Способ биологической очистки сточных вод Российский патент 2023 года по МПК C02F3/12 C02F1/30 

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод от биогенных элементов и может быть использовано для очистки сточных вод на локальных очистных сооружениях.

Известен способ биологической очистки сточных вод с использованием определенной конструкции аэротенка, который содержит воздухоподводную систему, расположенную выше рабочего уровня аэрируемой водно-иловой смеси, воздухоподводная система соединена гибким трубопроводом с керамическими диспергаторами, выполненным в виде цельнокерамического пустотелого корпуса, стенки которого сформированы мелкозернистыми или крупнозернистыми монофракциями керамических материалов, в корпусе изготовлено отверстие с винтовой нарезкой для крепления входного штуцера, соединенного с гибким трубопроводом [Патент RU № 2438996, МПК С02F3/20, опубл. 10.01.2012].

Недостатками известного способа является сложность технологического процесса, вызванная необходимостью точного регулирования рН, давления и расхода воздуха.

Наиболее близким к заявленному способу является способ активации биологических веществ и устройство для его осуществления [Заявка RU № 96101639, МПК А61N1/06, опубл. 27.01.1998]. Известный способ активации биологических веществ, преимущественно в форме водных растворов, путем обработки их физическим фактором, характеризирующийся тем, что, с целью повышения эффективности активации за счет интенсификации энергетического воздействия на активируемое биологическое вещество, дополнительно на него воздействуют энергией высоковольтных импульсных электрических разрядов в режиме электрогидравлического струйно-аэрозольного распыления раствора при разности потенциалов на разрядных электродах - 3...10 кВ и частоте следования разрядных импульсов - 1...70 Гц с последующей очисткой и фракционированием раствора активированного биологического вещества.

Недостатками способа является низкая эффективность способа очистки вследствие большой длительности процесса по времени и сложного технологического оформления процесса.

Задача изобретения - повышение эффективности биологической очистки сточных вод в течение суток.

Техническим результатом является повышение извлечения из сточной воды количества органических загрязнений.

Технический результат достигается за счет того, что по способу биологической очистки сточных вод воздействуют на активный ил аэротенков освещением в темное время суток светом красного и синего цветов, одновременно подают питание активному илу, затем измеряют значения химического потребления кислорода, окислительно-восстановительного потенциала и количество выделившихся газов для контроля работоспособности ила, корректируют дозу питания активному илу и/или продолжительность воздействия на активный ил аэротенков путем его освещения до достижения указанных значений параметров, обеспечивающего жизнеспособность ила.

Причем питание производят при температуре окружающей среды, при которой сохраняется жизнеспособность ила, а также с корректировкой рН в пределах 7,5-8 с полным биологическим потреблением кислорода, азота и фосфора в соотношении 100:5:1.

На Фиг. 1 представлена схема лабораторной установки с модельными аэротенками, где 1 - аэротенк № 1, «светлый»; 2 - аэротенк № 2, «темный»; 3 - светодиодная лента; 4 - подача кислорода от аэраторов; 5 - диспергаторы воздуха; 6 - вентили сброса прироста активного ила; 7 - каркас установки.

На Фиг. 2 приведен график эмиссии О₂ и СО₂ «светлого» и «темного» аэротенков.

На Фиг. 3 показаны изменения еН иловой смеси «светлого» и «темного» аэротенков.

На Фиг. 4 представлены показатели эмиссии газов в аэротенке № 1 и аэротенке № 2.

На Фиг. 5 представлено фото микроорганизмов активного ила в «светлом» аэротенке (под микроскопом).

На Фиг. 6 представлено фото микроорганизмов активного ила в «темном» аэротенке (под микроскопом).

На Фиг. 7 представлено фото полупромышленной экспериментальной установки.

На Фиг. 8 представлены показатели зависимости еН от типа аэротенка.

В предлагаемом способе биологической очистки сточных вод, протекающей в аэротенке, окисление загрязняющих веществ происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов активного ила, представляющего собой альгобактериальное сообщество (сообщество из микроводорослей и микроорганизмов), процесс происходит под воздействием освещения красного и синего цвета в темное время суток с подачей питания активного ила, обеспечивающего его жизнедеятельность.

В предлагаемом способе активный ил от городских очистных сооружений загружают в модельные аэротенки, выполненные в виде светопрозрачных цилиндров, освещают в темное время суток гирляндой светодиодных лент (ламп) красного и синего цветов. Аэрацию ведут через придонные аэраторы. При этом подбирают дозу питания, исходя из соотношения полного биологического потребления кислорода к азоту и фосфору (далее БПК_полн:N:Р) 100:5:1, обеспечивающий жизнедеятельность ила.

Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов активного ила диапазон температуры составляет +20…+30°С. Биологическая очистка сточных вод наиболее эффективна, если значение рН находится в пределах 5-9. Исходя из этого, наблюдения ведут за процессом при температуре окружающей лабораторной среды 20-21°С с корректировкой рН в пределах 7,5-8. Затем измеряют химическое потребление кислорода (ХПК), окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), количество выделившихся газов.

Корректируют дозу питания активному илу и/или продолжительность воздействия на активный ил аэротенков путем его освещения до достижения указанных значений параметров, обеспечивающим жизнеспособность ила.

Рассмотрим примеры проведения эксперимента.

Пример 1. Были сконструированы два светопрозрачных лабораторных аэротенка объемом 5 л каждый, при этом один освещался в темное время суток («светлый») светодиодной лентой (лампой) красным и синим светом, расположенной по внешней части модели сооружения с длиной волны 450 нм и 650 нм. Второй был помещен в темный кожух («темный»), без освещения, Фиг. 1.

Для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов в составе модельной жидкости (использовался активный ил из городских очистных сооружений), подавалось питание согласно СП 32.13330.2018, исходя из известного соотношения БПК_полн:N:Р = 100:5:1. Наблюдения велись за процессом при температуре окружающей лабораторной среды 20-21°С с корректировкой рН в пределах 7,5-8, таблица 1-7.

Таблица 1
Показания измерений до подачи питания в аэротенки Параметр Аэротенк №1 (светлый) Аэротенк №2 (темный) Т 23 20 рН 7,5 7,5 еН 120 100 ХПК 300 мгО/л 200 мгО/л NH₃ 0 мг 0 мг H₂S 0,0 мг 0,0 мг O₂ 20,80% 20,80% CH₄ 0,00% 0,00% CO₂ 0,14% 0,16%

Таблица 2
Показания измерений через час после подачи питания в аэротенки Параметр Аэротенк №1 (светлый) Аэротенк №2 (темный) Т 23 20 рН 7,5 7,5 еН 120 90 ХПК 1400 мгО/л 1400 мгО/л NH₃ 0 мг 0 мг H₂S 0,0 мг 0,0 мг O₂ 20,70% 20,70% CH₄ 0,00% 0,00% CO₂ 0,95% 0,86%

Таблица 3
Показания измерений через два часа после подачи питания в аэротенки Параметр Аэротенк №1 (светлый) Аэротенк №2 (темный) Т 23 20 рН 8 8 еh 110 80 ХПК 800 мгО/л 900 мгО/л NH₃ 0 мг 0 мг H₂S 0,0 мг 0,0 мг O₂ 20,40% 20,40% CH₄ 0,00% 0,00% CO₂ 0,87% 0,75%

Таблица 4
Показания измерений через три часа после подачи питания в аэротенки Параметр Аэротенк №1 (светлый) Аэротенк №2 (темный) Т 23 20 рН 8 8 еh 110 90 ХПК 400 мгО/л 500 мгО/л NH₃ 0 мг 0 мг H₂S 0,0 мг 0,0 мг O₂ 20,40% 20,40% CH₄ 0,00% 0,00% CO₂ 0,86% 0,74%

Таблица 5
Показания измерений через четыре часа после подачи питания в аэротенки Параметр Аэротенк №1 (светлый) Аэротенк №2 (темный) Т 22 20 рН 8 8 еh 150 130 ХПК 380 мгО/л 400 мгО/л NH₃ 0 мг 0 мг H₂S 0,0 мг 0,0 мг O₂ 20,80% 20,60% CH₄ 0,00% 0,00% CO₂ 0,78% 0,64%

Таблица 6
Показания измерений через пять часов после подачи питания в аэротенки Параметр Аэротенк №1 (светлый) Аэротенк №2 (темный) Т 22 20 рН 8 8 еh 130 110 ХПК 300 мгО/л 350 мгО/л NH₃ 0 мг 0 мг H₂S 0,0 мг 0,0 мг O₂ 20,80% 20,60% CH₄ 0,00% 0,00% CO₂ 0,72% 0,60%

Таблица 7
Показания измерений через шесть часов после подачи питания в аэротенки Параметр Аэротенк №1 (светлый) Аэротенк №2 (темный) Т 22 20 рН 8 8 еh 100 90 ХПК 250 мгО/л 300 мгО/л NH₃ 0 мг 0 мг H₂S 0,0 мг 0,0 мг O₂ 20,60% 20,60% CH₄ 0,00% 0,00% CO₂ 0,70% 0,56%

После подачи питания в иловой смеси фиксировали еН-окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), эмиссию газов О₂ и СО₂ над ней.

Замеры газов от модельных аэротенков в лабораторных условиях показали, что при аэробном окислении происходит выделение оксида углерода СО₂, по количеству которого возможно судить о потреблении кислорода активным илом, то есть его окислительной способности (Фиг. 2).

Из анализа графика (Фиг. 2) видно, что скорость окисления в «светлом» аэротенке № 1 больше, чем в «темном» аэротенке № 2. При этом лучше использовать светодиодные ленты или лампы, потому что они имеют ряд преимуществ: светоотдача больше, световой поток ровнее, спектральный состав света сбалансирован.

Характер изменения илового индекса (Фиг. 3) в обоих аэротенках приблизительно одинаков, в пределах 50 - 60 мл/г. Его достаточно низкое значение по сравнению с реальными проточными аэротенками объясняется повышенной зольностью (29 - 31%) и возрастом биомассы на момент проведения эксперимента (18 - 21 сут.) для обеспечения процесса нитрификации.

Контроль эмиссии газов от модельных аэротенков в лабораторных условиях в течении 6 часов (по РФ принято считать, что ночное время длится с 22 ч-до 6 ч утра, т.е. с учетом раннего восхода солнца и заката в среднем темное время суток длится 6-8 часов) показал, что более интенсивно потребление кислорода биомассой и, соответственно, выделение углекислоты идет в аэротенке № 2. В аэротенке № 1 данные процессы осуществляются с коэффициентом 0,7 - 0,75 от «темного». Объяснением этому является, что при отсутствии фотонов света в «темном» аэротенке имеет место потребление растворенного кислорода водорослями, входящими в альгобактериальное сообщество аэротенка (Фиг. 4).

Особенно существенным является отличие eH иловой смеси в модельных аэротенках. Средняя величина ОВП в «светлом» аэротенке за 6 часов биодеструкции органических загрязнений составила 87,5 мВ, в «темном» - 65,3 мВ. Это можно интерпретировать, что интенсивность окислительных процессов в аэротенках при освещении более эффективна (87,5/65,3) в 1,34 раз.

Средняя концентрация растворенного кислорода в период проведения исследований в «светлом» аэротенке составила после окончания цикла окисления - 6,32 мг/л, через 1 час после внесения питания - 7,08 мг/л, в «темном», соответственно, 5,98 и 4,59 мг/л, таблица 8.

Таблица 8
Показания измерений растворенного кислорода Время, мин Кислород, мг/дм³,
Аэротенк №1 Кислород, мг/дм³,
Аэротенк №2 1 2 3 0 7,87 6,3 0,5 7,64 4,74 1 7,44 2,69 1,5 7,22 1,069 2 6,93 0,572 2,5 6,77 0,315 3 6,62 0,173 3,5 6,39 0,103 4 6,03 0,065 4,5 5,78 0,041 5 5,66 0,028 5,5 5,33 0,017 6 5,04 0,009 6,5 4,76 0,004 7 4,46 0 7,5 4,13 0 8 3,84 0 8,5 3,57 0 9 3,29 0 1 2 3 9,5 3,00 0 10 2,79 0 10,5 2,57 0 11 2,32 0 11,5 2,08 0 12 1,930 0 12,5 1,795 0 13 1,501 0 13,5 1,228 0 14 0,951 0 14,5 0,766 0 15 0,626 0 15,5 0,502 0 16 0,464 0 16,5 0,437 0 17 0,417 0 17,5 0,393 0 18 0,357 0 18,5 0,000 0 19 0,000 0 19,5 0,000 0

В течение месяца работы еженедельно вели гидробиологический контроль микробного сообщества модельных аэротенков.

В процессе работы произошла автоселекция и сформировалась трофическая взаимосвязь микроорганизмов в «светлом» аэротенке инфузории (тело удлиненно-овальное, несколько уплощенное) отряда Hymenostomatida подотряда Peniculina рода Paramecium trichium, в 1л объема аэротенка таких микроорганизмов примерно 200 шт. Также выявлен представитель класса Polynymenophora подкласса Spirotrichida отряда Heterotrichida рода Stentor polymorphus в вытянутом состоянии, питается бактериями и жгутиковыми.

Микробное сообщество «темного» аэротенка также имело свою, отличительную, трофическую цепь. Появились представители кольчатых червей Annelida класса малощетинковых Oligochaeta Grube, в 1 л аэротенка таких микроорганизмов примерно 100 шт. Из этого следует, что видовое разнообразие и, соответственно, окислительная способность «темного» аэротенка меньше, чем «светлого» (Фиг. 5, 6).

Таким образом была установлена высокая интенсивность окислительных процессов в освещаемом аэротенке, то есть «дневная» часть суточного процесса биологической очистки «перерабатывала» загрязнения более интенсивно, тогда как «ночная» часть процесса являлась лимитирующей.

Чтобы процессы окисления загрязнений сточной воды происходили еще более интенсивнее и эффективнее, был подобран спектр освещения.

Известно, что лучший спектр света для фотосинтеза лежит в диапазонах длины волны 440 - 480 нм и 630 - 770 нм, то есть в синем и красном цветах.

На протяжении трех недель «светлый» аэротенк освещался через разные световые фильтры, имеющие разную длину светового луча (каждую неделю использовался новый световой фильтр: красный, зеленый, синий).

Волны, лежащие в диапазоне около 550 нм, мало востребованы растениями. В результате анализа полученных данных в проводимом эксперименте было выявлено, что из всех спектров сообществу активного ила наиболее подходят красные и синие световые лучи, под воздействием зеленых поведение «жителей активного ила» никак не изменялось.

Таблица 9
Влияние спектра света на модельные аэротенки Спектр света Длина волны, нм eH, мв Тип аэротенка Аэротенк № 1
(светлый) Аэротенк № 2
(темный) Красный 630-770 90 -40 Синий 440-480 110 90 Зеленый 520-560 -10 -20

В результате анализа полученных данных в проводимом эксперименте было выявлено, что из всех спектров, воздействующих на альгобактериальное сообщество активного ила, обеспечивают достижение технического результата красные и синие световые лучи, так как зеленые «жители ила» отражают.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет достичь более глубокой степени очистки органически загрязненных сточных вод.

Пример 2. Проводились исследования по применению освещения на полупромышленной установке в локальных очистных сооружениях (далее ЛОС) торгового центра (Фиг. 7).

В процессе эксплуатации измеряли еН в зависимости от типа аэротенка, (Фиг. 8).

Чтобы процессы окисления загрязнений сточной воды происходили интенсивнее и эффективнее, было предложено использовать освещение сооружений в темное время суток, в среднем период освещения длилось 6-8 часов. Для этих целей были выбраны влагостойкие светодиодные ленты (лампы), эксплуатируемые в помещениях с повышенной влажностью, а также непосредственно в водной среде.

Из анализа данных, представленных на (Фиг. 8) видно, что скорость окисления в «светлом» аэротенке больше, чем в «темном». Экономия энергозатрат составляет 10 % по сравнению с классическими технологиями биологического удаления загрязняющих веществ в аэротенках. (без применения освещения в темное время суток).

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод от биогенных элементов и может быть использовано для очистки сточных вод на локальных очистных сооружениях. На активный ил аэротенков воздействуют освещением в тёмное время суток светом красного и синего цветов. Одновременно подают питание активному илу. Затем измеряют значения химического потребления кислорода, окислительно-восстановительного потенциала и количество выделившихся газов для контроля работоспособности ила, корректируют дозу питания активному илу и/или продолжительность воздействия на активный ил аэротенков путем его освещения до достижения указанных значений параметров, обеспечивающего жизнеспособность ила. Питание производят при температуре окружающей среды, при которой сохраняется жизнеспособность ила, а также с корректировкой рН в пределах 7,5-8 с полным биологическим потреблением кислорода, азота и фосфора в соотношении 100:5:1. Технический результат: повышение извлечения из сточной воды количества органических загрязнений. 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 9 табл.

1. Способ биологической очистки сточных вод, заключающийся в том, что воздействуют на активный ил аэротенков освещением в тёмное время суток светом красного и синего цветов, одновременно подают питание активному илу, затем измеряют значения химического потребления кислорода, окислительно-восстановительного потенциала и количество выделившихся газов для контроля работоспособности ила, корректируют дозу питания активному илу и/или продолжительность воздействия на активный ил аэротенков путем его освещения до достижения указанных значений параметров, обеспечивающего жизнеспособность ила.

2. Способ биологической очистки сточных вод по п.1, заключающийся в том, что питание производят при температуре окружающей среды, при которой сохраняется жизнеспособность ила, а также с корректировкой рН в пределах 7,5-8 с полным биологическим потреблением кислорода, азота и фосфора в соотношении 100:5:1.