Модифицированный погружной вращающийся биофильтр для очистки сточных вод от загрязнений
MODIFIED SUBMERSIBLE ROTATING BIOFILTER FOR PURIFICATION OF WASTE WATER FROM CONTAMINANTS

Модифицированный погружной вращающийся биофильтр барабанного  типа   может применяться для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод и аналогичных к ним по составу   загрязнений от малых населенных пунктов и отдельно расположенных объектов (дома отдыха, коттеджи  и отдельно стоящие промышленные предприятия и т.п.).
Известен погружной вращающийся биофильтр («Барабанный погружной биофильтр» в книге «Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод / Учебник для вузов: - М.: Издательство строительных вузов, 2006 – 704 с.; см. Ст. 349») который, состоит из барабана, закреплённого на горизонтальном валу. Жесткий корпус барабана обтягивается сеткой или другим материалом, а внутри корпуса помещаются либо засыпные пластмассовые элементы, либо фигурные блочные секции, либо гофрированный или пленочный материал, на поверхности которого развивается биоплёнка. Барабаны, длиной 2-3 м и диаметром 2-2,5 м, помещаются резервуары, куда поступает обрабатываемая сточная вода, частота вращения барабана 0,5-5 об/мин, степень погружения барабанов в обрабатываемую сточную воду 0,3-0,45 диаметра. Число секций барабанов на одном горизонтальном валу достигается 8-10. В книге на рис. (12.24) приведена конструкция односекционного погружного барабанного биофильтра: для обеспечения механической прочности внутри барабана устанавливаются ребра жесткости, а также устраиваются поперечные и продольные перегородки, которые делят  барабан на шесть-восемь секторов. В качестве загрузки используются металлические, пластмассовые и асбестоцементные гофрированные, перфорированные и гладкие листы, мягкие тканевые и пленочные материалы, блочные загрузочные элементы из пластмасс, которые крепятся к каркасу барабанного биофильтра, а также засыпные элементы из нарезанных пластмассовых труб, различного вида изделий или пластмасс, металла, волокнистые материалы заполняют
Наиболее близким техническим решением является погружной вращающийся биофильтр («Horizontal rotating packed bed» в статье «Mathure, P. and Patwardhan,  A. (2005). Comparison of mass transfer efficiency in horizontal rotating packed beds and rotating biological contactors, Chemical Technology & Biotechnology, Vol. 80, pp. 413–419»),  который состоит из цилиндрического барабана, выполненного из акрила (диаметр = 0,25 м, длина = 0,4 м, расстояние от дна = 0,025 м), установлен на вал из мягкой стали (диаметр = 0,02 м), барабан имеет шесть прямоугольных опор с прорезями на внутренних сторонах, на которые была обмотана сетка (отверстия = 15 мм, оцинкованное железо), барабан заполнен пластмассовыми материалами: Кольца Pall двух размеров: 25 мм и 38 мм, а также супертекстильные седла размером 25 мм. Барабан находится в резервуаре из мягкой стали, окрашенный эпоксидной смолой с полукруглым дном (радиус дна = 0,15 м, длина = 0,5 м, ширина = 0,3 м и общая глубина = 0,35 м).
Недостатками принятого за прототип погружного вращающегося биофильтра  являются:
• Сточные воды внутри резервуара фильтра аэрируются только путем контакта поверхности воды с кислородом воздуха, что впоследствии снижает концентрацию кислорода внутри фильтра.
• Контакт загрузочного материала с сточными водами происходит только во время вращения внутри резервуара биофильтра, что снижает процесс массообмена и, следовательно, снижает эффективность очистки.
• Барабан биофильтра полностью заполнен загрузочным материалом без возможности перемешивания, что может привести к засорению или  агломерации  загрузочного материала и неравномерности переноса кислорода и массообмена во внутренних и внешних слоях барабана.
• Низкая скорость переноса кислорода из-за некоторых конструктивных факторов, таких как: небольшой диаметр барабана относительно длины барабана и использование прямоугольных опор внутри барабана.
2
3
• Используемые загрузочные материалы имеют относительно небольшую площадь поверхности, приблизительно 150-220 м  / м .
В итоге, это снижает эффективность биологической очистки сточных вод и процесс нитрификации.
Задачей  изобретения  является модификация устройства погружного вращающегося  биофильтра путем   улучшения эффективности процесса биологической очистки сточных вод и нитрификации за счет увеличения скорости переноса кислорода без использования внешней аэрации и увеличения площади поверхности загрузки.
Задача изобретения  достигается путем внесения некоторых конструктивных модификаций в погружной вращающийся биофильтр, принятый   за прототип,   следующим образом:
• Увеличение соотношения диаметр / длина барабана до 1.5, поскольку увеличение диаметра барабана позволяет увеличить длину траектории, пройденной загрузочным материалом, что позволяет захватывать больше кислорода в его порах.
• Создание вентиляционных зазоров в поперечном сечении барабана, восемь вентиляционных зазоров будут внесены по диагонали, ширина каждого зазора равна 1% периметра барабана. Эти зазоры позволят обеспечить равномерную аэрацию для загрузочного материала во внутренних и наружных слоях фильтра.
• Создание вентиляционный зазор, ширина которого равна 1% длины барабана, перпендикулярно вала вращения, чтобы барабан был разделен на два соседних цилиндра, соединенных ребрами. Каждый цилиндр состоит из двух опорных колец, соединенных ребрами в центре и по периметру и обмотанных сеткой. Этот зазор обеспечивает вентиляцию загрузочного материала в средней части биофильтра, который имеет небольшой контакт с атмосферным кислородом.
• Установление 16 черпалок в виде открытой коробки по периметру барабана с длиной, равной длине барабана. Эти черпалки поднимают воду, а затем выливают ее, пока барабан вращается. Это обеспечивает дополнительную аэрацию сточных вод внутри резервуара биофильтра, дополнительный контакт загрузочного материала со сточными водами, во время вращения  в атмосфере, и обеспечение смешивания сточных вод внутри резервуара фильтра - все это улучшает процесс массообмена и переноса кислорода одновременно.
• Разделение каждого цилиндра в барабане на восемь ячеек, разделенных друг от друга вентиляционными зазорами и заполненных мобильным (подвижным)   загрузочным материалом. Стенки каждой ячейки выполнены из сетки, прикрепленной к опорным кольцам и ребрам. Внутри каждой ячейки смонтирован стержень для перемешивания загрузочного материала перпендикулярно валу вращения, что позволяет предотвращать засорение и  агломерацию   загрузочного материала, и улучить процесс массообмена и переноса кислорода ко всем загрузочным материалам.
2
3
2
3
• Использование мобильных загрузочных материалов с большой площадью поверхности. Предлагается использовать одну из этих двух материалов:  первый материал типа XEL-X (HXF13KLL +, https://www.good-feed.ru/products/) имеет цилиндрическую форму диаметром 13 мм и длиной 12 мм, ее защищенная площадь поверхности составляет 806 м / м изготовлена из переработанных гранул полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). Второй материал типа XEL-X (HEL-X flake 30, http://aquaculture.by/catalog/aquaculture/biofiltraciya/biologicheskaya-zagruzka/biochipsy/plavayushhaya-biozagruzka-hel-x-biochips) имеет форму биочипсов диаметром 30 мм и толщиной 1,1 мм, ее активная площадь поверхности составляет > 5000 м / м изготовлена из первичных гранул ПЭВП. Использование мобильных материалов с небольшими размерами и большой площадью поверхности позволяет обеспечить большее перемешивание воды и улучшить процесс переноса кислорода, поскольку эти материалы обладают большой способностью захватывать кислород, а также большая площадь поверхности позволяет закрепить  большее количество биопленки, тем самым интенсифицировать биологическую очистку и очистку высококонцентрированных сточных вод,  сократить количество необходимых ступеней обработки и, следовательно, сократить финансовые затраты.
Сущность изобретения заключается в том, что модифицированный погружной вращающийся биофильтр для очистки сточных вод от загрязнений,  включающий  резервуар, барабан фильтра,  установленный  на горизонтальный вал вращения и частично погруженный  в сточные воды, трубу подачи воды, лоток распределения воды, трубу отвода воды и лоток отвода воды, при этом  отношение диаметр / длина барабана увеличено до полутора раз, по диагонали в поперечном сечении барабана устроены  вентиляционные зазоры,  перпендикулярно валу вращения имеется   вентиляционный зазор,   разделяющий барабан на два соседних цилиндра, соединенных ребрами, каждый цилиндр разделен на ячейки, внутри каждой ячейки перпендикулярно валу вращения установлен  стержень для перемешивания мобильного загрузочного материала с большой площадью поверхности,  а  по периметру барабана установлены черпалки в виде открытых коробок с длиной, равной длине барабана.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на:
фиг. 1 - 3Д вид;
фиг.2 - вид спереди;
фиг.3 - вид сзади;
фиг. 4 - вид сбоку;
фиг.5 - вид сверху;
фиг.6 - сечение А-А;
фиг.7 - каркас биофильтра;
фиг.8 - фрагмент фасада спереди;
фиг.9 - черпалка.
Модифицированный погружной вращающийся биофильтр для очистки сточных вод от загрязнений состоит из барабана 1, состоящий из двух соседних цилиндров 2, разделенных вентиляционным зазором 3, восемь вентиляционных зазоров выполнены по диагонали, ширина каждого зазора равна 1% периметра барабана. Эти зазоры позволят обеспечить равномерную аэрацию для загрузочного материала во внутренних и наружных слоях фильтра. Каждый цилиндр состоит из двух опорных колец 4, соединенных  ребрами 5 в центре и по периметру, наматывая сетку 6 на каждый цилиндр, ребра и опорные цилиндры образуют каркас 7 корпуса  барабана, устанавливаются по внешнему периметру барабана шестнадцать черпалок 8 в виде открытой коробки длиной, равной длине барабана, каждый цилиндр разделен на восемь ячеек 9, разделенных друг от друга вентиляционными зазорами, ячейки заполнены мобильными загрузочными материалами 10 с большой площадью поверхности и устанавливаются внутри каждой ячейки стержень для перемешивания 11 , каркас барабана установлен на вал вращения 12, сточные воды поступают в резервуар биофильтра 13 через трубу подачи воды 14 и распределяются равномерно лотком распределения воды 15, а затем очищенные сточные воды собираются лотком отвода воды 16, и отводится через трубу отвода воды 17, вращение  барабана осуществляется  механическим двигателям 18, установленным на валу вращения, частота вращения регулируется потенциометром 19.
Модифицированный погружной вращающийся биофильтр для очистки сточных вод от загрязнений работает следующим образом:
сточные воды поступают в резервуар биофильтра 13 через трубу подачи воды 14 и распределяются лотком распределения воды 15, где контактируются с биоплёнкой, развивающейся на площади поверхности мобильного загрузочного материала 10,  которая метаболизирует органические материалы и биогены, содержащиеся в сточных водах. При вращении вала 12  механическим двигателем 18 мобильные загрузочные материалы 10, находящиеся в ячейках 9 цилиндров 2 барабана биофильтра 1, захватывают кислород воздуха. Облегчает процесс переноса кислорода наличие вентиляционных зазоров 3 по длине барабана и поперечному сечению цилиндров 2, одновременно во время вращения барабана 1 черпалки 8, установленные по периметру барабана, поднимают воду из резервуара биофильтра 13 и затем выливают ее, что приводит к контакту с кислородом в воздухе и мобильными загрузочными материалы 10, находящимися в ячейках 9 цилиндров 2 барабана, это обеспечивает дополнительную аэрацию сточных вод в резервуаре биофильтра 13 и дополнительный контакт с мобильными загрузочными материалы 10 во время присутствия в воздухе, что также улучшает процесс массообмена, после выливания сточных вод черпалки 8 захватывают кислород воздуха внутри и транспортируют его в резервуар биофильтра 13, обеспечивая дополнительную аэрацию сточных вод в резервуаре биофильтра 13, и когда вращаются внутри резервуара биофильтра 13, работают, как смеситель  для сточных вод,  улучшая процесс  массобмена    перемешиванием стержнем  11, установленным внутри каждой ячейки 9. Это обеспечивает механизм смешивания для мобильных загрузочных материалов 10  во время вращения барабана 1, таким образом предотвращая засорение или агломерацию загрузочного материала 10 и улучшая равномерный перенос кислорода и массообмен во внутренних и внешних слоях барабана 1, очищенные сточные воды собираются  лотком отвода воды 16, и отводится из резервуара биофильтра 13 через трубу отвода воды 17.
Проведенные лабораторные испытания модели  модифицированного  погружного вращающегося  биофильтра по сравнению с наиболее близким аналогом позволили увеличить массоперенос на 35 - 40%, эффективность снижения органических загрязнений по химическому потреблению кислорода (ХПК) на 15 – 20%, по суммарному азоту на 20 – 25%, фосфатам – на 10 – 15%.