесса в следующем: в электрическом поле, созданном соединенными с источником электрической энергии электродами, возникает упорядоченное движение ионов. Для возникновения процесса необходимо лишь поместить устройство в проводящую жидкость - воду. Электролиз воды - это сложный электролитический процесс доочистки водопроводной воды, при котором с помощью электрического тока вода распадается на составляющие - кислород и водород, иногда для этого процесса используется шестивольтная батарея. Ячейка электролиза состоит из двух электродов. Их присоединяют к противоположным полюсам источника электрической энергии.

Широкое применение процесса электролиза очистки воды обусловлено его эффективностью. Результатом такой водоподготовки является разрушение органических веществ в воде и извлечение металлов, кислот, неорганических веществ и примесей. Электролитическая очистка осуществляется с помощью специальных устройств - электролизеров.

Поскольку очистка воды электролизом основана на способности веществ распадаться под действием электрического тока, то использование этого метода имеет ряд преимуществ, главное из которых - высокая степень очистки, позволяющая передавать очищенную воду на коммунальные сооружения, также следует отметить, что вещества (СО₂, Н₂, О₂), образующиеся при распаде воды, оказывают гораздо меньшее воздействие на окружающую среду, чем содержащиеся в исходной воде. К недостаткам этого метода можно отнести повышенный расход электроэнергии. В настоящее время установки для очистки воды электролизом разрабатываются повсеместно, ведутся исследования этого перспективного метода, который в дальнейшем позволит устранить ряд важных проблем, связанных со здоровьем человека и защитой окружающей среды. (https://www.bwt.ru/useful-info/697/).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является система утилизации сточных вод четвертой группы примесей животноводческих комплексов, раскрытая в источнике: Неверова О.П. и др., Современные методы утилизации навозосодержащих и сточных вод, Аграрный вестник Урала, 2015, N1(131), с. 86-89.

Технический результат изобретения заключается в снижении количества сбрасываемых сточных вод четвертой группы примесей животноводческих комплексов за счет использования этих вод в качестве электролита для производства водорода, улучшением экологии окружающей среды, экономия затрат на обогрев производственных помещений животноводческих комплексов за счет произведенного электролизером водорода, используемого в качестве высокопотенциального топлива для нагрева теплоносителя.

Указанный технический результат достигается тем, что система утилизации сточных вод четвертой группы примесей животноводческих комплексов содержит накопитель сточной воды, прошедшей этап полной очистки и содержащей примеси четвертой группы, фильтр-прессный электролизер с биполярным подключением электродов, соединенный с накопителем сточной воды и выполненный с возможностью работы при атмосферном давлении, при этом электролитом в электролизере является часть сточных вод четвертой группы примесей из накопителя сточной воды, электролизер также соединен с отопительным котлом, оборудованным форсунками и соединенным с системой отопления производственных помещений животноводческого комплекса.

Отличие заявляемой системы от прототипа заключается в том, что она содержит электролизер, накопитель сточной воды, прошедшей этап полной очистки, относящейся к четвертой группе примесей. Кроме того, отличием заявляемой системы является использование фильтр-прессного электролизера с биполярным подключением электродов для работы при атмосферном давлении, при этом электролитом в электролизере является часть четвертой группы примесей сточных вод, электролизер соединен с отопительным котлом, оборудованным форсунками, на выходе которых полученный с помощью электролизера водород путем воспламенения нагревает теплоноситель, отапливающий производственные помещения животноводческого комплекса.

Использование в заявляемой системе электролизера и в качестве электролита части объема сточных вод четвертой группы примесей позволяет снизить количество сбрасываемых сточных вод в открытые водоемы, улучшить экологию окружающей среды. Использование фильтрпресного электролизера обеспечивает выход большого объема водорода, что позволяет использовать полученный водород для нагрева теплоносителя в отопительном котле, идущего на отопительные системы помещений животноводческого комплекса. Таким образом, объем производимого электролизером водорода достаточен для нагрева теплоносителя в котле.

В заявляемой системе утилизации сточных вод четвертой группы примесей животноводческих комплексов используют электролизер ФВ, относящийся к фильтр-прессным электролизерам с биполярным подключением электродов для работы при атмосферном давлении. Электролизеры ФВ рассчитаны на работу при атмосферном давлении, могут иметь различное количество ячеек - от 20-25 до 160-170, в зависимости от необходимости производства нужного количества водорода.

Электролизер ФВ способен произвести большие объемы водорода. В известных электролизерах дистиллированная вода является сырьем для получения водорода при электролизе воды. В качестве электролита при производстве водорода и кислорода используется едкий натрий (NaOH) или едкий калий (КОН). При этом электролит готовят растворением химически чистого едкого калия в дистиллированной воде в таком количестве, чтобы его хватило для заполнения электролизера. Едкий натрий в процессе электролиза воды практически не расходуется, и его концентрация обуславливается уносом электролита отводимым водородом и кислородом. Пополнение электролитом производится периодически при снижении концентрации электролита в электролизере. (Л.М. Якименко «Электролиз воды» 1970 г. стр. 196-197).

Стоит заметить, что соли аммония (соли NH4) довольно хорошо растворяются в воде и обладают хорошими электролитическими свойствами. Такими свойствами обладает четвертая группа примесей сточных вод животноводческих комплексов. Исходя из этого было предложено использовать в качестве электролита сточные воды четвертой группы примесей, хотя сточные воды с такими характеристиками подлежат сбросу в открытые водоемы, не смотря на несоответствие санитарным нормам, принятым Минздравом РФ. В ходе экспериментальных исследований было обнаружено, что сточные воды четвертой группы примесей являются хорошим электролитом для их использования в электролизере.

Водород считается одним из наиболее перспективных топлив как эффективный и экологически чистый энергоноситель. С практической точки зрения горение водорода связано с его использованием в энергетических установках и топливных элементах и безопасностью соответствующих технологических процессов и устройств. Удельная теплота сгорания водорода составляет примерно 140 МДж/кг, что в несколько раз превышает удельную теплоту сгорания углеводородного топлива (для метана - около 50 МДж/кг).

Таким образом, именно заявляемая совокупность отличительных признаков предлагаемого изобретения дает достижение технического результата, заключающегося в снижении количества сбрасываемых сточных вод животноводческих комплексов за счет использования этих вод в качестве электролита для производства водорода, экономии затрат на обогрев производственных помещений животноводческих комплексов за счет произведенного электролизером водорода, используемого в дальнейшем в качестве топлива для нагрева теплоносителя. Мощность электролизера по выделению водорода рассчитывают в зависимости от потребностей животноводческого комплекса в площадях отапливаемых помещений и от объемов сточных вод четвертой группы примесей, образующихся в результате деятельности этого комплекса.

На фиг. схематически представлена заявляемая система. Предлагаемая система утилизации сточных вод четвертой группы примесей животноводческих комплексов содержит накопитель 1 сточной воды, прошедшей этап полной очистки, относящейся к четвертой группе примесей. Накопитель 1 соединен с фильтр-прессным электролизером 2 с биполярным подключением электродов для работы при атмосферном давлении. Электролитом в электролизере 2 является часть объема сточных вод четвертой группы примесей из накопителя 1. Электролизер 2 соединен с отопительным котлом 3, оборудованным форсунками, к которым подключены патрубки вывода водорода. Котел 3 соединен с системой отопления 4 производственных помещений животноводческого комплекса.

Заявляемая система утилизации сточных вод четвертой группы примесей животноводческих комплексов работает следующим образом.

Из накопителя 1 для сточных вод среду по патрубкам подают в электролизер 2. С помощью воздействия электрического тока в электролизере 2 обрабатываемая среда разлагается на водород и кислород.

Полученный водород по патрубкам подают в отопительный котел 3, оборудованный форсунками, к которым подключены патрубки вывода водорода из электролизера. На выходе из форсунок водород путем воспламенения нагревает теплоноситель, который поступает в систему отопления 4 производственных помещений животноводческого комплекса.

Изобретение относится к системам утилизации сточных вод на животноводческих комплексах. Система утилизации сточных вод четвертой группы примесей животноводческих комплексов содержит накопитель (1) сточной воды, прошедшей этап полной очистки и содержащей примеси четвертой группы. Накопитель (1) соединен с фильтр-прессным электролизером (2) с биполярным подключением электродов, выполненным с возможностью работы при атмосферном давлении. Электролитом в фильтр-прессном электролизере (2) является часть объема сточных вод из накопителя (1). Фильтр-прессный электролизер (2) соединен с отопительным котлом (3), оборудованным форсунками. Отопительный котел (3) соединен системой отопления (4) производственных помещений животноводческого комплекса. Изобретение позволяет снизить количество сбрасываемых сточных вод четвертой группы примесей животноводческих комплексов, улучшить экологию, снизить затраты на обогрев производственных помещений животноводческих комплексов. 1 ил.

Система утилизации сточных вод четвертой группы примесей животноводческих комплексов, отличающаяся тем, что содержит накопитель сточной воды, прошедшей этап полной очистки и содержащей примеси четвертой группы, фильтр-прессный электролизер с биполярным подключением электродов, соединенный с накопителем сточной воды и выполненный с возможностью работы при атмосферном давлении, при этом электролитом в электролизере является часть сточных вод четвертой группы примесей из накопителя сточной воды, электролизер также соединен с отопительным котлом, оборудованным форсунками и соединенным с системой отопления производственных помещений животноводческого комплекса.