Биороторное очистное устройство

Полезная модель относится к устройствам для удаления из воды азота аммония и органических веществ, и может быть применена для очистки иловой воды от сбраживания осадков сточных вод в метантенках, предназначена для улучшения качества воды перед подачей ее на сооружения очистной станции канализации и может быть использована в коммунальном хозяйстве городов.
Биороторное очистное устройство для биологической очистки иловой воды метантенков предполагает удаление аммонийного азота и органических веществ перед подачей ее на смешение со сточной водой городской канализации, так как иловая вода метантенков содержит в своем составе в 10-15 раз большее количество азота аммония, чем в городских сточных водах, и может на 15-30% увеличить концентрацию азота аммония в поступающем стоке, что существенно увеличивает необходимые объемы сооружений биологической очистки, а также затраты на электроэнергию.
Известно использование физико-химических методов обезвреживания иловой воды метантенков путем внесения щелочного реагента и отдувки аммиака, что приводит к повышению эмиссии газов в окружающую природную среду при очистке сточных вод. Авторы: Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Издательство "Химия" Ленинградское отделение 1977 г. 464 с. [1]. Рекомендуются также методы ионного обмена, снижающие потери аммония в окружающую природную среду и осаждения в виде струвита. Однако методы ионного обмена, щелочной отдувки и образования струвита дорогие и сложные в эксплуатации.
Прототипом предлагаемого способа очистки сточных вод от аммония является биотехнология очистки бытовых сточных вод от населения с задействованием биоценоза бактерий анаммокс, осуществляющая перевод аммония в инертный газ - молекулярный азот, не являющийся загрязнителем воздуха, так как воздух на 79% состоит из газа азота.
Известный способ базируется на использовании медленно растущих бактерий "Очистка муниципальных сточных вод с повторным использованием воды и переработкой осадков" Авторы: Куликов Н.И., Ножевникова А.Н. и др. Издательство "Логос" 2015 г. 400 с. [2].
В полезной модели установки для сточных вод от азота аммония задействован биоценоз закрепленных на ершовой насадке микроорганизмов. В сооружениях биологической очистки задействуется также сообщество свободно плавающего активного ила наряду с биоценозом прикрепленных на ершах микроорганизмов (доля биомассы прикрепленных микроорганизмов не превышает 95% от общей массы гидробионтов).
Предлагаемое биороторное очистное устройство ориентируется на использование в очистке сточных вод от аммония исключительно биоценоза бактерий, осуществляющих процесс анаммокс, но ориентирована на использование и других прикрепленных на ершовой насадке микроорганизмов, доля которых доведена до 95%.
Задачи биороторного очистного устройства:
1. Обеспечить очистку сточной воды от азота аммония не в ущерб очистки воды от органических веществ, дающих БПК стоков.
2. Обеспечить минимизацию затрат на ведение процессов нитри-денитрификации, внесение кислорода в очищаемую воду и затрат на изготовление очистной установки.
Достигается решение поставленных в изобретении задач посредством увеличения доли бактерий, осуществляющих процесс анаммокс, за счет увеличения доли супертонких полиамидных волокон, удерживающих указанные бактерии, а также времени поддержания аноксидных условий, благоприятных для работы этих бактерий, и реализации процесса анаммокс увеличения снабжения бактерий продуктами питания в требуемом соотношении для роста и размножения.
Биороторное очистное устройство биологической очистки сточных вод сообществом микроорганизмов, закрепленных на ершовой насадке, содержащей супертонкие полиамидные волокна, в которой увеличена доля супертонких полиамидных волокон и созданы условия для увеличения доли бактерий, осуществляющих процесс анаммокс, за счет увеличения продолжительности аноксидных условий пребывания микроорганизмов, работающих в биореакторе очистки сточных вод при непрерывном вращении, не в ущерб работе нитри-денитрифицирующих бактерий и за счет разделения биореактора на 3 ступени и рециркуляции очищаемой иловой воды с выхода очистной установки на вход.
Основными продуктами питания бактерий процесса анаммокс являются азот аммония и нитритов. Азот аммония имеется в исходной иловой воде, а нитриты возрастают по мере окисления азота аммония в условиях наличия и органических примесей в иловой воде, когда ощущается дефицит кислорода на два процесса:
2
2
процесс окисления органических веществ кислородом до СО и HO, осуществляемый аэробным биоценозом, и процесс нитрификации, осуществляемый бактериями нитрификаторами.
Очистное устройство с набором биоценозов, прикрепленных к ершовой насадке микроорганизмов, выполнено трехступенчатым в виде вращающихся роторов. При выходе ершей в надводное положение очищаемая вода с них стекает, и наросшие на ершах биопленки оголяются до тонкой пленки воды на них, что способствует быстрому проникновению кислорода в клетки бактерий верхнего слоя биопленок, покрывающих поверхность волокон. Увеличение доли супертонких волокон возможно только с величины 20 до 30% веса ершей, так как биопленка может превращаться в густую биомассу ("колбасу"), а это ухудшит массообмен между очищаемой водой и закрепленными на ершах микроорганизмами. Поэтому выбор доли супертонких волокон в ершах был обоснован экспериментально.
Полезная модель поясняется Фиг. 1-5, где на Фиг. 1 показан план размещения ступеней очистного устройства и коммуникаций рециркуляции очищаемой иловой воды, на Фиг. 2 - поперечный разрез одного биоблока биороторной установки, на Фиг. 3 - каркас биобарабана биороторной установки, на Фиг. 4 - разрез биороторной установки по биобарабану, на Фиг. 5 - строение ерша из смеси волокон.
Позиции, задействованные на Фиг. 1-5 при составлении описания работы предлагаемого очистного устройства для очистки иловой воды от обезвоживания осадка из метантенков канализационных очистных станций (КОС):
1.1. Биобарабан.
1.1.1 Поддон биобарабана 1.1..
1.1.2. Поперечная перегородка между биобарабанами.
1.1.2.1. Окно перетока
1.2. Ершовая насадка.
1.2.1.1. Центральный шнур ерша.
1.2.1.2. Отрезки волокон ерша.
1.2.2. Граница супертонких волокон ерша.
1.2.3. Граница полипропиленовых волокон ерша.
1.3. Исходная иловая вода.
1.4. Поток рециркулирующей иловой воды.
1.4.1. Эрлифт перекачки рециркуляционной жидкости.
1.5. Отвод регенерационной жидкости из поддона.
1.6. Мотор-редуктор вращения биобарабанов 1.1.
1.6.1. Шкив.
1.7. Вал биобарабана в виде полой трубы с перфорацией.
1.7.1. Подшипник скольжения вала биобарабана.
1.8. Соединительная муфта валов ступеней биобарабанов в одной секции из трех биобарабанов.
1.9. Впуск воздуха в ось вала 1.7.
1.10. Впуск воздуха в крышку поддона.
1.11. Трубопровод выпуска воздуха из-под крышки поддона 1.1.1. в фитореактор.
1.12. Барботеры регенерации ершовой насадки. 1.2.
1.13. Подвод воздуха к барботерам регенерации.
1.14. Отвод очищенной воды из поддона биобарабанов биоблоков.
1.15. Опорное колесо биобарабанов.
1.15.1. Спицы опорного колеса.
1.15.2. Обод опорного колеса.
1.16. Струны, соединяющие спицы опорных колес одного биобарабана.
Биороторная установка выполнена из трех секций биобарабанов 1.1 (Фиг. 1), состоящих из поддонов 1.1.1, закрывающихся крышками. В поддонах 1.1.1 размещаются три ступени биобарабанов 1.1, вращающихся в подшипниках 1.7.1. Приведение во вращение биобарабанов 1.1 производится с помощью мотор-редукторов 1.6. В каждом биобарабане 1.1 имеются опорные колеса 1.15 со спицами 1.15.1, соединяющими вал 1.7 биобарабана 1.1 (Фиг. 4) и обод 1.15.2 опорного колеса 1.15. Спицы 1.15.1 двух опорных колес 1.15 одного биобарабана соединяются струнами 1.16, поверх которых по кольцевым наборам навита по спирали ершовая насадка 1.2 (Фиг. 5). Шаг витков ершовой насадки 1.2 по спицам 1.16 равен диаметру ерша и составляет 120…130 мм. Количество струн 1.16 в спицах 1.15.1 опорных колес 1.15 равно частному от деления радиуса опорного колеса 1.15 на диаметр ерша.
Работает каждая секция роторной установки обособленно. В поддон 1.1.1 каждой секции подается по дозирующим устройствам исходная иловая вода 1.3 сброженного осадка метантенков канализационной очистной станции, подвергнутого обезвоживанию в фильтр-прессах или центрифугах.
Иловая вода заполняет поддон 1.1.1 каждой секции до отметки, которая обеспечивает погружение биобарабана до оси вала 1.7. Перетекает иловая вода 1.3 из ступени в ступень биобарабанов 1.1 через поперечные перегородки 1.1.2. имеющие переливные окна 1.1.2.1. В каждый поддон секций роторной установки осуществляется ввод воздуха 1.13 для снабжения им барботеров 1.12 регенерации ершовой насадки 1.2 (Фиг. 5). Для обеспечения кислородом воздуха микроорганизмов, удерживаемых ершовой насадкой 1.2 биобарабанов 1.1 секций и ступеней, служат впуски воздуха 1.9 (Фиг. 4) и 1.10 (Фиг. 1). Вращаются биобарабаны 1.1 мотор-редукторами 1.6, индивидуальными для каждой секции. Все ступени одной секции имеют соединительные муфты 1.8 валов биобарабанов 1.1, дающие возможность начинать вращение последующей ступени со сдвигом во времени.
Поскольку в ступенях секции роторной установки работают разные микроорганизмы (от денитрификаторов до бактерий, осуществляющих процесс анаммокс на I ступени, до автотрофов - нитрификаторов на II и III ступенях), то с помощью эрлифтов 1.4.1 по трубопроводам 1.4. производится рециркуляция очищаемой иловой воды. Валы биобарабанов вращаются в подшипниках скольжения 1.7.1, зафиксированных в торцевых стенках поддонов 1.1.1 и поперечных перегородках 1.1.2. Выпуск очищенной воды производится из поддона 1.1.1 секции по трубопроводу 1.14. Выпуск отработанного воздуха из-под крышки поддона 1.1.1 в каждой секции производится по трубопроводу 1.11 (Фиг. 1). Процент использования кислорода воздуха достигает 30% вследствие тонкой пленки воды, покрывающей бактериальные клетки аэробных микроорганизмов при выходе ершовой насадки 1.2 в надводное пространство поддонов 1.1.1 в каждой ступени секций.
3
Ерши 1.2 состоят из смеси волокон полиамидных 1.2.1.1 диаметром 15 мкм и полипропиленовых волокон 1.2.1.2 диаметром 80 мкм в соотношении 3:7 по весу. Ерш-насадка 1.2 навивается на струны 1.16 с шагом, равным диаметру ерша, поэтому в 1 м объема биобарабана 1.1 помещается до 200 м ерша массой10 кг.
4
2
2
2
+
-
Супертонкие полиамидные волокна способны удерживать бактериальную массу гидробионтов массой 1 кг/кг ерша по беззольному веществу, что позволяет при вращении биобарабанов, обеспечивать внесение в клетки гидробионтов верхнего слоя кислорода воздуха и окислительной мощности (Ом) 20 г БПК/(кг ч), а также протекание процесса анаммокс в других слоях биоценозов (NH+NO=N+2HO). Высокая величина Ом обусловлена тонкой пленкой воды, покрывающей биоценоз микроорганизмов при их выходе из воды ершей вследствие вращения биобарабанов. Целесообразна рециркуляция воды 1.4 на вход всех отсеков биороторной установки. На Фиг. 5 линия 1.2.2 - это линия границы супертонких волокон, а линия 1.2.3 - линия границы полипропиленовых волокон в разные периоды работы ершей (до регенерации и после биообрастания). 1.2.1 - это жгут из проволоки зажавшей волокна 1.2.1.2.
2
В соответствии с данными, приведенными в книге [3], осадки сточных вод, прошедшие анаэробную стабилизацию в метантенках, после обработки коагулянтами или органическими флокулянтами на 90…93% массы твердой фазы уходят в кек, и в иловой воде содержание взвешенных веществ не превышает 200 мг/л, но содержание азота аммония достигает 1000 мг/л, а БПКполн - 1500 мг О/л. Такая иловая вода способна на 20% повысить содержание иона аммония в исходной сточной воде канализационной очистной станции, а БПК стоков изменить не более чем на 5% в большую сторону, что вызывает затруднение в удалении различных форм азота в сточных водах перед их выпуском в поверхностный водоем.
Поскольку цех мехобезвоживания сброженных осадков сточных вод может работать неравномерно в течение суток (например, 16 ч из 24 ч в сутки), то нужен накопитель иловой воды для равномерной загрузки биоценоза биороторной очистной установки иловой воды метантенков.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
2
2
2
Пример 1. Канализационная очистная станция производительностью 100000 м/сутки производит анаэробную стабилизацию смеси сырого осадка первичных отстойников и избыточного активного ила. При этом в первичных отстойниках в сутки задерживается 20 т сухого вещества сырого осадка. При влажности сырого осадка 95% это эквивалентно 400 м/сутки. Из вторичных отстойников выводится избыточный активный ил, который после уплотнения до влажности 98% и дальнейшего обезвоживания до влажности 92% может дать объем 16 т сухого вещества ила в сутки по 80 кг/м = 200 м/сутки. В метантенки за сутки поступит 600 м/сутки осадков сточных вод влажностью 94%. После сбраживания влажность осадка увеличится до влажности 96% и его объем составит 600 м/сутки. После центрифугирования объем кека с массой сухого вещества 200 кг/м составит не более 150 м/сутки. Следовательно, фугата будет не более 450 м/сутки. При равномерной подаче на очистную установку в течение суток часовой расход должен составлять 20 м/ч и объем накопителя на 8 ч работы должен быть около 160 м. Таким образом, очистная установка должна быть производительностью 20 м/ч и очищать иловую воду с величиной концентрации азота аммония около 600 г/м и величиной БПКполн = 1500 г О/м. Часовой поток загрязнений в пересчете на БПКполн. составит: 1500 г/м (20 м/ч = 30 кг/ч) или в течение суток окислительная мощность биоценоза прикрепленных на ершовой насадке микроорганизмов составляет не менее 20 г О/(кг ч) и требуется до 2 т ершей в биороторах [2] для снятия основной массы загрязнений, так как очищенная вода не направляется в водоем, а отводится в голову очистной станции, и необходимо снизить величины концентрации азота аммония и БПКполн. до уровня загрязненности исходного стока, т.е. азот аммония до 20 г N/м, а БПК до 200 г О/м.
3
3
2
Принимаем потребное количество ершовой насадки 1,3 т, что при диаметре роторов 2.5 м и длине 3 м биоротора (объем одного 14,7 м, ершей в нем будет 147 кг; 1500:147=10 или 3 линии по 3 биобарабана в линии, всего 9 штук, а масса ершей 147 кг•9 шт. =1323 кг. Размер очистной установки 12×15 м. Целесообразно разместить установку в цехе мехобезвоживания осадков в блоке с резервуаром накопителем иловой воды объемом 160 м. При глубине его 4 м размер в плане для площади 40 м составит 3,5×12. Итоговая площадка будет иметь размер 15×13. Поскольку накопитель будет перекрыт плитами, то на нем можно разместить фитореактор для утилизации углекислоты, выделяемой роторной очистной установкой и получения кислорода для ее работы.
4
2
4
2
2
2
+
-
+
-
При работе очистного устройства в поступающей иловой воде нет нитритов, но имеется N-NH. поэтому в первую ступень устройства в каждой секции нужно осуществить рециркуляцию очищенной воды из второй или третьей ступени. Эта очищенная вода является источником NO для питания автотрофных бактерий, осуществляющих процесс анаммокс NH+NO=N+2НО. Рециркуляцию целесообразно осуществлять со второй ступени в первую, а не с третьей ступени в первую, так как это дает экономию расхода кислорода на процесс очистки сточных вод и меньшее варьирование рН иловой воды, так как при нитрификации рН снижается, а при денитрификации растет. Поскольку бактерии, осуществляющие процесс анаммокс не поглощают кислород из воздуха, то общее потребление кислорода из воздуха при увеличении доли этих бактерий в биоценозе позволяет снизить потребление кислорода из воздуха на 20%.
Таким образом, биороторное очистное устройство для обезвреживания иловой воды метантенков после анаэробной стабилизации осадков сточных вод будет выполнять поставленные задачи по удалению азота аммония и органических веществ по показателю БПКполн, если доля полиамидных волокон в ершах, задействуемых на изготовление биобарабанов биороторного устройства составит в весе ерша 30%, а рециркуляция очищаемой воды будет осуществляться из второй ступени установки в первую.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, идентификационный номер RFMEFI60714X0024.
Источники информации
1. Очистка сточных вод в химической промышленности. Авторы: Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Издательство "Химия. Ленинградское отделение" 1977 г. 464 с.;
2. Очистка муниципальных сточных вод с повторным использованием воды и переработкой осадков. Издательство "Логос", М.: 2015 г, 400 с.;
3. Обработка и удаление осадков сточных вод. Том 2 М.: Стройиздат. 1985 г., 248 с.;