СПОСОБ И УСТАНОВКА ОЧИСТКИ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД
METHOD AND APPARATUS FOR CLEANING AND DECONTAMINATION OF WASTE WATER

Предлагаемый способ очистки и обезвреживания сточных вод с применением трехкамерной установки относится к области защиты окружающей среды и биотехнологии и направлен на осуществление контролируемого сорбционно-микробиологического непрерывного процесса очистки промышленных сточных вод (пластовая вода нефтедобывающей промышленности, стоки металлургических производств и сельскохозяйственных предприятий, фильтраты полигонов твердых бытовых отходов и др.).
Известны различные технические решения в рассматриваемой области.
Так известна установка биологической очистки сточных вод (RU, патент на изобретение №2304083, МПК C02F 3/12, опубл. 10.08.2007). Установка биологической очистки сточных вод содержит корпус с размещенными в нем усреднителем, аэротенком, разделенным вертикальными перегородками на ступени, оснащенным аэрационными системами и носителями прикрепленной микрофлоры, вторичным отстойником с бункером-накопителем илового осадка и патрубком его отвода, и блоком бактерицидной обработки воды. Причем корпус снаружи оснащен тепловой изоляцией, разделен вертикальной перегородкой на две емкости, первая из которых является усреднителем и имеет объем, равный не менее 4-6 объемов аэротенка и снабженный двумя вертикальными перегородками, а вторая емкость снабжена системой поддержания постоянной температуры и влажности и в ней расположены аэротенк, вторичный отстойник с бункером накопителем илового осадка, патрубком его отвода и блок бактерицидной обработки воды.
Недостатком известной установки является то, что она предназначена для биологической очистки только хозбытовых (фекальных) сточных вод, тогда как предлагаемое изобретение обеспечивает очистку промышленных сточных вод различной техногенной природы.
Известен способ аэробной очистки сточных вод, осуществляемый в присутствии подвижного носителя микроорганизмов в виде пористого полимерного или сополимерного материала, содержащего 5-60% активированного угля, с плотностью не более плотности, поступающей на очистку жидкости с активным илом, и аэрацией кислородсодержащим газом с последующим отводом из аэротенка обработанной воды и свободного активного ила и удержанием в нем носителей микроорганизмов (RU, патент на изобретение №2039013, МПК C02F 3/08, опубл. 09.07.1995).
Недостатком известного способа являются повышенные затраты, обусловленные высоким содержанием (5-60%) подвижного носителя микроорганизмов в виде активированного угля и необходимостью последующего его выделения из иловой смеси и возврата в технологический процесс.
Известен способ аэробной очистки сточных вод методом сорбции и окисления иммобилизованными микроорганизмами во взвешенном слое загрузочного материала в виде угля, клиноптилолита, дробленого керамзита и др. (RU, патент на изобретение №2079447, МПК C02F 3/02, опубл. 20.05.1997). Недостатком известного способа аэробной очистки сточных вод являются увеличенные затраты на осуществление процесса в целом, обусловленные применением недостаточно эффективных и дорогостоящих загрузок.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу является способ повышения эффективности аэробной очистки сточных вод (RU, патент на изобретение №2472719, МПК C02F 9/14, C02F 3/10, C02F 1/28, опубл. 20.01.2013), принятый за прототип. Для осуществления известного способа проводят аэрацию, сорбцию и окисление загрязнений в исходных сточных водах на загрузочном материале. В качестве загрузочного материала используют диспергированный природный минерал шунгит, который вводят одновременно с очищаемой сточной водой и/или в аэробный биореактор. Окисление загрязнений ведут растворенным кислородом непосредственно на поверхности шунгита, а также иммобилизованными на загрузочном материале микроорганизмами.
Недостатком известного способа является то, что процесс очистки сточной воды является одноэтапным:
- не предусматривается стадия отстаивания сточной воды от мелкодисперсных примесей механической и биологической природы;
- не осуществляется стадия обеззараживания воды, предпочтительная и обязательная для повторного использования очищенных вод в различных технологических нуждах.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемой установке является установка микробиологической очистки сточных вод (RU, патент на изобретение №2384528, МПК C02F 3/30, опубл. 20.03.2010), выбранная в качестве прототипа. Установка микробиологической очистки сточных вод включает секции первичного отстаивания и окончательной очистки, секции анаэробной обработки воды и аэробной обработки воды с системой аэрации, снабженные носителями для иммобилизации микроорганизмов. Каждая из секций отстаивания разделена мембранами на две электродные камеры, между которыми расположена рабочая камера, в которой в центре мембраны закреплен источник кавитационного поля и система фильтрующих полиамидных стержней с возможностью встряхивания. Причем полиамидные стержни установлены в шахматном порядке с расстоянием между ними не менее 10 см, а дно секции отстаивания снабжено клапаном, жестко соединенным со скребком, причем корпусы секций первичного отстаивания и окончательной очистки выполнены из диэлектрического материала.
Недостатком известной установки является наличие системы анаэробной обработки, что неприемлемо при использовании в очистке некоторых промышленных стоков, т.к. в таких условиях загрязнители могут разлагаться с образованием более опасных промежуточных продуктов, чем исходное соединение (например, тетрахлорэтилен в анаэробных условиях трансформируется в более токсичный винилхлорид). Для исключения возникающих проблем предлагаемая конструкция основана только на применении аэробных биотехнологий.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа и установки для очистки и обезвреживания сточных вод, обеспечивающих контролируемый сорбционно-микробиологический непрерывный процесс очистки промышленных сточных вод.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и повышении эффективности очистки промышленных сточных вод с помощью предлагаемого способа и установки для его осуществления.
Достигается технический результат тем, что способ очистки и обезвреживания сточных вод, включающий подачу сточных вод и адсорбционно-микробиологические процессы очистки стоков, проводится в три стадии: первая - отстаивание воды от примесей, вторая - адсорбционно-микробиологические процессы очистки стоков, третья - обеззараживание очищенной воды с помощью ультрафиолетового облучения. Причем очищаемая вода с одной стадии на другую поступает самотеком, по мере накопления, адсорбционно-микробиологические процессы очистки ведут с помощью аборигенной иммобилизованной на углеродном композите микрофлоры, изначально присутствующей в стоках и подверженной стимулированию и биоаугментации.
Дополнительными отличиями предлагаемого способа является то, что:
- осадок механической и биологической природы, образовавшийся на первой стадии, подвергается естественной сушке, после чего его либо загружают в биореактор для анаэробного разложения, либо утилизируют;
- в качестве углеродного композита используют шунгитистые породы Коксуского месторождения - таурит сланцевый и/или таурит карбонатный;
- вторую стадию очистки проводят в присутствии кислорода и дополнительных добавок, подобранных по типу загрязнений;
- интенсивность подачи воздуха на второй стадии не превышает 2-3 литра на литр объема жидкости;
- способ протекает при температуре 20-35°C;
- первая стадия длится 24-48 ч;
- вторая стадия длится 120-336 ч;
- третья стадия длится 48-72 ч.
Также, технический результат достигается тем, что в установке для очистки и обезвреживания сточных вод, содержащей корпус, внутренние перегородки, секции первичного отстаивания и окончательной очистки, в качестве секций используют образованные внутренними перегородками три камеры: камеру-отстойник, камеру адсорбционно-микробиологической очистки стоков, камеру ультрафиолетовой обработки,
при этом сверху и снизу на внутренних перегородках устанавливают съемные фильтры, в местах крепления которых устанавливают затворы, открывающиеся через наружную стенку, оснащенную радиаторами,
кроме того, каждая камера сверху оснащена люком для визуального контроля и отбора проб,
камера-отстойник на своей боковой стенке имеет дополнительный люк для визуального контроля процесса накопления образующегося осадка, вводной канал в верхней части, кроме того, на дне камеры-отстойника фиксируют выводной канал, соединенный с накопителем для осадка,
на дне камеры ультрафиолетовой обработки фиксируют выводной канал, соединенный с накопителем для очищенной воды,
люк камеры адсорбционно-микробиологической очистки стоков содержит перфорированную трубу с боковыми выступами, содержащую наверху рычаг для поворота, достигающую дна камеры адсорбционно-микробиологической очистки стоков - для обеспечения ввода кислорода и корректирующих добавок, и короткие вытяжные трубы, соединенные с насосами для вытяжки, расположенными над поверхностью жидкости и предназначенными для вывода из корпуса, например, пены,
в перегородке между камерой-отстойником и камерой адсорбционно-микробиологической очистки стоков устанавливают фильтры грубой очистки, в промежутке, заполненном углеродным композитом, а между камерой адсорбционно-микробиологической очистки стоков и камерой ультрафиолетовой обработки устанавливают фильтры тонкой очистки,
перфорированная труба люка камеры адсорбционно-микробиологической очистки стоков имеет боковые выступы в мелкосетчатом двустенном чехле, который заполняют углеродным композитом.
Дополнительными отличиями предлагаемой установки является то, что:
- дно камеры-отстойника имеет наклон от внутренней стенки к наружной, при этом угол наклона определяется уровнем техногенной нагрузки и не превышает 30°;
- во вводных и выводных каналах вмонтированы краны для регулирования потока жидкости;
- установка выполнена из бетона, чугуна или нержавеющей стали;
- камера ультрафиолетовой обработки может быть выполнена из бетона, чугуна или нержавеющей стали в случае использования искусственной ультрафиолетовой обработки, или из армированного бесцветного прозрачного стекла в случае обезвреживания стоков естественным ультрафиолетом;
- при наличии большого количества примесей в сточной воде используют центрифугу, которая может быть установлена в отдельном блоке.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена предлагаемая трехкамерная установка, обеспечивающая непрерывный способ очистки и обезвреживания сточных вод, где
1 - корпус;
2 - внутренняя перегородка;
3 - камера-отстойник;
4 - камера адсорбционно-микробиологической очистки стоков;
5 - камера ультрафиолетовой обработки;
6 - люк для визуального контроля и отбора проб;
7 - люк для визуального контроля процесса накопления образующегося осадка камеры-отстойника 3;
8 - съемный фильтр грубой очистки;
9 - съемный фильтр тонкой очистки;
10 - открывающийся затвор;
11 - перфорированная труба с боковыми выступами;
12 - рычаг для поворота перфорированной трубы 11;
13 - вытяжная труба;
14 - вытяжной насос;
15 - вводной канал;
16 - выводной канал камеры-отстойника 3;
17 - выводной канал камеры 5 ультрафиолетовой обработки;
18 - кран для регулирования потока жидкости;
19 - накопитель для очищенной воды;
20 - выводной канал накопителя 19;
21 - накопитель для осадка;
22 - блок с центрифугой.
Предлагаемый способ очистки и обезвреживания сточных вод (протекает при температуре 20-35°C) включает подачу сточных вод и адсорбционно-микробиологические процессы очистки стоков, проводится в три стадии: первая - отстаивание воды от примесей, вторая - адсорбционно-микробиологические процессы очистки стоков, третья - обеззараживание очищенной воды с помощью ультрафиолетового облучения. Причем очищаемая вода с одной стадии на другую поступает самотеком, по мере накопления, адсорбционно-микробиологические процессы очистки ведут с помощью аборигенной иммобилизованной на углеродном композите микрофлоры, изначально присутствующей в стоках и подверженной стимулированию (ускорению скорости роста микроорганизмов) и биоаугментации (наращиванию биомассы микроорганизмов, т.е. биоприрост).
Вода с одной стадии на другую поступает самотеком через отверстия, расположенные на разных уровнях. Поскольку подача воды с первой камеры идет сверху, а отток из третьей камеры идет снизу, то образуется перепад воды между первой-второй и второй-третьей камерой, что и создает условия для естественного перетока воды из камеры в камеру и исключает перекачку воды и дополнительные затраты на нее.
Осадок механической и биологической природы, образовавшийся на первой стадии, подвергается естественной сушке, после чего его либо загружают в биореактор для анаэробного разложения, либо утилизируют. Отстоявшаяся вода поступает на вторую стадию очистки. Первая стадия длится 24-48 ч, что достаточно для отстаивания присутствующих примесей и накопления камеры сточной водой до требуемого уровня начала самотека: при продолжительности менее 24 ч объем воды не достигает уровня самотека, при продолжительности более 48 ч нерационально накопление осветленной воды.
В качестве углеродного композита используют шунгитистые породы Коксуского месторождения - таурит сланцевый и/или таурит карбонатный, характеризующиеся, как и все шунгиты, высокой степенью упорядоченности углеродистого вещества, химической стойкостью и механической прочностью, электропроводностью. Минеральная основа коксуских пород - кремнистая, содержание углерода находится в пределах 5-25%.
Шунгиты обладают бактерицидными свойствами, улучшая санитарно-микробиологическое состояние сточных вод и водных объектов, и, благодаря присутствию на своей поверхности и выделению кислорода, шунгиты стимулируют скорость роста, иммобилизацию и наращивание биомассы (биоаугментация, биоприрост) микроорганизмов, обеспечивающих очищение стоков от различных видов загрязнений [1, 2].
Используемый в предлагаемой конструкции композит на основе углерода обеспечивает адсорбцию, иммобилизацию микроорганизмов и, следовательно, интенсификацию биохимических процессов очистки стоков.
Вторую стадию очистки проводят в присутствии кислорода и дополнительных добавок, подобранных по типу загрязнений (например, известковое молоко - для подщелачивания, коагуляции и удаления металлов; серная кислота и кислые коагулянты - соли алюминия и железа - для подкисления и удаления мелкодисперсных и коллоидных частиц и т.д.). Вторая стадия длится 120-336 ч, что является оптимальным условием для микробиологической очистки накопленной сточной воды и иммобилизации микроорганизмов на шунгитах: при продолжительности менее 120 ч происходит неполная микробиологическая очистка сточной воды и недостаточная иммобилизация прикреплением микроорганизмов на поверхности шунгита, при продолжительности более 336 ч стадия очистки становится нерациональной и энергонеэффективной. На второй стадии выводится образующаяся в процессе очистки пена, а также адсорбционно очищенная вода (состав выводящихся компонентов зависит от техногенной природы стоков).
Интенсивность подачи воздуха на второй стадии не превышает 2-3 л на литр объема жидкости, что является оптимальным условием эффективной очистки фильтрационной воды полигонов ТБО, так, например, если интенсивность подачи воздуха на второй стадии меньше 2 л на литр объема жидкости, то происходит процесс торможения аэробных ферментативных реакций, а если больше 3 л, то образуется пена (в каждом конкретном случае количество и интенсивность подачи воздуха зависит от происхождения и состава сточной воды).
На третьей стадии адсорбционно-микробиологически очищенная вода подвергается обеззараживанию, после чего полностью выводится. Очищенная вода готова для повторного технологического использования, например пластовая вода для сельскохозяйственных нужд, фильтрат из твердых бытовых отходов в биореакторах по производству возобновляемой энергии. Третья стадия длится 48-72 ч, что является оптимальным промежутком для обеззараживания всей толщи воды: при продолжительности процесса менее 48 ч происходит недостаточное обеззараживание воды, при продолжительности процесса более 72 ч эффективность обеззараживания остается неизменной.
Установка очистки и обезвреживания сточных вод содержит корпус 1, внутренние перегородки 2, секции первичного отстаивания и окончательной очистки. В качестве секций используют образованные внутренними перегородками 2 три камеры: камеру-отстойник 3, камеру адсорбционно-микробиологической очистки стоков 4, камеру ультрафиолетовой обработки 5.
Камера 4 адсорбционно-микробиологической очистки стоков обеспечивает:
- адсорбцию ряда органических веществ различных классов (фенолов, спиртов, жирных высокомолекулярных кислот, водорастворимых смол гидролиза, гуминовых веществ и др.) и некоторых газов;
- снижение цветности воды;
- практически полное удаление патогенной и условно патогенной микрофлоры;
- эффект очистки стоков только от тяжелых металлов на 90-96%.
Камера 5 предназначена для естественной ультрафиолетовой обработки стоков с целью окисления вредных хлорсодержащих ароматических и полициклических углеводородов и дезинфекции сточной воды.
Сверху и снизу на внутренних перегородках 2 устанавливают съемные фильтры 8 и 9, в местах крепления которых устанавливают затворы 10.
Затворы 10 предназначены для дополнительного регулирования потока воды в процессе их очистки, а через фильтры 8 и 9 вода самотеком поступает из одной камеры в другую.
В перегородке 2 между камерой-отстойником 3 и камерой 4 адсорбционно-микробиологической очистки стоков устанавливают фильтры 8 грубой очистки, в промежутке, заполненном шунгитом, а между камерой 4 адсорбционно-микробиологической очистки стоков и камерой 5 ультрафиолетовой обработки устанавливают фильтры 9 тонкой очистки.
Каждая камера сверху оснащена люком 6 для визуального контроля и отбора проб.
Камера-отстойник 3 на своей боковой стенке имеет дополнительный люк 7 для визуального контроля процесса накопления образующегося осадка (предлагаемый вид контроля необходим для своевременного удаления образующегося в камере-отстойнике 3 осадка через выводной канал 16 в накопитель 21), вводной канал 15 в верхней части, кроме того, на дне камеры-отстойника 3 фиксируют выводной канал 16, соединенный с накопителем 21 для осадка.
На дне камеры 5 ультрафиолетовой обработки фиксируют выводной канал 17, соединенный с накопителем 19 для очищенной воды.
Люк камеры 4 адсорбционно-микробиологической очистки стоков содержит перфорированную трубу 11 с боковыми выступами, содержащую наверху рычаг 12 для поворота (обеспечивает перемешивание воды внутри камеры 4), достигающую дна камеры 4 адсорбционно-микробиологической очистки стоков, для обеспечения ввода кислорода и корректирующих добавок, и короткие вытяжные трубы 13, соединенные с насосами 14 для вытяжки, расположенными над поверхностью жидкости и предназначенными для вывода из корпуса 1, например, пены. Перфорированная труба 11 люка камеры 4 адсорбционно-микробиологической очистки стоков имеет боковые выступы в мелкосетчатом двустенном чехле, который заполняют шунгитом. Такая система обеспечивает, с одной стороны, защиту перфорированной трубы 11 от закупоривания, а следовательно, беспрепятственное поступление извне кислорода и различных добавок, с другой, иммобилизацию клеток микроорганизмов на композите. Число выступов и количество используемого композита (5-20 г/л воды) зависит как от степени техногенной нагрузки на установку (пропускная способность), так и от степени загрязнения стоков (техногенная природа сточных вод).
Дно камеры-отстойника 3 имеет наклон от внутренней стенки к наружной, при этом угол наклона определяется уровнем техногенной нагрузки и не превышает 30°. Предлагаемая конструкторская особенность обеспечивает самотек осадка по мере его образования через канал 16 в накопитель 21 для осадков механической и биологической природы.
Во вводном 15 и выводных 16, 17, 20 каналах вмонтированы краны 18 для регулирования потока жидкости.
Предлагаемую установку выполняют из бетона, чугуна или нержавеющей стали, камера 5 ультрафиолетовой обработки может быть выполнена из бетона, чугуна или нержавеющей стали в случае использования искусственной ультрафиолетовой обработки, или из армированного бесцветного прозрачного стекла в случае обезвреживания стоков естественным ультрафиолетом.
При наличии большого количества примесей в сточной воде используют центрифугу, которая может быть установлена в отдельном блоке 22. В этом случае, обезвоженный осадок под действием центробежных сил поступает через канал 15 в накопитель 21 для осадков механической и биологической природы.
Предлагаемая установка может быть дополнительной конструкцией к установкам по утилизации твердых бытовых отходов биотехнологическим способом.
Преимущества предлагаемой установки, с помощью которой осуществляют предлагаемый способ:
- имеет замкнутую систему очистки, которая обеспечивает: полную изоляцию от окружающей среды, исключение техногенного перемещения загрязняющих веществ в пространстве и во времени;
- имеет гибкую систему модернизации при увеличении техногенной нагрузки на систему очистки в конкретных условиях;
- ремонтопригодна;
- характеризуется дешевизной, простотой в эксплуатации и обслуживании установки;
- обеспечивает: полный контроль и регулирование процессов очистки, многокомпонентный и непрерывный процесс очистки.
Таким образом, предлагаемый способ и установка обеспечивают интенсифицированное протекание процессов очистки за счет регулируемой подачи кислорода и различных добавок в камеру адсорбционно-микробиологической очистки стоков, присутствия в этой камере композита на основе углерода, обеспечивает биологическую адсорбцию, деструкцию и окисление органических загрязнителей иммобилизованными микроорганизмами.
Использованная литература
1. Мусина У.Ш. Коксуские шунгитистые породы в процессах обеспечения экологического равновесия. - Журнал «Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета)». - Спб, 2014, №23 (49), с. 79-82, Россия.
2. Мусина У.Ш., Козьмин Н.Б., Кутыбаев Н.Р., Нурдилданова Б.Е. Изучение влияния коксуского шунгита (таурита) на содержание кислорода в водных растворах. Вестник КазНТУ, Алматы, 2012, №1 (89), с. 221-225.