УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам непрерывного действия для очистки хозбытовых и промышленных сточных вод и может найти применение на городских очистных сооружениях, в локальных системах очистки предприятий химической, медицинской, фармацевтической, лакокрасочной, машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности.
Известна конструкция электрофлотационной жироловки, представляющей собой прямоугольную емкость, сваренную из листовой стали толщиной 5 мм и покрытую внутри защитным слоем на основе эпоксидных смол. Емкость имеет наклонное дно, на которой расположены графитовые пластины, выполняющие роль анода. Анод изолирован от корпуса установки винипластовыми листами. Над анодом на расстоянии 10-20 мм расположена сетка из нержавеющей стали. (Б.Матов, Электрофлотация. Новое в очистке жидкостей. - Кишинев: Карта молдавеняскэ. 1971, с 162).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность использования графитовых анодных пластин в аппаратах цилиндрической формы, наиболее широко применяемых в основных технологических процессах очистки сточных вод. Поэтому применение пластинчатых электродов одинаковой длины и площади поверхности, обеспечивающих одинаковую плотность анодного тока, приводит к необходимости использования аппаратов прямоугольной или квадратной формы. В цилиндрических аппаратах при установке на дне пластинчатых электродов одинаковой длины - они занимают часть сечения аппарата (площадь квадрата, вписанного в окружность). Более трети поверхности дна круглого аппарата, где установлены пластинчатые электроды, не используется и представляет собой застойные зоны, что уменьшает производительность электрофлотационного аппарата.
Известна конструкция цилиндрического электрофлотационного аппарата с горизонтально расположенным дном и сетчатым катодом, близким по площади к дну аппарата и вертикальным подвижным стержневым анодом, установленным ассиметрично с аппаратом над сетчатым катодом. Подвижный анод позволяет менять расстояние между электродами и тем самым регулировать плотность тока (А.А.Мамаков. Современное состояние и перспективы применения электролитической флотации веществ. Часть 2-я. - Кишенев: «Штинница», 1975, с.68-69).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится крайняя неравномерность распределения пузырьков электролитических газов по сечению аппарата, что приводит к необходимости увеличения времени пребывания обрабатываемой жидкости. Кроме того, применение сетчатого катода приводит к осаждению на нем крупных хлопьев коагулируемых частиц, особенно на периферии, где электролиз с выделением пузырьков электролитических газов наименьший, что также снижает производительность электрофлотационного аппарата во времени и требует периодической его остановки и промывки сетки катода, что в целом снижает производительность электрофлотационного процесса.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, относится устройство для биологической очистки сточных вод, состоящее из резервуара с входным и выходным патрубками исходной и очищенной воды, электродной системы, установленной в нижней части резервуара, состоящей из анода и катода, выполненных в виде сетки из металлической проволоки, закрепленной на боковых стенках вертикально установленных пластин, при этом диаметр проволоки сетки анода в 2-5 раз больше диаметра проволоки сетки катода, и над анодом установлена решетка, на которой расположена насадка для прикрепления микроорганизмов (Патент на полезную модель РФ №86945, C02F 3/02, C02F 1/46, 2009).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерность подачи газов электролиза в жидкость и не одинаковый ток пластин при цилиндрической форме резервуара.
Это приводит к неравномерности обработки жидкости газами электролиза и в целом снижает производительность устройства.
Техническим результатом предлагаемой конструкции аппарата для биологической очистки сточных вод является увеличение производительности в аппарате цилиндрической формы за счет равномерного выделения пузырьков электролитических газов во всем объеме очищаемой жидкости.
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для биологической очистки сточных вод, состоящим из резервуара с входным и выходным патрубками исходной и очищенной воды, электродной системы, установленной в нижней части резервуара и состоящей из вертикальных анодов и катодов, отличающийся тем, что каждая пара анода и катода имеет форму цилиндров и закреплена на боковых поверхностях разделяющего их кольца, выполненного из диэлектрического материала, причем высота каждого цилиндра определяется по пропорции
1
2
а1
а2
где, h и h - соответственно высота цилиндров, имеющих радиусы анодов r и r; δ - кольцевой зазор между смежными анодом и катодом.
Выполнение пары анода и катода в виде цилиндров позволяет использовать их в резервуарах цилиндрической формы и полностью охватывать все дно сечения, что увеличивает производительность при биологической очистке сточных вод. Попарное закрепление анода и катода на боковых поверхностях разделяющего их кольца, выполненного из диэлектрического материала, позволяет поверхность каждого анода увеличить по сравнению с поверхностью смежного катода, а значит уменьшить плотность тока, приводящую к растворению анодов при электролизе и уменьшению срока службы электродной системы и в целом производительности устройства.
Выполнение высоты каждого цилиндра в электродной системе, подчиняющеюся пропорции (1), позволяет выровнять ток в каждом кольцевом зазоре δ между смежными анодом и катодом, что обеспечивает равномерное выделение газов электролиза по всему сечению цилиндрического резервуара, уменьшает затраты времени на очистку сточных вод и и в целом способствует росту производительности.
Таким образом, цилиндрическая форма анодов и катодов и попарное закрепление каждого анода и катода на боковых поверхностях разделяющего их кольца, выполненного из диэлектрического материала, и при условии выполнения высоты каждого кольца, подчиняющейся пропорции (1), позволяет в полной мере использовать площадь сечения цилиндрического резервуара для обработки очищаемой воды, интенсифицировать процесс биологической очистки воды во всем объеме резервуара за счет одинакового тока в зазоре между смежными анодами и катодами, а значит одинакового электролиза с выделением электролитических газов кислорода и водорода, что предотвращает образование застойных зон, неравномерную обработку очищаемой воды газами электролиза и ее неравномерное перемешивание по объему резервуара.
В целом, вышеназванные преимущества предлагаемого устройства для биологической очистки сточных вод интенсифицируют процессы биокисления и электрофлотации и повышают производительность по очищаемой воде.
На фиг.1 представлен разрез общего вида устройства для биологической очистки сточных вод; на фиг.2 - разрез кольца из диэлектрического материала с закрепленными на его боковых поверхностях цилиндрическими анодами и катодами.
Устройство состоит из цилиндрического резервуара 1 с входным патрубком 2 исходной воды и выходным патрубком 3 очищенной воды, крышки 4 с патрубком 5 для отвода газов электролиза в систему вентиляции, днища 6 с патрубком 7 для отвода шлама, электродной системы, установленной в нижней части резервуара и состоящей из вертикально установленных анодов 8 и катодов 9, выполненных в виде цилиндров, попарно закрепленных на разделяющих их кольцах 10, выполненных из диэлектрического материала. Зазоры между смежными анодами 8 и катодами 9 одинаковые и равны δ, а высота цилиндров, радиусы анодов 8 и зазор 5 между смежными анодами 8 и катодами 9, определяются по пропорции (1).
Аноды 8 подключены к положительному полюсу 11 источника постоянного тока, а катоды - к его отрицательному полюсу 12. Резервуар имеет заземление 13.
Устройство для биологической очистки сточных вод работает следующим образом.
Подают потенциал на аноды 8 и катоды 9 от источника постоянного тока. По патрубку 2 в резервуар 1 подают очищаемую жидкость. В зазоре δ между смежными анодами 8 и катодами 9 идет ток через очищаемую воду как проводник II рода. На поверхности анодов 8 выделяются пузырьки кислорода, а на поверхности катодов 9 пузырьки водорода. Пузырьки кислорода взаимодействуют с взвешенными частицами активного ила и микроорганизмов, находящимися в очищаемой воде, что приводит к биокислению органики в очищаемой воде. Кроме того пузырьки водорода и кислорода, поднимаясь вверх, сталкиваясь с взвешенными частицами выносят их при флотации в пену. Отработанная смесь газов электролиза отводиться по патрубку 5 в систему вентиляции, крупные частицы, образующиеся в результате коагуляции, опускаются вниз на днище 6 резервуара 1 и по патрубку 7 отводятся в шламонакопитель. Очищенная вода отводится из резервуара 1 по патрубку 3.
В таблице 1 приведены результаты расчетов по заявленному в формуле полезной модели математическому выражению
2
Как видно из таблицы при одинаковом зазоре 6=10 мм и одинаковом токе высота анодов и катодов должна возрастать более чем в 10 раз от 30 до 329 мм, при этом плотность тока не превышает 100 А/м, то есть аноды не растворяются.
Для сравнения в таблице 2 приведены результаты расчетов цилиндрического аппарата, радиусом 250 мм, с обычными кольцевыми электродами толщиной 5 мм и равной высотой n=50 мм и напряжении 20 В.
Таблица 2
Геометрические размеры и токовые режимы в цилиндрическом аппарате радиусом R=250 мм с обычными анодами и катодами кольцевого типа, выполненными из стальных полос толщиной 5 мм с одинаковым зазором δ=10 мм и высотой h<sub>1</sub>=h<sub>2</sub>=50 мм (напряжение 20 В)
Номера анода и катода
Радиусы рабочих поверхностей электродов, мм
Ток в зазоре, А
Плотность тока, А/м<sup>2</sup>
1
Катод - 235
Анод - 225
19,26
260,9
2
Анод - 220
Катод - 210
18,0
260,6
3
Катод - 205
Анод - 195
16,74
260,1
4
Анод - 190
Катод - 180
15,5
259,6
5
Катод - 175
Анод - 165
14,2
259,0
6
Анод - 165
Катод - 150
13,0
258,2
7
Катод - 145
Анод - 135
11,72
257,4
8
Анод - 130
Катод - 120
10,46
256,3
9
Катод - 115
Анод - 105
9,2
254,9
10
Анод - 100
Катод - 90
7,94
253,1
11
Катод - 85
Анод - 75
6,7
250,6
12
Анод - 70
Катод - 60
5,43
247,1
13
Катод - 55
Анод - 45
4,17
241,6
14
Анод - 40
Катод - 30
2,91
231,7
15
Катод - 25
Анод - 15
1,64
208,8
Σ=156.7
Как видно из данных таблицы 2 при равных зазорах между электродами и их высотах ток между электродами изменяется с 19,3 до 1,6А, то есть в 12 раз, а плотность тока с 260,9 до 208,8, то есть на 30%.
Это означает, что электролиз в зазорах между анодами и катодами по сечению цилиндрического аппарата идет крайне неравномерно, так как объем выделяющихся пузырьков газа прямо пропорционален току, а значит, в биохимических процессах будет происходить неодинаковая обработка очищаемой воды в цилиндрическом биохимическом реакторе и ее очистка, что снижает производительность. Кроме того неодинаковая и высокая плотность тока даже при невысоких значениях самого тока между анодами и катодами будет приводить к быстрому растворению анодов, и загрязнению воды молекулами материала из которого они выполнены. Это будет подавлять жизнедеятельность микроорганизмов в цилиндрическом биореакторе, а также снижать производительность по очищаемой воде.
Таким образом, применение анода и катода предлагаемой конструкции (фиг.2) с высотой и радиусом каждого, выполненных в соответствии с математическим выражением (1), позволяет обеспечивать одинаковый ток по всему сечению цилиндрического аппарата и ограничить плотность тока, а значит предупредить растворение анода, что позволяет обрабатывать электрическим полем равномерно все сечение аппарата и в зависимости от технических условий обеспечивать необходимые режимы по току, его плотности и напряжению. Это обеспечивает равномерное выделение пузырьков газов во всем объеме очищаемой жидкости и приводит к росту производительности.
Так как высота каждого цилиндра в электродной системе выполнена в соответствие с пропорцией (1), то в зазоре δ между смежными анодами 8 и катодами 9 ток будет одинаковый по всему сечению резервуара, а значит, объем газов электролиза будет также постоянный, что обеспечивает одинаковую очистку воды во всем сечении резервуара 1, позволяет эффективно использовать цилиндрическую форму резервуара с высокой производительностью по очищаемой воде.