Установка для очистки природных и сточных вод

Полезная модель относится к технике очистки воды от различных примесей и может быть использована, в частности, для очистки природных и техногенных сточных вод от нитратов.
Известно устройство для денитрификации воды, содержащее реактор денитрификации, контейнеры водорода и диоксида углерода, которые напрямую присоединены к реактору денитрификации, емкость мгновенного испарения газов, растворенных в воде, которые выходят из реактора денитрификации, озонирующую ячейку для подачи озона в воду, которая выходит из емкости испарения. Воду пропускают через пористый носитель, который содержит переходный металл, способный активировать молекулярный водород, и на котором прикреплены денитрифицирующие бактериальные штаммы, которые могут выживать в бескислородных условиях и в присутствии водорода, и где водород используют в качестве восстанавливающего агента, а значение рН реакционной смеси устанавливают при значениях от 4,5 до 7,8 с помощью диоксида углерода (патент РФ №2240986, МПК C02F 3/00; C02F 101/16).
Недостатками известной модели являются низкая эффективность очистки воды от нитритов, образующихся при восстановлении нитратов, применение в составе каталитической массы палладия и необходимость проводить денитрификацию под давлением диоксида углерода.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является установка для очистки воды от нитратов в био-электрохимическом реакторе с восходящим потоком жидкости и активированным углем (ГАУ), одновременно выполняющим роль катода и субстрата для иммобилизованных на его поверхности микроорганизмов, содержащая корпус, выполненный в виде цилиндрического резервуара, изготовленного из оргстекла, на днище которого установлен катод, выполненный из алюминиевой пластины, и 13 стержней из нержавеющей стали высотой 5 см, привинченных к основанию пластины для фиксации катода, и обеспечивающих надежный электрический контакт между металлическим катодом и ГАУ, помещенным в межэлектродном пространстве реактора. Анод, прикрепленный к верхней крышке корпуса UBER четырьмя металлическими стержнями, выполнен в виде сетки из нержавеющей стали и помещен на 1 см ниже уровня патрубка для отвода сточной воды и газов. Четыре впускных отверстия установлены на стенке цилиндрического корпуса на 1 см выше днища (см. S. Ghafari, М. Hasan, М.K. Aroua. Nitrate remediation in a novel upflow bio-electrochemical reactor (UBER) using palm shell activated carbon as cathode material // Electrochimica Acta. 2009. Vol. 54, P. 4164-4171).
2
3
-
-
Недостатком описанной установки является низкая эффективность очистки воды от нитритов (NO), образующихся при восстановлении нитратов (NO), обусловленная кинетическими ограничениями, которые возникают в реакторе из-за конструктивных особенностей катода, выполненного в виде плоской пластины, установленной на днище резервуара, и ввода воды в электролизер с помощью впускных отверстий, установленных на стенке цилиндрического корпуса на 1 см выше днища реактора.
2
Автогидрогенотрофная денитрификация в прикатодной зоне (в основном на поверхности ГАУ) протекает с помощью денитрифицирующих микроорганизмов с использованием водорода, образующегося на катоде в результате электролиза воды, в качестве донора электронов для последовательного восстановления нитратов до N:
+
-
3
2
Кинетические ограничения, вызванные конструктивными особенностями ввода воды в реактор, приводят к неравномерному перемешиванию раствора в прикатодной зоне, локальному повышению рН и, как следствие, дефициту ионов водорода Н, необходимых для протекания реакции (2), и неполному восстановлению NO до N.
Техническая задача - повысить эффективность и стабильность очистки природных и сточных вод от нитратов.
Технический результат достигается тем, что в установке для очистки природных и сточных вод, содержащем корпус био-электрохимического реактора, выполненный из полиэтилена в виде цилиндрического резервуара с патрубком для ввода воды, установленный в нижней части корпуса катод, прикрепленный в верхней части корпуса металлическими стержнями, выполненный в виде перфорированной пластины из графита анод, слой гранулированного активированного угля (ГАУ) и патрубок для отвода сточной воды, установленный на стенке цилиндрического корпуса ниже анода, катод выполнен в виде перфорированной пластины из нержавеющей стали, с закрепленными на ее поверхности металлическими стержнями. Гранулированный активированный уголь (ГАУ) одновременно выполняющий роль катода и субстрата для иммобилизованных на его поверхности микроорганизмов помещен в межэлектродном пространстве на поверхности катода.
На чертеже представлена принципиальная схема установки для очистки природных и сточных вод.
Предлагаемая установка содержит корпус 1, выполненный в виде резервуара с коническим днищем, патрубок для подвода воды 2, установленный на верхнюю часть крышки днища катод 3, выполненный в виде перфорированной пластины из нержавеющей стали и шести стержней из нержавеющей стали высотой 5 см, привинченных к основанию пластины и обеспечивающих надежный электрический контакт между металлическим катодом и слоем ГАУ 4, одновременно выполняющим роль катода и субстрата для иммобилизованных на его поверхности микроорганизмов, прикрепленный к верхней крышке корпуса четырьмя металлическими стержнями анод 5, выполненный в виде перфорированной пластины, изготовленной из графита, патрубок для отвода сточной воды 6, установленный на стенке цилиндрического корпуса ниже анода, что обеспечивает минимальное влияние продуктов анодного окисления воды на процесс денитрификации, трубку для отвода газов с манометром 7 и электрическим клапаном 8, источник постоянного тока 9.
2
Устройство для очистки природных и сточных вод работает следующим образом. Сточная вода восходящим потоком подается в реактор через патрубок 2 с помощью мембранного насоса-дозатора (на черт, не показан). Уровень жидкости в реакторе устанавливается на отметке выше анода с помощью мембранного клапана 8 и контролируется по показаниям манометра 7. Образующийся в процессе электролиза избыточный газообразный водород, не использованный микроорганизмами для восстановления нитратов до N, и газообразные продукты денитрификации отводятся через клапан 8. Наличие перфорации на катоде 3 обеспечивает свободное и равномерное перемешивание всего раствора, поступающего в реактор, а также отвод газообразного водорода, выделяющегося в результате электрохимической реакции на катоде, в прикатодное пространство, заполненное ГАУ.
H2O
H2O
3
4
3
2
3
H2O
+
-
-
-
Процесс денитрификации проводили при следующих параметрах: Q=110-150 мл/ч; t=20-22°С; рН=7,4-7,6; I=50-60 мА. В качестве источника неорганического углерода использовали добавляемый в воду бикарбонат натрия NaHCO, донором электронов служил водород, генерируемый на катоде. Для наращивания биопленки на поверхности ГАУ в течение недели через реактор пропускали производственную сточную воду, загрязненную хозяйственно-бытовым стоком, предварительно очищенным от крупных механических включений и песка. Состав воды на входе в реактор, мг/л: БПК = 16; NH=8; NO=1,3; NO=4,8; HCO=130,8. При подаче воды в реактор с расходом Q=150 мл/ч время контакта воды с ГАУ (HRT - hydraulic retention time) составляет 2 часа. После образования биопленки на поверхности ГАУ и выхода установки на стабильный режим работы на входе в реактор в сточной воде постепенно увеличивали концентрацию нитратов.
3
3
3
-
-
-
Вплоть до 100 мг/л NO (22,6 мг NO-N/л) происходит процесс полной гидрогенотрофной денитрификации. В отводимой через патрубок 6 сточной воде нитраты и нитриты отсутствовали. Расход энергии на восстановление нитратов составил 37,4 МДж/моль NO, что сопоставимо с результатами, полученными в реакторе прототипа.
Применение предлагаемой полезной модели в сравнении с прототипом, благодаря подаче воды снизу и наличию перфорации на катоде, обеспечивает свободное и равномерное перемешивание всего раствора, поступающего в реактор, а также отвод газообразного водорода, выделяющегося в результате электрохимической реакции на катоде, в прикатодное пространство, заполненное ГАУ, и, таким образом, снимаются кинетические ограничения, вызванные конструктивными особенностями ввода воды в электролизер прототипа, и это способствует повышению эффективности и стабильности очистки природных и сточных вод от нитратов и нитритов.