ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ МЕМБРАННЫЙ БИОРЕАКТОР
PHYSICOCHEMICAL MEMBRANE BIOREACTOR

Усовершенствование относится к водоочистным устройствам и может быть использовано для физико-химической обработки сточных вод, сбора и отвода всплывающих веществ с водной поверхности способом флотации с последующими биологической очисткой и мембранной фильтрацией сточных вод.
Все процессы обработки сточных вод осуществляются в одном устройстве.
Устройство можно использовать для очистки сточных вод предприятий: молочных заводов и фабрик, мясоперерабатывающих и рыбоперерабатывающих заводов, птицефабрик, маслозаводов, нефтеперерабатывающих заводов, предприятий по производству алкогольных и безалкогольных напитков, городских сточных вод «Водоканалов» и др.
Известно устройство (см. описание к патенту №2394771 С2 Российской федерации, кл. C02F 1/24, опубл. 20.07.2010 Бюл. №20), содержащее флотатор, биореактор, мембранную кассету, рециркуляционный насос повышения давления.
Двухступенчатое отстаивание перед флотатором и подача сточных вод после флотации в биореактор не позволяют извлечь достаточно эффективно растворенные органические загрязнения, которые не могут быть очищены только фильтрованием через ультрафильтрационные мембраны.
Цель усовершенствования: повышение качества очистки сточных вод, повышение скорости обработки воды, облегчение обслуживания при эксплуатации устройства.
Указанная цель реализована в устройстве, содержащем флотатор, биореактор, мембранную кассету, рециркуляционный насос повышения давления, отличающегося тем, что биореактор состоит из двух, сообщенных между собой секций, где первая, считая по ходу сточных вод, секция биологической очистки сточных вод, а вторая секция фильтрации сточных вод с погружным блоком мембранных кассет, что позволяет извлечь из сточных вод растворенные органические загрязнения, которые не могут быть очищены только фильтрованием.
Устройство содержит смеситель, выход которого сообщен со входом флотатора, ко входам смесителя подключена напорная подача сточных вод на очистку, а также подключены выходы насоса коагулянта, насоса щелочи, насоса флокулянта, что является более эффективным, чем многоступенчатое отстаивание.
В устройстве вход рециркуляционного насоса повышения давления сообщен с выходом кармана очищенной воды, а выход рециркуляционного насоса повышения давления сообщен с одним из входов сатуратора, у которого второй вход сообщен с выходом компрессора, выход сатуратора сообщен со входом блока форсунок флотатора. Использование очищенной воды после мембранных кассет для образования воздушных пузырьков во флотаторе позволяет снизить засорение рециркуляционного насоса повышения давления, а также сатуратора и форсунок (сопел).
В устройстве выход эрлифта ила сообщен со входом флотатора, воздушный вход эрлифта сообщен с одним из выходов компрессора, свободный вход эрлифта сообщен с выходом ила биореактора, что является проще, чем перекачка активного ила насосом. Кроме того, увеличивается коэффициент использования компрессора.
Устройство выполнено в виде автономного модуля, что позволяет получить экономическую выгоду за счет уменьшения или устранения трубопроводов между секциями, ускорения очистки сточных вод.
В устройстве форсунки флотатора выполнены кавитационными. Истечение в полость флотатора воздухонасыщенной жидкости из кавитационных форсунок (сопел) позволяет ускорить выход воздушных пузырьков из затопленных воздухонасыщенных струй в полость флотатора, что позволяет более равномерно распределить воздушные пузырьки в емкости флотатора, что позволяет усилить эффект подъема загрязнений на поверхность воды и увеличить эффект очистки от взвешенных веществ, масел, жиров, нефтепродуктов.
В устройстве вход рециркуляционного насоса сообщен с выходом секции фильтрации сточных вод, а выход рециркуляционного насоса сообщен со входом секции биологической очистки сточных вод, что позволяет снижать концентрацию загрязнений перед мембранными кассетами, за счет частичного возврата их из секции фильтрации в секцию биологической очистки, что увеличивает ресурс работы мембранных кассет между промывками.
Технический результат:
1. Устройство позволяет добиться высокого качества очистки сточных вод:
- удаление взвешенных веществ - 99,9%;
- удаление жиров - 99,9%;
- удаление нефтепродуктов - 99,9%;
- снижение ВПК - 90%;
- снижение ХПК - 90%;
- снижение фосфора - до 90%;
- сопутствующее снижение тяжелых металлов.
2. В устройстве совмещены физико-химическая очистка и биологическая очистка сточных вод в одном модуле, за счет чего достигнута экономическая выгода: упрощено обслуживание, увеличена скорость очистки сточных вод, за счет уменьшения или отсутствия трубопроводов между элементами устройства.
3. Флотация, аэрация, продувка мембран, откачка избыточного активного ила эрлифтом может осуществляться от одного компрессора.
4. Рециркуляционный поток сточных вод забирается рециркуляционным насосом повышения давления из кармана очищенной воды после второй ступени очистки в мембранном биореакторе, тем самым, предотвращая засорение насоса и форсунок взвешенными веществами.
5. Напорный режим подачи очищенных сточных вод после устройства позволяет без дополнительного оборудования перекачать поток в удаленный водоприемник.
6. Установка позволяет получить смесь флотошлама и избыточного активного ила с влажностью 97 - 98%, что позволяет его легко обезвоживать без дополнительного уплотнения.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
Фиг.1. Блок-схема устройства.
Перечень обозначений на чертежах.
1. Смеситель;
2. Флотатор;
3. Насос коагулянта;
4. Насос щелочи;
5. Насос флокулянта;
6. Рециркуляционный насос повышения давления;
7. Карман очищенной воды;
8. Сатуратор;
9. Компрессор;
10. Блок форсунок;
11. Скребковая система флотатора;
12. Карман флотошлама;
13. Карман донного осадка;
14. Биореактор;
15. Аэрационная система;
16. Эрлифт ила;
17. Насос пермеата (очищенной воды);
18. Насос гипохлорита натрия;
19. Насос кислоты;
20. Мембранная кассета;
21. Секция биологической очистки сточных вод;
22. Секция фильтрации сточных вод;
23. Рециркуляционный насос.
Устройство выполнено в виде автономного модуля.
Устройство содержит смеситель 1, выход которого сообщен со входом флотатора 2, ко входам смесителя 1 подключена напорная подача сточных вод на очистку, а также подключены выходы насоса 3 коагулянта, насоса 4 щелочи, насоса 5 флокулянта.
Вход рециркуляционного насоса 6 повышения давления сообщен с выходом кармана 7 очищенной воды, а выход рециркуляционного насоса 6 повышения давления сообщен с одним из входов сатуратора 8, у которого второй вход сообщен с выходом компрессора 9, выход сатуратора 8 сообщен со входом блока 10 форсунок флотатора 2.
Флотатор 2 снабжен скребковой системой 11, карманом флотошлама 12, карманом донного осадка 13.
Биореактор 14 снабжен аэрационными системами 15, входы которых сообщены с соответствующими выходами компрессора 9.
Выход эрлифта 16 ила сообщен со входом флотатора 2, воздушный вход эрлифта 16 сообщен с одним из выходов компрессора 9, свободный вход эрлифта 16 сообщен с выходом ила биореактора 14.
Насос 17 пермеата (очищенной сточной воды), насос 18 гипохлорита натрия, насос 19 кислоты предназначены для обслуживания блока мембранных кассет 20, где вход насоса 17 пермеата сообщен с выходом блока мембранных кассет 20, выход насоса 17 пермеата сообщен со входом кармана 7 очищенной воды и входом в блок мембранных кассет 20. Выход насоса 18 гипохлорита натрия и выход насоса 19 кислоты сообщены со входом блока мембранных кассет 20.
Биореактор 14 состоит из двух сообщенных между собой секций 21, 22, где первая, считая походу сточных вод, секция 21 биологической очистки сточных вод, а вторая секция 22 фильтрации сточных вод с погружным блоком мембранных кассет 20. Обе секции 21, 22 снабжены аэрационными системами 15, входы которых сообщены с соответствующими воздушными выходами компрессора 9.
Вход рециркуляционного насоса 23 сообщен с выходом секции 22 фильтрации сточных вод, а выход рециркуляционного насоса 23 сообщен со входом секции 21 биологической очистки сточных вод.
Дно емкости флотатора 2 имеет наклон в сторону биореактора 14 и кармана 13 донного осадка, расположенного в нижней части дна флотатора 2, что позволяет собирать и выводить из устройства донный осадок.
Блок 10 форсунок установлен в верхней части наклонного дна флотатора 2, что позволяет создать ламинарные опускные течения ила и осаждение его в карман 13 донного осадка.
Блок 10 форсунок выполнен в виде трубы-коллектора с равномерно расположенным рядом форсунок, истечение водовоздушной смеси из которых направлено вертикально вверх, или плоскость истечения водовоздушной смеси для большего захвата объема обрабатываемых сточных вод во флотаторе 2 пузырьками воздуха может быть отклонена до 30 градусов от вертикали в сторону секции 21 биореактора. Дальнейший наклон форсунок может нарушить ламинарное течение опускных потоков осаждающегося в карман 13 донного осадка ила. Описание работы устройства.
Для подачи на устройство сточные воды не должны содержать твердые частицы с эквивалентным диаметром более 1 мм, что обычно достигается их очисткой на решетках тонкой очистки (не показаны).
Сточные воды, загрязненные взвешенными веществами, жирами, маслами, нефтепродуктами, и характеризующиеся высокими значениями БПК и ХПК, под напором не менее 2 атм направляются для очистки на устройство, сначала в смеситель 1, а затем в емкость флотатора 2.
Для повышения эффекта флотации органических нерастворенных веществ в смеситель 1 подаются насосами 3, 4, 5 соответствующие химические реагенты: коагулянт, щелочь и флокулянт.
Часть очищенных сточных вод (обычно 25-30%) рециркуляционным насосом 6 повышения давления забирается из кармана 7 очищенной воды и под давлением не менее 6 атм. направляется в сатуратор 8, куда также осуществляется подача воздуха от компрессора 9 для создания водовоздушной смеси.
После сатуратора 8 водовоздушная смесь распыляется в емкости флотатора 2 при помощи кавитационных форсунок 10. Резкое снижение давления с 6 атм до атмосферного давления способствует выделению микропузырьков воздуха, которые увлекают за собой нерастворенные органические загрязнения, которые поднимаются на поверхность, где собираются скребковой системой 11 флотатора 2 в карман 12 флотошлама и отводятся из устройства.
Донный минеральный осадок собирается в карман 13 донного осадка и выводится из устройства.
После физико-химической очистки сточные воды переливаются в первую секцию 21 биологической очистки биореактора 14, где происходит очистка от растворенных органических загрязнений. В секции 21 биореактора 14 происходит очистка сточных вод при помощи аэробных микроорганизмов активного ила. Доза активного ила составляет от 8 до 12 г/л. Аэробный режим поддерживается распределением в секции 21 биореактора 14 воздуха при помощи аэрационной системы 15. Подача воздуха в аэрационную систему 15 производится от компрессора 9.
Избыточный активный ил, образующийся в полости секции 21 биологической очистки биореактора 14, эрлифтом 16 ила, направляется в начало емкости флотатора 2, поднимается пузырьками воздуха на поверхность емкости флотатора 2 и совместно с другим осадком попадает в карман 12 флотошлама и выводится из устройства.
Очищенные в первой секции 21 биологической очистки биореактора 14 сточные воды перетекают самотеком в сообщенную с ней вторую секцию 22 фильтрации биореактора 14, откуда вакуумным насосом 17 пермеата, проходит процесс ультрафильтрации на половолоконных ультрафильтрационных мембранных кассетах 20 и сбрасывается из устройства.
Для обеспечения высокой пропускной способности мембранных кассет 20 предусматривается их очистка. Метод промывки для контроля процесса засорения мембранных кассет 20 на внешней поверхности состоит из трех последовательных операций:
1) Механическая очистка. Прочистка мембранных кассет 20 осуществляется крупными пузырьками воздуха от компрессора 9. Аэрационная система 15 располагается под мембранными кассетами 20. Пузырьки воздуха поднимаются в потоке воды между волокнами мембранных кассет 20 и заставляют их колебаться, тем самым происходит очистка внешней поверхности мембранных кассет 20 от загрязнений, аналогично механической очистке.
2) Обратная промывка. Фильтрация сточных вод прерывается каждые 15-30 минут, и волокна мембранных кассет 20 промываются при помощи насоса 17 пермеата отфильтрованной водой на 30-45 секунд. Общее время, когда система находится в режиме промывки, составляет около 45 минут в день. Обычно низкая концентрация гипохлорита натрия NaOCl (<5 мг/л) добавляется в промывную воду для деактивации и удаления микроорганизмов, которые поселяются на внутренней поверхности мембранных кассет 20.
3) Химическая чистка.
Профилактическая промывка обратным потоком обычно осуществляется около 3-х раз в неделю сильным раствором гипохлорита натрия при помощи насоса 18 гипохлорита натрия (около 100 мг/л) или органической (например, лимонной) кислотой, с рН 2,2-2,5 при помощи насоса 19 кислоты. Время промывки обычно составляет около 45 минут и контролируется системой автоматизации.
После 45 минут интенсивной химической промывки мембранные кассеты 20 промываются промывной водой обратным потоком 15 минут. После обратной промывки из системы необходимо удалить остатки свободного хлора, поэтому на 10-15 минут мембранные кассеты 20 находятся под вакуумом. Общее время «отдыха» мембранных кассет 20 (режим чистки) при профилактической чистке составляет 75 минут.