УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
WASTE WATER TREATMENT APPARATUS

Изобретение относится к комплексной очистке сточных вод и предназначено для очистки стоков от индивидуальных домов или групп домов, а также малых, средних и больших населенных пунктов.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является известная установка для очистки сточных вод, состоящая из аэротенка-осветлителя с трубопроводами подачи сточных вод и отвода осветленной жидкости и биореактора. Аэротенк-осветлитель выполнен в виде открытой сверху емкости, разделенной вертикальной внутренней оболочкой на внутреннюю камеру осветления с колпаками и наружную камеру аэрации со струйными аэраторами в ее верхней части. Аэротенк-осветлитель соединен с биореактором с помощью трубопровода (патент РФ №2165392, кл. С02F 3/02 - прототип).
Недостатками известной установки является то, что в самой верхней части камеры аэрации находится наиболее загрязненная жидкость, смешанная со свежими, вновь поступившими стоками. Именно из верхней части камеры аэрации проаэрированная иловодяная смесь поступает в камеру осветления. В камере осветления происходит осветление жидкости за счет длительного отстаивания, т.е. наблюдается механическое отделение осадков, на это уходит примерно 18-19 часов. Активный ил в этой камере не работает, т.к. присутствие кислорода возможно только в верхней части камеры осветления (в зоне верхних 2-х колпаков). При этом камера аэрации, где только и работает активный ил, используется неэффективно, т.к. проаэрированная иловодяная смесь находится здесь сравнительно небольшое время. При таком ограниченном времени процесса аэрации не обеспечивается достаточное окисление органических веществ и, следовательно, высокое качество очистки. В условиях неритмичного образования стоков в течение суток (например, индивидуальный дом) установки с таким малым временем аэрации вообще не могут работать, т.к. за период отсутствия стоков в течение 8-10 часов погибнет 80-90% микроорганизмов из-за нехватки питательных веществ. С поступлением стоков заново начинается процесс размножения микроорганизмов, поэтому в начальный период поступления стоков будет неудовлетворительное качество очистки. Вследствие этого на аналогичных установках в обязательном порядке необходимо строить дополнительное сооружение - усреднитель стоков, увеличивающее их стоимость. Кроме этого, известная установка имеет большие энергозатраты из-за подачи стоков насосом на большую высоту и особенно при обогащении стоков кислородом методом многократной рециркуляции жидкости в аэраторе, на эрлифтный эффект, сброс и повторную подачу активного ила.
Технически достижимый результат - повышение качества и эффективности очистки сточных вод за счет улучшения контакта иловодяной смеси с кислородом воздуха.
Это достигается за счет того, что в заявляемом устройстве для очистки сточных вод, содержащем аэротенк-осветлитель с трубопроводами подачи сточных вод и отвода осветленной жидкости и биореактор, в котором аэротенк-осветлитель выполнен в виде открытой сверху цилиндрической емкости с днищем, состоящей из камеры аэрации с устройством подачи сжатого воздуха и камеры осветления, образованных разделением цилиндрической емкости вертикальной внутренней перегородкой на внутреннюю цилиндрическую полость и наружную кольцевую, характеризующемся тем, что биореактор совмещен с камерой аэрации и встроен во внутреннюю полость аэротенка-осветлителя и представляет собой полый цилиндр, установленный на ножках, опирающихся на плоское днище аэротенка-осветлителя, внутри цилиндра расположены ярусами попеременно чередующиеся наклонные поверхности в виде чашек с полым дном, жестко прикрепленных к стенке цилиндра, и конусов, которые крепятся к стенке с помощью гибких тяг, причем трубопровод подачи сточных вод расположен непосредственно в биореакторе в его верхней части, а устройство подачи сжатого воздуха - в его нижней части, под нижнем ярусом чашек, и выполнено в виде патрубка с пористым керамическим наконечником, при этом собственно камера осветления расположена в кольцевой полости аэротенка-осветлителя и имеет также автономный источник подачи воздуха, расположенный в нижней ее части, а распылитель жидкости механизма очистки, выполнен в виде центробежной форсунки, содержащей корпус, который состоит из двух соосных, связанных между собой, цилиндрических втулок: втулки большего диаметра и втулки меньшего диаметра, при этом внутри втулки меньшего диаметра, соосно ей, расположен шнек, жестко связанный с ее внутренней поверхностью, например запрессованный в нее, причем внешняя поверхность шнека представляет собой винтовую канавку, а внутри шнека выполнено отверстие с винтовой нарезкой, а во втулке большего диаметра, соосно ей, расположен штуцер, жестко закрепленный в ней, например посредством резьбового соединения, через герметизирующую прокладку, при этом внутри штуцера соосно выполнено цилиндрическое отверстие, переходящее в осесимметрично расположенный диффузор, который соединен с цилиндрической камерой, образованной внутренней поверхностью втулки меньшего диаметра, и торцевой поверхностью шнека.
На фиг.1 представлен аэротенк-осветлитель в разрезе; на фиг.2, 3 даны примеры аэротенка-осветлителя в виде семейства биореакторов; на фиг.4 показан фильтр-накопитель, на фиг.5 - схема форсунки в качестве распылителя жидкости на кольцевых трубах.
Заявляемое устройство состоит из аэротенка-осветлителя 1 с плоским днищем 2, который имеет трубопроводы подачи 3 сточных вод и отвода 4 осветленной жидкости (фиг.1). Аэротенк-осветлитель состоит из 2-х камер: внутренней аэрации 5 с устройством подачи сжатого воздуха и наружной кольцевой камеры осветления 6, содержащей трубки 7 для автономной подачи воздуха. Устройство подачи сжатого воздуха в камеру аэрации 5 выполнено в виде патрубка 8 с пористым керамическим наконечником. Биореактор 9 совмещен с камерой аэрации и представляет собой полый цилиндр, установленный на ножках 10, которые опираются на плоское днище 2. Внутри биореактора 9 размещены ярусами попеременно чередующиеся наклонные поверхности в виде чашечек 11 с полым дном и конусов 12. Чашечки 11 жестко прикреплены к стенке биореактора 9, например заклепками или сварным соединением. Конусы 12 подвешиваются к стенке биореактора с помощью гибких тяг 13. Угол наклона к горизонту стенок чашечек 11 и конусов 12 составляет 30-45°. Для удаления с наклонных поверхностей чашечек 11 и конусов 12 осадков, образованных продуктами окисления органических веществ (особенно при небольших углах наклона (30°), в биореакторе 9 предусмотрен механизм очистки, выполненный в виде кольцевых труб 14 с распылителями (фиг.5), через которые распыляется жидкость или газ. Кольцевые трубы 14 крепятся изнутри к боковым поверхностям чашечек и конусов и подсоединены к общему коллектору (сборнику) 15. Распыленная вода или воздух омывают последующую наклонную поверхность, расположенную под соответствующей кольцевой трубой 14, сбрасывая с нее остатки окисленных органических веществ. Подача воды или воздуха регулируется вентилями (на чертеже не показаны). Промывка (или продувка) установки осуществляется в процессе работы без отключения биореактора. Смыв происходит струей, истекающей с небольшой скоростью, при этом более тяжелые иловые остатки сохраняются на наклонных поверхностях, обеспечивая на них жизнедеятельность микроорганизмов. На дне аэротенка-осветлителя 1 расположена труба 16 для удаления накопившихся осадков.
Для использования заявляемого устройства при очистке сточных вод различной степени загрязнения и различных объемов возможен вариант выполнения (фиг.2 и 3) аэротенка-осветлителя в виде семейства биореакторов 17, которые размещены в одной общей емкости 18. При этом биореакторы 17 имеют различные объемы за счет различия диаметров их полых цилиндров и, следовательно, различную мощность. В центральной части аэротенка-осветлителя располагается распределительная чаша 19 с лотками 20, имеющими сливные трубки 21, подсоединенные к соответствующим биореакторам 17 для подачи в них сточных вод.
Фильтр-накопитель 22 (фиг.4) представляет собой открытый сверху сосуд с горизонтальным расположением фильтрующей насадки 23, которая расположена на некотором расстоянии от его дна, за счет чего образуется подфильтровое пространство 24. Фильтр-накопитель 22 имеет трубу 25 подачи очищаемой жидкости и источник воздуха 26, которые расположены под фильтрующей насадкой в пространстве 24. В подфильтровое пространство 24 может подаваться воздух (для доокисления остатков органических веществ). Количество воздуха может регулироваться с помощью запорно-регулировочной арматуры (на чертежах не обозначена). Над фильтрующей насадкой 23 расположен накопитель 27 и насос 28. Фильтрующий материал (гравий, песок, полимерные материалы типа "ВИИ"), из которого выполнена фильтрующая насадка, промывается каждый раз, когда производится отбор ила со дна фильтра-накопителя с помощью трубы 29.
Распылитель жидкости (фиг.5) выполнен в виде центробежной форсунки, которая состоит из корпуса, состоящего из двух соосных, связанных между собой, цилиндрических втулок: втулки 34 большего диаметра и втулки 33 меньшего диаметра. Внутри втулки 33 меньшего диаметра, соосно ей, расположен шнек 30, жестко связанный с ее внутренней поверхностью, например запрессованный в нее. Внешняя поверхность шнека 30 представляет собой винтовую канавку с правой (или левой) нарезкой. При этом между внутренней поверхностью втулки 33 меньшего диаметра и внешней поверхностью шнека 30 образована винтовая внешняя полость 32 шнека 30.
Внутри шнека 30 выполнено отверстие 31 с левой (или правой) винтовой нарезкой. При этом направление винтовой нарезки отверстия 31, выполненного внутри шнека 30, может быть противоположно направлению внешней винтовой канавки шнека.
Во втулке 34 большего диаметра, соосно ей, расположен штуцер 36, жестко закрепленный в ней, например посредством резьбового соединения, через герметизирующую прокладку 35. Внутри штуцера 36 соосно выполнено цилиндрическое отверстие 37, переходящее в осесимметрично расположенный диффузор 38, который соединен с цилиндрической камерой 39, образованной внутренней поверхностью втулки 33 меньшего диаметра, и торцевой поверхностью шнека 30.
Установка для очистки сточных вод работает следующим образом. Сточная вода поступает в аэротенк-осветлитель 1 (фиг.1) самотеком через трубопровод 3, попадая непосредственно в биореактор 9 и омывая попеременно чередующиеся наклонные поверхности из чашечек 11 (изнутри) и конусов 12 (снаружи). Уклон конусов и стенок чашечек принимается равным 30-45°. Между конусом и стенкой биореактора оставляется зазор. Отношение площадей дна чашечек к площади кольцевого зазора между стенками биореактора и конусом, а также их отношение к площади поперечного сечения биореактора и количество чашечек и конусов определяет скорость и характер движения жидкости внутри биореактора 9. Попадая из трубопровода 3 в верхнюю чашечку биореактора, жидкость движется радиально к центру с определенным ускорением. Начиная со дна чашечки, жидкость резко меняет свое направление на противоположное - радиально к окружности, т.е. к цилиндрической стенке биореактора. Движение повторяется циклично и количество циклов соответствует количеству чашечек и конусов. При этом в толще жидкости в биореакторе возникают разные скорости. Стремление жидкости прийти в равновесное состояние приводит ее (по закону статики) в хаотичное турбулентное движение, что и требуется для хорошего массообмена смеси жидкость-воздух-ил. Достигается это без воздействия внешних сил, а только за счет конструктивных особенностей биореактора. Жидкость, омывая последовательно стенки наклонных поверхностей биореактора 9, движется вниз. Одновременно вверх, противоточно жидкости, движется воздух, нагнетаемый через пористый керамический наконечник патрубка 8. В результате всего этого внутри биореактора происходит хороший массообмен проаэрированной иловодяной смеси, массовое окисление органических веществ и выпадение осадков вниз. Малое избыточное давление подаваемого воздуха на аэрацию в полузамкнутом пространстве (в отличие от известного изобретения) дает возможность обходиться практически без потери воздуха, используя его эффективно и экономично на очистку сточных вод. Полнота окисления органических веществ достигается также удлинением времени аэрации до 10-12 часов. Далее жидкость, минуя низ стенки биореактора 9, переливается в камеру осветления 6, куда через трубки 7 автономно вводится воздух, что ускоряет процесс осветления жидкости в камере 6, сопровождая его доокислением оставшихся в жидкости органических веществ. Осветленная жидкость поднимается вверх в кольцевом пространстве камеры осветления 6. Выпавшие на дне аэротенка-осветлителя 1 осадки периодически выдавливаются по трубе 16. Осветленная жидкость через трубопровод 4 сливается в фильтр-накопитель 22 (Фиг.3) и по трубе 25 попадает в подфильтровое пространство 24. Очищаемая жидкость проходит слой фильтрующей насадки 23 и попадает в накопитель 27. Чистая вода из накопителя 27 по мере необходимости откачивается, например, с помощью погружного насоса 28. При этом очищенная вода может обеззараживаться с помощью гипохлорита натрия.
В многореакторных аэротенках-осветлителях (фиг.2 и 3) благодаря предлагаемому механизму распределения жидкости загрузка каждого биореактора производится постоянно и пропорционально их мощностям (соответствующих их объемам), независимо от суточного колебания объемов и загрязненности поступающих стоков. Комплектуя аэротенки-осветлители различным "семейством" биореакторов, можно обеспечить создание установок требуемой мощности в зависимости от степени загрязнения и объемов сточных вод. В многореакторных аэротенках-осветлителях стоки поступают в центральную распределительную чашу 19 и поднимаются снизу вверх до отводящих лотков 20, расположенных строго на одном уровне, и равномерно разливаются по ним. С каждого лотка 20, через сливные трубки 21 сточные воды разливаются по биореакторам 17. Постоянность и одновременность разлива по всем биореакторам пропорционально их мощности независимо от колебаний расхода стоков в течение суток достигается с помощью создания одинаковых скоростей потока по длине лотков 20 за счет уменьшения площади поперечного сечения лотка, изменения площади сечения сливных трубок 21 пропорционально мощностям биореакторов и установки сливных трубок 21 с порогом высотой 3-4 см, регулируемых наконечником на резьбовых соединениях (на чертежах не обозначен).
Центробежная форсунка для распыливания жидкостей работает следующим образом.
Жидкость подается по цилиндрическому отверстию 37 штуцера 36 в диффузор 38, а из него в камеру 39, из которой под давлением поступает одновременно по двум направлениям:
во-первых, в винтовую внешнюю полость шнека 30, образуя внешний вращающийся поток жидкости, и во-вторых - в отверстие 31 с винтовой нарезкой, образуя внутренний вращающийся поток жидкости.
На выходе из форсунки встречаются два вращающихся потока жидкости, причем один поток, например внутренний, совершает вращение в сторону, противоположную внешнему потоку, идущему по шнеку 30, либо может совершать попутное (одинаковое) вращение, если направление винтовых канавок совпадает. При взаимодействии вращающихся потоков на выходе из форсунки происходит дополнительное дробление капель жидкости за счет их соударения в попутных или противоположно вращающихся потоках жидкости (внешнего и внутреннего). При этом суммарный мелкодисперсный вращающийся поток на выходе может иметь направление вращения, которое определяется гидравлическим сопротивлением соответственно внешней или внутренней винтовых полостей и канавок шнека 30, а может быть стационарным, в случае противоположного направления вращения потоков, и равенства их приведенных массовых скоростей.
Шнек 30 форсунки может быть выполнен из твердых материалов: карбида вольфрама, рубина, сапфира.
При среднем давлении подаваемой через цилиндрическое отверстие 37 жидкости под давлением 6...9 МПа обеспечивается распыление от 400 до 1000 кг/ч жидкости. Форсунка проста в изготовлении и обслуживании.
Заявляемая установка может легко переналаживаться на большую производительность за счет установки в биореакторах дополнительных ярусов из чашечек и конусов. При этом однореакторный аэротенк-осветлитель предназначается для очистки стоков от индивидуальных домов и небольших групп домов, а многореакторный - для очистки стоков от малых, средних и больших населенных пунктов. В зависимости от требуемой мощности и степени очистки подбираются определенные биореакторы.