БИОРЕАКТОР ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Биореактор со встроенным отстойником (вторичным) предназначается для глубокой биологической очистки сточных вод с удалением азотных и фосфорных загрязнений. Полезная модель может быть использована для биологической очистки сточных вод населенных мест и отдельно расположенных объектов, в том числе производственных, качественный состав которых приближен к хозяйственно-бытовым стокам или испытывает дефицит в органических питательных веществах.
Наиболее близкой по технической сущности к полезной модели является установка для очистки сточных вод от загрязнений (по патенту РФ №2410335, опубл. 27.01.2011), которая содержит две коаксиально расположенные емкости: внешнюю и внутреннюю, во внешней емкости расположен аэротенк нитри-денитрификатор, имеющий аноксидную зону (зону денитрификации) и зону нитрификации, трубопроводы подачи и отвода сточных вод, воздуховоды и аэраторы, мешалку, перекачивающее устройство внутризонной рециркуляции биомассы и нитратсодержащей иловой смеси, перекачивающее устройство для перекачки возвратного активного ила, перекачивающее устройство отвода избыточного активного ила, выполненные в виде эрлифтов, внутренняя емкость содержит отстойник (вторичный). Далее по тексту под отстойником имеется в виду вторичный отстойник согласно принятой технологической терминологии по его предназначению. Вторичный отстойник относится к биологической очистке и предназначен для эффективного разделения активного ила и биологически очищенной сточной воды, а первичный отстойник, в отличие от вторичного, относится к сооружениям для механической очистки сточных вод и предназначен для задержания мелких нерастворенных примесей. Установка прототипа снабжена разрезным газосборным козырьком, расположенным в зоне нитрификации, под уровнем иловой смеси с наружной стороны по периметру отстойника под восходящим углом к эрлифтам внутризонной рециркуляции биомассы и нитратсодержащей иловой жидкости, смонтированным в точке пересечения восходящих углов газосборного козырька.
Прототип обладает следующими недостатками:
Внутризонная рециркуляция биомассы и нитратсодержащей иловой смеси осуществляется одновременно за счет газосборного козырька и эрлифтов, основная часть активного ила при этом перекачивается с помощью эрлифтов и лишь малая доля рециркуляции активного ила осуществляется за счет газосборного козырька. Это объясняется малой площадью газосборного козырька и, соответственно, малой площадью сбора отработанного воздуха и иловой смеси, поэтому коэффициент полезного действия, напрямую зависящий от расхода воздуха, крайне мал. Таким образом, газосборный козырек только усложняет конструкцию устройства, не обеспечивая при этом надежную рециркуляцию биомассы.
Повышенная металлоемкость резервуара, обусловленная законами геометрии, согласно которым, при одной и той же площади поверхности круга и квадрата, наименьшую длину периметра границы резервуара имеет круг. Также повышенную металлоемкость квадратной емкости обуславливает необходимость утолщенной стенки резервуара, так как согласно принципу гидростатического давления при квадратном сечении нагрузка на стенки распределяется неравномерно, вследствие чего увеличивается внутреннее давление на угловые швы резервуара. Это усложняет конструкцию биореактора и увеличивает капитальные затраты на его изготовление.
Квадратная форма резервуара из металла не является оптимальной для протекания гидродинамических потоков, влияющих на распределение потоков жидкости и, соответственно, распределение хлопьев активного ила по объему биореактора. Для исследования гидродинамики в емкостях различной конфигурации доктор технических наук, профессор Кульков В.Н., кандидат технических наук, доцент Солопанов Е.Ю. и другие авторы использовали метод трассера («Химическая энциклопедия» под ред. И.Л. Кнунянц, 1992 г. 641 с.), основанный на введении в воду частиц твердой фазы, плотность которых одинакова с плотностью сточной воды. Такие частицы перемещаются вместе с потоком жидкости, что при использовании видеосъемки в плоскостной двумерной модели позволяет анализировать скорость практически любого элемента жидкости с разложением ее на составляющие по осям координат. Скорость движения иловой смеси в квадратной емкости характеризуется неравномерным распределением активного ила по объему установки, что подтверждается фигурой 1, на которой представлен рисунок структуры гидродинамических потоков в резервуаре квадратного сечения, смоделированным в программе ANSYS, на котором активный ил обозначен темным цветом.
Отдаленные от центра углы значительно хуже подвержены динамическим процессам циркуляции иловой смеси (белый цвет на смоделированной модели), так как внезапные повороты без закругления вызывают значительные потери энергии, происходит отрыв потока и вихреобразование и, как следствие, образуются застойные зоны, в которых начинается процесс уплотнения и загнивания биомассы активного ила, что ведет к вспуханию активного ила, выделению неприятных запахов, торможению гидродинамических и массобменных процессов циркуляции иловой смеси. Совместно с другими признаками прототипа это тормозит процесс биологической очистки.
Отсутствие перегородок между зоной денитрификации и зоной нитрификации приводит к попаданию растворенного кислорода в область зоны денитрификации, что отрицательно сказывается на полноте протекания биологической очистки, так как замедляется скорость протекания реакций, вплоть до полного торможения процесса денитрификации вследствие нарушения массообменных процессов циркуляции иловой смеси. В целом это приводит к снижению эффективности биологической очистки. Процесс денитрификации может протекать только в анаэробных условиях, т.е. когда кислород присутствует только в форме нитритов (NO2-) и нитратов (NO3-). В анаэробных (бескислородных) условиях нитриты и нитраты восстанавливаются сначала до NO и N2O, затем до молекулярного азота (N2↑). Процесс денитрификации осуществляют представители родов Pseudomonas, Bacterrium, Micrococcus и др. Они относятся к факультативным анаэробам, то есть при достаточном количестве кислорода в среде окисляют органические соединения как обычные аэробные (кислородные) организмы, и только при недостатке кислорода осуществляют восстановление нитратов. Таким образом, поддержание анаэробных (безкислородных) условий в зоне денитрификации имеет первостепенное значение для протекания полного процесса денитрификации.
Данные недостатки снижают надежность и эффективность работы устройства при одновременном усложнении конструкции, а также понижают экономический эффект от внедрения данной установки и приводят к трудоемкости эксплуатации.
Технической задачей является повышение эффективности биологической очистки в биореакторе при одновременном упрощении конструкции.
Технический результат заключается в оптимизации гидродинамических и массобменных процессов циркуляции иловой смеси при одновременном увеличении биомассы активного ила.
Технический результат достигается за счет того, что в биореакторе для биологической очистки сточных вод, включающем две коаксиально расположенные внешнюю и внутреннюю емкости, мешалку, воздуховоды и аэраторы, перекачивающее устройство внутризонной рециркуляции биомассы и нитратсодержащей иловой смеси, перекачивающее устройство для перекачки возвратного активного ила, перекачивающее устройство отвода избыточного активного ила, выполненные в виде эрлифтов или погружных насосов, причем во внешней емкости расположены зона денитрификации и зона нитрификации, а внутренняя емкость выполнена в виде отстойника, согласно полезной модели внешняя и внутренняя емкости выполнены радиальными, внешняя емкость разделена одной сплошной и полупогружными перегородками не менее двух, разделяющими зону нитрификации на подзоны нитрификации, зона денитрификации и каждая подзона нитрификации выполнены с возможностью заполнения объемной загрузкой для прикрепления биомассы активного ила, аэраторы выполнены с возможностью продувки.
Кроме того, перекачивающие устройства внутризонной рециркуляции биомассы и нитратсодержащей иловой смеси, для перекачки возвратного активного ила, отвода избыточного активного ила выполнены в виде эрлифтов или погружных насосов.
Кроме того, биореактор при необходимости может быть дополнительно снабжен насосом - дозатором коагулянта для связывания и осаждения мелкодисперсных соединений. При дозировании коагулянта в центральную трубу вторичного отстойника, происходит процесс гидролиза с образованием труднорастворимых соединений, выпадающих в виде хлопьев в осадок. При укрупнении хлопьев под действием сил молекулярного притяжения захватываются грубодисперсные частицы, содержащейся в обрабатываемой сточной воде, взвеси и коллоиды. Хлопья коагулянта вместе с задержанной взвесью и коллоидами осаждаются, при этом происходит осветление воды. Таким образом, в биологически очищенной сточной воде происходит снижение содержания взвешенных веществ, фосфатов и других загрязнений, достигается оптимизация гидродинамических и массообменных процессов и, тем самым, достигается повышение эффективности биологической очистки.
Возможность выбора типа перекачивающего устройства, в зависимости от производительности биореактора, повышает эффективность биологической очистки, т.к. при небольших производительностях (до 1000 м3/час) перекачку активного ила эффективнее производить с помощью эрлифтов, т.к. плавность перекачки препятствует механическому разрыванию хлопьев активного ила. При высоких производительностях биореактора (свыше 1000 м3/час) для перекачки активного ила рациональнее использовать погружные насосы, которые отличаются возможностью перекачки больших объемов активного ила, надежной работой, простотой эксплуатации, а также малым потреблением электроэнергии (Жмур. Н.С «Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками», 2003 г. 512 с.). Таким образом, для каждой конкретной производительности биореактора существует возможность индивидуального подбора типа перекачивающего устройства для перекачки активного ила, что повышает эффективность биологической очистки за счет оптимизации гидродинамических и массобменных процессов циркуляции иловой смеси при одновременном увеличении биомассы активного ила.
В установке по сравнению с прототипом достигнуты следующие преимущества:
Внутризонная рециркуляция биомассы и нитратсодержащей иловой смеси осуществляется перекачивающим устройством без применения малоэффективного газосборного козырька, что повышает эффективность перекачки активного ила и тем самым положительно влияет на эффективность работы биореактора при одновременном упрощении монтажа, а также снижает капитальные затраты на изготовление.
Радиальная форма внешней емкости биореактора создает оптимальные гидродинамические условия для протекания процессов биологической очистки. Это объясняется следующими физическими процессами: плавность поворотов значительно уменьшает интенсивность вихреобразования и, следовательно, возможность образования застойных зон в биореакторе. Сточная жидкость движется по зонам биореактора с постоянной скоростью, происходит равномерное распределение активного ила по зонам. Равномерность движения сточной жидкости обеспечивает эффективное протекание процессов окисления и восстановления веществ и исключает возникновение зон застаивания и загнивания, таким образом, обеспечивается оптимизация гидродинамических и массообменных процессов циркуляции иловой смеси при одновременном увеличении биомассы активного ила.
Наличие объемной загрузки в зонах биореактора совместно с другими признаками биореактора создает условия для удержания активного ила в биореакторе и увеличивает стабильность процесса очистки. Специалистами ФГУП ВНИИ «ВОДГЕО» экспериментально доказано, что погруженная в биореактор загрузка, в результате иммобилизации микроорганизмов, накапливает в своей структуре и на поверхности значительное количество активного ила (до 0,7 кг/кг загрузки) в течение нескольких часов. Это позволяет наряду с оптимизацией гидродинамических и массообменных процессов циркуляции иловой смеси увеличить биомассу активного ила (дозу ила) в биореакторе ориентировочно на 30-50% в сравнении с прототипом и добиться ускорения протекания реакций. Эффективность очистки сточных вод при применении объемной загрузки совместно с другими признаками предлагаемой полезной модели увеличилась в среднем на 10-30% (в зависимости от состава и качества исходной сточной воды) по сравнению с прототипом. Использование объемной загрузки наиболее эффективно при очистке слабоконцентрированных сточных вод, когда возникает проблема удержания или наращивания биомассы, что подтверждается отчетом о научно-исследовательской работе ФГУП ВНИИ «ВОДГЕО» «Проведение испытаний и подготовка заключения по использованию блоков биозагрузки на сооружениях биологической очистки сточных вод» (Москва, 2006 г.).
Предусмотренная продувка (система продувки) аэраторов после останова, перед запуском биореактора в работу, совместно с другими признаками предлагаемого технического решения, обеспечивает оптимизацию гидродинамических и массообменных процессов циркуляции иловой смеси при одновременном увеличении биомассы активного ила. В прототипе при технологических остановах под гидростатическим давлением в аэраторы попадает вода, затрудняя возобновление подачи воздуха и, тем самым, ухудшая аэрацию и перемешивание активного ила при повторном запуске. За счет продувки (системы продувки), которая выполнена в виде трубопроводов с краном на уровне площадки обслуживания, происходит вытеснение воды воздухом по трубопроводам продувки свободным изливом обратно в биореактор. Данное конструкторское решение позволяет значительно ускорить (на 40-50%) запуск системы и выход на стабильный режим работы аэрационной системы, что, в свою очередь, повышает эффективность биологической очистки в биореакторе по сравнению с прототипом.
На фиг.1 представлен рисунок структуры гидродинамических потоков в резервуаре квадратного сечения, смоделированным в программе ANSYS.
На фиг.2 изображен биореактор (поперечный разрез) и на фиг.3 - биореактор (продольный разрез).
Биореактор состоит из двух коаксиально расположенных емкостей: внешней 1 и внутренней 2. Во внешней емкости расположены: зона денитрификации 3, зона нитрификации 4, трубопроводы подачи 5 и отвода 6 сточных вод. Внешняя емкость 1 разделена одной сплошной перегородкой 7 и полупогружными перегородками 8, например, тремя. Зона нитрификации 4, разделена полупогружными перегородками 8 на подзоны нитрификации не менее двух, например, 4.1, 4.2, 4.3. Зона денитрификации оборудована мешалкой 9 (механической) и объемной загрузкой 10 с развитой иммобилизационной поверхностью для прикрепления микроорганизмов. Зона нитрификации 4 оборудована воздуховодами 11 и аэраторами 12 (мелкопузырчатыми мембранными), объемной загрузкой 10 и перекачивающим устройством 13 внутризонной рециркуляции биомассы и нитратсодержащей иловой смеси. Воздуховоды объединены общим трубопроводом продувки аэраторов 14, который на уровне площадки обслуживания биореактора заканчивается краном продувки 15. Во внутренней емкости 2 расположен отстойник 16, разделенный на зону осветления 17 и зону накопления осадка 18. Зона накопления осадка 18 выполнена в виде конуса, что позволяет эффективно собирать и выгружать осадок. Отстойник 16 снабжен перекачивающим устройством для перекачки возвратного активного ила 19 и перекачивающим устройством отвода избыточного активного ила 20. Мембранные мелкопузырчатые аэраторы 12 расположены по всему днищу 21 зоны нитрификации. Отстойник снабжен центральной трубой 22.
Наверху зоны осветления 17 отстойника располагается переливная кромка 23 и водосливной лоток 24.
Кроме того, в качестве перекачивающего устройства 13 внутризонной рециркуляции биомассы и нитратсодержащей иловой смеси, перекачивающего устройства 19 для перекачки возвратного активного ила и перекачивающего устройства 20 отвода избыточного активного ила применяются эрлифты или погружные насосы. Кроме того, биореактор при необходимости может быть дополнительно снабжен насосом - дозатором коагулянта 25.
Принцип работы биореактора состоит в следующем.
Предварительно прошедшая стадию механической очистки сточная вода по трубопроводу подачи 5 сточных вод на очистку подается в зону денитрификации 3 биореактора. В зоне денитрификации 3 в бескислородных (анаэробных) условиях проходит процесс восстановления нитритов (NO2-) и нитратов (NO3-) до газообразных оксидов (NO, N2O) и молекулярного азота (N2↑). В зону денитрификации 3 также подается активный ил с конца зоны нитрификации 4 с высоким содержанием нитратов и нитритов - конечными продуктами нитрификации, а также возвратный активный ил из зоны накопления осадка 18 отстойника 16. Зона денитрификации 3 биореактора оборудована мешалкой 9, например, механической, для бескислородного перемешивания иловой смеси и объемной загрузкой 10 для удержания биомассы внутри зоны денитрификации 3. Далее сточная вода поступает в зону нитрификации 4, разделенную на подзоны нитрификации не менее двух, например, 4.1, 4.2, 4.3 полупогружными перегородками 8. Аэрация в зоне нитрификации 4 осуществляется при помощи аэраторов 12, например, мелкопузырчатых мембранных, расположенных по всему днищу 21 зоны нитрификации. Подвод воздуха к аэраторам осуществляется при помощи системы воздуховодов 11. Воздуховоды 11 объединены трубопроводом продувки аэрационной системы 14, который на уровне площадки обслуживания заканчивается краном продувки 15. Также зона нитрификации 4 оборудована объемной загрузкой 10 с развитой иммобилизационной поверхностью для прикрепления микроорганизмов. В результате протекания процесса нитрификации происходит окисление азота аммонийного (NH4+) с образованием нитритов (NO2-) и нитратов (NO3-). Из конца зоны нитрификации 4 расчетная часть нитритсодержащей жидкости и биомассы с помощью перекачивающего устройства 13 внутризонной рециркуляции биомассы и нитратсодержащей иловой смеси возвращается в начало зоны денитрификации 3 для перевода вновь образованных нитритов (NO2-) и нитратов (NO3-) в газообразное состояние (N2↑). Оставшаяся часть иловой смеси через перелив поступает в центральную трубу 22 отстойника 16. Хлопья биомассы под действием гравитационной силы опускаются в зону накопления осадка 18 отстойника 16. Для интенсификации процесса осаждения загрязняющих веществ, в том числе фосфатных соединений, в центральную трубу (вторичного) отстойника возможна подача коагулянта с помощью насоса-дозатора. Осветленная сточная вода через переливную кромку 23, расположенную наверху зоны осветления 17 собирается в водосливной лоток 24 и по трубопроводу отвода очищенных сточных вод 6 отводится за пределы биореактора.
Избыточный активный ил с помощью перекачивающего устройства 13 периодически отводится на обезвоживание.
Биореактор предназначен только для биологической очистки хозяйственно-бытовых и стоков, которые испытывают дефицит в органических питательных веществах. Это позволяет сочетать его с самым разным оборудованием остальных звеньев очистки сточных вод (механической очистки, доочистки, обезвоживания осадка, и т.д.).