Устройство для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами Российский патент 2023 года по МПК C02F3/08 

Изобретение обносится к экологии, а именно к очистке воды, промышленных и сточных вод в открытых искусственных и природных водоемах с применением аэробных способов биологического окисления, использующих частично погруженные в воду подвижные (непрерывно вращающиеся) контактные тела, контактная поверхность которых (загрузка) выполнена с возможностью покрытия ее биопленкой окисляющими (аэробными гетеротрофными) микроорганизмами и/или микроводорослей.

Известен вращающийся биоконтактор (авторское свидетельство SU № 1623979, МПК C02F 03/08, опубл. 30.01.1991, Бюл. № 4), содержащий резервуар, горизонтальный вал с ротором, трубы подачи и отвода обрабатываемых вод, иловый приемник и иловую трубу, причем с целью повышения эффективности и интенсификации процесса очистки, а также упрощения изготовления и монтажа конструкции, вал выполнен полым, а ротор - из торцовых опорных пластин с радиальными направляющими и закрепленных на них трубчатых элементов с гибким загрузочным контакторным материалом.

Недостатками данного биоконтактора являются узкая область применения из-за невозможности использования в открытых водоемах, так как биоконтакторы не плавучие и установлены на жёстких фиксированных относительно поверхности осях, массивны, сложны в изготовлении и обслуживании из-за использования в конструкции большого количества радиальных направляющих с трубчатыми элюентами, при этом скорость вращения биоконтактора и величина его погружения не зависит от вида преобладающего загрязнения воды и используемой биопленки на поверхности биоконтактора, что снижает эффективность его работы (примерно в 2 - 2,4 раза).

Известна также установка биологической очистки стоков (патент на ПМ RU № 5989, МПК C02F 03/06, опубл. 16.02.1998), содержащая септическую камеру, камеру биологической очистки, вторичный отстойник и водоподъемные устройства, причем вся установка размещена в одном металлическом корпусе, нижняя часть которого разделена перегородками и образует двухсекционную септическую камеру и вторичный отстойник, над которыми расположены камера биологический очистки, оснащенная погружными вращающимися биоконтакторами, на которых образуется биологическая пленка, и водоподъемные устройства, например, насосы.

Недостатками данной установки являются сложность в изготовлении и обслуживании из-за наличия большого количества элементов и резервуара, узкая область применения биоконтактора из-за невозможности использования в открытых водоемах, так как биоконтакторы не плавучие и установлены на жёстких фиксированных относительно резервуара осях, при этом скорость вращения биоконтактора и величина его погружения не зависит от вида преобладающего загрязнения воды и используемой биопленки на поверхности биоконтактора, что снижает эффективность его работы (примерно в 2 - 2,4 раза).

Наиболее близким по технической сущности является комплекс для очистки и доочистки сточных вод (патент RU № 2409524, МПК C02F 9/14, C02F 3/30, C02F 1/28, C02F 1/32, C02F 1/463, опубл. 20.01.2011, Бюл. № 2), включающий разделенный перегородками на секции и отсеки резервуар, содержащий зону отстаивания, биореакторы с загрузкой для удержания биопленки, гальванокоагуляторы, загрузка которых выполнена в виде гальванической пары, причем он выполнен в виде транспортируемого контейнера, помещенные в него биореакторы выполнены в виде биоконтакторов, представляющих собой вращающиеся барабаны с загрузкой, которые установлены с возможностью их погружения в очищаемые сточные воды, гальванокоагуляторы выполнены вращающимися, в отсеке вторичного отстаивания размещен фильтр с плавающей загрузкой, а в выходном отсеке комплекса размещены сорбционный фильтр и блок обеззараживания очищенной воды, при этом барабаны биоконтакторов в секции денитрификации заглублены полностью, в секции окисления - на 20-50%, а в секции нитрификации - на 40-60%.

Недостатками данного комплекса являются сложность в изготовлении и обслуживании из-за наличия большого количества элементов, ступеней очистки и резервуара, узкая область применения биоконтактора из-за невозможности использования в открытых водоемах, так как биоконтакторы не плавучие и установлены на жёстких фиксированных относительно резервуара осях, при этом скорость вращения биоконтактора и величина его погружения (заглублены полностью) не зависит от вида преобладающего загрязнения воды и используемой биопленки на поверхности биоконтактора, что снижает эффективность его работы (примерно в 2-3 раза, так как отсутствует аэрация биопленки).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание устройства для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами, позволяющего упростить конструкцию за счет использования для очистки воды только вращающихся биоконтакторов, расширить функциональные возможности за счет обеспечения плавучести биоконтакторов и средств приведения их во вращение на поверхности воды, в том числе и открытых водоемах, а также увеличить эффективность очистки за счет обеспечения необходимых скорости вращения биоконтакора и величина его погружения их в воду, обеспечивающих временя контакта с воздухом, необходимое для насыщения биопленки кислородом воздуха.

Техническое решение получается за счет применения устройства для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами, включающего привод, биоконтакторы, изготовленные в виде барабанов, соединенных с приводом соответствующими осями, с наружной контактной поверхностью - загрузкой для удержания биопленки и погружения в очищаемые воды.

Новым является то, что барабаны биоконтакторов выполнены плавучими в воде и симметричными, установленными с двух противоположных сторон от привода, привод установлен на плавучую платформу, оснащен якорным механизмом для крепления относительно дна и изготовлен в виде электродвигателя с редуктором, соединенным с соответствующими осями барабанов, при этом загрузка каждого барабана образована намотанной 10-50 слоями полимерной сетки с контактной площадью поверхности не менее 4 м²/кг и с зазором между слоями 5-10 мм, причем для обеспечения насыщения биопленки на загрузке кислородом из воздуха барабан изготовлен с возможностью погружения в воду на 40-50 %, а двигатель и редуктор - придания ему скорости вращения 2-5 мин^-1.

Новым также является то, что привод дополнительно оснащен аккумулятором и солнечной батареей для автономной работы вдали от берега.

Новым также является то, что поверхность загрузки выполнена с возможностью адсорбции аборигенными микроорганизмами и/или напыления перед спуском на воду устройства целевых штаммов аэробных гетеротрофных микроорганизмов.

На фиг. 1 изобретена схема устройства поверхности воды.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез биоконтактора.

На фиг. 3 изображена часть развертки полимерной с поперечными полосками (проставками) оси биоконтактора.

На фиг. 4 изображена часть развертки полимерной сетки с наклонными полосками (проставками) оси биоконтактора.

На фиг. 5 изображен вид сверху схем размещения биоконтакторов.

Устройство для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами включает в себя привод 1 (фиг. 1), биоконтакторы 2, изготовленные в виде барабанов 3 (фиг. 2), соединенных с приводом 1 (фиг. 1) соответствующими осями 4, с наружной контактной поверхностью - загрузкой 5 (фиг. 2) для удержания биопленки и погружения в очищаемые воды 6 (фиг. 1). Барабаны 3 (фиг. 2) биоконтакторов 2 (фиг. 1) выполнены плавучими в воде 6 и симметричными, установленными с двух противоположных сторон от привода 1. Привод 1 установлен на плавучую платформу 7, оснащен якорным механизмом 8 для крепления относительно дна 9 и изготовлен в виде электродвигателя 10 с редуктором 11, соединенным с соответствующими осями 4 барабанов 3 (фиг. 2). Загрузка 5 каждого барабана 3 образована намоткой на его поверхность 10-50 слоев полимерной (полипропилен, полиэтилен высокого (низкого) давления, полиэтилентерефталат или т.п.) сетки 12 с контактной площадью поверхности не менее 4 м²/кг и с зазором h=5-10 мм между слоями сетки 12. При зазоре менее 5 мм (h-5 мм) между слоями сетки 12 внутренняя и внешняя плоскости внутренних слоев сетки 12 перестают эффективно удерживать биопленку (не показана) из-за меньшего поступления кислорода из воздуха, снижая эффективность работы биоконтактора 2, а - более 10 мм (h-10 мм) диаметр D биоконтактора 2 резко возрастает при незначительном росте эффективности. Для обеспечения зазора h=5-10 мм между слоями сетки 12 по всей длине намотки на внутреннюю поверхность сетки 12 по всей длине развертки (фиг. 3 и 4) закрепляют (вулканизацией, приклеиванием, пайкой или т.п.) направляющие полоски 13 (фиг. 2, 3 и 4) толщиной h (фиг. 2). Направляющие полоски 13 закрепляют перпендикулярно (фиг. 3) или наклонно (фиг. 4) относительно геометрической оси 14 (фиг. 2) барабана 3.

Концы сетки 12 (фиг. 2) могут крепиться на барабане 3 механически (зажимной пластиной, крюками, штифтами, болтами, гайками или т.п.), наклейкой (при помощи клея), вулканизацией (воздействием высоких температур при изготовлении, например, в заводских условиях), термически (воздействием высоких температур, например, тепловой пушкой или паяльником), вклейкой (например, при помощи анаэробного клея, эпоксидного клея или т.п.) и/или т.п. Автор на это не претендует.

Количество слоев сетки 12 напрямую зависит от степени загрязнения воды 6 (фиг. 1). При слоях сетки 12 (фиг. 2) менее 10 резко снижается эффективность биоконтактора 2, так как резко уменьшается его суммарная площадь загрузки 3 и не может эффективно очищать воду с индексом загрязнения воды (ИЗВ) по классу II (чистая вода).

ИЗВ определяют по формуле:

,

где C_i - концентрация компонента, в ряде случаев значение параметра;

ПДК_i - предельно допустимая концентрация компонента, соответствующая определенному типу водопользования;

N - число показателей, используемых для расчета.

Показатели качества воды сведены в таблицу.

Таблица Класс опасности ИЗВ Качество воды Класс опасности ИЗВ Качество воды I < 0,2 очень чистая IV 2,0-4,0 загрязненная II 0,2-1,0 чистая V 4,0-6,0 грязная III 1,0-2,0 умеренно загрязненная VI 6-10 очень грязная VII > 10,0 чрезвычайно грязная

При слоях сетки 12 (фиг. 2) более 50 значительно возрастает масса биоконтактора 2 и его стоимость, что приводит к большим затратам материалов с плотностью менее 950 кг/м³ на поддержание плавучести биоконтактора 2 в пределах 40 - 50 %, при этом эффективность очистки повышается незначительно из-за сложности проникновения воздуха и воды во внутренние слои сетки 12. Потому лучше увеличить количество биоконтакторов 2 (фиг. 5 а) и б) или т.п.) при помощи осей 4. От увеличения количества биоконтакторов 2 напрямую влияет на рост эффективности очистки.

Эти параметры определены эмпирическим (опытным) путем.

Также эмпирическим путем определены % погружения биоконтактора 2 (фиг. 1) в воду 6 и скорость его вращения.

При погружении биоконтактора 2 на 40 - 50 % наиболее эффективно происходит смачивание водой 6 загрузки 5 (фиг. 2) и проникновение кислорода из воздуха из-за примерно равного пребывания биоконтактора 2 (фиг. 1) в воде 6 и на воздухе. Такой разброс (10 %) связан с погружением биоконтактора в воду при нарастании биопленки на загрузки 5 (фиг. 2) и возможного волнения воды 6 (фиг. 1) в открытых водоемах. Скорость вращения 2-5 мин^-1 биоконтактора 2 связана с тем, что при скорости выше 5 мин^-1 начинает действовать эффект центростремительного ускорения, при котором вода отжимается к внешнему периметру загрузки 5, а воздух - к барабану 3, что снижает эффективность окисления биопленки и, как следствие, снижает эффективность очистки воды 6 (фиг. 1). При скорости ниже 2 мин^-1 значительно возрастает время пребывания биопленки в загрузке 5 (фиг. 2) в воде 6 (фиг. 1) и на воздухе (более 30 с), что в свою очередь снижает эффективность отбора биоматериала, загрязняющего воду 6, и его окисление на воздухе, то есть снижается эффективность очистки воды 6.

Так как биоконтакторы 2 (фиг. 1) могут всплывать или тонуть в воде 6 в пределах 40-50 % из-за изменения в процессе работы количества биоматериала на его загрузке 5 (фиг. 2) или под действием волнения на поверхности воды 6 (фиг. 1), рекомендуется оси 4 изготавливать из упругого материала (пружинная сталь, углеводородное волокно) или снабжать на концах крестовинами или шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС) для нивелирования этого отклонения и исключения заклинивания осей 4 в редукторах 11 (на фиг. 1 не показаны). Автор на это не претендует.

При работе в удалении от берега открытого водоема, когда необходимо длительная автономная работа привод 1 (фиг. 1) дополнительно оснащают как минимум одним аккумулятором 15 и солнечной батареей 16, подзаряжающей аккумулятор, питающий электродвигатель 10.

В ходе предварительных исследований определяют, чем наиболее эффективно происходит очистка воды 6 (фиг. 1): аборигенными микроорганизмами, целевыми штаммами аэробных гетеротрофных микроорганизмов и/или их сочетанием (автор на это не претендует). Поэтому поверхность загрузки 5 (фиг. 2) изготавливают с возможностью адсорбции аборигенными микроорганизмами и/или напыления (биоактивной жидкостью или порошком с микроорганизмами) перед спуском на воду устройства целевых штаммов аэробных гетеротрофных микроорганизмов.

Конструктивные элементы, технологические соединения и уплотнения, не влияющие на объяснение работоспособности устройства для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами, на чертежах (фиг. 1 - 5) не показаны или показаны условно.

Устройство для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами работает следующим образом.

Предварительно отбирают пробы жидкости и в лабораторных условиях методом биохимического потребления кислорода (БПК) определяют величину кислорода, которая потребуется аэробным микроорганизмам на разложение легко окисляемой органики (биопленки). Данный процесс можно описать как окисление биопленки биологическим путем, завершающийся образованием диоксида углерода и воды. На практике чаще всего пользуются значениями БПК₅ (пятидневный) и БПК_полн (полный), которые выражаются количеством О₂ в мг на дм³ (мгО₂/дм³). При величине БПКполн. в очищаемой воде менее 50 мгО₂/дм³ скорость вращения не должна превышать 2 мин^-1, а степень погружения (плавучесть) барабана (фиг. 2) 45-47 %, при 10 слоях сетки 12 на барабане 3. При величине БПК_полн. в очищаемой воде 50 мгО₂/дм³ и более, скорость вращения увеличивают по мере увеличения БПК_полн. до 5 мин^-1, а степень погружения (плавучесть) - 40-42 % (так как увеличится масса биопленки и, как следствие, сильнее буде погружение барабана 3), после чего для повышения эффективности работы загрузки 5 увеличивают длину сетки 12 и как следствие, количество слоем сетки 12 на барабане 3 до 100 слоев. После чего увеличивают количество биоконтакторов 2 (фиг. 5), спускаемых на воду 6 (фиг. 1).

Также определяют необходимость нанесения на поверхность загрузки 5 (фиг. 2) целевых штаммов аэробных гетеротрофных микроорганизмов. Для этого, постепенно увеличивая количество этих штаммов на загрузке 5, также проводят замер БПК_полн., если эффективность (степень очистки) значительно возрастает, перекрывая затраты на нанесение штаммов, то их применяют в работе, если нет, то - работают только с аборигенными микроорганизмами.

Определив количество слоев сетки 12 (фиг. 2), подбирают длину и диаметр барабана 3, позволяющего обеспечить необходимую плавучесть биоконтактора 2.

Зная необходимую скорость вращения биоконтактора 2 (фиг. 1) и применяемый электродвигатель 10, настраивают редуктор 11. При необходимости привод 1 снабжают как минимум одним аккумулятором 15 и солнечной батареей 16.

Исходя из суммарной массы привода 1 применяют плавучую платформу 7, обеспечивающую необходимую подъемную силу (плавучесть) и оснащают якорным механизмом 8 с гибкой тягой 17 длиной не менее глубины в месте установки устройства. Редуктор осями 4 соединяют с соответствующими барабанами 3 (фиг. 2) как минимум пары биоконтакторов 2 (фиг. 1 и 5), на которые при необходимости наносят штаммы аэробных гетеротрофных микроорганизмов в выбранном в лабораторных условиях количестве. Устройство в сборе спускают на воду 6 (фиг. 1) при помощи якорного механизма 8 с гибкой тягой 17 привод 1 фиксируют относительно дна 9. Электродвигатель 10 запускают в работу (включателем или дистанционно), который через редуктор 11 и оси 4 вращают биоконтакторы 2 с необходимой скоростью для очистки воды 6.

Эффективность очистки воды 6 достигается только за счет аэрации биопленки на биоконтакторах 2 при технически грамотном подборе всех технических показателей и микроорганизмов в биопленке, образующейся в загрузке 5 (фиг. 2).

Предлагаемое устройство для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами позволяет упростить конструкцию за счет использования для очистки воды только вращающихся биоконтакторов, расширить функциональные возможности за счет обеспечения плавучести биоконтакторов и средств приведения их во вращение на поверхности воды, в том числе и открытых водоемах, а также увеличить эффективность очистки за счет обеспечения необходимых скорости вращения биоконтактора и величина его погружения их в воду, обеспечивающих время контакта с воздухом, необходимое для насыщения биопленки кислородом воздуха.

Изобретение относится к экологии, а именно к очистке воды, промышленных и сточных вод в открытых искусственных и природных водоемах с применением аэробных способов биологического окисления, использующих частично погруженные в воду подвижные (непрерывно вращающиеся) контактные тела, контактная поверхность которых (загрузка) выполнена с возможностью покрытия ее биопленкой с окисляющими (аэробными гетеротрофными) микроорганизмами и/или микроводорослями. Устройство для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами включает привод, биоконтакторы, изготовленные в виде барабанов, соединенных с приводом соответствующими осями, с наружной контактной поверхностью - загрузкой для удержания биопленки и погружения в очищаемые воды. Барабаны биоконтакторов выполнены плавучими в воде и симметричными, установленными с двух противоположных сторон от привода. Привод установлен на плавучую платформу, оснащен якорным механизмом для крепления относительно дна и изготовлен в виде электродвигателя с редуктором, соединенным с соответствующими осями барабанов. Загрузка каждого барабана образована намотанной 10-50 слоями полимерной сетки с контактной площадью поверхности не менее 4 м²/кг и с зазором между слоями 5-10 мм. Для обеспечения насыщения биопленки на загрузке кислородом из воздуха барабан изготовлен с возможностью погружения в воду на 40-50%, а двигатель и редуктор - придания ему скорости вращения 2-5 мин^-1. Технический результат: упрощение конструкции за счет использования для очистки воды только вращающихся биоконтакторов, расширение функциональных возможностей за счет обеспечения плавучести биоконтакторов и средств приведения их во вращение на поверхности воды, в том числе и открытых водоемах, увеличение эффективности очистки за счет обеспечения необходимых скорости вращения биоконтактора и величины его погружения в воду, обеспечивающих время контакта с воздухом, необходимое для насыщения биопленки кислородом воздуха. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами, включающее привод, биоконтакторы, изготовленные в виде барабанов, соединенных с приводом соответствующими осями, с наружной контактной поверхностью – загрузкой для удержания биопленки и погружения в очищаемые воды, отличающееся тем, что барабаны биоконтакторов выполнены плавучими в воде и симметричными, установленными с двух противоположных сторон от привода, привод установлен на плавучую платформу, оснащен якорным механизмом для крепления относительно дна и изготовлен в виде электродвигателя с редуктором, соединенным с соответствующими осями барабанов, при этом загрузка каждого барабана образована намотанной 10–50 слоями полимерной сетки с контактной площадью поверхности не менее 4 м²/кг и с зазором между слоями 5–10 мм, причем для обеспечения насыщения биопленки на загрузке кислородом из воздуха барабан изготовлен с возможностью погружения в воду на 40–50%, а двигатель и редуктор – придания ему скорости вращения 2–5 мин^-1.

2. Устройство для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами по п. 1, отличающееся тем, что привод дополнительно оснащен аккумулятором и солнечной батареей для автономной работы вдали от берега.

3. Устройство для биологической очистки воды с вращающимися биоконтакторами по одному из пп. 1 или 2, отличающееся тем, что поверхность загрузки выполнена с возможностью адсорбции аборигенными микроорганизмами и/или напыления перед спуском на воду устройства целевых штаммов аэробных гетеротрофных микроорганизмов.