СИСТЕМА ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА НАСЕЛЕННОГО ПУНКТА С ОЧИСТНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ТИПА
SETTLEMENT WATER SUPPLY SYSTEM WITH PHYSICAL-CHEMICAL TREATMENT WORKS

Изобретение относится к области очистки и обеззараживания хозяйственно-бытовых сточных вод физико-химическими методами и может быть использовано для очистки сточных вод малых населенных пунктов, коттеджных поселков, вахтовых поселков, образовательных и лечебных учреждений, в том числе инфекционных и туберкулезных больниц, а также населенных пунктов, находящихся в зоне вечной мерзлоты.
Известно устройство для очистки и обеззараживания сточных вод, включающее насосную станцию, приемную емкость, вибрационный грохот, дуговое сито и барабанный или дисковый вакуум-фильтр, насос для подачи механически очищенной воды, механический дезинтегратор-активатор, насос, эжектор, механический аэротенк, аппарат электро-химической очистки, электро-химический дезинтегратор-активатор, гидродинамический активатор, аппарат электро-химической очистки и электрической обработки воды, насос, аппарат для обработки воды в электрическом поле, вакуум-фильтр кислой воды, вакуум-фильтр фильтрации щелочной воды, эжектор, озонатор, контактную камеру, вакуум-фильтр, приемную емкость очищенной воды, насосную станцию второго подъема, ленточный фильтр, насос (Патент РФ №2094394, МПК C02F 9/00, опуб. 27.10.1997).
Недостатками устройства являются необходимость сброса очищенной воды, высокие затраты энергии, большая металлоемкость.
Наиболее близким техническим решением является устройство для очистки и обеззараживания сточных вод, включающее последовательно соединенные накопитель сточных вод с погружным насосом, систему аэрации, плазмохимический фильтр с гранулированной загрузкой, отстойник, фильтр с зернистой загрузкой, ультрафиолетовые лампы, резервуар чистой воды (Патент на полезную модель РФ №97126, МПК C02F 9/12, опуб. 27.08.2010).
Недостатками устройства являются необходимость сброса очищенной воды, высокие затраты энергии.
Задачей изобретения является создание замкнутой системы водного хозяйства без сброса очищенных вод, уменьшение затрат электроэнергии.
Поставленная задача решается тем, что система водного хозяйства населенного пункта с очистными сооружениями физико-химического типа, включающая отстойник с тонкослойными модулями, скорый фильтр с зернистой загрузкой, плазмохимический реактор с генератором высоковольтных импульсов, согласно изобретению дополнительно содержит колодцы, соединенные с трубопроводами, коллектором и канализационной насосной станцией, решетки, песколовку, каталитический электрохимический реактор, биопруд с компрессором и ботанической площадкой с высшей водной растительностью, насосную станцию перекачки очищенных вод, коллектор, подающий очищенные воды в фильтрующие траншеи, причем частота следования высоковольтных импульсов равна 0,1-0,2 Гц, а каталитический электрохимический реактор представляет собой классический скорый фильтр с распределительной и сборной системой, в котором в качестве загрузки использованы электроотрицательный каталитический гранулированный материал, например алюмомарганцевый катализатор АОК-7541, и электроположительный углеродсодержащий гранулированный материал, например активный уголь АГ-3, при этом электроотрицательный и электроположительный материалы чередуются, разделены сетками, создают электрохимические источники тока, под действием которых происходят окислительно-восстановительные реакции. В электроотрицательном материале дополнительно к каталитическим окислительным процессам происходят окислительные реакции, а в электроположительном материале происходит дополнительно сорбция органических веществ. В качестве высшей водной растительности использована элодея, тростник, камыш, рогоз.
На фигуре 1 приведена замкнутая система водоснабжения населенного пункта с физико-химическими очистными сооружениями канализации, на фигуре 2 - каталитический электрохимический реактор.
Система содержит последовательно соединенные колодцы 1, соединенные с самотечными трубопроводами 2 и коллектором 3. Коллектор 3 соединен с приемной камерой канализационной насосной станции 4, подающей сточную воду к очистным сооружениям. Узел механической очистки включает решетки 5 и песколовку 6. Узел физико-химической очистки включает реагентное хозяйство 7, отстойник с тонкослойными модулями 8, фильтр с зернистой загрузкой 9, компрессор 10, плазмохимический реактор 11 с генератором высоковольтных импульсов, каталитический электрохимический реактор 12. Узел биологической доочистки включает биопруд 13 с компрессором 14. Биопруд 13 состоит из нескольких секций, последняя из которых является ботанической площадкой с высшей водной растительностью. Очищенная вода с помощью насосной станции 15 по коллектору 16 подается в фильтрующие траншеи 17, расположенные на приусадебных участках и газонах населенного пункта. Система обратной промывки фильтров включает промывной насос 18, отстойник промывной воды 19. Осадочная часть песколовки 6 соединена с песковой площадкой 20, отстойников 8 и 19 - со шламонакопителем 21, дренаж которой оборудован дренажным насосом 22.
Каталитический электрохимический реактор 12 содержит распределительную 23 и сборную 24 системы, разделительные сетки 25. Между разделительными сетками расположены гранулированные каталитические материалы с электроотрицательными свойствами 26 и гранулированные фильтрующие материалы с электроположительными свойствами 27, причем материалы чередуются.
Система работает следующим образом. Хозбытовые сточные воды от жилых зданий накапливаются в колодцах 1, поступают в самотечные трубопроводы 2, затем в коллектор 3, накапливаются в приемной камере канализационной насосной станции 4, перекачиваются на очистные сооружения, состоящие из узла механической очистки, узла физико-химической очистки и узла биологической доочистки. Узел механической очистки включает решетку 5 для извлечения крупных механических примесей и песколовку 6, осадок из которой отводится на песковую площадку 20. Узел физико-химической очистки включает следующие устройства. В воду дозируют коагулянт с помощью реагентного хозяйства 7 и отстаивают в отстойнике с тонкослойными модулями 8. Глубокая очистка сточных вод от взвешенных веществ осуществляется фильтрованием в скором фильтре с зернистой минеральной загрузкой 9, в качестве которой может быть использован кварцевый песок или другой известный фильтрующий материал. Затем воду насыщают кислородом с помощью компрессора 10. Очистка сточных вод от растворенных органических веществ происходит в плазмохимическом реакторе 11 и каталитическом электрохимическом реакторе 12. Плазмохимический реактор 11 представляет собой цилиндрическую камеру, в которой расположены два полусферических электрода. На электроды подаются высоковольтные импульсы от генератора высоковольтных импульсов напряжением 100-110 кВ с частотой следования 0,1-0,2 Гц. Под действием высокого напряжения происходят искровые разряды большой энергии, под действием которых в воде образуются окислительные частицы, такие как озон, атомарный кислород, пероксид водорода, радикал ОН. Окислители вступают в реакцию с растворенными органическими веществами, снижая значение БПК и ХПК, а также обеззараживают воду от вирусов и бактерий. Каталитический электрохимический реактор 12 усиливает окислительное действие окислительных частиц. Каталитический электрохимический реактор 12 представляет собой классический скорый фильтр с распределительной 23 и сборной 24 системой, отличающийся от скорых фильтров типом загрузки. В качестве загрузки использованы электроотрицательный каталитический гранулированный материал 26, например алюмомарганцевый катализатор АОК-7541, и электроположительный углеродсодержащий гранулированный материал 27, например активный уголь АГ-3. Электроотрицательный и электроположительный материалы чередуются, разделены сетками 25, создают электрохимические источники тока, под действием которых происходят окислительно-восстановительные реакции. В электроотрицательном материале 26 дополнительно к каталитическим окислительным процессам происходят окислительные реакции, а в электроположительном материале 27 происходит дополнительно сорбция органических веществ. Материалы 26, 27 загружают таким образом, чтобы при обратной промывке каталитического электрохимического реактора происходило разбухание загрузки на 30%. Таким образом, в узле физико-химической очистки происходит извлечение взвешенных веществ, окисление растворенных органических веществ до воды и углекислого газа, обеззараживание сточных вод.
В узле биологической доочистки происходит доочистка воды от оставшихся механических примесей, тяжелых металлов, солей жесткости. Узел биологической доочистки включает биопруд 13 с компрессором 14, подающим воздух в первую секцию биопруда для интенсификации аэробных процессов самоочищения водоемов. Количество секций может быть различным, но не меньше трех, в зависимости от исходного качества сточных вод, определяемого показателями минерализации, жесткости, концентрации тяжелых металлов и биогенных элементов. Последняя секция 15 представляет собой ботаническую площадку, заселенную высшей водной растительностью (элодея, тростник, камыш, рогоз). Извлекать биогенные элементы до ПДК нет необходимости, т.к. очищенная вода используется для почвенного орошения, а азот- и фосфорсодержащие вещества являются удобрениями.
Очищенная вода насосной станцией 16 подается в фильтрующие траншеи 17, расположенные на приусадебных участках и в зеленой зоне населенного пункта. Фильтрующие траншеи выполнены в соответствии с указаниями СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения».
Промывка фильтров 9 и 12 производится обратным током воды промывным насосом 18. Промывная вода осветляется в отстойнике промывных вод 19, после чего возвращается в «голову» сооружений. Осадок из отстойников 8 и 19 подается в шламонакопитель 21 для обезвоживания и стабилизации. Дренажная вода удаляется насосом 22, подается в «голову» сооружений.
Изобретение позволяет создать источник технической воды и систему почвенного орошения зеленых насаждений, что актуально в условиях дефицита питьевой воды.
Уменьшение затрат электроэнергии по сравнению с прототипом произошло за счет уменьшения частоты следования импульсов и за счет отказа от ламп ультрафиолетового излучения.
Изобретение позволяет уменьшить капитальные затраты на строительство реагентного блока доочистки воды от биогенных элементов, таких как азот- и фосфорсодержащие вещества, необходимых для питания растений при поливе зеленых насаждений. Реагентный блок доочистки, как правило, включает реагентное хозяйство для дозирования коагулянта и зернистые скорые фильтры.
Пример 1. Проводили очистку сточной воды населенного пункта по прототипу и по изобретению. Результаты приведены в таблице 1.
5
рх
рх
Из таблицы 1 следует, что при высокой степени обеззараживания получен достаточно высокий эффект очистки сточных вод от взвешенных веществ, БПК, азота аммонийного и фосфатов. Однако остаточное содержание азота аммонийного выше ПДК водоемов рыбохозяйственного назначения (ПДК=0,5 мг/л), фосфатов - также выше (ПДК=0,2 мг/л), что указывает на целесообразность использования очищенных вод в системе почвенного орошения зеленых насаждений.
Таблица 1
Загрязняющие вещества
Концентрация загрязняющих веществ, мг/л
по прототипу
по изобретению
исходная
после очистки
исходная
после очистки
БПК<sub>5</sub>
186
4,5
186
2,6
Азот аммонийный
44
0,8
44
8,5
Фосфаты
16
1,4
16
13
Общее микробное число
10<sup>4</sup>
отсутствие
10<sup>4</sup>
отсутствие
Взвешенные вещества
260
3
260
3
Пример 2. Проводили опыты по очистке модели сточной воды, содержащей растворенные органические вещества. Модель готовили на воде питьевого качества добавлением молочной сыворотки, содержащей растворенные белки и сахара. Воду пропускали в плазмохимическом реакторе со скоростью 20 м/ч. Импульсы напряжением 100 кВ подавали с частотой следования 0,05-0,5 Гц. Концентрацию растворенного кислорода поддерживали за счет аэрации на уровне 8 мг/л. После плазмохимического реактора воду пропускали в каталитическом реакторе, загруженном промышленным алюмомарганцевым катализатором АОК-7541 (по прототипу), и в каталитическом электрохимическом реакторе, выполненном по изобретению, со скоростью 10 м/ч. Результаты опытов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Показателикачестваводы
Частота следования импульсов, Гц
Концентрация органических веществ, мг/л
по прототипу
по изобретению
исходная
после очистки
исходная
после очистки
БПК<sub>5</sub>
0,05
367
6,4
367
4,1
0,10
367
4,8
367
2,8
0,20
367
4,5
367
2,6
0,50
367
4,4
367
2,5
ХПК
0,05
560
9,8
560
6,3
0,10
560
7,6
560
4,2
0,20
560
7,3
560
3,9
0,50
560
7,1
560
3,5
Из таблицы 2 следует, что создание электрохимических источников в теле каталитического реактора увеличивает эффект очистки сточных вод от растворенных органических загрязнений по сравнению с прототипом.
Оптимальным значением частоты следования импульсов следует считать 0,1-0,2 Гц, так как уменьшение частоты менее 0,1 Гц приводит к ухудшению эффекта очистки, а увеличение частоты более 0,2 Гц практически не изменяет эффект очистки воды, но приводит к увеличению затрат электроэнергии в 2,5 раза.