Способ очистки сточных вод с получением биомассы Российский патент 2023 года по МПК C02F3/02 C02F3/32 C12N1/00 

Изобретение относится к способам очистки жидких отходов жизнедеятельности человека или животных с утилизацией получаемого углекислого газа при обработке кислородом, получаемым из культивированных при помощи микроводорослей, поглощающих углекислый газ.

Известен способ очистки животноводческих стоков и получение биомассы (патент RU № 2005789, МПК С12Р 01/00, C02F 03/34, опубл. 26.06.1990 Бюл. № 18), включающий первую ступень анаэробной ферментации стоков, разделение проферментированных стоков на жидкую и плотную фракции с последующим проведением II ступени анаэробной ферментации жидкой фракции и получением проферментированной суспензионной биомассы, объединением образующегося на I и II ступенях ферментации биогаза, причем, с целью снижения загрязнения окружающей среды, повышения эффективности очистки стоков и выхода биомассы, образующийся в процессе ферментации биогаз очищают от аммиака путем перевода его в раствор аммиачной воды, разделяют на метан и углекислый газ, плотную фракцию проферментированных стоков после I ступени ферментации гидролизуют, разделяют гидролизат на жидкую и плотную фракции, жидкую фракцию гидролизата направляют на выращивание дрожжей, суспензионную биомассу, полученную после II ступени анаэробной ферментации, разделяют на жидкую фракцию и иловый осадок, отбирают жидкую фракцию, удаляют из нее аммиак путем продувки выделенным из биогаза метаном, осуществляют аэробную ферментацию, получают смесь, содержащую жидкую фракцию и иловый осадок, жидкую фракцию, а также углекислый газ и аммиачную воду, полученную в процессе очистки биогаза, направляют для выращивания микроводорослей, а затем макроводорослей, полученную суспензию водорослей разделяют на зеленую биомассу, используемую в качестве кормовой добавки, и очищенную воду, а дрожжевую суспензию, полученную в процессе выращивания дрожжей, объединяют с плотной фракцией, полученной в процессе гидролиза, иловыми осадками, полученными после II ступени, анаэробной ферментации и аэробной ферментации, полученную смесь подвергают плазмолизу и используют в качестве кормовой добавки.

Недостатками данного способа являются дополнительные затраты на утилизацию получаемого при окислении органики в сточных водах аммиака, который выделяется на отдельном мембранном разделителе углекислого газа и метана, а затем поглощается в отдельном поглотителе и вводится в фотобиореактор (водорослевый культиватор) в виде аммиачной воды, высокая вероятность контаминации водорослевой культуры хищниками и конкурентами из-за отсутствия фильтрации перед поступлением фотобиореактор, не полная утилизация углекислого газа (СО₂), поэтому часть углекислого газа подается в окружающий воздух, а выделившийся при выращивании биомассы кислород (О₂) не используется в процессе окисления сточных вод, что требует дополнительных затрат для приобретения и ввода в сточные воды окислителей, при этом не используется фотосинтез для ускорения утилизации СО₂ и роста микроводорослей для биомассы.

Наиболее близким по технической сущности является биоферментационное фотосинтезное устройство для получения газа (патент на ПМ RU № 86185, МПК С12Р 01/00, С12М 01/04, А01С 03/00, опубл. 27.08.2009 Бюл. № 24) в виде реактора с системой циркуляции среды, который содержит биоферментационный блок, биосмеситель, биофотосинтезный генератор кислорода и биоразлагательный бак, соединенные между собой трубопроводными системами, биоферментационный блок состоит из резервуара с водой, в котором расположен ферментационный реактор с отверстиями для патрубков, один из которых служит для подачи исходной смеси для ферментации, другой - для отвода образующейся газовой смеси, третий расположен в нижней части ферментационного реактора, резервуар с водой помещен в камеру, обеспечивающую вакуумную прослойку вокруг указанного резервуара, и имеет отверстие для подачи воды, камера имеет отверстие для откачивания из нее воздуха, ферментационный реактор соединен трубой с резервуаром-накопителем газа, который также соединен воздуховодами с емкостью, в которой вокруг центральной оси расположены лопасти турбины, емкость с турбиной имеет патрубок для транспортной трубы, биоферментационный блок соединен с биофотосинтезным генератором кислорода при помощи биосмесителя с перемешивающим механизмом и системы труб, биофотосинтезный генератор кислорода выполнен в виде резервуара из светопроницаемого материала с системой подачи в него исходных компонентов и отбора целевого продукта, указанный генератор кислорода может быть снабжен оптической системой зеркал, состоящей из откидного зеркала, верхнего отражателя, линзы и зеркала внутреннего отражения, при этом биоразлагательный бак представляет собой емкость, внутри которой расположен поршень со штоком, конец которого расположен вне емкости, шток поршня снабжен пружиной, расположенной между внешней поверхностью поршня и внутренней поверхностью верхней стенки емкости.

Данным биоферментационным фотосинтезным устройством осуществляют способ получения биомассы, включающий прокачку через раствор бактериофиллов в воде, находящийся в резервуаре, углекислого газа под лучами солнечного света для активации фотосинтеза с выработкой отводящегося кислорода и получением биомассы, которую с кислородом подают в биоразлагательный бак для разложения и фрагментации с выделением углекислого газа, который отправляют также в резервуар для фотосинтеза.

Недостатками данного способа являются узкая область применения из-за отсутствия возможности очистки сточных вод с потреблением кислорода (О₂), выделившегося при фотосинтезе, дополнительные затраты на доставку и закачку углекислого газа (СО₂), так как этого газа при сушке и фрагментации биомассы недостаточно для поддержания фотосинтеза, необходимость отбора и хранения получаемого кислорода из-за отсутствия его применения в способе при этом не используется фотосинтез в ночное время суток для ускорения утилизации СО₂ и роста микроводорослей для биомассы (только солнечный свет), что увеличивает непродуктивную реализацию способа (за счет ночного времени).

Технической задачей предполагаемого изобретения является создание способа очистки сточных вод с получением биомассы, позволяющего очищать сточные воды, полностью утилизировать углекислый газ и кислород в замкнутом цикле с увеличением времени освещения фотосинтезирующих организмов за счет использования круглосуточного освещения в виде зеркал, оптических линз и/или искусственного освещения и регулировки подачи сточных вод, а также регулировки для отвода очищенной воды и полученной из фотосинтезирующих организмов биомассы, то есть предотвращение эмиссии парниковых газов в ходе биологической очистки сточных вод и повышение эффективности биологический очистки сточных вод за счет фотосинтетического кислорода.

Техническая задача решается способом очистки сточных вод с получением биомассы, включающим прокачку через взвесь фотосинтезирующих организмов в жидкой среде, находящуюся в отдельном резервуаре, углекислого газа под лучами света для активации фотосинтеза с выработкой отводящегося кислорода и получением биомассы.

Новым является то, что предварительно эмпирическим путем определяют необходимый объем сточных вод, подаваемого в отдельную емкость для выработки углекислого газа и полного поглощения выделившегося кислорода, и необходимое количество фотосинтезирующих организмов, помещаемых в резервуар для получения кислорода после прокачки всего получаемого в емкости углекислого газа, и причем уровни фотосинтезирующих организмов в жидкой питательной среде и сточных вод соответственно в резервуаре и емкости поддерживают автоматикой, полученную фотосинтезирующих организмов биомассу из резервуара отбирают, а очищенную воду отбирают из отдельной секции емкости, сообщенной ниже верхней кромки воды на расстоянии от закачки кислорода, достаточном для отстоя сточной воды после реакции с кислородом при перетоке воды в отдельную секцию, кислород перекачивают из резервуара выше уровня жидкой среды для подачи в емкость дозирующим насосом с контролем концентрации кислорода, при снижении оптимальной концентрации в кислород добавляют воздух, при снижении концентрации кислорода количество выводимых из резервуара фотосинтезирующих организмов сокращают до получения оптимальной концентрации кислорода, а углекислый газ через систему очистки от биологически агрессивных для фотосинтезирующих организмов и/или веществ дозировочным насосом подается с контролем концентрации углекислого газа, для увеличения или уменьшения подачи сточных вод в емкость для соответственно увеличения или уменьшения концентрации углекислого газа для поддержания его в оптимальной концентрации.

Новым является также то, что систему очистки от биологически агрессивных для фотосинтезирующих организмов и/или веществ производят механически прокачкой газов с углекислым газом из емкости через как минимум один фильтр с порами не более 0,2 μм, или химически - прокачкой через жидкий реагент, нейтрализующий полностью биологически агрессивные организмы и/или вещества, или сочетанием механической и химической очисткой.

Новым является также то, резервуар оснащают системой круглосуточного освещения в виде зеркал, оптических линз и/или искусственного освещения, включаемого в темное время суток.

На чертеже изображена схема реализации способа очистки сточных вод с получением биомассы. Конструктивные элементы, технологические соединения, ураны и краны, не влияющие на реализацию способа, на чертеже не показаны или показаны условно.

Предварительно эмпирическим путем определяют необходимый объем сточных вод, подаваемого через вход 1 в отдельную емкость 2 для выработки углекислого газа и полного поглощения выделившегося кислорода, подаваемого из верхней части резервуара 3 по газопроводу 4 дозирующим насосом 5 через перфорированный патрубок 6, и необходимое количество фотосинтезирующих организмов, помещаемых в резервуар 3 с живой - питательной средой для получения кислорода при освещении источниками света 7 после прокачки через перфорированный патрубок 8 и второй газопровод 9 при помощи второго дозировочного насоса 10 всего углекислого газа, окручиваемого из верхней части емкости 2. Так как по отдельности эти процессы очистки сточных вод и выработки кислорода из фотосинтезирующих организмов известны, то, исходя из практики, легко выбрать пропорции объема сточных вод, подаваемых в емкость 2, и количество фотосинтезирующих организмов, помещаемых в резервуар 3. Для каждого вида фотосинтезирующих организмов и сточных вод соответственно объем и количество их подбирают индивидуально (авторы на это не претендуют).

Уровни 11 и 12 взвеси фотосинтезирующих организмов в жидкой питательной среде и сточных вод соответственно в резервуаре 3 и емкости 2 поддерживают автоматикой (не показана, например, при помощи пьезодатчиков, поплавков, кулис или т.п.) для поддержания постоянной циклического обмена кислорода и углекислого газа. Автоматических систем (автоматики) поддержания уровней жидкости известно большое количество из открытых источников, поэтому авторы на это не претендуют. Выше этих уровней 11 и 12 отбирают соответственно кислород и газ (СО₂, NO_x, NH₃ и т.п.), в состав которого входит и углекислый газ (СО₂), участвующий в фотосинтезе в резервуаре 2.

Полученную фотосинтезирующих организмов биомассу из резервуара 3 отбирают по трубопроводу 13, после очистки и осушки (при помощи шнеков-отжимателей, фильтров, центрифуг и/или т.п. - не показаны) биомассу используют как «подкормку» растений, пищу скоту или т.п. Отжатую жидкую питательную среду анализируют, при необходимости добавляют питательные элементы и по входному трубопроводу 14 подают обратно в резервуар 3.

Очищенную воду по выходному патрубку 15 отбирают из отдельной секции 16 емкости 2, сообщенной ниже верхней кромки воды на расстоянии L от закачки кислорода через перфорированный патрубок 6, достаточном для отстоя сточной воды после реакции с кислородом и осаждения ил и частиц при перетоке воды в отдельную секцию 16. Твердые тяжелые частицы биологические загрязнения, превращающиеся в ил после реакции с кислородом, оседают из воды на дно емкости 2, откуда их по выходу 17 отбирают на утилизацию.

Кислород перекачивают из резервуара 3 выше уровня 11 жидкой среды для подачи в емкость 2 дозирующим насосом 5 с контролем концентрации кислорода дозатором (не показан), устанавливаемым на газопровод 4. При снижении оптимальной концентрации в кислород добавляют атмосферный воздух для поддержания циркуляционного процесса. При снижении концентрации кислорода количество выводимых из резервуара 3 фотосинтезирующих организмов с биомассой по трубопроводу 13 сокращают до получения концентрации кислорода, оптимальной для поддержания непрерывной циклической работы (определяется эмпирическим путем).

В ходе окисления биологических загрязнений в ёмкости 2 вырабатываются газы, в том числе и углекислый газ. Однако в состав газа также попадают микроорганизмы и/или вещества, биологически агрессивных для фотосинтезирующих организмов, что может вызвать гибель последних. Поэтому перед перекачкой насосом 10 прогоняют через систему очистки 18, в качестве которой применяют как минимум один фильтр с порами не более 0,2 μм, для исключения прохождения микроорганизмов, или химически - прокачкой через жидкий реагент (щелочной, кислотный - в зависимости от вида вредных микроорганизмов и/или веществ), нейтрализующий полностью биологически агрессивные микроорганизмы и/или вещества, или сочетанием механической и химической очисткой (например, последовательно устанавливаемые способы очистки; орошение жидкими реагентами пор фильтра или т.п.).

Углекислый газ из емкости 2 при этом подается насосом 10 подается в резервуар 3 через перфорированный патрубок 8 с контролем концентрации углекислого газа дозатором (не показан), устанавливаемым на газопровод 9. Для увеличения или уменьшения концентрации углекислого газа производят соответственно увеличение или уменьшение подачи через вход 1 сточных вод в емкость 2 для поддержания концентрации углекислого газа, оптимальной для поддержания непрерывной циклической работы (определяется эмпирическим путем).

Для увеличения эффективности работы за счет более равномерного рассеивания света и большего времени работы освещении источников света 7 резервуар 3 оснащают системой круглосуточного освещения в виде зеркал, оптических линз 19 (показаны условно) и/или искусственного освещения, включаемого в темное время суток. Так же возможно изготовление одной или нескольких стенок резервуара 3 прозрачными для увеличения освещённости.

За счет постоянного контроля за концентрацией кислорода и углекислого газ и круглосуточного эффективного освещения вырабатываемые кислород и углекислый газ полностью используются при реализации способа и не выбрасываются в окружающую среду, то есть без выбросов парниковых газов.

Предлагаемый способ очистки сточных вод с получением биомассы позволяет очищать сточные воды, полностью утилизировать углекислый газ и кислород в замкнутом цикле с увеличением времени освещения фотосинтезирующих организмов за счет использования круглосуточного освещения в виде зеркал, оптических линз и/или искусственного освещения и регулировки подачи сточных вод, а также регулировки для отвода очищенной воды и полученной из фотосинтезирующих организмов биомассы, то есть предотвращение эмиссии парниковых газов в ходе биологической очистки сточных вод и повышение эффективности биологический очистки сточных вод за счет фотосинтетического кислорода.

Изобретение относится к биотехнологии. Предложен способ очистки сточных вод с получением биомассы, включающий прокачку углекислого газа, выработанного при окислении биологических загрязнений сточных вод в отдельной емкости, через взвесь фотосинтезирующих организмов в жидкой среде, находящуюся в отдельном резервуаре под лучами света с выработкой отводящегося кислорода и получением биомассы, причем предварительно эмпирическим путем определяют необходимый объем сточных вод и количество фотосинтезирующих организмов. Уровни фотосинтезирующих организмов в жидкой питательной среде и сточных водах, соответственно, в резервуаре и емкости поддерживают автоматически; биомассу фотосинтезирующих организмов отбирают из резервуара, а очищенную воду - из отдельной секции емкости; кислород перекачивают из резервуара выше уровня жидкой среды для подачи в емкость дозирующим насосом с контролем концентрации кислорода. Контроль концентрации углекислого газа осуществляют увеличением или уменьшением подачи сточных вод в емкость. Изобретение обеспечивает биологическую очистку сточных вод за счет кислорода, полученного фотосинтезирующими организмами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки сточных вод с получением биомассы, включающий прокачку через взвесь фотосинтезирующих организмов в жидкой среде, находящуюся в отдельном резервуаре, углекислого газа под лучами света для активации фотосинтеза с выработкой отводящегося кислорода и получением биомассы, отличающийся тем, что предварительно эмпирическим путем определяют необходимый объем сточных вод, подаваемого в отдельную емкость для выработки углекислого газа и полного поглощения выделившегося кислорода, и необходимое количество фотосинтезирующих организмов, помещаемых в резервуар для получения кислорода после прокачки всего получаемого в емкости углекислого газа, причем уровни фотосинтезирующих организмов в жидкой питательной среде и сточных водах, соответственно, в резервуаре и емкости поддерживают автоматикой, полученную фотосинтезирующих организмов биомассу из резервуара отбирают, а очищенную воду отбирают из отдельной секции емкости, сообщенной ниже верхней кромки воды на расстоянии от закачки кислорода, достаточном для отстоя сточной воды после реакции с кислородом при перетоке воды в отдельную секцию, кислород перекачивают из резервуара выше уровня жидкой среды для подачи в емкость дозирующим насосом с контролем концентрации кислорода, при снижении оптимальной концентрации в кислород добавляют воздух, при снижении концентрации кислорода количество выводимых из резервуара фотосинтезирующих организмов сокращают до получения оптимальной концентрации кислорода, а углекислый газ через систему очистки от биологически агрессивных для фотосинтезирующих организмов и/или веществ дозировочным насосом подается с контролем концентрации углекислого газа, для увеличения или уменьшения подачи сточных вод в емкость для, соответственно, увеличения или уменьшения концентрации углекислого газа для поддержания его в оптимальной концентрации.

2. Способ очистки сточных вод с получением биомассы по п. 1, отличающийся тем, что систему очистки от биологически агрессивных для фотосинтезирующих организмов и/или веществ производят механически прокачкой газов с углекислым газом из емкости через как минимум один фильтр с порами не более 0,2 μм, или химически – прокачкой через жидкий реагент, нейтрализующий полностью биологически агрессивные организмы и/или вещества, или сочетанием механической и химической очисткой.

3. Способ очистки сточных вод с получением биомассы по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что резервуар оснащают системой круглосуточного освещения в виде зеркал, оптических линз и/или искусственного освещения, включаемого в темное время суток.