Способ комплексной очистки сложных многокомпонентных сточных вод Российский патент 2021 года по МПК C02F3/08 C02F3/14 C02F3/32 C02F3/34 C02F11/02 

Изобретение относится к области очистки сточных вод и может быть использовано для очистки сточных вод промышленных предприятий, фильтрационных вод полигонов ТБО и свалок от тяжелых металлов, нефтепродуктов, органических веществ.

Предлагаемая комплексная очистка многокомпонентных сточных вод основана на природных механизмах самоочистки. Принятая в настоящее время концепция самоочищения природных вод обосновывает восстановление качества воды, прежде всего биотическими процессами, протекающими в биоценозах водных экосистем. Биоценотическое самоочищение можно считать важнейшим из механизмов биоремедиации как воды, так и почвы. Безусловно, этот подход имеет и важное прикладное значение - создание искусственных биоценотических цепочек для очистки сточных вод. Важнейшими участниками биоремедиационных процессов в природной водной среде являются гидробионты: гетеротрофные бактерии, грибы, цианобактерии и микроводоросли, простейшие и высшие водные растения.

Для очистки многокомпонентных сточных вод, например, фильтратов полигонов ТБО предложено создавать и использовать искусственные биоценотические цепочки, в которые включаются биоценозы: микроорганизмов-деструкторов широкого круга органических соединений, ассоциации микроводорослей, резистентных к таким водам и осуществляющих как деградацию токсикантов, так и дополнительную фотосинтетическую аэрацию очищаемой воды, а также высшую водную растительность, аккумулирующую в своей биомассе минеральные элементы и тяжелые металлы и активно участвующей в водоочистке за счет своей ризосферной микрофлоры.

Известен ряд технических решений в данной области.

Например, известен способ очистки сточных вод с использованием элементов естественной экологической системы (Патент РФ №2219138). Способ предназначен для очистки вод промпредприятий, фильтратов полигонов ТБО от тяжелых металлов, нефтепродуктов, минеральных и органических веществ, с использованием активного ила и высшей водной растительности в биоинженерном сооружении. К недостаткам указанного способа следует отнести использование активного ила станций биологической очистки коммунальных стоков не предназначенного для очистки сложных и минерализованных стоков (например фильтратов ТБО) и необходимости проведения аэрации очищаемого стока, что усложняет обслуживание биоинженерного сооружения и делает его энергозатратным.

Известен способ доочистки сточных вод (Патент РФ №2530173) с использованием посадок камыша озерного, рогоза усколистного, и элодеи канадской на подготовленной местности-гидробиоплато. Недостатком указанного способа является возможность очистки стоков с невысокими исходными характеристиками (ХПК 20, БПК 3,76 мгO₂/л) и большими площадями для организации гидробиоплато.

Известен способ очистки сточных вод (Патент РФ №2312072) биофлокуляцией, в котором в качестве биофлокулянта предлагается использовать суспензию водорослей в количестве 1 весовая часть водорослей (по сухому веществу) на 6-60 весовых частей взвешенных веществ сточной воды и осадок суспензии водорослей со взвешенными веществами отстаивают. Недостатком указанного способа являются необходимость постоянного выращивания водорослевых культур для биофлокуляции и невысокая скорость седиментации флокул.

Наиболее близким по большинству совпадающих существенных признаков является способ аэробного биологического окисления биологически разлагаемых органических соединений в сточных водах (Патент РФ №2552558). Сточные воды подают на вход герметично закрытого каскадного фильтрационного модуля, содержащего, по меньшей мере, три последовательно размещенные камеры, разделенные перегородками, установленными с обеспечением перетока очищаемых стоков из предыдущей камеры в последующую камеру. Причем переток из камеры с нечетным номером в камеру с четным номером происходит в нижней части камер, а переток из камеры с четным номером в камеру с нечетным номером в верхней части камер. В камерах размещена плавающая загрузка с закрепленным на ней сообществом микроорганизмов. Очищаемые стоки пропускают через указанный каскадный фильтровальный модуль при осуществлении принудительной аэрации и поддержании кислотного и ионного режимов, оптимальных для жизнедеятельности микроорганизмов.

Недостатками известного способа являются герметизация всего процесса очистки, которая приводит к существенному усложнению процесса технического обслуживания каскадного фильтрационного модуля (например удаление осадков из камер и аэраторов), сама аэрация требует существенных энергетических затрат и приводит к появлению паро-воздушной газовой среды (практически отдувка воздухом), содержащей легколетучие и полулетучие органические соединения, удаление которых из воздуха требует установки на выводных воздуховодах дополнительных фильтров. Кроме того, использование принудительной аэрации не стерилизованным атмосферным воздухом приводит к существенным изменениям в рабочем биоценозе установки, который формируется не специализированной микрофлорой, а спонтанной, что снижает качество биоочистки в целом. Следует отнести к недостаткам указанного способа использование только бактериального биоценоза, хотя эффективность очистки зависит в большой степени от разнообразия участников биоценотической цепочки в целом.

Решаемая предлагаемым способом задача комплексной очистки многокомпонентных сточных вод состоит в использовании всех основных гидробионтов, участвующих в природном самоочищении воды - бактерий, водорослевых культур и водной высшей растительности для эффективной, низкозатратной и экологически безопасной очистки сточных вод с высокой степенью загрязнения органическими и неорганическими поллютантами.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа состоит в повышении эффективности очистки сложных производственных стоков, в том числе и фильтратов полигонов ТБО, токсичных для активного ила коммунальных очистных сооружений (КОС), которые имеют значительную минерализацию, высокие индексы ХПК и БПК (сотни мгO₂/л) и характеризуются повышенным содержанием биогенных элементов и ионов тяжелых металлов.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ комплексной очистки таких сильнозагрязненных и токсичных вод. В соответствии с разработанным способом очистку осуществляют подачей сточной воды на каскадный, пространственно разделенный фильтр, состоящий из последовательно расположенных фильтрующего блока механической очистки и трех модулей биоочистки (биомодули), при обеспечении самотечного перетока очищаемой воды из одного биомодуля в последующий. Причем переток из биомодуля с нечетным номером в биомодуль с четным номером происходит в нижней части биомодулей, а переток из камеры с четным номером в биомодуль с нечетным номером в верхней части биомодулей. Фильтрующий блок механической очистки является стандартным фильтрующим агрегатом, обеспечивающим удаление взвешенных веществ. Три следующих биомодуля представляют собой мелкие, глубиной не более 0,5 м - 0,7 м малопроточные бассейны с нефильтрующим дном, с большим зеркалом воды, обеспечивающим естественную ее аэрацию. В этих трех биомодулях последовательно размещается плавающая загрузка с консорциумом иммобилизированных микроорганизмов, эффективных деструкторов органических загрязнений, в следующем биомодуле иммобилизованный и адаптированный к сточной воде альгоценоз и в последнем модуле -плавающая высшая водная растительность. Количество биомодулей варьируется в зависимости от загрязненности стока. Переток очищаемых стоков из биомодуля с нечетным номером в биомодуль с четным номером происходит в нижней части биомодулей, а переток из биомодуля с четным номером в биомодуль с нечетным номером в верхней части биомодулей указанным образом препятствует смешению поступающего более загрязненного стока со стоком уже прошедшем частично биологическую очистку на каждом биомодуле. Система самотечная, подача стока на очистку осуществляется из первичной емкости, в которую собирается загрязненный сток, очищенный сток собирается во вторую накопительную емкость, предназначенную для очищенного стока, который может быть использован для технических или технологических нужд.

Первый биомодуль представляет собой мелкий «бассейн» (глубиной 0,5-0,7 м) с нефильтрующим дном максимальной площади для обеспечения естественной аэрации сточной воды.

В бассейн первого биомодуля помещается иммобилизованный бактериальный биоценоз, представляющий собой консорциум четырех штаммов бактерий родов Bacillus и Micrococcus, обладающих высоким окислительным потенциалом по отношению к широкому кругу органических соединений и устойчивостью в многокомпонентных сточных водах. В качестве носителя для плавающей загрузки используется керамзит, на котором предварительно осуществляется адсорбционная иммобилизация искусственного консорциума бактерий. Плавающая загрузка занимает не более половины поверхности воды бассейна.

В бассейне второго биомодуля размещаются иммобилизованные на капроновой сетке зеленые микроводоросли родов Chlorella, Scenedesmus, и цианобактерии рода Phormidium, отобранные по признаку резистентности к сточной воде (фильтрату полигонов ТБО), способности к иммобилизации и возможности ассоциации с гетеротрофными бактериями. Иммобилизация выбранных штаммов осуществлялась колонизацией капроновой сетки.

Кроме фотосинтетической аэрации очищаемого стока, сами водоросли в консорциуме с бактериями-деструкторами, являются участниками биоценотических цепочек и основными активаторами процесса очистки.

Третий биомодуль служит для размещения высших водных растений - роголистника (Ceratophyllum demersum L,) и элодеи канадской (Elodea canadensis). Эти растения способны извлекать из воды микровзвеси, которые сорбируются на поверхности растений слизью, покрывающей их корневые части и далее оседают на дно. Таким образом из воды извлекаются биогенные элементы, балластные и токсические вещества, такие как минеральные элементы, соли тяжелых металлов, а также происходит ризосферная деградация органических веществ, в том числе углеводородов различного генезиса.

Способ комплексной очистки сложнокомпонентных сточных вод позволяет, основываясь на природных механизмах самоочистки водоемов, создать малозатратную и экологически безопасную биофитотехнологию нового поколения, способную проводить детоксикацию и очистку сточных вод от широкого круга органических веществ, минеральных элементов и солей тяжелых металлов.

Предложенный способ иллюстрируется следующими примерами работы экспериментальной установки очистки фильтрата ТБО Санкт-Петербургского полигона «Новоселки».

Пример

Фильтрат полигона ТБО, после механической очистки, через песчаный фильтр, направлялся в первый биомодуль, представляющий собой резервуар высотой 150 мм, длиной 280 мм и шириной 180 мм, в нем размещается плавающая загрузка - керамзит с иммобилизованными бактериальными штаммами Bacillus cereus №7-RCAM02553, Bacillus safensis №0-RCAM 02550, Bacillus subtilis ss spizizenii №5-RCAM 02551, Micrococcus luteus №6-RCAM 02552, Bacillus amyloliquefaciens №2005-RCAM 02554 в количестве 1 дм³ и керамзит с иммобилизованными бактериальными штаммами Rhodococcus erythropolis 7 НХ-ВКПМ-S-1267, Acinetobacter oleovorum-ВКПМ-В-7179, так же в количестве 1 дм³. Общий объем плавающей загрузки составил 2 дм³ (400 г). Скорость поступления воды в первый биомодуль после механического фильтра не более 60 мл/час, (в течении трех суток биомодуль постепенно заполняется фильтратом) далее вода самотеком с такой же скоростью начинает поступать во второй биомодуль.

Второй биомодуль заполняется очищаемой водой объемом до 2 дм³ и там размещаются капроновые сетки с иммобилизованными штаммами зеленых микроводорослей и цианобактерий: Chlorella vulgaris CALU-157, Scenedesmus sp. ES-11, Phormidium sp. ES-90 в количестве 400 г (1,5 м²) далее в течении трех суток биомодуль 2 также заполняется очищаемой водой.

В третий биомодуль со скоростью около 60 мл/час начинает поступать очищаемая вода из второго биомодуля и после его частичного заполнения в него помещают высшие водные растения - Роголистник погруженный (Ceratophyllum demersum L) и Элодея канадская (Elodea canadensis) в количестве 10 и 10 штук. После заполнения в течение трех суток третьего биомодуля вода из него самотеком со скоростью 60 мл/час сливается в емкость для очищенной воды. Пуско-наладочные работы завершаются через 9 суток после их начала, пробы воды для проведения аналитических, токсикологических и микробиологических исследований процесса очистки отбираются через 10 и 20 суток работы установки в проточном режиме после окончания пуско-наладочных работ.

Показано снижение токсичности фильтрата, а также эффективность очистки загрязненного стока биоценотической цепочкой, состоящей из бактериального, водорослевого и фитоценозов.

Изобретение относится к области очистки сточных вод и может быть использовано для очистки сточных вод промышленных предприятий, фильтрационных вод полигонов ТБО и свалок от тяжелых металлов, нефтепродуктов, органических веществ. Способ комплексной очистки сложных многокомпонентных сточных вод включает подачу сточной воды в пространственно разделенный каскадный фильтр, составленный из не менее трех биомодулей. Переток очищаемой воды из биомодуля с нечетным номером в биомодуль с четным номером происходит в нижней части биомодулей, а переток из биомодулей с четным номером в биомодуль с нечетным номером в верхней части биомодулей. Модули представляют собой неглубокие бассейны, в первом из которых размещены загрузки с иммобилизованным бактериальным биоценозом микроорганизмов-деструкторов органических загрязнений, в качестве которых используют штаммы бактерий родов Bacillus и Micrococcus, во втором - загрузки с иммобилизованными ассоциациями микроводорослей родов Chlorella, Scenedesmus и цианобактерии рода Phormidium, в третьем - неприкрепленная плавающая высшая водная растительность, в качестве которой используют роголистник (Ceratophyllum demersum L) и элодею канадскую (Elodea canadensis). Аэрация сточной воды осуществляется естественным образом за счет большой площади зеркала воды бассейнов биомодулей. Заявленный способ обеспечивает повышение эффективности очистки стоков от высоких концентраций загрязнителей, токсичных для биоценоза. 6 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Способ комплексной очистки сложных многокомпонентных сточных вод, включающий подачу сточной воды в пространственно разделенный каскадный фильтр, составленный из не менее трех биомодулей, причем переток очищаемой воды из биомодуля с нечетным номером в биомодуль с четным номером происходит в нижней части биомодулей, а переток из биомодулей с четным номером в биомодуль с нечетным номером в верхней части биомодулей, отличающийся тем, модули представляют собой неглубокие бассейны, в первом из которых размещены загрузки с иммобилизованным бактериальным биоценозом микроорганизмов-деструкторов органических загрязнений, в качестве которых используют штаммы бактерий родов Bacillus и Micrococcus, во втором - загрузки с иммобилизованными ассоциациями микроводорослей родов Chlorella, Scenedesmus и цианобактерии рода Phormidium, в третьем - неприкрепленная плавающая высшая водная растительность, в качестве которой используют роголистник (Ceratophyllum demersum L) и элодею канадскую (Elodea canadensis), причем аэрация сточной воды осуществляется естественным образом за счет большой площади зеркала воды бассейнов биомодулей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед подачей в каскадный фильтр сточные воды проходят механическую очистку.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что бассейны имеют глубину до 0,5-0,7 м.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве носителя для плавающей загрузки первого бассейна используется керамзит, на котором предварительно осуществляют адсорбционную иммобилизацию искусственного консорциума бактерий.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве искусственного консорциума бактерий используют консорциум четырех штаммов бактерий родов Bacillus и Micrococcus, обладающих высоким окислительным потенциалом по отношению к широкому кругу органических соединений и устойчивостью в многокомпонентных сточных водах.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве загрузки для второго бассейна используют капроновую сетку, на которой осуществляют иммобилизацию ассоциаций микроводорослей методом колонизации.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве ассоциаций микроводорослей используют зеленые микроводоросли родов Chlorella, Scenedesmus и цианобактерии рода Phormidium, отобранные по признаку резистентности к сточной воде, способности к иммобилизации и возможности ассоциации с гетеротрофными бактериями.