БИОРЕАКТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2021 года по МПК C02F3/08 

Настоящее изобретение относится к биореактору, содержащему емкость по меньшей мере с одним биореакторным отсеком, содержащим несущую среду, на поверхности которой может расти биопленка, средства подачи для подачи воды, подвергаемой очистке, в биореакторный отсек из первого продольного конца отсека, средства отвода, расположенные на втором противоположном продольном конце отсека, для отведения обработанной воды из отсека, средства подачи реакционного газа, необходимого для процесса очистки, в биореакторный отсек и средства перемешивания воды, подвергаемой очистке, путем вращательного движения внутри отсека.

При биологической очистке воды, такой как сточные воды, воду пропускают через реактор, в котором используют микроорганизмы для превращения примесей, содержащихся в воде, в безвредные конечные продукты, такие как углекислый газ, минеральные вещества и вода. В качестве субстрата для микроорганизмов используют, например, фрагменты несущей среды, на поверхности которых могут расти микроорганизмы в виде биопленки. При биологической очистке воды микроорганизмы также могут абсорбировать в себя, то есть в биомассу, бионеразлагаемые продукты, такие как тяжелые металлы. Очистку можно проводить как аэробно, так и анаэробно.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение биореактора, который особенно подходит для обработки оборотной воды, получаемой при разведении рыбы, посредством нитрификации и денитрификации. Цель состоит в удалении из воды соединений аммония и азота биологическим способом с помощью подходящих бактерий для превращения воды в подходящую среду обитания для рыб. Бактерии, очищающие воду, образуют колонии на поверхностях фрагментов несущей среды. Технология согласно настоящему изобретению также применима к другим процессам очистки воды, таким как очистка сточных вод.

Для обеспечения цели настоящего изобретения биореактор согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что в биореакторном отсеке размещают проходящую в его продольном направлении перфорированную трубу, которая находится на расстоянии от внутренних стенок биореакторного отсека, при этом в области входного конца указанной трубы находятся направляющие средства для направления воды, подвергаемой очистке, в пространство биореактора, находящееся снаружи трубы, из которого очищенная вода поступает в перфорированную трубу и выходит из нее через выпускное отверстие на выходном конце биореакторного отсека.

Предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Биореактор согласно настоящему изобретению состоит из резервуара, расположенного внутри емкости, и материала-носителя, состоящего из фрагментов несущей среды, находящихся внутри резервуара, а также различных элементов, с помощью которых можно регулировать проход воды, при этом указанные фрагменты несущей среды удерживают в резервуаре, чтобы их не унесло с потоком. Операция также включает аэрацию, посредством которой фрагменты несущей среды приводят в движение, при этом для нитрификации в процесс подают кислород.

Ниже настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

На фигуре 1 показано в целом схематическое изображение биореактора согласно настоящему изобретению, если смотреть с торца,

На фигуре 2 показано в целом схематическое изображение сверху одного из вариантов реализации биореактора согласно настоящему изобретению в виде варианта осуществления с двумя отсеками,

На фигуре 3 показано в целом схематическое изображение сверху одного из вариантов реализации биореактора согласно настоящему изобретению в виде варианта осуществления с тремя отсеками,

На фигуре 4 показано в целом схематическое изображение примера биореактора согласно настоящему изобретению, в котором обеспечен один отсек для процесса денитрификации, и

На фигуре 5 показан вид в разрезе отсека согласно фигуре 4.

Вариант реализации, показанный на указанных фигурах, включает емкость 1, которая имеет прямоугольное поперечное сечение и содержит нижнюю часть 8, боковые стенки 9 и торцевые стенки, между которыми образован резервуар. Резервуар предпочтительно закрыт крышкой 10. В резервуаре формируют по меньшей мере один биореакторный отсек, содержащий фрагменты несущей среды (не показаны), на которых может расти биопленка. В области верхней части биореакторного отсека расположены направляющие пластины 5, проходящие в продольном направлении емкости (перпендикулярно плоскости бумаги), при этом указанные направляющие пластины проходят по диагонали внутрь от боковых стенок 9 и вверх по направлению к крышке 10. Такие направляющие пластины 5 облегчают приведение воды внутри отсека во вращательное движение, при этом, например, поток воздуха из воздухопроводных труб 7 действует как движущая сила вращательного движения. В верхней части емкости находится воздушное пространство 6, в которое могут подниматься газы, содержащиеся в воде, и из которого их можно удалить, например, через выходные отверстия (не показаны), оборудованные в крышке 10.

Через резервуар установлена труба 4 таким образом, чтобы ее передний конец и задний конец были открыты у стенки резервуара или снаружи резервуара. Труба 4 частично или полностью перфорирована. На переднем конце, где вода, подвергаемая очистке, выходит из трубы, перфорационные отверстия покрывают по меньшей мере 50% площади окружности трубы. Перфорационные отверстия имеют такие размеры, чтобы фрагменты несущей среды не могли перемещаться внутри трубы. Для более равномерного распределения потока воды в резервуаре в этом месте допускается закупорка. Диаметр трубы выбирают в соответствии с разными целями. Внутри трубы 4 может находиться другая труба с цельной поверхностью (не показана) для направления потоков. Внутри трубы 4 расположен замыкающий диск 13a-13c в месте, перед которым вода должна проходить через перфорационные отверстия в направлении потока от внутренней части трубы к внешней части трубы. Цель состоит в том, чтобы заставить воду, подвергаемую обработке, протекать как можно более равномерно по всей массе несущей среды, благодаря чему можно оптимально использовать способность к биологической активности. На замыкающем диске 13a-13c, расположенном снаружи трубы 4, находится направляющая пластина 2a-2c типа перегородки, которая заставляет воду проходить через проточное отверстие 14, находящееся между самыми дальними от середины краями направляющей пластины 2a-2c, как видно в поперечном сечении реактора, и боковыми стенками 8, 9 емкости, что способствует использованию всей несущей среды.

На фигурах 2 и 3 показан биореактор с двумя отсеками и, соответственно, с тремя отсеками, в котором резервуар разделен на части с помощью перегородок 3a, 3b, через которые проходит труба 4, таким образом, чтобы одинаковые реакторные отсеки следовали друг за другом последовательно, при необходимости, и в требуемом количестве.

Перфорированная труба 4, расположенная между торцевыми стенками 11 и 12 емкости 1, предпочтительно проходит по всей длине емкости. Между замыкающим диском 13а внутри трубы 4 и первой перегородкой 3а вода проходит обратно внутрь трубы 4 через перфорационные отверстия в трубе и продолжает перемещаться дальше к другой стороне перегородки 3а, где повторяется та же процедура прохождения, когда направляющая пластина 2b направляет поток воды вокруг трубы 4. Эта же процедура повторяется после следующей перегородки 3b в варианте реализации, показанном на фигуре 3, где имеются три биореакторный отсека. Замыкающий диск 13a-13c также может иметь отверстие или его можно повернуть таким образом, чтобы часть потока или весь поток проходил через реакторный отсек. Замыкающий диск 13а-13с также может быть выполнен в виде клапанных средств, с помощью которых вода, подвергаемая очистке, при необходимости, может быть направлена внутрь перфорированной трубы 4 и, таким образом, может проходить через требуемый биореакторный отсек.

Цель состоит в как можно более полном заполнении резервуара фрагментами несущей среды для увеличения производительности основной области. Фрагменты несущей среды образуют слой, который вращается под действием аэрации таким образом, что указанный слой циркулирует вокруг перфорированной трубы 4, или воду хорошо перемешивают другим способом. Аэрационные трубы 7 расположены от поверхности воды на максимальной глубине 1,5 метра, при этом воздух выдувают таким образом, чтобы обеспечить требуемое перемещение слоя несущей среды. Продувка на чрезмерной глубине может привести к опасному перенасыщению газообразным азотом. Вращение можно облегчить, например, с помощью направляющих пластин 5, установленных под углом 45 градусов и расположенных в направлении потока таким образом, чтобы воображаемый круг вращения проходил в верхней части слоя, или другим способом, улучшающим указанную операцию. Воздухопроводные трубы 7 расположены на боковой поверхности резервуара рядом с наружной стенкой 9, так что выходящий из них воздух поднимает слой несущей среды вверх с одной стороны слоя, если целью является вращение слоя несущей среды. При применении процесса нитрификации (или денитрификации) в рыбоводческих хозяйствах, использующих рециркуляцию, воду аэрируют для того, чтобы иметь возможность выдувать из воды углекислый газ. В этом смысле применение воздуха не приводит к повышению необходимых затрат. Позволяя большей части потока проходить через любой из отсеков и периодически или непрерывно используя указанную процедуру в качестве денитрификации, обработанную таким образом воду можно затем снова направить через следующий отсек для нитрификации, что, таким образом, позволяет избежать любых внезапных проблем, вызванных реверсированием реактора.

Биореакторы с открытым резервуаром используют разные операторы, при этом в обычных биореакторах, например, реакторах с подвижным слоем, часто используют слои несущей среды с толщиной только приблизительно 80 см. Таким образом, технологии, 30 применяемые в настоящем способе, способствуют значительному увеличению производительности указанных биореакторов.

Настоящий способ можно легко применить к резервуарам более мелких емкостей, применяемых в течение длительного времени, например, в Дании и Центральной Европе, что, таким образом, сразу же приведет к повышению их производительности. Технология согласно настоящему изобретению особенно хорошо подходит для реконструируемых объектов. Что касается затрат на строительство, технология согласно настоящему изобретению является экономичной и установка, например, в открытых резервуарах, происходит быстро. В случае неисправного состояния открытые резервуары имеют преимущество перед закрытыми резервуарами, поскольку в открытом резервуаре можно легче обнаружить возможную неисправность. Как правило, целесообразно накрыть резервуар, чтобы предотвратить рост нежелательных водорослей и бактерий вследствие воздействия солнечного света.

Перфорированная труба, используемая в технологии согласно настоящему изобретению, предпочтительно сделана из стали.

На стадии денитрификации воду, подвергаемую очистке, можно смешивать и вращать с применением как воздуха, так и, возможно, азота.

На рисунках 4 и 5 показан пример варианта осуществления для более быстрого запуска процесса денитрификации. В таком иллюстративном варианте осуществления центральный отсек 1b биореактора с тремя отсеками закрыт крышкой 10, в которой сделано выходное отверстие 15 для газа, предназначенное для отвода газов, выделяющихся из воды, подвергаемой очистке. Выходное отверстие 15 соединено с вентилятором 16, который подает реакционный газ в биореакторный отсек через трубу 17 и через аэрационные трубы 7. Воздух обычно подают в биореактор в качестве реакционного газа, который используют в аэробном процессе. В процессе анаэробной денитрификации, в котором азот в форме нитрата восстанавливается до газообразного азота (NO₃^- → NO₂ ^- → NO → N₂O → N₂), воздух можно циркулировать с помощью вентилятора 16 при замкнутой циркуляции, в результате чего кислород, содержащийся в воздухе, испаряется из пузырьков воздуха и растворяется в воде, подвергаемой очистке, при этом бактерии на поверхности фрагментов несущей среды потребляют такой кислород, растворенный в воде. Таким образом, рециркулируемый воздух постепенно становится бескислородным и содержит в основном газообразный азот, большее количество которого образуется во время процесса денитрификации. С помощью такого рециркулируемого газа, состоящего по существу из газообразного азота, несущую среду можно поддерживать в постоянном движении. Для поддержания несущей среды в движении вместо рециркулируемого реакционного газа можно также использовать другие бескислородные газы. Поддержание слоя несущей среды в постоянном движении приводит к тому, что вода, подвергаемая обработке, равномерно распределяется по несущей среде, и таким образом улучшает эффективность обработки и сохраняет несущую среду чистой.

Крышка 10 биореакторного отсека оборудована дыхательным клапаном 18 для выравнивания давления снаружи и внутри биореакторного отсека. Воду, подвергаемую очистке, направляют с требуемой скоростью потока через отсек, применяемый для денитрификации, либо непрерывно, либо партиями. При необходимости для предотвращения образования сероводорода воздух можно вдувать в отсек периодически.

Другие отсеки 1a и 1c могут быть либо открыты, либо закрыты крышками. Технологию согласно настоящему изобретению также можно использовать, например, в связи с биореактором, описанным в патенте EP1971555, в котором биореактор содержит секцию емкости с круглым или эллиптическим поперечным сечением, при этом указанный реактор содержит средства регулировки для управления средствами подачи жидкости, содержащей реакционный газ, в результате чего происходит вращательное движение несущей среды, воды и жидкости, содержащей реакционный газ, вокруг оси вращения, проходящей по существу через центр поперечного сечения емкости.

Перечень позиционных обозначений

1 емкость

15 2a−2c направляющая пластина для потока

3a−3b перегородка

4 перфорированная труба

5 направляющая пластина

6 верхняя часть емкости

7 воздухопроводные трубы

8 дно емкости

9 боковая стенка емкости

10 крышка емкости

11 первый торец емкости

12 второй торец емкости

13a−13c замыкающий диск

14 проточное отверстие

15 выходное отверстие для газа

16 вентилятор

17 труба для подачи реакционного газа

18 дыхательный клапан

Изобретение относится к биореактору для очистки воды. Биореактор содержит емкость по меньшей мере с одним биореакторным отсеком (1a-1c), содержащим несущую среду, на поверхности которой может расти биопленка, средства подачи воды в отсек (1a-1c) из первого продольного конца отсека, средства отвода, расположенные на втором противоположном продольном конце отсека (1a-1c), для отведения обработанной воды из отсека (1a-1c), трубопроводные средства (7, 17) для подачи реакционного газа в отсек, трубопроводные средства (7), расположенные на боковой поверхности резервуара, рядом с наружной стенкой (9), для перемешивания несущей среды и воды, подвергаемой очистке, путем вращательного движения внутри отсека. В отсеке (1a-1c) расположена проходящая в его продольном направлении перфорированная труба (4), которая находится на расстоянии от внутренних стенок (8, 9) отсека. Перфорированная труба (4) установлена через резервуар (1) таким образом, что ее передний и задний концы открыты у стенки резервуара или снаружи резервуара. Замыкающий диск (13a-13c) расположен внутри трубы (4) в месте, перед которым вода должна проходить через перфорационные отверстия в направлении потока от внутренней части трубы к внешней части трубы, и направляющая пластина (2a- 2c) расположена снаружи трубы (4). Направляющая пластина проходит от наружной поверхности трубы (4) на расстоянии от внутренних стенок (8, 9) отсека, образующем проточное отверстие (14), для направления воды, подвергаемой очистке, через проточное отверстие (14), в пространство биореактора, находящееся снаружи трубы (4), из которого очищенная вода может поступать внутрь трубы через отверстия в перфорированной трубе (4) и выходить из нее через выпускное отверстие на выходном конце отсека (1a-1c). Технический результат: удаление аммиака и азота биологическим способом с помощью подходящих бактерий для превращения воды в подходящую среду обитания для рыб. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Биореактор для очистки воды, содержащий емкость по меньшей мере с одним биореакторным отсеком (1a-1c), содержащим несущую среду, на поверхности которой может расти биопленка, средства подачи для подачи воды, подвергаемой очистке, в биореакторный отсек (1a-1c) из первого продольного конца отсека, средства отвода, расположенные на втором противоположном продольном конце отсека (1a-1c), для отведения обработанной воды из отсека (1a-1c), трубопроводные средства (7, 17) для подачи реакционного газа, необходимого для процесса очистки, в биореакторный отсек, трубопроводные средства (7), расположенные на боковой поверхности резервуара рядом с наружной стенкой (9), для перемешивания несущей среды и воды, подвергаемой очистке, путем вращательного движения внутри отсека, при этом в указанном биореакторном отсеке (1a-1c) расположена проходящая в его продольном направлении перфорированная труба (4), которая находится на расстоянии от внутренних стенок (8, 9) биореакторного отсека, причем перфорированная труба (4) установлена через резервуар (1) таким образом, что ее передний и задний конец открыты у стенки резервуара или снаружи резервуара, отличающийся тем, что замыкающий диск (13a-13c) расположен внутри трубы (4) в месте, перед которым вода должна проходить через перфорационные отверстия в направлении потока от внутренней части трубы к внешней части трубы, и направляющая пластина (2a- 2c) расположена снаружи трубы (4), при этом указанная направляющая пластина проходит от наружной поверхности трубы (4) на расстоянии от внутренних стенок (8, 9) биореакторного отсека, образующем проточное отверстие (14), для направления воды, подвергаемой очистке, через проточное отверстие (14), в пространство биореактора, находящееся снаружи трубы (4), из которого очищенная вода может поступать внутрь трубы через отверстия в перфорированной трубе (4) и выходить из нее через выпускное отверстие на выходном конце биореакторного отсека (1a-1c).

2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что в емкости (1) расположены по меньшей мере два биореакторных отсека (1а-1с), которые отделены друг от друга перегородкой (3а- 3b).

3. Биореактор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что емкость (1) имеет прямоугольное поперечное сечение и содержит дно (8), боковые стенки (9) и крышку (10), при этом в области верхней части емкости (1) расположены направляющие пластины (5), проходящие в продольном направлении емкости, при этом указанные направляющие пластины (5) облегчают приведение несущей среды и воды в биореакторном отсеке (1a-1c) во вращательное движение.

4. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что замыкающий диск (13а-13с) выполнен в виде клапанных средств, с помощью которых вода, подвергаемая очистке, при необходимости может быть направлена внутрь перфорированной трубы (4) и, таким образом, может проходить через требуемый биореакторный отсек.

5. Биореактор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что материал перфорированной трубы (4) представляет собой сталь.

6. Биореактор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере один отсек (1b) оборудован крышкой (10) и средствами (15-17) для циркуляции реакционного газа в виде замкнутой циркуляции для проведения в указанном отсеке процесса денитрификации.