АНАЭРОБНАЯ ОЧИСТКА БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД, УТИЛИЗАЦИЯ ТБО И БИООТХОДОВ Российский патент 2025 года по МПК C02F3/30 C02F11/04 C02F11/10 C02F9/00 

Известны методы очистки бытовых сточных вод:

1 химическая,

2 биологическая,

3 аэробная,

4 анаэробная.

Химическая очистка сточных вод не находит широкое применение из-за того, что применение химикатов приводит к удорожанию процесса очистки. Химическую очистку применяют в основном на металлургических заводах, обогатительных фабриках и различных предприятиях, где в сточных водах в отличие от бытовых, присутствуют различные кислоты, металлы и другие загрязняющие вещества, которые биологическими методами нельзя уничтожить. Только предварительно химически очищенную от таких загрязнителей воду допускается сливать в городскую канализацию. Биологическая очистка бытовых сточных вод является самой простой и дешевой. К биологической очистке относятся: биологические пруды, естественные и искусственные, поля фильтрации и поля орошения. Недостаток биологических прудов в том, что для этого нужны большие площади, а также эти пруды не работают эффективно в зимнее время, поэтому этот метод можно применять только в теплых климатических районах. К недостаткам полей фильтрации можно отнести то, что требуется большая площадь и возможно досрочное заиливание. Также нельзя их строить там, где грунтовые воды находятся выше двух метров от поверхности земли. Для полей орошения также требуется большая площадь, и овощи, которые будут выращены на этих полях, нельзя употреблять в сыром виде.

До настоящего времени самым надежным способом очистки сточных вод считалась аэробная, однако присутствие в бытовых сточных водах большого количества моющих средств, затрудняет их очистку. Аэробный метод отчистки очень энергоемкий. При этом способе очистки не обезвреженным остается активный ил, который годами скапливается на иловых площадках очистных сооружений, нефтепродукты, жиры, а также извлекаемые с песколовок песок и другие нерастворимые в воде взвешенные вещества. Самым простым, дешевым и современным методом можно считать метод анаэробной очистки бытовых сточных вод при соблюдении следующих условий:

1. концентрация взвешенных частиц в стоках должна быть в пределах от 10 до 15% для обеспечения нормальных условий брожения;

2. взвешенные вещества должны подогреваться при мезофильном методе сбраживании от 30 до 35 градусов, а при термофильном, от 50 до 55 градусов;

3. мутность воды не должна превышать 10 мл на 10 дм³ на литр при обеззараживании УФ;

4. обеспечить герметичность сооружения для ограничения доступа кислорода;

5. должны быть предусмотрены требования норм промышленной безопасности.

К преимуществам анаэробного метода очистки сточных вод можно отнести:

1. исключение неприятного запаха на территории очистных сооружений из-за закрытых сооружений;

2. обслуживание в 8-10 раз дешевле по сравнению с аэробной очисткой;

3. более простое оборудование в связи с исключением метода хлорирования и озонирования;

4. 8-10 раз меньше расход электроэнергии на один и тот же объем;

5. при выделении биогаза избыточный ил уменьшается от 5 до 10 раз, который сразу можно использовать в качестве удобрения, а биогаз, с содержанием метана до 70%, после очистки от углекислого и сернистого газов одним из известных способов, можно использовать на ровне с природным газом;

6. экологический процесс очистки качественнее, чем при аэробной, так как активный ил обезвреживается в нашем случая не только методом сбраживания, но и термическим способом;

7. объем строительства иловых площадок можно сократить до 10 раз;

8. без доступа кислорода микробы погибают до 80%. Проект содержит сооружение состоящее:

1. Песколовка - 1; железобетонный емкость - 2; насосная станция – 3.

2. Металлический отстойник - 4, объемом 20-30 м³ предназначен для отделения взвешенных веществ бытовых сточных вод от воды.

3. Железобетонная емкость - 5 для переработки в биомассу взвешенных веществ сточных вод, септиков, выгребных ям, навоза, птичьего помета, фруктовых, овощных и отходов пищеперерабатывающих предприятий.

4. Мусоросжигательный цех - 6, в плане, 12 м × 24 м высотой 6 м включает в себя 12 пиролизных мусоросжигательных установок, для утилизации ТБО и термического обеззараживания взвешенных веществ бытовых сточных вод и других биоотходов.

5. Железобетонное биогазовое сооружение - 7, выполняет функции биореактора, отстойника, является закрытым помещением временного хранения гнилого ила и газгольдером для биогаза.

6. Комбинированный фильтр - 8, предназначен для доочистки бытовых сточных вод, в том числе, от нефтепродуктов и жиров.

7. 9 - помещение предназначенное для окончательного обеззараживания бытовых сточных вод с помощью канальных ультрафиолетовых установок, перед сливом в реку.

Описание работы

Для строительства песколовки (1), железобетонного емкость (2) и насосной станции (3) разрабатывается котлован в зависимости от глубины коллектора. Сооружения выполняются из железобетона и металлических конструкций. Глубина песколовки (1) не должна превышать 2,5 м, чтобы ее можно было очищать как в ручную, так и механическим способом, а от низа коллектора на один метр ниже, для скапливания песка и других взвешенных веществ. Переливная стальная труба диметром 630 мм с задвижкой устанавливается таким образом, чтобы вниз направленная горловина была на уровне дна входного коллектора, во избежание попадания с водой скапливаемых над ней взвешенные вещества в железобетонную емкость для сточной воды (2). Перед переливной трубой устанавливается металлическая решетка с зазором 1,5 см между прутьями. От песколовки прокладывается железобетонный коллектор диаметром 600 мм, для аварийного сброса бытовой сточной воды, низ которого укладывается на уровне верха входного коллектора. В насосной станции (3), предусмотрены три насоса, два производительностью по 1200 кубометров в час (из расчета 25 тыс. кубов расхода воды в сутки), один для постоянной работы, второй для резерва. Третий, производительностью 600 кубов в час, будет срабатывать в случае увеличении стоков.

С насосной станции (3) по трубе вода подается в отстойник (4). С отстойника по трубе, вода самотеком поступает в средний резервуар первого отсека железобетонного биогазового сооружения (5), а взвешенные вещества, по мере накопления в отстойнике (4), сливаются в железобетонную емкость (5),с необходимым количеством сточной воды для смешивания их с сгружаемыми в эту же емкость взвешенных веществ септиков, выгребных ям, навоза, птичьего помета, фруктовых, овощных и отходов пищеперерабатывающих предприятий для получения субстрата 90% влажности, которая с помощью насоса по трубе подается в котел, установленный над дымовыми трубами пиролизных мусоросжигательных установок в мусоросжигательном цехе (6), в количестве 12 штук, производительностью 10 тонн каждая в сутки, методом прямого сжигания и пиролиза, а жар дымовых труб установок используется для термического обеззараживания биомассы в котлах расположенных над жаровыми трубами установок (На установку получен патент №2758677 от 01 ноября 2021 г.). Для системы охлаждения пиролизных установок используется осветленная вода сточных вод, а система вентиляции для закачивания дымовых газов мусоросжигательных установок в сточные воды, где происходит нейтрализация сточных вод и качественная очистка самих дымовых газов. Нагревание субстрата до 100 градусов, позволяет уничтожать не только яйца гельминтов и патогенные микроорганизмы, но и вирусы. Метод термического обеззараживания еще в 1860 годах предложил Луи Пастер, поэтому метод называется - пастеризация. Это очень затратный метод, если нагревать все стоки, поэтому с помощью отстойника (4), взвешенные вещества стоков отделяются от воды для получения 10% концентрации. Для этого влажность 25000 м³, сточных вод с содержанием взвешенных веществ 0,1% нужно уменьшить в 100 раз. В результате получим 250 м³ биомассу 90% влажности для термического обеззараживания и выработки биогаза. На разогрев одного литра воды до 100 градусов требуется 0,1 кВт/час. Для разогрева 250000 литров понадобиться 250000×0,1 кВт/час=2500 кВт/час тепловой энергии в сутки. Установка имеет две топки. В первой топке планируется сжигать до пяти тонн дров и другие отходы, не содержащие нефтепродукты и лакокрасочные материалы. Они составляют более 50% от общего объема ТБО, занимают большие площади, а в процессе гниения выделяют биогаз, тем самым причиняют в разы больше вреда окружающей среде, чем пластик и резина. Во второй топке установки монтируется газовая горелка (патент №2486408) для сжигания части пиролизного газа с водородом. На нагретый до 2000 градусов отражатель горелки из вольфрамого листа, подается перегретый пар с параобразователя пиролизной установки. При расщеплении пара на водород и кислород, водород начинает гореть, создавая высокую температуру для нагревания биомассы в котле и дожигает отходящие газы, а кислород, вступая в реакцию с угарным газом первой топки, превращает его в двуокись углерода. Теплотворность водорода в три раза выше, чем у природного газа. На сто тысяч населения для утилизации ТБО достаточно семи пиролизных мусоросжигательных установок, но проект цеха разработан с учетом обеззараживания термическим способом не только взвешенные вещества бытовых сточных вод, но и септиков, выгребных ям, навоза свиней, крупного рогатого скота, помета птиц, активного ила, который годами скапливался на площадках очистных сооружений, фруктовых, овощных и отходов пищеперерабатывающих предприятий. Нагретая до 100 градусов биомасса, по трубе с высоты 6 метров, через каждые 5-6 часов будет сливается в биореактор (7) через перфорированные трубы, уложенные на полу биореактора. В результате субстрат в биореакторе под давлением будет перемешиваться, поддерживать тепло и постепенно вытеснять через проем в железобетонное биогазовое сооружение выработанную массу. Отсеки разделяются сплошной железобетонной перегородкой, сообщаются с помощью наружной трубы. Когда в первом отсеке первые три резервуара заполнятся илом, клапан на трубе перекрывается и начинает эксплуатироваться второй отсек. Перед началом очистки помещения, необходимо приподнять ворота, для слива оставшейся воды в лоток и открыть на кровле клапана для проветривания помещения. С сооружения 7, сточная вода по трубе поступает в комбинированный фильтр (8), состоящий из двух частей по два отсека каждый, предназначенные для использования поочередно. Первые отсеки фильтра заполняются щебнем, фракции 5-20 мм, высотой два метра, а во вторых отсеках толщиной 50 см для пропуска сточных вод под перегородкой, затем укладывается древесный или технический уголь толщиной 50 см, песок толщиной 50 см, а за тем снова щебень, 30 см. Вода сначала поступает в первый отсек, затем под перегородкой через щебеночную подсыпку проходит во второй отсек, поднимается через древесный уголь, песок, щебень и стекает в водоприемный колодец. С колодца осветленная вода по трубе, поступает в помещение (9) для окончательного обеззараживания с помощью УФ установок канального типа ВОДОГРА*2288КС, перед сбрасыванием в реку.

Экологические преимущества

В установках мусоросжигательного цеха кроме утилизации ТБО можно обеззараживать: отходы септиков и выгребных ям населенных пунктов, навоз свиней, крупного рогатого скота и помета птиц, сжигать трупы животных и птиц. Все взвешенные вещества бытовых сточных вод подвергаются термической обработке, а осветленная вода, пройдя через древесный или технический уголь комбинированного фильтра, очищается от жиров и нефтепродуктов. В отличия от метода хлорирования доочистка сточных вод УФ намного безопаснее. Можно строить такие сооружения недалеко от населенных пунктов. Полностью исключается негативное влияние на атмосферу из-за закрытых резервуаров. Как правило, бытовые сточные воды относятся к щелочным из-за содержания в них большого количества моющих средств, т.е. рН больше 8,5. Обычно щелочные сточные воды нейтрализуют различными кислотами. Экологическая уникальность рассматриваемо проекта заключается в том, что для нейтрализации сточных вод проектом предусматривается использовать дымовые газы мусоросжигательных пиролизных установок, с содержанием СО₂, NO₂, SO₂, N₂O₃ и т.д.. Одновременно с нейтрализацией сточных вод при перемешивании происходит высококачественная очистка самих газов дымовых труб от вредных компонентов, в том числе и от твердых частиц летучей золы, сажи и т.д. Тем самым на 100% исключается загрязнение атмосферы при утилизации ТБО в установках мусоросжигательного цеха даже при методе их прямого сжигания. Исследователи из университета Нового Южного Уэльса в Канберре (Австралия) предложили новый метод очистки сточных вод от болезнетворной фауны пузырьками горячего углекислого газа, разогретого от 100 до 205 градусов, который подается на дно резервуара с грязной водой. Поднимаясь через толщу воды, пузырьки горячего углекислого газа способны убивать все микробы, при этом не происходит никакой химической реакции с побочным эффектом и это проще, чем использовать УФ установку для обеззараживания бытовых сточных вод, считают ученные. Однако используемое нами проектное решение надежнее, экономичнее и прост в эксплуатации т.к. не требуется дополнительно расходовать тепловую энергию для нагрева углекислого газа, а используются имеющиеся дармовые дымовые газы. При анаэробной очистке бытовых сточных вод образование ила от 5 до 10 раз меньше чем при аэробной очистке.

Экономическое обоснование

По сравнению с аэробной очисткой сточных вод, анаэробная экономичнее в разы, прост в эксплуатации, не требует каких-то сложных оборудований. Достаточно двух человек для обслуживания.

Дает возможность получать биогаз и качественное удобрение, которое можно вносить сразу в почву. Эту массу можно использовать и для подкормки крупного рогатого скота и птиц, добавляя в рацион от 5% до 10%. Биогаз после его очистки от углекислого и сероводородного газов можно использовать для производства сажи, на выработку электроэнергии с помощью газовых турбин. Им можно заправлять транспортные средства и механизмы. До 70% сокращается расход электроэнергии. От 5 до 10 раз можно уменьшить площадь строительства иловых площадок. Осветленную сточную воду можно использовать на охлаждение пиролизного газа установок, очистки биогаза от углекислого газа.

Дымовые газы с котлов, предусмотрено использовать для нейтрализации бытовых сточных вод, где одновременно происходит высококачественная очистка самих газов. Это дает возможность большое количество ТБО разного класса опасности утилизировать методом прямого сжигания за счет чего намного увеличится производительность цеха. В бытовых отходах в пределах 35% составляют отходы, содержащие нефтепродукты, с которых с одной тонны в среднем можно получать 300 л пиролизной жидкости хорошего качества. На 100 тыс.населения такие отходы будут составлять 24 тонны в сутки, с которых можно получать 7200 л пиролизной жидкости в сутки. Золу можно использовать в качестве удобрения. Цех с 12-ю установками может утилизировать 120 тонн ТБО в сутки с обслуживающим персоналом 5 человек в смену с учетом машиниста погрузчика. Площадь строительства такого цеха занимает до 300 кв. метров стоимостью в пределах 40 миллионов рублей. Мусоросжигательные заводы, которые должны построить в России в количестве 25 шт. стоят 600 миллиардов рублей, т.е. 24 млрд. руб. один завод производительностью до 700 тонн в сутки для населения один миллион человек из расчета 0,25 тонн ТБО на одного жителя в год. Эти заводы не могут быть ни рентабельными ни экологичными. Перед процессом сжигания ТБО нужно измельчить и просушить. Высоки затраты на очистку дымовых газов от прямого сжигания ТБО. Утилизация грязи скапливаемых в фильтрах остается проблемной. Высокая стоимость.

Большие эксплуатационные затраты. Такие заводы предлагается строить в городах с населением более 500 тысяч человек. Для утилизации ТБО в количестве 700 тонн в сутки достаточно построить 6 цехов из расчета на сто тысяч населения каждый, общей стоимостью около 240 млн руб. площадью 1800 кв. метров, то есть в 100 раз дешевле чем один завод для утилизации одного и того же объема. Большое количество установок и небольшой объем в цехе дает возможность при сортировке загружать их однородными отходами с учетом продолжительности процесса пиролиза и соблюдения температурного режима. При этом нет необходимости измельчать и сушить отходы перед загрузкой в установки. В реакторах можно получать биогаз, качественное удобрение, подкормку для скота и птиц. Из биогаза при сжигании без достаточного доступа кислорода можно получать качественную сажу. Сточную воду использовать для очистки дымовых газов, а дымовые газы для нейтрализации щелочных сточных вод. Осветленную воду использовать на охлаждение пиролизного газа. Дармовую тепловую энергию и обеззараженную воду можно использовать на отопление и орошение тепличного комбината. Стоимость строительства очистных сооружений с учетом строительства мусоросжигательного цеха на сто тысяч населения не будет превышать 240 млн руб. Для г. Владикавказ с населением 300 тыс. человек очистные сооружения с мусоросжигательными цехами по моим расчетам обойдутся не миллиарды, а в пределах 800 млн рублей. Эта сумма может уменьшиться, если при строительстве можно будет использовать имеющиеся постройки на территории существующих очистных сооружений. Если такие цеха построить в каждом городе на территории очистных сооружений, то намного сократятся транспортные расходы на перевозку ТБО и расходы на качественную очистку сточных вод.

Мероприятия по безопасной эксплуатации

Анаэробная очистка сточных вод относится к взрывоопасным объектам, поэтому в четырех углах железобетонного сооружения предусмотрены молниеотводы. На покрытии предусмотрены легко сбрасываемые съемные клапана. Они также предусмотрены для визуального наблюдения за процессом и проветривания резервуаров перед очисткой. На газоотводных трубах предусмотрены гидрозатворы. По периметру сооружения устанавливаются газоанализаторы. Попадание воздуха со стоками исключается, так как с отстойника и котла стоки в резервуары поступают по трубам самотеком и не доходят на один метр до пола, выполняя роль гидрозатвора.

Изобретение относится к анаэробной очистке бытовых сточных вод, утилизации ТБО и биоотходов. Сооружение для анаэробной очистки сточных вод, утилизации ТБО и биоотходов включает технологически связанные между собой песколовку, железобетонную емкость для сточной воды, насосную станцию, металлический отстойник для отделения взвешенных веществ от сточной воды, железобетонную емкость для переработки в субстрат взвешенных веществ сточных вод, септиков, выгребных ям, навоза, птичьего помета, фруктовых, овощных и отходов пищеперерабатывающих предприятий для термического обеззараживания в котлах, смонтированных над жаровыми трубами пиролизных мусоросжигательных установок, предусмотренных для утилизации ТБО, систему охлаждения пиролизной жидкости мусоросжигательных установок очищенной сточной водой, систему вентиляции для закачивания дымовых газов, выходящих из котлов, в сточные воды для их нейтрализации и качественной очистки самих газов, железобетонное биогазовое сооружение, включающее в себя биореактор и являющееся отстойником, помещением для временного хранения гнилого ила, газгольдером для скапливания биогаза, комбинированный фильтр, помещение для окончательной очистки сточных вод УФ. Техническим результатом является обеспечение эффективной анаэробной очистки сточных вод, утилизации ТБО и биоотходов. 1 ил.

Сооружение для анаэробной очистки сточных вод, утилизации ТБО и биоотходов, включающее технологически связанные между собой песколовку, железобетонную емкость для сточной воды, насосную станцию, металлический отстойник для отделения взвешенных веществ от сточной воды, железобетонную емкость для переработки в субстрат взвешенных веществ сточных вод, септиков, выгребных ям, навоза, птичьего помета, фруктовых, овощных и отходов пищеперерабатывающих предприятий для термического обеззараживания в котлах, смонтированных над жаровыми трубами пиролизных мусоросжигательных установок, предусмотренных для утилизации ТБО, систему охлаждения пиролизной жидкости мусоросжигательных установок очищенной сточной водой, систему вентиляции для закачивания дымовых газов, выходящих из котлов, в сточные воды для их нейтрализации и качественной очистки самих газов, железобетонное биогазовое сооружение, включающее в себя биореактор и являющееся отстойником, помещением для временного хранения гнилого ила, газгольдером для скапливания биогаза, комбинированный фильтр, помещение для окончательной очистки сточных вод УФ.