Карусельный аэротенк с заглубленной шахтой
CAROUSEL AEROTANK WITH A SUNKEN SHAFT

Заявленное изобретение относится к сооружениям очистки сточных вод и предназначено для глубокой физико-химической и биологической (комбинированной) очистки производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод от взвешенных веществ, соединений азота, фосфора, поверхностно-активных веществ и других загрязнений.
На сегодняшний день биологическая очистка сточных вод является основным способом, применяемым по всему миру. Учитывая остроту вопроса очистки воды, для строительства новых станций рекомендуется сочетать преимущества разных методов и конструкций, чтобы в результате получить наилучшее качество очистки воды при максимальной эффективности комплекса.
Первые лабораторные опыты по очистке сточных вод активным илом относятся к 1914 г.
3
(E. Ardern and W.T. Lockett, Манчестер). Первая полномасштабная механическая система аэрации активного ила была введена в эксплуатацию в 1921—1924 годах в английском городе Шеффилде. К 1924 году общая производительность данной системы достигла 88320 м/сутки по сточным водам. Там была применена, так называемая система аэрации Шеффилда для насыщения воды кислородом, которая до сих пор сохранилась и, вероятно, является старейшей в мире, все еще эксплуатируемой установкой очистки сточных вод при помощи активного ила. Данные аэротенки с механической системой аэрации были снабжены кованным на заклепках аэратором с горизонтальной осью вращения. При вращении аэратор выполнял одновременно две функции: 1 – введение кислорода воздуха в иловую смесь аэротенка; 2 – обеспечение необходимой скорости циркуляции иловой смеси, порядка 0,5 м/с. Таким образом, одни из старейших проточных аэротенков со взвешенным активным илом были спроектированы с применением продольной рециркуляции иловой смеси по «карусельному» типу.
Для очистки сточных вод иногда используют башенные или шахтные аэротенки, имеющие более энергоэффективную систему аэрации, которая обеспечивает экономию потребляемой энергии более чем в 2 раза по сравнению с традиционными аэротенками. Из уровня техники известна конструкция вертикальных аэротенков - сооружений биологической очистки сточных вод, представляющих собой вертикальные аэробные биореакторы, с глубиной аэрации более 9 метров, заглубленного или наземного исполнения. Впервые вертикальные аэротенки стали применяться в 1980-х годах прошлого века в Германии, Англии и Канаде. Такие компании как Kubota, Hitachi и Mitsubishi в 1990-х построили значительное количество шахтных аэротенков глубиной до 130 м годах в Японии, по причине дефицита городских территорий для расположения очистных сооружений.
В СССР башенные и шахтные аэротенки, нашли свое применение для очистки промышленных стоков с высокими концентрациями биохимического потребления кислорода (далее - БПК). Как правило, башенные аэротенки были разделены на две части. В первой устанавливалась система пневматической аэрации, а во второй эрлифт или пропеллерный насос для циркуляции иловой смеси. В первой части создавался нисходящий поток иловой смеси со скоростью от 1,0 до 2,0 м/с, увлекающий воздух из аэратора в нижнюю часть сооружения и увеличивающий длительность пребывания пузырьков воздуха в сточной воде при повышенном давлении с целью более эффективного растворения кислорода.
3
3
2
3
2
За рубежом башенные и шахтные аэротенки используются весьма активно, их эффективность проверена временем при различных условиях эксплуатации. Они подходят как для производственных предприятий, так и городских районов, где есть потребность в очистке, но при этом имеется ограниченная площадь для размещения сооружений. В 2000 г. в США была введена станция очистки сточных вод «Golden Cheese», очищающая сильно загрязненные сточные воды молочного производства в объеме 2650 м/сут с концентрацией БПК 2700 г/м при скачках загрязнений до 5 раз при залповых сбросах и колебаниях рН от 4 до 11. Система очистки на основе вертикальных аэротенков привела к значительной экономии капитальных и эксплуатационных расходов, при очень небольшой занимаемой площади - 1100 м, что составляет примерно 20% от площади, традиционных сооружений. Концентрация ила в вертикальных аэротенках составляет до 15 г/л. Нагрузка на гравитационный илоотделитель - 2 м/(м⋅ч). Количество отходящих газов от 5 до 10 раз ниже, чем у традиционных биологических очистных сооружений. Удельные энергозатраты на перенос кислорода от 0,3 до 0,5 кВт⋅ч/кг.
Так, в качестве аналога, можно привести изобретение (патент на изобретение US5650070A Pollock David), относящееся к аэробным биореакторам и процессам с длинным вертикальным корпусом, который применяется для аэробной очистки сточных вод и автотермического термофильного аэробного сбраживания ила.
Данное техническое решение выполнено в виде вертикального корпуса, разделенного на две части.
При запуске биореактора смесь воздуха и поступающей сточной воды нагнетается в стояк по типу эрлифтного насоса. Как только начинается циркуляция смешанной биомассы, впрыскивается воздух в сливной стакан. Среда в стояке имеет более высокую плотность, чем смесь биомассы и газа в стояке, и, таким образом, обеспечивает достаточную подъемную силу для поддержания циркуляции. Реакция между отходами, растворенным кислородом, питательными веществами и биомассой в основном происходит во время циркуляции через сливную трубу, стояк и бассейновую систему биореактора.
Основными недостатками технического решения является сложность изготовления и невозможность организации глубокой биологической очистки от биогенных элементов из-за отсутствия циркуляции иловой смеси между аэробной, анаэробной и аноксидной зонами.
Из уровня техники известно техническое решение (патент на изобретение SU1263651A1, Репин Борис Николаевич, 1986 года по МПК C02F3/12), выполненное в виде аэротенка, содержащего корпус, разделенный перегородками на смесительные камеры с механическими аэраторами и циркуляционными трубопроводами, вытеснительную камеру и реактиваторы, распределительные и обводные лотки. Аэротенк снабжен трапецидальным желобом, размещенным вдоль продольной оси аэротенка и соединенным своими верхними кромками с нижними кромками перегородок реактиваторов, смесительных и вытеснительных камер с образованием емкости для илоулавливания, эрлифтной шахтой, выполненной из вертикальных перегородок.
Основными недостатками является представление технического решения в виде открытого резервуара, характеризующегося значительными потерями тепла в зимнее время, выбросом большого количества вредных веществ в атмосферу и высокими энергозатратами на аэрацию.
Известно техническое решение, представленное в виде способа биологической очистки сточных вод (патент на изобретение SU1288165, Синев Олег Петрович, Проценко Сергей Борисович, Романов Юрий Александрович, 1987 по МПК C02F 3/02 (2000.01)), в котором представлено устройство, содержащее аэротенк и шахту, в которой происходит аэрация.
Согласно, способу биологической очистки сточных вод смесь очищаемой воды и активного ила аэрируют в аэротенке. Из аэротенка смесь отбирают насосом, смешивают с кислородсодержащим газом, например воздухом, и подают в виде газожидкостной эмульсии в нижнюю зону вертикальной шахты. Под действием гидростатического давления происходит растворение части кислородсодержащего газа в смеси. Не растворившийся газ вместе с частью смеси отводят в виде отдельного патрубка из верхней зоны шахты в нижнюю зону аэротенка.
Основным недостатком технического решения является невозможность организации глубокой биологической очистки от биогенных элементов из-за отсутствия циркуляции иловой смеси между аэробной, анаэробной и аноксидной зонами.
Ближайшим аналогом (прототипом) является техническое решение, выполненное в виде блочно-модульного сооружения очистки сточных вод (патент на изобретение № 2725262, Опубликовано:30.06.2020 Бюл. № 19, по МПК C02F 3/00, C02F 9/14).
Блочно-модульное сооружение очистки имеет герметичный корпус, состоящий из отдельных разборных унифицированных конструктивных блоков из труб, соединенных между собой поворотными участками и фитингами, выполненный в форме, по меньшей мере, одного коридорного, кольцевого, горизонтального, вертикального или наклонного резервуара с использованием герметичных соединительных элементов, поворотных участков и фитингов. Корпус содержит в своем объеме водо-воздушную смесь активного ила и сточных вод под избыточным давлением до 36 атмосфер. Корпус снабжен подающим сточные воды или иловую смесь патрубком, отводящим иловую смесь или очищенные воду патрубком, системой аэрации иловой смеси, побудителем движения иловой смеси, устройством нагнетания газо-воздушной смеси, устройством очистки газообразных выбросов, герметичным люком для обслуживания технологического оборудования, насосом для рециркуляции иловой смеси.
Основными недостатками данного технического решения является необходимость поддержания в объеме блочно-модульного сооружения очистки водо-воздушной смеси активного ила и сточных вод под избыточным давлением до 36 атмосфер. Наличие избыточного давления усложняет обслуживание и удорожает изготовление.
Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков аналогов и прототипа, а техническим результатом - сокращение объема выбросов газообразных веществ в атмосферу, изготовление резервуара в виде различных технологических схем глубокой биологической очистки сточных вод от биогенных элементов, уменьшение габаритов сооружений, а также повышение эффективности поглощения кислорода воздуха, увеличение окислительной мощности очистных сооружениях, соответственно при уменьшенных энергозатратах на 40-60%.
Поставленный технический результат достигается за счет того, чтокарусельный аэротенк с заглубленной шахтой, характеризующееся тем, что имеет корпус, состоящий из отдельных разборных унифицированных конструктивных блоков, соединенных между собой поворотными участками и фитингами, выполненный в форме, по меньшей мере, одного кольцевого резервуара с использованием герметичных соединительных элементов, поворотных участков и фитингов, содержащий в своем объеме водо-воздушную смесь активного ила и сточных вод, корпус снабжен подающим сточные воды или иловую смесь патрубком, отводящим иловую смесь или очищенные воду патрубком,  по меньшей мере одну заглубленную шахту с системой аэрации иловой смеси, по меньшей мере один побудитель движения иловой смеси.
При этом корпус может содержать по меньшей мере одну аноксидную зону.
При этом корпус может содержать по меньшей мере одну анаэробную зону.
При этом блоки могут быть выполнены из сборных железобетонных изделий.
При этом блоки могут быть выполнены из сборных пластиковых изделий.
При этом блоки могут быть выполнены из сборных металлических изделий.
При этом, корпус, может состоять из отдельных сборных унифицированных конструктивных блоков, выполненных из труб из композиционного материала: стеклокомпозитного, углепластикового, боропластикового, органопластикового, полимерного, наполненного порошками, текстолитового и других.
При этом, корпус, может состоять из отдельных сборных унифицированных конструктивных блоков, выполненных из железобетонных труб с сердечником из стеклокомпозита или другого композиционного материала.
При этом, корпус, может состоять из отдельных сборных унифицированных конструктивных блоков, выполненных из металлический труб с футеровкой из инертного материала.
При этом, в качестве герметичных соединительных элементов могут выступать разъемные муфтовые соединения, выполненные из стеклокомпозита или другого композиционного материала и оборудованные эластичными уплотнительными элементами.
При этом в качестве герметичных соединительных элементов могут выступать разъемные муфтовые соединения, выполненные из стали и оборудованные эластичными уплотнительными элементами.
При этом в качестве герметичных соединительных элементов могут выступать разъемные фланцевые соединения.
При этом в качестве герметичных соединительных элементов могут выступать неразъёмные сварные или клеевые соединения.
При этом в качестве герметичных соединительных элементов могут выступать неразъёмные ламинированные соединения
При этом в качестве герметичных соединительных элементов могут выступать муфтовые соединения.
При этом побудитель движения может быть выполнен в виде механической мешалки.
При этом побудитель движения может быть выполнен в виде эжектора.
При этом побудитель движения может быть выполнен в виде эрлифта.
При этом побудитель движения может быть выполнен в виде погружного насоса.
При этом система аэрации может подавать газовоздушную смесь, обогащенную углекислым газом и/или кислородом.
При этом система аэрации может использовать пневматический способ растворения газов.
При этом система аэрации может использовать механический способ растворения газов.
При этом система аэрации может использовать эжекторный способ растворения газов.
При этом система аэрации может использовать эрлифтный способ растворения газов.
При этом, корпус может быть оборудован, по меньшей мере одной решеткой, по меньшей мере одной песколовкой, по меньшей мере одним отстойником, по меньшей мере, одним илоотделителем, по меньшей мере, одним ацидификатором, по меньшей мере одним аэробным стабилизатором осадка, по меньшей мере одним метантенком, по меньшей мере одним флотатором, по меньшей мере одним мембранным модулем фильтрации, используемых, как в совокупности, так и по отдельности.
Заявленное изобретение поясняется следующими чертежами:
На Фиг. 1 показан один из вариантов исполнения Карусельного аэротенка с заглубленной шахтой с реализованной схемой глубокой биологической очистки за счет рециркуляции иловой смеси через зоны с различными кислородными режимами: анаэробную, акноксидную и аэробную.
На Фиг. 2 показан Карусельный аэротенк с заглубленной шахтой,
разрез А-А.
На Фиг. 3 показан Карусельный аэротенк с заглубленной шахтой,
разрез Б-Б.
Где:
1) корпус;
2) герметичные соединительные элементы;
3) подающий сточные воды или иловую смесь патрубок;
4) отводящий иловую смесь или очищенные воду патрубок;
5) система аэрации иловой смеси;
6) побудитель движения иловой смеси;
7) насос для рециркуляции иловой смеси;
8) воздуховод подачи газовой смеси;
9) заглубленная шахта;
10) подающий возвратный активный ил патрубок;
11) люк для обслуживания технологического оборудования;
12) поворотные участки;
13) фитинги.
Карусельный аэротенк с заглубленной шахтой, характеризующееся тем, что имеет корпус (1), состоящий из отдельных разборных унифицированных конструктивных блоков, соединенных между собой поворотными участками (12) и фитингами (13), выполненные в форме, по меньшей мере, одного кольцевого резервуара с использованием герметичных соединительных элементов (2), поворотных участков (12) и фитингов (13), содержащий в своем объеме водо-воздушную смесь активного ила и сточных вод, корпус (1) снабжен подающим сточные воды или иловую смесь патрубком (3), отводящим иловую смесь или очищенные воду патрубком (4),  по меньшей мере одну заглубленную шахту (9) с системой аэрации иловой смеси (7), побудителем движения иловой смеси (6), устройством очистки газообразных выбросов, герметичным люком для обслуживания технологического оборудования (11), насосом для рециркуляции иловой смеси (7), которые могут быть выполнены в разных вариациях, например, в виде змейки, нескольких колец и т.д.
При этом корпус (1) может содержать по меньшей мере одну аноксидную зону.
При этом корпус (1) может содержать по меньшей мере одну анаэробную зону.
При этом блоки могут быть выполнены из сборных железобетонных изделий.
При этом блоки могут быть выполнены из сборных пластиковых изделий.
При этом блоки могут быть выполнены из сборных металлических изделий.
При этом корпус (1) может состоять из отдельных сборных унифицированных конструктивных блоков, выполненных из труб из композиционного материала: стеклокомпозитного, углепластикового, боропластикового, органопластикового, полимерного, наполненного порошками, текстолитового и других.
При этом корпус (1) может состоять из отдельных сборных унифицированных конструктивных блоков, выполненных из железобетонных труб с сердечником из стеклокомпозита или другого композиционного материала.
При этом корпус (1) может состоять из отдельных разборных унифицированных конструктивных блоков, выполненных из металлический труб с футеровкой из инертного материала.
При этом в качестве герметичных соединительных элементов (2) могут выступать разъемные муфтовые соединения, выполненные из стеклокомпозита и оборудованные эластичными уплотнительными элементами.
При этом в качестве герметичных соединительных элементов (2) могут выступать разъемные муфтовые соединения, выполненные из стали и оборудованные эластичными уплотнительными элементами.
При этом в качестве герметичных соединительных элементов (2) могут выступать разъемные фланцевые соединения.
При этом в качестве герметичных соединительных элементов (2) могут выступать неразъёмные сварные или клеевые соединения.
При этом в качестве герметичных соединительных элементов (2) могут выступать неразъёмные ламинированные соединения .
При этом в качестве герметичных соединительных элементов (2) могут выступать муфтовые соединения.
При этом побудитель движения иловой смеси (6) может быть выполнен в виде механической мешалки.
При этом побудитель движения иловой смеси (6) может быть выполнен в виде эжектора.
При этом побудитель движения иловой смеси (6) может быть выполнен в виде эрлифта.
При этом побудитель движения иловой смеси (6) может быть выполнен в виде погружного насоса.
При этом система аэрации (5) может подавать газовоздушную смесь, обогащенную углекислым газом и/или кислородом.
При этом система аэрации (5) может использовать пневматический способ растворения газов.
При этом система аэрации (5) может использовать механический способ растворения газов.
При этом система аэрации (5) может использовать эжекторный способ растворения газов.
При этом система аэрации (5) может использовать эрлифтный способ растворения газов.
При этом корпус (1) может быть оборудован, по меньшей мере одной решеткой, по меньшей мере одной песколовкой, по меньшей мере одним отстойником, по меньшей мере, одним илоотделителем, по меньшей мере, одним ацидификатором, по меньшей мере одним аэробным стабилизатором осадка, по меньшей мере одним метантенком, по меньшей мере одним флотатором, по меньшей мере одним мембранным модулем фильтрации, используемых, как в совокупности, так и по отдельности.
Устройство работает следующим образом.
Корпус (1) состоит из отдельных разборных унифицированных конструктивных блоков, соединенных между собой герметичными соединительными элементами (2), поворотными участками (12) и фитингами (13), а также оборудован заглубленной шахтой (9) с системой аэрации (5). Корпус (1) выполнен в форме, по меньшей мере, одного кольцевого резервуара с использованием по необходимости поворотных участков (12) и фитингов (13), соединяющих две или более унифицированных конструктивных блока.
Сточная вода поступает при помощи подающего патрубка (3), оборудованного при необходимости запорной и регулирующей арматурой, решеткой, песколовкой, используемых как в совокупности, так и по отдельности, внутрь герметичного корпуса (1). Корпус (1) содержит в своем объеме водо-воздушную смесь активного ила и сточных вод. Течение иловой смеси внутри сооружения при необходимости обеспечивается побудителем движения иловой смеси (6) и насосом для рециркуляции иловой смеси (7).
Далее, сточные воды, смешанные с активным илом, попадают в заглубленную шахту (9) с системой аэрации (5), представляющую собой вертикальную, горизонтальную или наклонную заглубленную шахту (9). Параметры заглубленной шахты (9) зависят от расчетных характеристик карусельного аэротенка. Система аэрации (5) представляет собой систему воздуховодов подачи газовой смеси (8), по которым подается газ на дно заглубленной шахты (9), рассеиватели, предназначенные для обогащения газом смеси сточных вод и активного ила. Наиболее эффективная аэрация смеси сточных вод и активного ила осуществляется в нижней части заглубленной шахты (9). Именно там происходит наибольшее насыщение смеси активного ила и сточных вод газом, за счет увеличения давления. Образуется водо-воздушная смесь активного ила и сточных вод. Пройдя зону глубокой аэрации, водо-воздушная смесь активного ила и сточных вод поднимается из заглубленной шахты (9) и продолжает циркуляцию в системе.
За счет подачи и отведения сточных вод, аэрации, перемешивания и рециркуляции иловой смеси внутри корпуса (1) создаются зоны с различными кислородными режимами: анаэробными, акноксидными, аэробными и другими необходимыми для биологической очистки сточных вод. Таким образом в один цикл очистки входит прохождение водо-воздушной смеси активного ила и сточных вод через заглубленную шахту (9) с системой аэрации (5), анаэробной, акноксидной и другими зонами, необходимыми для глубокой биологической очистки сточных вод. При этом зоны могут быть оборудованы решеткой, песколовкой, отстойником, илоотделителем, ацидификатором, аэробным стабилизатором осадка, метантенком, флотатором, мембранным модулем фильтрации, устройством очистки газообразных выбросов, используемых, как в совокупности, так и по отдельности, в количестве, необходимом для обеспечения глубокой биологической очистки сточных вод.
Наличие кольцевого аэротенка с по меньшей мере одной заглубленной шахтой (9) позволяет повторять процесс очистки сточных вод непрерывно и циклично.  При этом, при необходимости, водо-воздушная смесь активного ила и сточных вод может проходить сколько угодно циклов очистки, пока не будет осуществлен необходимый уровень глубокой биологической очистки.  Очищенная вода или иловая смесь отводятся по отводящему патрубку (4), оборудованному при необходимости запорной и регулирующей арматурой, решеткой, песколовкой, как в совокупности, так и по отдельности.
Обслуживание технологического оборудования осуществляется герметичным люком (11).
Наличие нескольких карусельных аэротенков с заглубленной шахтой, представленных в виде единой системы глубокой биологической очистки сточных вод позволят проводить обслуживание и ремонт, или же замену некоторых конструктивных унифицированных блоков, не останавливая процесс очистки, за счет отключения одного из корпусов (1) карусельных аэротенков с заглубленной шахтой (9) и перераспределения потока сточных вод.
Примером выполнения технического решения в виде карусельного аэротенка с заглубленной шахтой с системой аэрации по одному из вариантов осуществления изобретения является корпус, выполненный в виде карусельного аэротенка, состоящий из отдельных разборных унифицированных конструктивных блоков, выполненных из стеклокомпозитных труб.
Корпус имеет шесть заглубленных шахт с пневматическими системами аэрации, выполненные из того же материала, что и корпус. Каждая заглубленная шахта выполнена в виде вертикальной трубы, соединенной с корпусом герметичным соединением. Блоки соединены между собой герметичными соединительными элементами и фитингами. В качестве герметичных соединительных элементов выступают разъемные муфтовые соединения, выполненные из стеклокомпозита и оборудованные эластичными уплотнительными элементами.
Корпус оснащен двумя подающими сточные воды, двумя подающими возвратный активный ил, двумя отводящими иловую смесь патрубками. Корпус выполнен в виде четырех кольцевых резервуаров. Корпус содержит десять механических мешалок, два погружных насоса, две решетки, две песколовки, два мембранных модуля фильтрации. Система пневматической аэрации заглубленной шахты содержит два нагнетателя газовой смеси, систему воздуховодов с дисковыми аэраторами. Отработанный воздух проходит через устройство очистки газообразных выбросов. Смесь сточных вод и активного ила циркулирует между различными зонами биологической очистки: аэробной, анаэробной, аноксидной. Очищенные сточные воды выводятся через отводящий иловую смесь или очищенные воду патрубок. Монтаж технологического оборудования осуществляется через люки обслуживания.