БИОРЕАКТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
BIOREACTOR FOR WASTEWATER TREATMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к очистным устройствам, а более конкретно к биореакторам для очистки сточных вод, включающим камеру, в которой расположена система насыщения воды кислородом или воздухом, имеющую вход сточных вод на обработку, трубопровод отвода очищенной воды и систему для удаления собранных удержанных в биореакторе взвешенных частиц и может быть использовано для очистки бытовых или промышленных сточных вод.
В данном описании используются следующие термины:
Биореактор (биологический реактор) – устройство для очистки сточных вод, использующее биологические процессы для переработки или утилизации загрязнений.
Биозагрузка (биологическая загрузка), загрузочный материал – материал-основа для формирования прикрепленного биоценоза, образованного колониями микроорганизмов, бактерий и грибов.
Трубчатый отстойник – частный случай тонкослойного отстойника, который  применяется для эффективного отделения тонкодисперсных примесей, когда используются наклоненные трубы для создания ламинарного течения осветляемых вод. Многочисленные исследования доказали, что естественное (под действием гравитации) разделение тонкодисперсных взвесей протекает значительно интенсивней в замкнутом объёме элементов, наклонённых в горизонтальной плоскости, чем в открытых лотках. Так как турбулентный поток увеличивает «несущую» способность жидкости, то для повышения степени их осветления внутри отстойника организуется ламинарное течение очищаемых вод.
Система насыщения воды кислородом или воздухом – совокупность элементов, обеспечивающих подачу кислорода или воздуха внутрь камеры биореактора. Типичный вариант – набор аэрационных труб с отверстиями, набор аэраторов (мембранных, керамических и т.д.), в которые подают кислород или воздух насосом или компрессором.  Также может быть выполнен с применением эжектора и/или сатуратора.
Вход сточных вод – конструктивный элемент камеры биореактора, обеспечивающий возможность подачи сточных вод, это может быть отверстие или труба, патрубок,  фланец для подачи сточных вод внутрь камеры биореактора.
Система для удаления собранных удержанных в биореакторе взвешенных частиц – совокупность элементов, обеспечивающих удаление взвешенных частиц: конусное дно, через которое производят удаление взвешенных частиц, и/или нижний коллектор, соединенный с колодцем, образованным отгораживанием камеры биореактора, в котором может быть установлен насос для откачивания, и/или просто один или более насосов для откачивания взвешенных частиц, и/или гидроэлеватор, и/или шнековый элеватор.
Уровень техники
Известен из уровня техники биореактор для очистки сточных вод, включающий камеру, в которой расположена система насыщения воды кислородом или воздухом, имеющую вход (отверстие или трубу, патрубок или фланец) сточных вод на обработку, трубопровод отвода очищенной воды и систему для удаления собранных удержанных в биореакторе взвешенных частиц, см описание к патенту на изобретение № 2064453, опубликовано 27.07.1996.
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению и взято за прототип к предлагаемому изобретению.
Недостатком данного устройства является невысокая степень очистки сточных вод. Это связано с тем, что обычный биореактор очищает сточные воды только биологическими процессами и для дополнительного разделения очищаемых вод от загрязнений после такого биореактора устанавливается тонкослойный отстойник, в котором и происходят процессы разделения сточных вод. Но сам биореактор не имеет возможности такой дополнительной очистки.
Раскрытие изобретения
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить биореактор для очистки сточных вод, позволяющий, как минимум, сгладить по меньшей мере один из указанных выше недостатков, а именно обеспечить повышение степени очистки сточных вод за счет того, что данное устройство включает в себя трубчатый отстойник, обеспечивающий разделение и удержание тонкодисперсных взвесей под действием гравитации, что и является технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение.
Для достижения этой цели биореактор включает в себя трубчатый отстойник, представляющий собой наклоненные трубы, верхние концы которых соединены со сборным верхним коллектором, который соединен с трубопроводом отвода очищенной воды.
Благодаря таким выгодным характеристикам появляется возможность в одном общем корпусе совместить биореактор и тонкослойный отстойник, чем становится возможным повысить очистные способности одного устройства.
Существует также  вариант изобретения, в котором трубчатый отстойник  одновременно является каркасом для размещения на нем загрузочного материала.
Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность дополнительно размещать на элементах трубчатого отстойника внутри камеры биореактора загрузочный материал, на котором быстрее и в большем количестве  (чем без загрузочного материала), развиваются колонии микроорганизмов, бактерий и грибов, и, таким образом, лучше происходит биологическая очистка сточных вод.
Существует еще один вариант изобретения, в котором трубчатый отстойник имеет нижний коллектор, соединенный с нижними концами наклоненных труб и с системой для удаления собранных удержанных в биореакторе взвешенных частиц.
Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность дополнительного повышения ламинарности течения внутри трубчатого тонкослойного отстойника, что приводит к дополнительной очистке сточных вод и обеспечивается удаление именно загрязнения.
Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 схематично изображает внешний вид биореактора для очистки сточных вод, вид с частичным разрезом, согласно изобретению;
- фигура 2 схематично изображает этапы работы биореактора для очистки сточных вод, согласно изобретению.
Согласно фигуре 1 биореактор для очистки сточных вод включает камеру 1, в которой расположена система насыщения воды кислородом или кислородом из воздуха, (показана как набор аэрационных труб 2 с отверстиями 21), материал биозагрузки 3, вход сточных вод на обработку , выполненный в виде трубопровода 4 подачи сточных вод на обработку, трубопровод 5 отвода очищенной воды и трубопровод 6 для откачки собранных удержанных в отстойнике взвешенных частиц (это и ил, и биопленка, и минеральные взвешенные вещества), который выходит из колодца 7, в котором расположен насос 8. (В данном примере элементы 6, 7, и 8 образуют систему для удаления собранных удержанных в биореакторе взвешенных частиц). В общем случае колодцев и насосов для откачки собранного (удержанного) в отстойнике активного ила и частиц открепленной биомассы может быть несколько, а также может быть реализован простейший вариант отвода осадка – конусное дно.
Биореактор включает в себя трубчатый отстойник, представляющий собой наклоненные трубы 92, верхние концы которых соединены со сборным верхним коллектором 91, который соединен с трубопроводом 5 отвода очищенной воды.
В данном варианте трубчатый отстойник  одновременно является каркасом для размещения на нем материала биозагрузки 3.
На фигуре 1 показан вариант, когда трубчатый отстойник имеет нижний коллектор 93, соединенный с нижними концами наклоненных труб 92 и с системой для удаления собранных удержанных в биореакторе взвешенных частиц, а именно с колодцем 7, посредством которого далее нижний коллектор 93 соединен с трубопроводом 6 для откачки собранных удержанных в отстойнике взвешенных частиц.
Наклоненные трубы 92 трубчатого отстойника имеют наклон в диапазоне 20-89°.  Но наиболее оптимальный наклон находится в диапазоне 30-60°.
Между трубами 93 трубчатого отстойника проложены аэрационные трубы 2, через которые под напором подается воздух или кислород для протекания окислительных процессов. Направление вытекания воздуха или кислорода показано стрелкой 22.
На фигуре 1 изображена конструкция тонкостенного трубчатого отстойника, основным рабочим органом является трубка. Сечение трубки может быть квадратным, в форме шестиугольника, ромба и т.п. Она может быть изготовлена в виде стандартизированных блоков из пластика (ПВХ или полистирола). Нормированные размеры облегчают монтаж блоков внутрь имеющихся отстойников любого типа (в том числе радиальных, горизонтальных и вертикальных). Также показано, что верхние горизонтальные участки труб 91 могут быть образованы стандартными тройниками, которые обеспечивают возможность соединения в горизонтальную трубу любой длины и подсоединения к каждому тройнику наклонного элемента 92, образованного прямым участком трубы, второй конец которого присоединен к соответствующему тройнику нижнего горизонтального ряда, образованного точно такими же тройниками, соединенными в одну линию.
Для увеличения прочности могут быть использованы ребра жесткости 10.
Направление силы тяжести показано как вектор g. Именно по отношению к нему и применяются прилагательные «верхний» и «нижний».
Осуществление изобретения
Биореактор для очистки сточных вод используют следующим образом.
Приводится пример использования изобретения, который является описательным и не ограничивает применения изобретения.
Этап А1. Сточные воды через трубопровод 4 подачи сточных вод на обработку подают внутрь корпуса 1 биореактора.
Этап А2. Внутри корпуса 1 сточные воды проходят очистку посредством биологических реакций на биоценозе, преимущественно находящемся на загрузочном материалы 3, расположенном на трубчатом отстойнике, образованном трубами 91, 92 и 93. Биоценоз загрузочного материалы  3 потребляет биологически разлагаемые загрязнения, находящиеся в биореакторе сточной воде, тем самым очищая её.
Этап А3. Для обеспечения окислительных процессов, протекающих в ходе питания колоний микроорганизмов, бактерий и грибов, сточная вода, находящаяся внутри биореактора, обогащается воздухом или кислородом, подающимся из отверстий 21 аэрационных труб 2.
Этап А4. Сточные воды попадают через свободный конец нижнего коллектора 93 в контур тонкостенного трубчатого отстойника, образованного трубами 91, 92 и 93. В нем сточные воды образуют спокойное ламинарное течение, которое при прохождении наклонного участка труб 92, приводит к естественному (под действием гравитации) разделению тонкодисперсных взвесей в сточных водах.
Этап А5. Тяжелые примеси (собранный в отстойнике активный ил, частицы открепленной биомассы и прочие взвешенные вещества) опускаются вниз, попадая в трубы 93, а очищенные выводятся из биореактора через трубопровод 5.
Этап А6. Собранный в отстойнике активный ил, частицы открепленной биомассы и прочие взвешенные вещества из труб 93 откачивают насосом 8, который расположен в колодце 7. И уже из этого колодца 7 стоки выводят через трубопровод 6 для откачки собранных удержанных в отстойнике взвешенных частиц.
Этапы являются примерными и допускают перестановку, добавление и их частичное использование.
Промышленная применимость
Предлагаемый биореактор для очистки сточных вод имеет ясное предназначение, может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления специалистом на практике следует из того, что для каждого признака, включённого в формулу изобретения, на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения, а также критерию «полнота описания» для изобретения.
В соответствии с предложенным изобретением по поручению заявителя ООО «Альта Групп» был изготовлен опытный образец биореактора для очистки сточных вод.
Опытная эксплуатация данного изобретения показала, что из устройства выходит обработанная в биореакторе вода, с удержанными взвешенными частицами гидравлической крупностью не более 0,03 мм/с и что такая конструкция биореактора обеспечивает:
- возможность биологической очистки сточных вод,
- организацию ламинарного течения сточных вод в трубчатом отстойнике и удержание в нем взвешенных веществ из сточных вод с фракциями обладающими гидравлической крупностью не более 0,03 мм/с,
- улучшение степени очистки сточных вод,
- устройство полезно тем, что не требует организации вторичного отстойника после себя.
Таким образом, за счет того, что биореактор включает в себя трубчатый отстойник, представляющий собой горизонтальные трубы, соединенные с наклоненными трубами, причем трубчатый отстойник  одновременно является каркасом для размещения на нем материала биозагрузки  и достигается технический результат, а именно: повышение степени очистки сточных вод за счет того, что данное устройство включает в себя трубчатый отстойник, обеспечивающий разделение и удержание тонкодисперсных взвесей под действием гравитации.
Дополнительный достигаемый технический результат:
- свободный объем от труб биореактора также может быть задействован под размещение биозагрузки для интенсификации биологической очистки;
- можно устанавливать несколько таких типовых биореакторов с тонкостенными трубчатыми отстойниками внутри них последовательно (и/или параллельно), если необходимо повысить степень очищения сточных вод или увеличить производительность.
Таким образом, рекомендуется использовать предлагаемый биореактор для очистки сточных вод для установки его в составе станций биохимической и биологической очистки промышленных, хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу сточных вод для очистки стока от жилых комплексов, гостиниц, пансионатов, санаториев, комплексов жилых зданий, коттеджных поселков, микрорайонов, населенных пунктов, производственных предприятий и т.д.