МОДЕЛЬ МЕМБРАННОГО АППАРАТА ДЛЯ БИОРЕАКТОРА

Полезная модель относится к области очистки городских слабоконцентрированных сточных вод и высококонцентрированных производственных сточных вод, а также может быть использована при подготовке природной воды для питьевых целей и промышленного водоснабжения.
Известна установка для биологической очистки сточных вод (патент РФ №75651, 20.08.2008 г., CO2F 3/30, C02F 3/12), состоящая из трубопровода подачи не очищенной сточной жидкости, биореактора с системой аэрации, погружного мембранного сепаратора, снабженного мембранными модулями с кассетами, трубопровода отвода очищенной воды, трубопроводов циркуляции активного ила и отвода избыточного активного ила на обезвоживание, и системы обратной промывки мембранных элементов.
Недостатком данной установки является устройство дополнительного узла доочистки, что увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты при строительстве очистных сооружений канализации (ОСК).
Также известна установка для биологической очистки сточных вод (патент РФ №141341, 27.05.2014 г., CO2F 3/30), состоящая из трубопровода подачи не очищенной сточной жидкости, зоны денитрификации, зоны нитрификации, мембранного резервуара, системы аэрации, бака сбора очищенной воды, системы регенерации мембранных элементов обратной промывкой очищенной воды, периодической химической промывкой растворами гипохлорита натрия и лимонной кислоты, блока дегазации активного ила под вакуумом на основе установки «Аэроклин», а также вводом хлорного железа или другого коагулянта для удаления фосфатов.
Недостатком данной установки является увеличение строительной стоимости комплекса сооружений за счет устройства блока дегазации.
Известен также мембранный аппарат (патент РФ №2412749, 27.02.2011 г., B01D 63/06), содержащий корпус мембранного модуля, выполненный из трубчатых керамических фильтрующих мембран, патрубков подачи и отвода исходной и очищенной сточной воды, концентрата, а также герметика.
Недостатком данного аппарата увеличение строительных и эксплуатационных затрат.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является способ очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод (патент РФ №2547734, 10.04.2015 г., C02F 9/14, C02F 9/02, C02F 3/30, C02F 1/32, B01D 36/00), состоящий из зоны денитирификации, аэробной зоны и зоны нитрификации, емкостей для сбора очищенной воды, контуров возврата активного ила в зону денитрификации или на утилизацию, системы аэрации и группы воздуходувок, емкостей для хранения реагентов, предназначенных для химической промывки мембранных модулей, бака для раствора хлорного железа, насосов откачки фильтрата и промывки мембранного модуля.
Недостатком этого способа является неэффективная регенерация наружной поверхности мембраны.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности регенерации мембран, и, следовательно:
- Снижение расхода промывной воды до 1-5% от суточного количества стоков, поступающих на очистку, за счет применения более эффективной регенерации мембран воздухом;
- Увеличение продолжительности цикла фильтрации за счет использования постоянной эффективной регенерации наружной поверхности мембран воздухом;
- Повышение качества очистки сточной жидкости благодаря эффективной регенерации наружной поверхности мембраны.
Поставленная задача решается тем, что в модели мембранного аппарата для биореактора, очищающего сточные воды с помощью активного ила и состоящего из зоны нитрификации с установленным в ней мембранным аппаратом, аэробной зоны, системы возврата нитрифицированного активного ила в зону денитрификации, а также вспомогательного оборудования и трубопроводов, согласно полезной модели мембранный аппарат выполнен с 24-мя керамическими мембранами, упакованными в блок вертикально, в нижней части аппарата предусмотрены отверстия диаметром 0,5-1 мм, расположенные вокруг каждой одноканальной керамической мембраны, позволяющие очищать от биообрастаний и засорений наружную поверхность керамических мембран, расположенных как в центральной части модуля, так и на периферии.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены схемы мембранного биореактора и продольное сечение мембранного аппарата (7), включающие подачу осветленной сточной жидкости (1), зону денитрификации (2) с лопастными мешалками (3), аэробную зону (4) и зоны нитрификации (5) с мембранными аэраторами (6), мембранный аппарат (7), состоящий из 24-х керамических мембран (8), верхней камеры (9), нижней камеры (11), воздушной камеры (10), воздух из которой поступает через отверстия (14) наружу, трубки (13), подающей в воздушную камеру (10) сжатый воздух, труб (12), отводящих
очищенную воду, и одновременно, предназначенных для подачи сжатого воздуха и воды при регенерации мембран, а также, герметика (15), резервуар (16) для сбора биологически очищенных сточных вод, воздуходувку (17) для подачи сжатого воздуха в аэробную зону (4) и зону нитрификации (5), компрессор (18) подачи сжатого воздуха через отверстия (14) для постоянной регенерации наружной поверхности керамических мембран (8), вакуум-насос (19) для откачки очищенных сточных вод в резервуар (16), циркулирующий активный ил (20) с циркуляционным насосом (21) и трубопровод удаления избыточного активного ила (24) на обработку, отвод очищенных стоков (25) из резервуара (16), промывной насос (22), воздуходувка (23) для подачи воздуха внутрь керамических мембран (8) для их регенерации, резервуар с раствором гипохлорита натрия (26), резервуар с раствором лимонной кислоты (27), насос подачи гипохлорита натрия (28), насос подачи лимонной кислоты (29), а также придонное отверстие (30) и перфорированную перегородку (31).
2
2
2
2
пол
Мембранный аппарат (7) в биореакторе работает следующим образом. Осветленная сточная жидкость (1) поступает в зону денитрификации (2), сюда же подается циркуляционным насосом (21) циркулирующий активный ил (20) из зоны нитрификации (5), содержащий нитриты и нитраты. Активный ил представляет собой зооглейные скопления органического происхождения, заселенные бактериями, простейшими и микроскопическими животными. Зона денитрификации (2) предназначена для восстановления азота нитратов и нитритов до газообразных форм азота: NO, NO, N в зависимости от реакции среды. При рН более 7,3 нитриты и нитраты восстанавливаются до элементарного азота N, при рН менее 7,3 конечным продуктом восстановления азота являются NO и NO. Для жизнедеятельности микроорганизмов-денитрификаторов в зоне денитрификации (2) поддерживаются условия, при которых концентрация растворенного кислорода находится в пределах 0-0,5 мг/л. В условиях острого дефицита кислорода микроорганизмы для своего дыхания вынуждены использовать связанный кислород нитритов и нитратов. В зоне денитрификации (2) для поддержания активного ила во взвешенном состоянии предусмотрены лопастные мешалки (3). Из зоны денитрификации (2) иловая смесь через придонное отверстие (30) перепускается в аэробную зону (4), предназначенную для окисления органических веществ, не востребованных в зоне денитрификации (2). Окисление происходит в аэробных условиях, создаваемых воздухом, нагнетаемым через мембранные аэраторы (6); на этом этапе очистки биохимическое потребление кислорода (БПК) сточной жидкости снижается до 15-20 мг/л. Далее иловая смесь
3
2
через перфорированную перегородку (31) поступает в зону нитрификации (5), также оборудованную мембранными аэраторами (6), где азот аммонийный окисляется вначале до нитритов, а затем нитратов. Мембранные аппараты (7) смонтированы в зоне нитрификации (5), так как на данном этапе очистки сточной жидкости из нее удалены все коллоидные частицы и макромолекулы, которые являются причиной быстрого засорения керамических мембран (8). Избыточный активный, образующийся в биологической системе, удаляется по трубопроводу удаления избыточного активного ила (24) на дальнейшую обработку и утилизацию. Фильтрация смеси активного ила и сточных вод осуществляется через керамические мембраны (8) с размером пор 0,05-0,5 мкм. Фильтрация иловой смеси происходит под слабым вакуумом, создаваемым вакуум-насосом (19). В процессе работы модуля поверхность керамических мембран (8) засоряется твердыми частицами активного ила и обрастает органической массой, заселенной в основном бактериями. Засорение происходит в результате проникновения частиц активного ила в поры и лабиринты керамических мембран (8), а биологическое обрастание возможно только на поверхности керамических мембран (8) из-за наличия в активном иле естественного биополимера. С целью уменьшения биообрастания и увеличения продолжительности цикла фильтрации предусмотрена постоянная регенерация наружной поверхности керамических мембран (8) воздухом через отверстия (14), подаваемого компрессором (18), а также пузырьками воздуха мембранных аэраторов (6), предназначенных для насыщения иловой смеси кислородом. Количество отверстий (14) вокруг керамических мембран (8) должно определяться из прочности мембранного аппарата (7) и находиться в пределах 10-14 штук диаметром 0,5-1 мм, при диаметре керамических мембран (8) 10 мм. Интенсивность подачи воздуха компрессора (18) находится в пределах 3,5-10 м/м·ч. Профильтрованная через керамические мембраны (8) жидкость подается в резервуар (16) для сбора биологически очищенных сточных вод, и затем, через отвод очищенных стоков (25) сбрасывается в водоем. Очищенная вода используется на собственные нужды для регенерации мембран водой. Мембранные аппараты (7) устанавливаются строго по центру над мембранными аэраторами (6). Для регенерации мембранных аппаратов (7) через каждые 30-50 минут предусмотрено включение воздуходувки (23), подающей сжатый воздух внутрь керамических мембран (8) по трубопроводу (12), за счет чего происходит удаление загрязнений с наружной поверхности керамических мембран (8). После продувки воздухом следует промывка керамических мембран (8) водой, нагнетаемой промывным насосом (22) в
6
8
7
трубопровод (12), которая также подается внутрь керамических мембран (8). Предусмотрена регенерация мембранного аппарата химическими реагентами: гипохлоритом натрия (NaOCl), подаваемого насосом для подачи гипохлорита натрия (28) из резервуара с раствором гипохлорита натрия (26) и лимонной кислотой (CHO), подаваемой насосом для подачи лимонной кислоты (29) из резервуара с раствором лимонной кислоты (27). Химическая регенерация производится не реже 2-4 раз в год.
Показатели качества очищенной жидкости на установке, оборудованной мембранными аппаратами (7) с эффективной регенерацией воздухом наружной поверхности керамических мембран (8), представлены в таблице 1.
Как видно из таблицы, использование заявляемой полезной модели позволяет добиться более стабильной работы биореактора и получить высокое качество очистки стоков, снизить расход промывных вод до 1-5% от суточного поступления стоков (вместо 16-30% в половолоконных мембранах), увеличить производительность мембранного аппарата за счет постоянной регенерации наружной поверхности керамических мембран через предусмотренные в нижней части мембранного аппарата отверстия, что увеличивает продолжительность цикла фильтрации, а значит, снижает эксплуатационные и капитальные затраты предприятия.