СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ХОЗЯЙСТВ
METHOD AND DEVICE FOR LIVESTOCK FARMS EFFLUENTS TREATMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к очистке сточных вод животноводческих хозяйств. В частности, настоящее изобретение относится к системе и способу преобразования сточных вод животноводческих хозяйств в компост, очищенную воду и энергию.
Предпосылки создания изобретения
Обработка стоков, в частности стоков животноводческих хозяйств, является важной проблемой в большинстве развитых стран, поскольку эти стоки являются причиной серьезных экологических и экономических проблем. Крупные хозяйства - 10000 и более животных - оказывают влияние на экосистему и создают проблемы, которые трудно решить как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. В попытке предотвратить экологическую катастрофу в различных странах законодательно установлены ограничения на количество стоков животноводческих хозяйств, распределяемых на единицу площади в год. Например, недавно в Европе было введено ограничение на распределение стоков, исходя из содержания азота, фактически ограничивающее размеры свиноферм.
Традиционно, органическое вещество с избыточным биологическим потреблением кислорода (BOD) очищали с использованием бактериального воздействия. Способ очистки начинается с отделения органического вещества от остаточной или жидкой фракции с образованием массы твердых веществ в виде активированного ила. Очистка обычно включает переваривание органического материала посредством ферментации ила, включающее аэробное или анаэробное бактериальное воздействие или их комбинацию. Эти способы используются для снижения химического потребления кислорода (COD) и биологического потребления кислорода (BOD) веществом до экологически безопасного уровня. Также необходимо удалить нежелательные неорганические вещества из водной фракции, которая обычно содержит нежелательные количества соединений фосфора и азота, включая фосфаты и нитраты.
Традиционные системы очистки сточных вод могут включать предварительную очистку, первичную очистку, вторичную очистку и глубокую доочистку. Предварительная очистка включает фильтрование, измельчение (механическая очистка фильтров путем измельчения твердых веществ до размера, который может проходить через отверстия фильтров), сепарацию мелких фракций и удаление жиров, масел и плавающей корки. Первичная очистка включает удаление взвешенных твердых веществ из сточных вод путем осветления и удаления плавающих веществ. Обычно эта очистка предполагает наличие резервуара или канала и этапов уменьшения скорости потока, отстаивание более тяжелых твердых веществ и удаление относительно легких твердых веществ. Первичная обработка может включать в себя анаэробные процессы переваривания, аэробные процессы переваривания или их комбинацию. Системы первичной очистки обычно включают в себя механизмы сбора ила, установки для всасывания ила, установки для удаления песка и установки для обезвоживания ила, применяемые для уменьшения объема ила, подлежащего сбросу. Системы вторичной очистки обычно включают в себя аэробные системы, включающие фазу аэрации и фазу осветления. Такие системы обычно включают в себя резервуар для аэрации, систему распределения воздуха, осветлитель, механизмы сбора ила и установки для удаления ила. Глубокая доочистка включает в себя дальнейшее удаление взвешенных и растворенных органических твердых веществ с помощью приспособлений, включающих фильтрацию и удаление патогенов путем окисления, хлорирования или нагревания, осаждения минералов, адсорбции или другими способами. На дополнительных этапах глубокой доочистки очищенную жидкость из осветлителя обычно фильтруют и очищают путем хлорирования, окисления или нагревания.
В способе первичной или вторичной очистки активированного ила микроорганизмы содержатся в активированном иле и смешиваются с входящими сточными водами, которые обеспечивают пищу для микроорганизмов, в результате чего образуется больше активированного ила. Такое смешение осуществляют в аэрационном резервуаре или канале. В способе очистки аэробного активированного ила кислород изначально смешивается с активированным илом и сточными водами. Микроорганизмы используют твердые вещества в качестве питательных веществ для своего роста и размножения, преобразуя взвешенные органические твердые вещества в биомассу, углекислый газ и воду. Поэтому аэробный способ очистки активированного ила обычно включает в себя смешивание сточных вод, активированного ила и кислорода в аэрационном резервуаре; поглощение взвешенных органических веществ бактериями; отстаивание активированного ила в осветлителе; возвращение активированного ила в аэрационный резервуар для дальнейшей очистки; удаление очищенной жидкости из осветлителя; и удаление и сброс конечного инертного ила.
Существующие способы и установки для очистки таких стоков животноводческих хозяйств, особенно для крупных ферм, обычно предполагали проведение крупномасштабных операций с наличием высоко затратных установок. Существует потребность в том, чтобы была предложена компактная недорогая система и способ очистки сточных вод.
Так в уровне техники известен источник информации US 20050035059 А1, 17.02.2005 в известно устройство и способ очистки ежедневного объема сточных вод животноводческих хозяйств. Данный источник информации выбран в качестве наиболее близкого аналога к заявленному изобретению.
Сущность изобретения
Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в получении из сточных вод животноводческих хозяйств очищенной воды, соответствующей нормам для выпуска ее в муниципальную систему или использования в сельском хозяйстве.
Настоящее изобретение предлагает устройство для очистки ежедневного объема сточных вод животноводческих хозяйств, включающее
a) коллекторный резервуар для непрерывного сбора и перемешивания неочищенных животноводческих жидких отходов;
b) канал предварительной обработки, имеющий впускной конец и выпускной конец, выполненный с возможностью вмещать, по меньшей мере, ежедневный объем сточных вод, соединенный упомянутым впускным концом с упомянутым коллекторным резервуаром и принимающий упомянутые неочищенные жидкие отходы, протекающие через канал с образованием предварительно очищенных сточных вод при одновременном частичном отстаивании диспергированных твердых веществ и обогащении нижней части канала упомянутыми твердыми веществами относительно верхней части;
c) анаэробный последовательно-циклический реактор (ASBR), соединенный с упомянутым выпускным концом канала, и принимающий предварительно очищенные сточные воды из верхней части упомянутого канала отдельными партиями через соединительную трубу, причем каждая партия взаимодействует в резервуаре и частично отстаивается, образуя анаэробно очищенные сточные воды, обогащенные твердыми веществами в нижней части реактора относительно верхней части, при этом часть упомянутых анаэробно очищенных сточных вод из упомянутой нижней части подается в упомянутый впускной конец канала для соединения с упомянутыми неочищенными жидкими отходами, причем упомянутая соединительная труба выполнена разветвленной для поступления части упомянутых предварительно очищенных сточных вод в аэробный реактор;
d) аэробный реактор с мешалкой, представляет собой последовательно-циклический реактор (SBR), соединенный с упомянутым ASBR, и принимающий упомянутую анаэробно очищенную воду из верхней части упомянутого ASBR отдельными партиями, причем каждая партия взаимодействует в резервуаре и частично отстаивается, образуя анаэробно очищенные сточные воды, обогащенные твердыми веществами в нижней части реактора относительно верхней части, при этом часть упомянутых анаэробно очищенных сточных вод из упомянутой нижней части подается обратно в ASBR, и упомянутая аэробно очищенная вода из верхней части удаляется в виде водного продукта, причем SBR соединен с упомянутой соединительной трубой, снабженной клапаном, разделяющим поток упомянутых предварительно очищенных сточных вод из верхней части упомянутого канала между упомянутым ASBR и упомянутым SBR; и
e) отстойник для компоста, в который подают твердые отходы на основе целлюлозы, соединенный с выпускным концом упомянутого канала предварительной обработки и принимающий упомянутые предварительно очищенные сточные воды из нижней части упомянутого канала, и снабженный приспособлениями для перемешивания, посредством чего получают компост;
при этом упомянутый ежедневный объем сточных вод животноводческих хозяйств преобразуется в компост и воду для выпуска в муниципальную систему или для использования в сельском хозяйстве. В одном варианте осуществления настоящего изобретения устройство содержит: а) упомянутый резервуар, объем которого позволяет вмещать, по меньшей мере, два из упомянутых ежедневных объемов сточных вод; b) упомянутый канал предварительной очистки, длина которого, по меньшей мере, в 10 раз больше его ширины, и объем которого позволяет вмещать, по меньшей мере, два из упомянутых ежедневных объемов сточных вод; с) упомянутый анаэробный реактор, объем которого позволяет вмещать, по меньшей мере, один упомянутый ежедневный объем сточных вод, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - по меньшей мере, два из упомянутых ежедневных объемов, и который оснащен приспособлениями для сбора и обработки биогаза для производства энергии для обеспечения работы устройства; d) упомянутый аэробный реактор, объем которого позволяет вмещать, по меньшей мере, один упомянутый ежедневный объем сточных вод, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - по меньшей мере, два упомянутых ежедневных объема, и который оснащен приспособлениями для диспергирования воздуха; и е) упомянутый отстойник для компоста, объем которого позволяет вмещать, по меньшей мере десять, из упомянутых ежедневных объемов, и который оснащен приспособлениями для смешивания, которые регулярно смешивают упомянутые отходы целлюлозы и упомянутые сточные воды, и транспортными приспособлениями, которые транспортируют отходы целлюлозы в отстойник и вывозят готовый компост; при этом упомянутый ежедневный объем стоков животноводческих хозяйств преобразуется в качественный компост и безопасную воду для использования в сельском хозяйстве или для слива. Система по настоящему изобретению является очень эффективной, но она также является и менее затратной; среди прочего, осадочный канал, представляющий собой по возможности простой длинный прямоугольный параллелепипед, вырытый в земле, которому обеспечена водонепроницаемость, хотя технически он является самым простым возможным элементом без каких-либо дорогостоящих технических приспособлений, присущих обычным реакторам, существенны образом способствует эффективности очистки.
3
3
Устройство по настоящему изобретению можно легко приспособить под любую потребностью, как правило, с возможностью обработки от 50 до 400 м в день, но, возможно и до 2000 м в день или более. Преимущество упомянутого анаэробного реактора состоит в том, что он представляет собой анаэробный последовательно-циклический реактор (ASBR), и преимущество упомянутого аэробного реактора состоит в том, что он представляет собой последовательно-циклический реактор (SBR). Устройство по настоящему изобретению дополнительно содержит передаточные приспособления для передачи очищенной жидкости из упомянутого коллектора, через упомянутый канал и упомянутый анаэробный реактор, в упомянутый аэробный реактор и в упомянутый отстойник для компоста, причем приспособления содержат насосы и, возможно, приспособления с гравитационным приводом. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения устройство содержит средства автоматизации, содержащие, по меньшей мере, один микропроцессор, и аналитические измерительные приборы, датчики уровня жидкости, аналитические приборы для автоматического отбора проб и измерения концентрации компонентов, включая количество твердых веществ, в очищенной воде, и приборы для анализа параметров жидкости, включая концентрацию твердых веществ, по всей высоте упомянутых анаэробных и аэробных реакторов. Преимущество упомянутого микропроцессора(ов) состоит в том, что он управляет передачей веществ в системе и управляет этапами очистки. Очищенные сточные воды могут происходить из любого животноводческого хозяйства. Преимущество системы по настоящему изобретению состоит в том, что она используется на фермах, где содержится крупный рогатый скот, или в свинарниках. В предпочтительном варианте осуществления устройство и способ по настоящему изобретению используют в свинарниках. В одном варианте осуществления настоящего изобретения устройство дополнительно содержит песочный фильтр для очистки воды, предусмотренный упомянутым SBR. В одном варианте осуществления настоящего изобретения устройство дополнительно содержит систему обратного осмоса для очистки воды, предусмотренную упомянутым SBR. В одном варианте осуществления настоящего изобретения устройство дополнительно содержит песочный фильтр и систему обратного осмоса для очистки воды, предусмотренные упомянутым SBR.
Настоящее изобретение предлагает способ очистки стоков от животноводческих хозяйств, содержащий i) сбор неочищенных сточных вод в коллекторный резервуар с мешалкой; ii) передачу упомянутых неочищенных сточных вод из упомянутого коллекторного резервуара в проточный канальный реактор без мешалки, причем к упомянутым неочищенным сточным водам добавляют предварительно очищенные сточные воды в упомянутом канале; iii) передачу упомянутых предварительно очищенных сточных вод из упомянутого канала через первый выпускной конец в ASBR и в SBR со скоростью передачи v3, и через второй выпускной конец в отстойник для компоста со скоростью передачи v4, где упомянутые предварительно очищенные сточные воды смешивают в упомянутом отстойнике с отходами целлюлозы, регулярно добавляемыми в упомянутый отстойник, при этом упомянутая v4 составляет не более 20% от упомянутой v3, например, около 10% упомянутой v3, и при этом упомянутый второй выпускной конец находится ближе ко дну упомянутого отстойника, чем упомянутый первый выпускной конец, в результате чего получают компост;
iv) разделение части упомянутых переданных предварительно очищенных сточных вод из упомянутого первого выпускного конца через регулируемый клапан, таким образом часть потока передается в SBR в заданные периоды времени со скоростью передачи v11 для уточнения значений рН в упомянутом SBR до щелочных значений;
v) взаимодействие упомянутых предварительно очищенных сточных вод в упомянутом ASBR, позволяющее упомянутым сточным водам отстаиваться, в результате чего получают анаэробно очищенные сточные воды, причем твердые вещества находятся в большей концентрации в нижней части ASBR (ил), чем в верхней части ASBR;
vi) сбор биогаза посредством газового коллектора, который осуществляют при необходимости;
vii) передачу упомянутых анаэробно очищенных сточных вод из упомянутой верхней части ASBR через третий выпускной конец в SBR со скоростью передачи v5, и передачу упомянутых анаэробно очищенных сточных вод из упомянутой нижней части ASBR через четвертый выпускной конец в упомянутый канал со скоростью передачи v6, при этом упомянутая v6 составляет не более 15% от упомянутой v5, и при этом упомянутый четвертый выпускной конец находится ближе ко дну ASBR, чем упомянутый третий выпускной конец, в результате чего в упомянутый канал подают активированный ил; и
viii) взаимодействие упомянутых анаэробно очищенных сточных вод в упомянутом SBR, что позволяет упомянутым сточным водам отстаиваться, в результате чего получают аэробно очищенные сточные воды, причем твердые частицы находятся в большей концентрации в нижней части SBR (ил), чем в верхней части SBR, и передачу упомянутых аэробно очищенных сточных вод из упомянутой верхней части SBR через пятый выпускной конец со скоростью передачи v7 для получения очищенной воды, и передачу упомянутых аэробно очищенных сточных вод из нижней части SBR через шестой выпускной конец обратно в упомянутый ASBR со скоростью передачи v8, при этом v8 составляет не более 5% от упомянутой v7, и при этом упомянутый шестой выпускной конец находится ближе к нижней части упомянутого SBR, чем упомянутый пятый выпускной конец. Упомянутый этап iv) содержит гомогенизацию содержимого реактора, которая достигается притоком и оттоком жидкостей. Упомянутая передача предварительно очищенных сточных вод из упомянутого первого выпускного конца в ASBR и SBR на этапах iii) и iv) содержит разветвление потока воды, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - через регулируемый клапан, так что только до 1/3 потока передается в SBR и только в определенные периоды; обычно воду пропускают в SBR, когда рН в SBR уменьшается до значения ниже 6,5, и поток прекращается, когда рН достигает заданного значения, например, по меньшей мере, 6,9, например, по меньшей мере, 7,4, таким образом, v11 обычно равна нулю или около v3/3, например, по меньшей мере, около v3/5. Упомянутый этап vii) содержит гомогенизацию содержимого реактора, которая достигается интенсивным притоком воздуха и дисперсией, а также интенсивным механическим перемешиванием. Смесям на упомянутых этапах iv) и vii) обычно дают отстояться в течение периода времени от примерно 1 до примерно 12 часов. В предпочтительно варианте осуществления способ по настоящему изобретению используют для стоков животноводческих хозяйств, где содержатся свиньи или крупный рогатый скот. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается способ очистки сточных вод, в котором смеси на этапах v) и viii) дают возможность отстояться в течение периода времени от 2 до 10 часов.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается способ очистки сточных вод, полученных от содержания свиней, содержащий пропускание упомянутых вод через систему, содержащую
- канал предварительной обработки, проточный, без мешалки, отстойный, который, по меньшей мере, в 10 раз длиннее ширины,
- ASBR, а также
- SBR,
при этом часть ила из упомянутого SBR возвращают в ASBR, часть ила из упомянутого ASBR возвращают в упомянутый канал, и часть ила из упомянутого канала смешивают с отходами на основе целлюлозы с получением компоста; в результате чего получают безопасную воду и высококачественный компост.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые и другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующих примеров и со ссылкой на прилагаемые чертежи, при этом:
На Фигуре 1 представлено схематическое изображение варианта осуществления системы по настоящему изобретению, которая преобразовывает стоки от содержания животных и отходы на основе целлюлозы в безопасную очищенную воду, высококачественный компост и биогаз;
На Фигуре 2 представлено схематическое изображение варианта осуществления системы по настоящему изобретению; элементы оборудования 1-6 и выпускные концы 12-18 составляют основу устройства по настоящему изобретению, вещества 7 и 8 поступают в процесс очистки по настоящему изобретению, а вещества 9-11 производятся в процессе очистки, и скорости передачи от v11 до v11 характеризуют перемещение веществ в процессе очистки по настоящему изобретению; а также
На Фигуре 3 представлено схематическое изображение варианта осуществления системы по настоящему изобретению, которая предлагает получение чистой воды из стоков от содержания животных и которая дополнительно, которая предлагает получение компоста и биогаза в качестве побочных продуктов при использовании отходов целлюлозы; система содержит коллекторный резервуар 1 и отстойник для компоста 5, элементы первичной обработки 2 и 3 (канальный реактор и ASBR), элемент вторичной обработки 4 (SBR), элемент третичной обработки 19 (песочный фильтр) и элементы четвертичной обработки 20-24 (микрофильтр, угольный фильтр 1, угольный фильтр 2, устройство обратного осмоса (RO), угольный фильтр 3).
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения
В настоящее время установлено, что сточные воды свиноферм могут быть экономически эффективны и эффективно очищены в двух последовательно-циклических реакторах, соединенных последовательно, первым из которых является анаэробный последовательно-циклический реактор (ASBR), а второй - аэробный последовательно-циклический (SBR), при этом а) собранные необработанные сточные воды сначала предварительно очищают в канальном реакторе без мешалки, получая предварительно очищенные сточные воды для подачи в упомянутый ASBR, b) ила из упомянутого ASBR небольшими частями подают в упомянутый канал, где он соединяется с упомянутыми сточными водами; с) ила из упомянутого SBR небольшими частями подают в упомянутый ASBR и d) небольшую часть упомянутых предварительно очищенных сточных вод подают в отстойник для компоста, где они смешиваются с отходами целлюлозы; в результате чего получают очищенную воду из упомянутого SBR и компост из упомянутого отстойника. Термин «ил» в этом контексте означает, что жидкость содержит больше взвешенных веществ, по сравнению со средним содержанием веществ в реакторе, из которого она вытекает после осаждения.
Устройство по настоящему изобретению содержит, по меньшей мере, элементы, которые схематично изображены на Фигуре 1. Стоки животноводческих хозяйств протекают через коллекторный резервуар (1) и через отстойный проточный канальный реактор (2) и далее - параллельно в ASBR (3) и SBR (4) для получения очищенной воды и в отстойник для компоста (5) для смешивания с целлюлозосодержащими отходами и получения компоста; параллельно относительно небольшое количество ила течет из SBR в ASBR и из ASBR в канал. Упомянутый канал обеспечивает предварительное анаэробное гидролитическое разложение отходов. Преимущество упомянутого реактора ASBR состоит в том, что он оснащен газовым коллектором (6) для получения биогаза. Таким образом, в устройстве по настоящему изобретению и в соответствии со способом по настоящему изобретению стоки животноводческих хозяйств с отходами целлюлозы очищаются для получения очищенной воды, компоста и биогаза.
3
3
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения устройство и способ по настоящему изобретению содержат элементы в качестве системы, схематически изображенной на Фигурах 1 и 2, к которой относится нижеследующее описание. Предпочтительный способ очистки сточных вод свиноферм (7) содержит: i) сбор неочищенных сточных вод в коллекторный резервуар с мешалкой (1) со скоростью v1 (все скорости указаны в м в день), при этом v1 обычно составляет от 20 до 200 м/день; ii) передачу упомянутых неочищенных сточных вод из упомянутого коллекторного резервуара в проточный канальный реактор без мешалки (2) со второй скоростью передачи v2, причем к неочищенным сточным водам добавляют предварительно очищенные сточные воды в упомянутом канале; iii) передачу упомянутых предварительно очищенных сточных вод из упомянутого канала через первый выпускной конец (12) в ASBR (3) с третьей скоростью передачи v3, и через второй выпускной конец (13) - в отстойник для компоста с четвертой скоростью передачи v4, где упомянутые предварительно очищенные сточные воды смешиваются в упомянутом отстойнике с отходами целлюлозы (8), которые добавляют с девятой скоростью передачи v9, при этом упомянутая четвертая скорость передачи составляет не более 20% от упомянутой третьей скорости передачи, и в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - не более 15% от упомянутой третьей скорости передачи, например, около 10% от упомянутой третьей скорости, при этом упомянутый второй выпускной конец находится ближе ко дну упомянутого отстойника, чем упомянутый первый выпускной конец, в результате чего получают компост (11) с десятой скоростью v10; iv) взаимодействие упомянутых предварительно очищенных сточных вод в упомянутом ASBR, позволяющее упомянутым сточным водам отстаиваться, в результате чего получают анаэробно очищенные сточные воды, причем твердые вещества находятся в большей концентрации в нижней части ASBR (ил), чем в верхней части ASBR; v) при необходимости, сбор биогаза (9) через газовый коллектор (б); vi) передачу упомянутых анаэробно очищенных сточных вод из упомянутой верхней части ASBR через третий выпускной конец (14) в упомянутый SBR с пятой скоростью передачи v5, и передачу упомянутых анаэробно очищенных сточных вод из упомянутой нижней части ASBR через четвертый выпускной конец (15) в упомянутый канал с шестой скоростью передачи v6, при этом упомянутая шестая скорость передачи составляет не более 15% от упомянутой пятой скорости передачи, например, около 10% от упомянутой пятой скорости, и при этом упомянутый четвертый выпускной конец находится ближе ко дну упомянутого ASBR, чем упомянутый третий выпускной конец, в результате чего активированный ил подается в упомянутый канал; vii) взаимодействие упомянутых анаэробно очищенных сточных вод в упомянутом SBR, что позволяет упомянутым сточным водам отстаиваться, в результате чего получают аэробно очищенные сточные воды, причем твердые вещества находятся в большей концентрации в нижней части SBR (ил), чем в верхней части SBR, и передачу упомянутых аэробно очищенных сточных вод из упомянутой верхней части SBR через пятый выпускной конец (16) с седьмой скоростью передачи (v7) для получения очищенной воды (10), и передачу упомянутых аэробно очищенных сточных вод из нижней части SBR через шестой выпускной конец обратно в упомянутый ASBR с восьмой скоростью передачи v8, при этом упомянутая восьмая скорость передачи составляет не более 5% от упомянутой седьмой скорости передачи, например, около 2% от упомянутой седьмой скорости, и при этом упомянутый шестой выпускной конец находится ближе ко дну упомянутого SBR, чем упомянутый пятый конец. Упомянутые скорости передачи обычно содержат части (партии), в которых жидкость передается из одной части системы в другую. В частности, упомянутые этапы iv)-vi) обычно содержат от 2 до 6 партий в день. Обычно в последовательно-циклических реакторах часть максимального объема содержимого упомянутых ASBR и SBR, например, от 1/10 до 1/2, добавляют в одну партию, содержимое реактора гомогенизирует, позволяют содержимому взаимодействовать. Гомогенизация содержимого в упомянутом ASBR достигается, по меньшей мере, притоком и оттоком жидкости, при необходимости - с помощью мешалки. Гомогенизация содержимого в упомянутом SBR достигается интенсивным притоком воздуха и дисперсией, и интенсивным механическим перемешиванием. В каждой партии смеси дают возможность отстояться в течение 3-12 часов в упомянутом ASBR, например, в течение 4-6 часов; каждый цикл обычно занимает от примерно четверти до половины дня. В упомянутом SBR смеси дают возможность отстояться обычно в течение 0,5-3 часов, например, 1-2 часа. Поскольку второй, четвертый и шестой выпускные концы находятся ближе ко дну, чем средняя часть жидкости в системе, то фракции появляются на задействованных стадиях. Неочищенные сточные воды обычно содержат 1-3 твердых вещества; сточные воды обычно содержат от 1,2% до 1,8% неводных веществ, например, 1,5% обычно содержат от примерно 0,6 до 0,9% взвешенных частиц. Жидкость во втором, четвертом и шестом выпускных концах может содержать до 10% неводных веществ, обычно 4-8%, например, 6%. Первый, третий и пятый выпускные концы отводят слитые воды, и содержание неводных веществ в них может быть в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, например, менее примерно 0,8%, менее примерно 0,2% и менее примерно 0,08% соответственно.
3
В одном аспекте настоящее изобретение предлагает полунепрерывный эффективный способ очистки стоков животноводческих хозяйств, в любом масштабе, при котором неочищенные сточные воды непрерывно собирают и очищают постоянными партиями до получения очищенной воды, компоста и биогаза. Что касается Фигуры 2, то на ней показано получение продуктов (9), (10) и (11) из отходов (7) и (8). Что касается потоков веществ и скоростей передачи, то скорости от v1 до v8 характерны для водосодержащих жидкостей, обычно для водных суспензий, тогда как скорости v9 и v10 могут быть характерны для влажных твердых веществ; фактически, для удобства скорости v9 и v10 также можно выражать в м/день. Фактически, в полунепрерывном способе по настоящему изобретению v1+v9=v7+v10, поскольку вес биогаза относительно невелик, а плотности отходов на основе целлюлозы и компоста - не слишком отличны от 1. В одном варианте осуществления настоящего изобретения v9 составляет от примерно v4/2 до примерно 2*v4, например, примерно v4. Предварительно очищенную воду из канала можно распределять в ASBR и отстойник для компоста со скоростями передачи v3 и v4 в соотношении примерно 10:1; активированный ил из ASBR можно распределять в SBR и канал со скоростью передачи v5 и v6 в соотношении примерно 10:1; активированный ил из SBR можно передавать в ASBR со скоростью передачи v8, которая составляет от примерно 0,02*v7. В любом случае будут установлены приблизительно нижеследующие соотношения: v2+v6=v3+v4 для канала; v4+v9=v10 для отстойника для компоста; v3+v8-v11=v5+v6 для ASBR; и v5+v11=v7+v8 для SBR.
Важным аспектом настоящего изобретения является то, что стоки животноводческих хозяйств протекают через систему очистки по настоящему изобретению, в результате чего получают безопасную воду, например, как показано на Фигуре 3, или на Фигуре 1, на которой показано получение безопасной воды 10 из сточных вод 7. Превосходные результаты системы по настоящему изобретению достигаются с помощью множества этапов специального фракционирования и множества специальных обратных потоков, как показано на Фигуре 2: такое распределение происходит в канальном реакторе, в выпускном конце которого удаляется меньшая часть потока (v4<v3), и специальные обратные потоки происходят в ASBR, из которого меньшая часть возвращается в канальный реактор (v6<v5), и в SBR, из которого меньшая часть возвращается в ASBR (v8<v7); причем соотношения v4/v3, v6/v5 и v8/v7 являются важными регулирующими параметрами.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения система очистки стоков животноводческих хозяйств, включая устройство и способ по настоящему изобретению, содержит дополнительные стадии очистки воды в соответствии с требованиями окружающей среды и в соответствии с желаемым использованием конечного водного продукта; упомянутые дополнительные стадии в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения следуют за аэробной очисткой, например, очисткой в SBR. Упомянутые дополнительные стадии в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения содержат этапы фильтрации, например, фильтрация песка и фильтрация обратного осмоса (RO). В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения вода, очищенная в SBR, поступает в песочный фильтр, а затем в систему RO. Весь способ очистки, содержащий первичную, анаэробную стадию (в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - с использованием канала предварительной очистки и ASBR) и вторичную, аэробную стадию (в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - с использованием SBR), таким образом, содержит в одном варианте осуществления настоящего изобретения третичную стадию (песочный фильтр) и четвертичную стадию (RO). На упомянутой четвертичной стадии обычно используют микрофильтр (мкФ) (yF), затем используют два угольных фильтра (CF1, CF2) перед использованием процесса обратного осмоса, и обычно эта стадия завершается использованием другого угольного фильтра (CF3). Песочная фильтрация обычно удаляет большую часть частиц, размером более 50 мкм, упомянутый микрофильтр удаляет большую часть частиц, размером более 5 мкм. Преимущество этапа RO состоит в том, что он снижает солесодержание сточных вод, например, воду из свиноферм, после аэробной очистки; очистку RO можно повторять в соответствии с потребностью, и после третьего цикла RO можно получить до 90% конечной очищенной воды относительно объема аэробно очищенной воды. В случае рециркуляции RO в систему для хранения концентрата до переработки включают один или два резервуара для хранения.
На Фигуре 3 схематично показана система по одному варианту осуществления настоящего изобретения, в которой стоки животноводческих хозяйств преобразуются в высококачественную безопасную воду с дополнительным получением компоста и биогаза в качестве побочных продуктов при использовании отходов целлюлозы; система содержит коллекторный резервуар 1 и отстойник для компоста 5, элементы первичной очистки 2 (канальный реактор) и 3 (ASBR), элемент вторичной очистки 4 (SBR), элемент третичной очистки 19 (песочный фильтр) и элементы четвертичной очистки, включая микрофильтр 20, 1-й угольный фильтр 21, 2-й угольный фильтр 22, узел RO 23 и 3-й угольный фильтр 24. Анаэробный реактор 3 производит биогаз, а осадочная фракция из канала предварительной обработки вместе с отходами целлюлозы и сток, содержащий минеральные соли, из узла RO образуют компост.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к устройству и способу очистки стоков животноводческих хозяйств. Система по настоящему изобретению, составляющая основу упомянутого устройства и способа, содержит:
- Коллекторный резервуар, куда собираются все стоки животноводческого хозяйства (выделения, промывочные жидкости). Собранные сточные воды перемешиваются, и одновременно происходит некоторое предварительное окисление. Например, в случае свиноферм собранные сточные воды могут содержать около 1,5% твердых веществ.
- Отстойник для компоста и, по меньшей мере, один осадочный канал, через который сточные воды передаются в упомянутый отстойник для компоста, в анаэробный резервуар и, с перерывами, в аэробный резервуар; по мере того, как упомянутые сточные воды протекают через канал, они с осадком твердых веществ и иловой суспензией, находящейся ближе ко дну, с относительно более отстоявшим веществом, поступают в отстойник для компоста и перемешиваются с древесными щепками, что позволяет получить высококачественный компост. Поскольку небольшая часть содержимого упомянутого ASBR, находящегося близкого к нижней части ASBR, подается в канал вместе с неочищенными сточными водами, то канал содержит активированный ил, содержащий микроорганизмы из упомянутого анаэробного реактора, поддерживающие желаемые биологические процессы в канале, и анаэробный процесс разложения начинается уже в канале. Время гидравлического удерживания в канале обычно составляет 2-4 дня. Время удерживания в отстойнике для компоста обычно составляет 10-30 дней.
- По меньшей мере, один анаэробный резервуар и один аэробный резервуар, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения анаэробный последовательно-циклический реактор (ASBR) и аэробный последовательно-циклический реактор (SBR), при этом в предыдущем резервуаре удаляются фосфаты, и уменьшается содержание азота и COD, а в последнем - удаляется оставшийся азот. Анаэробный реактор получает небольшое количество ила из упомянутого аэробного реактора; термин «ил» в этом контексте означает, что жидкость содержит больше взвешенных веществ, по сравнению с их средним содержанием в реакторе, из которого она вытекает в результате осаждения. Частично слитая иловая суспензия из упомянутого канала поступает в ASBR и в SBR, при этом поток разветвляется с тем, чтобы только около 1/3 потока передавалось в SBR, и только в определенные периоды времени; обычно воду пропускают в SBR, когда рН в SBR уменьшился до значения ниже 6,5, и поток прекращается, когда рН достигает заданного значения, например, по меньшей мере, 6,9, например, по меньшей мере, 7,4, например, 7,5, так что упомянутый поток в SBR равен нулю или около 1/3 потока - в ASBR, например, 1/5 или менее потока - в ASBR; период нулевого потока может составлять, например, около 20 дней, за которым следует период около десяти дней ненулевого потока. Время удерживания ила в реакторах обычно составляет 12-24 часа, а время удерживания твердых веществ в ASBR может составлять 20-35 дней и в SBR - 10-20 дней.
- При необходимости, собирающий купол поверх ASBR для сбора выделившегося биогаза. Биогаз, главным образом метан, может использоваться для обогрева реактора, отопления животноводческих хозяйств и производства электроэнергии, необходимой для эксплуатации фермы.
3
3
В одном варианте осуществления настоящего изобретения производительность устройства составляет 25-400 м неочищенных сточных вод в день, например, 50-200 м сточных вод свиноферм в день.
Термин «домашний скот» в этом контексте относится к одомашненным животным, выращиваемым в сельскохозяйственных условиях для производства таких продуктов, как продукты питания, волокна и рабочая сила. Примерами таких одомашненных животных являются альпака, бантенг, бизон, верблюд, крупный рогатый скот (коровы и быки), олень, осел, гайал, коза, лошадь, лама, свинья, северный олень, овца, водный буйвол и як. Конкретнее этот термин относится к свиньям и крупному рогатому скоту.
3
3
Термин «время удерживания» (RT), также известный как время пребывания или τ (тау), относится в этом контексте к среднему времени, в течение которого вещество (например, водная суспензия) остается в содержащем узле (например, в реакторе). RT - это объем содержащего узла, деленный на скорость питающего стока (скорость передачи). Скорости потока или скорости передачи здесь выражены в мв день, м/день, RT выражено в днях. Термин «время удержания ила» или «время удерживания твердых веществ (SRT)» относится к среднему времени, в течение которого микроорганизмы сохраняются в содержащем узле (например, в реакторе). Время удерживания ила означает количество биологических твердых веществ в системе, деленное на скорость выбывания биологических твердых веществ из системы.
Настоящее изобретение предлагает технически несложную систему, не предполагающую дорогостоящее оборудование, гибкую и масштабируемую, в частности предназначенную для нейтрализации воды, получаемой от свиноферм и хозяйств, содержащих крупный рогатый скот, включая предварительное осаждение, анаэробное очищение, аэробное очищение и очищение ила путем компостирования. В одном варианте осуществления устройство по настоящему изобретению может содержать:
смесительный резервуар;
отстойник для компоста, содержащий, по меньшей мере, один канал предварительной обработки и отстойник для компоста;
по меньшей мере, один анаэробный реактор; а также
по меньшей мере, один аэробный реактор.
В другом варианте осуществления способ по настоящему изобретению содержит:
сбор сточных вод в смесительный резервуар;
передачу сточных вод в канал, при этом время гидравлического удерживания составляет 2-4 дня;
передачу жидкостей из отстойника для компоста в анаэробный реактор, в котором время гидравлического удерживания составляет 12-24 часа, а время удерживания ила составляет 35-37 дней; а также
передачу жидкостей из анаэробного реактора в аэробный реактор;
при этом часть ила из аэробного реактора передается в анаэробный реактор, и часть ила из анаэробного реактора передается в конец канала, и при этом часть потока, образующего канал, проходящий в анаэробный реактор, иногда ответвляют в аэробный реактор для повышения рН.
Система по настоящему изобретению особенно выгодна для свиноферм, и эту систему можно масштабировать, в соответствии с потребностью. Сущность настоящего изобретения заключается в том, что она А) превращает стоки животноводческих хозяйств в иловую суспензию, обогащенную активированным илом, и В) фракционирует иловую суспензию, по меньшей мере, на двух стадиях осаждения, в течение которых более концентрированная фракция передается в отстойник для компоста для взаимодействия с отходами целлюлозы, а менее концентрированная фракция передается для дальнейшей очистки воды. Упомянутый этап А) достигается путем передачи части отстоявшегося ила из реактора ASBR в проточный канальный реактор, упомянутый этап В) достигается путем отстаивания иловой суспензии в проточном канале и в упомянутом реакторе ASBR, и путем передачи жидкости для дальнейшей очистки из верхней части отстоявшейся смеси. Не претендуя на какую-либо конкретную теорию, основываясь на своих экспериментальных результатах, изобретатели считают, что отличные результаты получены благодаря особой комбинации физических и биологических эффектов, происходящих в системе по настоящему изобретению, что позволяет эффективно очищать большое количество стоков животноводческих хозяйств, получая при этом воду желаемой чистоты и хороший компост.
Систему можно корректировать в соответствии с качеством неочищенных стоков животноводческих хозяйств, а также в соответствии с требуемым качеством конечной воды. Например, в одном варианте осуществления настоящего изобретения конечную воду можно выпускать в муниципальную систему сточных вод; в другом варианте осуществления настоящего изобретения конечную воду может использовать в сельском хозяйстве. Качество конечной воды можно регулировать, например, путем корректировки времени удерживания в реакторах; однако дополнительные этапы очистки для изменения качества конечной безопасной воды могут быть добавлены, в соответствии с конкретными требованиями и правовыми нормами. Качество полученного компоста можно регулировать, в соответствии с потребностями, например, путем изменения соотношения осадок/отходы целлюлозы или путем использования различных видов отходов целлюлозы. В первом аспекте настоящее изобретение относится к системе, включающей устройство и способ для очистки стоков животноводческих хозяйств и получения безопасной воды и компоста, при этом упомянутая очистка включает, по меньшей мере, стадию первичной обработки и стадию вторичной обработки с использованием анаэробного реактора и аэробного реактора, на которых система преобразует упомянутые сточные воды животноводческих хозяйств и отходы на основе целлюлозы в упомянутую безопасную воду и компост и, при необходимости, в биогаз. Такая система особенно полезна для свиноферм. Во втором аспекте настоящее изобретение относится к системе, включающей устройство и способ для очистки стоков животноводческих хозяйств, содержащих жидкий компонент и твердый компонент, при этом упомянутый жидкий компонент очищают, по меньшей мере, на стадии первичной очистки и на стадии вторичной очистки с использованием анаэробного реактора и аэробного реактора, на которых система преобразует упомянутые стоки животноводческих хозяйств и отходы на основе целлюлозы в упомянутую безопасную воду и компост и, при необходимости, биогаз, при этом упомянутый твердый компонент добавляют к упомянутым отходам на основе целлюлозы, или он фактически образует упомянутые отходы на основе целлюлозы. Такая система особенно полезна в молочном животноводстве.
Настоящее изобретение будет дополнительно описано и проиллюстрировано на следующем примере.
Примеры
В этом документе используются следующие аббревиатуры:
Пример 1
3
3
3
3
3
3
Прототипичное устройство было построено на свиноферме в Северном Израиле для обработки сточных вод, собранных от примерно 4000 свиней. Устройство представляет собой устройство последовательной биологической очистки для очистки сточных вод с ежедневной пропускной способностью 50 кубометров. Очищенные сточные воды содержали мочу свиней, экскременты и промывочную воду из свинофермы. Устройство среднего размера содержало канал предварительной обработки объемом 200 м и два реактора, объемом по 100 м каждый, которые служили в качестве анаэробных и аэробных реакторов. Ежедневно на канал предварительной обработки закачивали около 50 м собранных неочищенных сточных вод из коллекторного резервуара. В канал дополнительно направляли активированный ил из анаэробного реактора из нижней части после отстаивания. Содержащуюся в канале нижнюю часть жидкости с осажденными твердыми веществами направляли в отстойник для компоста, при этом ее смешивали с древесными щепками, иловой суспензией, в объеме 5 м в день, и щепками, в объеме около 5 тонн. Две партии, объемом по 25 м каждая, ежедневно направляли из конца канала в анаэробный реактор. Жидкость подавали со дна контейнера, создавая перемешивание. Во время анаэробной реакции COD, BOD, TSS и РТ были снижены. Было подсчитано, что сжиганием биогаза, высвобождаемого в анаэробной реакции, можно получать не менее 100 кВт на протяжении дня. Сточные воды, слитые из анаэробного реактора, затем подают в аэробный реактор два раза в день для завершения этапа денитрификации. Ил из аэробного реактора после отстаивания возвращали в анаэробный реактор в объеме 2 м. Время удерживания ила составляло 37 дней, а гидравлическое удерживание составляло около 12-24 часов.
Для очищенной воды были получены следующие значения (средние значения из нескольких экспериментальных циклов очистки сопровождаются заданными значениями для сбрасываемой воды):
В конце процесса очистки сточные воды были в пределах разрешенного параметра для сброса в муниципальную систему очистки сточных вод.
Пример 2
3
3
3
Немасштабная пилотная система была создана в коровнике Центрального Израиля, содержащем 300 дойных коров, для очистки сточных вод, собранных от 20 коров. Сточные воды очищали так же, как и в Примере 1, но использовали канал предварительной обработки и два реактора с объемом, который в 20 раз меньше (канальный реактор - примерно 6 м и примерно 5 м каждый), которые служили в качестве анаэробных и аэробных реакторов. Примерно 3 м в день собранной неочищенной сточной воды из коллекторного резервуара закачивали в канал предварительной обработки, а воду из аэробного реактора фильтровали на песочном фильтре и далее в последовательности μF/CF1/CF2, затем RO-устройством и финальным CF3.
Хотя это изобретение описано в терминах некоторых конкретных примеров, возможны различные модификации и варианты. Поэтому понятно, что в рамках прилагаемой формулы изобретения настоящее изобретение может быть реализовано иначе, чем в конкретном описании.