УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
DEVICE FOR PURIFYING WASTE WATER

Группа изобретений относится к области биологической очистки сточных вод и может быть использовано, преимущественно, в очистных сооружениях промышленных предприятий, стоки которых содержат высокие концентрации загрязняющих веществ различного происхождения.
Наличие высокого уровня загрязненности сточных вод затрудняет применение одних биологических методов очистки, т.к. для реализации в полном объеме удаления загрязнений в виде твердых частиц и растворенных биогенных элементов необходимо значительное время обработки, а значит, и большие объемы очистных сооружений.
Наиболее близким, в качестве ближайшего аналога, известен способ очистки сточных вод, состоящий в том, что обрабатываемая сточная вода, предварительно сфлокулированная искусственным химическим реагентом (полимером) во флокуляторе, оснащенном низкоскоростным перемешивающим устройством (мешалкой), подается в камеру смешивания флотатора, где она приводится в контакт с водой, насыщенной воздухом, из которой в результате падения давления выделяются мельчайшие пузырьки воздуха. Камера смешивания, кроме введения обрабатываемой воды в контакт с водой, насыщенной воздухом, обеспечивает рассеивание кинетической энергии смеси перед ее подачей в зону разделения флотатора. Создаваемые комплексы из флокул и пузырьков воздуха, плотность которых ниже плотности воды, отделяются в зоне разделения и скапливаются на поверхности слоя воды. Плавающие продукты удаляются из флотатора с помощью системы гребков либо системы перелива, после чего выводятся по желобу за пределы установки. Осветленная вода подается на последующий этап обработки (фильтрацию), а затем отфильтрованная вода выводится из установки в природные водоемы. Насыщенную воздухом смесь получают путем контактирования части обработанной воды со сжатым воздухом в напорном баке (сатураторе воды). Насыщенная воздухом вода подается через форсунку в камеру смешивания флотатора после прохода регулирующего вентиля. [1]
Известна установка для очистки сточных вод, состоящая из отдельных секций, включающих в себя систему «флокулятор-флотатор-устройство последующей обработки (песчаный фильтр)», напорный бак для растворения воздуха в воде (сатуратора воды) с линией подачи насыщенной воздухом воды во флотатор, средства для удаления плавающих флотопродуктов и вывода осветленной воды из флотатора, запорно-регулирующую арматуру, при этом флокулятор снабжен низкоскоростным перемешивающим устройством (мешалкой) и линией подачи искусственных химических реагентов (полимеров), флотатор содержит камеру смешивания и зону разделения, фильтр выполнен в виде фильтрующего песчаного слоя, размещенного на несущем полу флотатора. [1]
Основными недостатками указанных известных способа и устройства являются недостаточная степень очистки сточной воды от органических загрязнений, т.к. отсутствует этап биохимического окисления растворенных биогенных элементов и реализуется лишь удаление твердых частиц загрязнений с помощью напорной флотации и фильтрации на песчаном фильтре.
Технический результат заявленной группы изобретений заключается в повышении эффективности и глубины очистки сточных вод промышленных предприятий, содержащих высокие концентрации загрязняющих веществ различного происхождения.
Заявленный технический результат достигается тем, что в способе очистки сточных вод, состоящем в том, что (при установившемся режиме) обрабатываемая сточная вода, предварительно сфлокулированная полимерным реагентом во флокуляторе, оснащенном низкоскоростным перемешивающим устройством, подается в камеру смешивания флотатора, где она приводится в контакт с водой, насыщенной воздухом, из которой в результате падения давления выделяются мельчайшие пузырьки воздуха, причем камера смешивания, кроме введения обрабатываемой воды в контакт с водой, насыщенной воздухом, обеспечивает рассеивание кинетической энергии смеси перед ее подачей в зону разделения флотатора, при этом создаваемые комплексы из флокул и пузырьков воздуха, плотность которых ниже плотности воды, отделяются в зоне разделения и скапливаются на поверхности слоя воды, плавающие продукты удаляются из флотатора с помощью системы гребков либо системы перелива, после чего выводятся по желобу за пределы установки, при этом получаемая осветленная вода подается на последующий этап обработки, а затем выводится из установки в природные водоемы, при этом насыщенную воздухом смесь получают путем контактирования части обработанной воды со сжатым воздухом в напорном баке-сатураторе, и она подается через форсунку в камеру смешивания флотатора после прохода регулирующего вентиля, согласно изобретению флокуляция обрабатываемой сточной воды производится естественным биофлокулянтом, получаемым путем предварительной гидромеханической обработки биомассы активного ила, выводимой из вторичного отстойника, последующий этап обработки осветленной во флотаторе сточной воды представляет собой аэробную биологическую очистку с помощью микроорганизмов активного ила, причем биохимическое окисление растворенных биогенных элементов производится иммобилизованной биопленкой на размещенных в аэротенке носителях, после чего водно-иловая смесь подвергается отстаиванию во вторичном отстойнике, при этом часть осажденной биомассы рециркулируется на вход в аэротенк для поддержания процесса биологической очистки, другая часть поступает на гидромеханическую обработку для выделения из нее биофлокулянтов, а оставшаяся часть выводится из установки на утилизацию.
Технический результат достигается также тем, что в установке для очистки сточных вод, состоящей из отдельных секций, каждая из которых содержит флокулятор, имеющий низкоскоростное перемешивающее устройство и линию подачи полимерных реагентов во флокулятор, флотатор, содержащий камеру смешивания и зону разделения, устройство последующей обработки, напорный бак-сатуратор с линией подачи насыщенной воздухом воды во флотатор, отстойники, средства для удаления плавающих флотопродуктов и вывода обработанной воды из установки, устройство последующей обработки представляет собой систему аэробной биологической обработки осветленной воды, состоящей из аэротенка с размещенными в нем носителями иммобилизованной биопленки, вторичного отстойника и линии рециркуляции активного ила из отстойника в аэротенк и устройства гидромеханической обработки биомассы активного ила, выводимой из вторичного отстойника, при этом при этом вторичный отстойник через устройство гидромеханической обработки биомассы активного ила соединен с флокулятором, а каждый флотатор снабжен сифонной перегородкой для вывода осветленной воды в аэротенк на аэробную биологическую обработку.
Сопоставительный анализ с ближайшим аналогом показывает, что заявленный способ очистки сточных вод отличается новой совокупностью признаков, состоящей в том, что флокуляция обрабатываемой сточной воды производится естественным биофлокулянтом, получаемым путем предварительной гидромеханической обработки биомассы активного ила, выводимой из вторичного отстойника, последующий этап обработки осветленной во флотаторе сточной воды представляет собой аэробную биологическую очистку с помощью микроорганизмов активного ила, причем биохимическое окисление растворенных биогенных элементов производится иммобилизованной биопленкой на размещенных в аэротенке носителях, после чего водно-иловая смесь подвергается отстаиванию во вторичном отстойнике, при этом осажденная биомасса частично рециркулируется на вход в аэротенк для поддержания процесса биологической очистки, частично поступает на гидромеханическую обработку для выделения из нее биофлокулянтов, а оставшаяся часть выводится из установки на утилизацию.
Сопоставительный анализ с ближайшим аналогом показывает, что заявленная установка для очистки сточных вод отличается новой совокупностью признаков, состоящей в том, что устройство последующей обработки представляет собой систему аэробной биологической обработки осветленной сточной вод, состоящей из аэротенка с размещенными в нем носителями иммобилизованной биопленки, вторичного отстойника и линии рециркуляции активного ила из отстойника в аэротенк, установка снабжена устройством гидромеханической обработки биомассы активного ила, выводимой из вторичного отстойника.
Вышеизложенное свидетельствует о соответствии заявленной группы изобретений условию патентоспособности "новизна".
Сравнение заявленного способа и установки с известными показывает, что они для специалиста не следуют явным образом из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявленной группы изобретений условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявленная группа изобретений соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Такое выполнение заявленной последовательности приемов очистки сточных вод и конструктивное выполнение установки для очистки сточных вод при реализации обеспечивают такие условия проведения технологического режима очистки, при которых реализуется достижение указанного технического результата.
Заявленная группа изобретений иллюстрируется чертежом, где изображена схема установки для реализации способа очистки сточных вод.
Способ очистки сточных вод осуществляется следующим образом.
При установившемся режиме обрабатываемая сточная вода предварительно флокулируется полученным из активного ила естественным биофлокулянтом во флокуляторе с помощью низкоскоростного перемешивающего устройства (например, мешалки) и подается в камеру смешивания флотатора, где она приводится в контакт с водой, насыщенной воздухом, из которой в результате падения давления выделяются мельчайшие пузырьки воздуха. Камера смешивания, кроме введения обрабатываемой воды в контакт с водой, насыщенной воздухом, обеспечивает рассеивание кинетической энергии смеси перед ее подачей в зону разделения флотатора. Создаваемые комплексы из флокул и пузырьков воздуха, плотность которых ниже плотности воды, отделяются в зоне разделения и скапливаются на поверхности слоя воды. Слой флотопродуктов, плавающих на поверхности, может достигать нескольких десятков сантиметров и при этом быть исключительно устойчивым (например, в случае уплотнения активных илов). Иногда толщина этого слоя невелика (несколько сантиметров), а сам он неусточив (например, при флотации флоккул гидроксидов металлов). Поэтому система сбора этого слоя должна соответствовать природе образующих его продуктов. Плавающие продукты удаляются из флотатора с помощью системы гребков либо системы перелива, после чего выводятся по желобу на иловые площадки. При применении перелива для облегчения отделения кексообразного слоя от стенок флотатора их целесообразно обрызгивать водой. Число поверхностных гребков определяется скоростью их движения, расстоянием между соседними гребками, а также объемом удаляемого продукта. Режим процесса удаления флотопродуктов с помощью гребков не должен допускать деаэрации или разрушения плавающего слоя в результате чрезмерного сжатия. Поэтому во флотаторах большого размера целесообразна установка нескольких желобов для выведения флотопродуктов с поверхности воды. Снижение объемов воздуха, требующих дезодорирования, может быть достигнуто с помощью установки перекрытий на уровне зеркала воды. В этом случае перекрытие защищает флотатор также от дождей и ветра, которые могут разрушить плавающий слой и частично перевести его во взвешенное состояние.
Осветленная вода отбирается с помощью сифонной перегородки, а затем выводится из флотатора в аэротенк для последующей аэробной биологической обработки, причем биохимическое окисление растворенных биогенных элементов производится иммобилизованной биопленкой на размещенных в аэротенке носителях. После биологической очистки водно-иловая смесь подвергается отстаиванию во вторичном отстойнике, при этом осажденная биомасса частично рециркулируется на вход в аэротенк для поддержания процесса биологической очистки, частично поступает на гидромеханическую обработку для выделения из нее биофлокулянтов, а оставшаяся часть выводится из установки на утилизацию.
Насыщенную воздухом смесь получают путем контактирования части обработанной во флотаторе воды со сжатым воздухом в напорном баке-сатураторе. Время контакта воды с воздухом при расходе 300 куб. метров в час составляет одну минуту. При времени контакта менее одной минуты не обеспечивается максимальная степень насыщенности части обработанной во флотаторе воды со сжатым воздухом, а при времени контакта более одной минуты степень насыщения практически не изменяется, и дальнейший контакт части обработанной во флотаторе воды со сжатым воздухом в напорном баке-сатураторе становится технико-экономически нецелесообразным. Насыщенная воздухом вода подается в камеру смешивания после прохода регулирующего вентиля через форсунку.
2
В том случае, когда флотатор имеет большой диаметр (площадь флотации больше 120 м), его оснащают донным скребком, облегчающим удаление осадка, который может откладываться на дне флотатора.
В зависимости от назначения скорость флотации варьируется от 2 до 10 м/ч, а доля рециркулируемой насыщенной воды составляет от 15 до 60%. Высокоскоростная технология флотации обеспечивается повышением скорости разделения фаз более 10-12 м/ч, что позволяет уменьшить размеры сооружения.
Совершенствование гидравлики флотаторов (исключение циркуляции потоков по диагонали резервуара) производится с помощью различных способов «выпрямления» струй жидкости за счет следующих мероприятий:
- обеспечения диффузии насыщенной воздухом воды по всей площади флотации;
- применения донных коллекторов или перфорированного днища для сбора воды по всей площади флотатора (а не только на одном из его концов);
- применения погружных тонкослойных систем, задерживающих пузырьки воздуха, коалесцирующих их и создающих таким образом условия, благоприятствующие их всплытию.
При этом во флотаторе удается создать равномерный слой пузырьков высотой от 1 до 2 м. Этот слой пузырьков, а фактически «подушка», концентрация которых уменьшается в направлении сверху вниз, продолжает флокуляцию, усиливает процесс сцепления флокул с пузырьками воздуха и позволяет увеличить скорость подъем комплексов «флокула-пузырьки воздуха» за счет повышения скорости подъема микропузырьков с 5 до 30-40 м/ч в результате их коалесценции и/или агломерации. Разделение твердой и жидкой фаз улучшается благодаря более высокой, чем в традиционных реакторах диффузионного типа, концентрации пузырьков и флокул, что увеличивает вероятность их столкновения. Эффект разделения фаз усиливается также за счет того, что свободные пузырьки могут коалесцировать между собой. В результате этого:
- конфигурация флотатора со слоем пузырьков отличается от формы традиционного флотатора: его «длина» (расстояние от входа до выхода) меньше «ширины», за счет чего слой пузырьков распространяется по всему объему аппарата;
- длительность предварительной флокуляции может быть сокращена до 10-15 мин (вместо 20-30 мин);
- флотатор более удобен для отвода флотопродуктов переливом (небольшая высота при значительной ширине);
- гидравлический нож позволяет отделить от стенок слой флотопродуктов, что уменьшает количество воды, сливающейся вместе с ними.
Установка содержит последовательно расположенные по секциям технологические узлы: линию подачи исходной сточной воды (1), флокулятор (2), флотатор (3), систему аэробной биологической очистки осветленной сточной воды, состоящей из аэротенка (4), вторичного отстойника (5) и линии рециркуляции активного ила из отстойника, а также напорный бак-сатуратор (6) с линией подачи насыщенной воздухом воды во флотатор (7), средства для удаления плавающих флотопродуктов (8), линию (9) с сифонной перегородкой вывода осветленной воды из флотатора в аэротенк (4), запорно-регулирующую арматуру, линию (19) подачи части обработанной осветленной воды в напорный бак-сатуратор. Флокулятор (2) имеет низкоскоростное перемешивающее устройство (10), например мешалку, и линию подачи биофлокулянтов (11). Флотатор (3) содержит камеру смешивания (12) и зону разделения (13). Аэротенк (4) содержит носители иммобилизованной биопленки (14) и соединен со вторичным отстойником (5) посредством линии (17) рециркуляции активного ила из отстойника. Очищенная вода выводится из установки через перелив (15), а биомасса активного ила частично подается в устройство гидромеханической обработки (16) и далее во флокулятор (2), частично (17) - на вход в аэротенк (4). Остальная часть биомассы выводится на иловые площадки для утилизации (18). Аэротенк (4) представляет собой устройство для биологической очистки сточных вод с помощью иммобилизованной биопленки микроорганизмов. Культуры микроорганизмов закрепляются на погруженных в воду специальных материалах-носителях, имеющих большую удельную поверхность при сильной шероховатости. Такие свойства позволяют сохранять бактериальную пленку, достаточную для быстрой активизации быстрой активизации биологического процесса. Аэротенк функционирует с восходящим потоком воды и воздуха, что обеспечивает высокую скорость прохождения обрабатываемой среды, повышенное задержание взвешенных веществ за счет их равномерного распределения во всем объеме аэротенка, высокую эффективность аэрации. Аэрация осуществляется путем распределения воздуха в объеме загрузки, при этом равномерность распределения обеспечивается сетью коллекторов с мембранными диффузорами. Подобная конструкция аэротенка создает высокую концентрацию биомассы микроорганизмов, при этом биомасса, прикрепляемая к носителям, имеет более высокую активность. Кроме того, аэротенк с иммобилизованной микрофлорой занимает меньшую площадь, чем традиционный аэротенк, что дает возможность создавать закрытые очистные сооружения, ограничивать распространение отработанных газов, обеспечивать модульность конструкции и удобство автоматизации.
Установка работает следующим образом.
В установившемся режиме поступающие на обработку сточные воды, предварительно смешанные с обработанной иловой суспензией, обогащенной биофлокулянтами, поступают во флокулятор 2, где при «вялом» перемешивании происходит флокулирование частиц загрязнений. Флокулированная водно-иловая смесь переливается во флотатор 3, где создаются комплексы из флокул и пузырьков воздуха, плотность которых ниже плотности воды. Всплывающие комплексы поднимаются на поверхность, где образуют слой флотопродуктов. Плавающие продукты удаляются с помощью гребков или перелива и по желобу отводятся на иловые площадки. Осветленная вода с помощью сифонной перегородки по линии (9) выводится из флотатора 3 в аэротенк 4 для последующей аэробной биологической обработки. Общая площадь носителей 14 биопленки устанавливается либо с учетом расхода поступающего потока сточных вод, либо в зависимости от нагрузки по загрязняющим веществам. Технологический воздух на аэрацию подается постоянно, что обеспечивается непрерывно работающими воздуходувками, причем биохимическое окисление растворенных биогенных элементов производится иммобилизованной биопленкой на размещенных в аэротенке носителях 14. Очищенная водно-иловая смесь подвергается отстаиванию во вторичном отстойнике 5, после чего осажденная биомасса частично рециркулируется посредством линии (17) рециркуляции активного ила на вход в аэротенк 4 для поддержания процесса биологической очистки, частично поступает на гидромеханическую обработку в устройство гидромеханической обработки (16) для выделения из нее биофлокулянтов, а оставшаяся часть выводится из установки на утилизацию.
Обработанная вода вытекает через фронтальный слив и направляется самотеком во вторичный отстойник, где производится осаждение биомассы активного ила.
Примеры реализации способа и установки.
Пример 1. Лаборатория отдела производственной санитарии и охраны окружающей среды Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности.
Состав пилотной установки: флокулятор, флотатор, аэротенк-смеситель с носителями, изготовленными из полиэтиленовых волокон, вторичный отстойник, сатуратор, устройство гидромеханической обработки биомассы активного ила.
Вид сточных вод - промышленные стоки Щелковского экспериментального мясоперерабатывающего завода. Расход сточных вод 120 л/ч.
Концентрация загрязнений в исходной сточной воде: взвешенные вещества - от 200 до 550 мг/л, ХПК - от 1800 до 2700 мг/л, жиры - до 120-150 мг/л,
Время обработки сточных вод в установке - от 15 до 30 мин во флотаторе, от 10 до 18 ч - в аэротенке.
Эффективность очистки: от взвешенных веществ - 88-95%, от ХПК - 72-84%, от жиросодержащих веществ - от 87 до 98%.
Пример 2. Очистные сооружения совхоза-комбината "Борисовский" Минской области Республики Беларусь.
Состав пилотной установки: первичный отстойник, флокулятор, напорный флотатор, аэротенк-смеситель с пластинчатыми носителями, вторичный отстойник, устройство гидромеханической обработки биомассы активного ила.
Вид сточных вод - промышленные стоки свиноводческого комплекса (гидросмыв).
Расход сточных вод 550 л/ч. Концентрация загрязнений в исходной сточной воде: взвешенные вещества - от 11000 до 14000 мг/л, ХПК - от 6000 до 8000 мг/л, жиры - до 320-450 мг/л,
Время обработки сточных вод в установке - от 20 до 40 мин во флотаторе, от 22 до 28 ч - в аэротенке.
Эффективность очистки: от взвешенных веществ - 90-96%, от ХПК - 80-91%, от жиросодержащих веществ - от 92 до 99%.
Наиболее актуально применение заявленных изобретений для предприятий, находящихся непосредственно в черте города, когда дополнительно к требованиям высокой степени очистки сточных вод предъявляются строгие требования к сбросу в воздушное пространство отработанных при очистке газов и санитарному состоянию самих промышленных площадок очистных сооружений. Использование изобретения целесообразно также в тех случаях, когда размеры промышленных площадок ограничены прилегающими жилыми массивами, что не позволяет использовать традиционные аэробные биологические методы очистки, требующие больших производственных площадей.
Источники информации
1) Технический справочник по обработке воды. Второе издание. Том 2. Часть 1. «Новый журнал». Санкт-Петербург. 2007. C.87-872.