УСТРОЙСТВО ОСАЖДЕНИЯ ФОСФОРА ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
METHOD FOR PRECIPITATION OF PHOSPHORUS FROM WASTE WATER

Предмет изобретения
Предметом настоящего изобретения является устройство осаждения фосфора из сточных вод, подсоединяемое к малогабаритной очистительной установке.
Другим предметом изобретения является способ осаждения фосфора из сточных вод с использованием химического коагулянта в малогабаритной очистительной установке. Данный способ предусматривает подачу очищаемых сточных вод под действием силы тяжести в насосный бак, из которого происходит их откачка откачивающим насосом, и введение дозирующим насосом химического коагулянта из химического резервуара в сточные воды, выкачиваемые из указанного насосного бака, причем выделение образующегося осадка химического вещества из воды, выпускаемой из очистительной установки, происходит в осадочном резервуаре (т.е. в отстойном резервуаре) этой малогабаритной очистительной установки.
Еще одним предметом изобретения является использование упомянутого выше устройства для осаждения фосфора из сточных вод в малогабаритных очистительных установках, особенно в малогабаритных очистительных установках непрерывного действия.
Уровень техники
Проблема загрязнения окружающей среды сточными водами в редконаселенных районах привлекает к себе в последнее время все большее внимание. Например, Государственный Совет Финляндии принял в этой связи постановление 542/2003, регламентирующее минимальные требования к очистке сточных вод. Однако существующие очистные системы большинства объектов собственности не соответствуют этим ужесточившимся требованиям к очистке. Как следствие, на рынке стали появляться различные системы очистки сточных вод объектов собственности, начиная с простых систем почвенной очистки и заканчивая очистительными установками на биохимических блоках.
Упомянутое постановление 542/2003 Государственного Совета Финляндии об очистке бытовых стоков в районах, не оснащенных системами канализации, задает предельно допустимые значения количеств органических веществ, общего азота и общего фосфора, выбрасываемых в окружающую среду. Между тем, экспериментальные исследования показали, что при осуществлении очистки, как правило, сложнее всего обеспечить необходимую степень очистки по показателю общего фосфора. Однако в редконаселенных местностях большое значение имеет именно сокращение нагрузки по фосфору, поскольку приблизительно 8% фосфора, оказывающегося в конечном счете в системе водоснабжения Финляндии, попадает туда из разбросанных по территории страны дачных домов и домов постоянного проживания. При этом следует отметить, что фосфор образует так называемый минимальный нутриент (особенно во внутренних водоемах), влияющий на основной прирост в озерах. В частности, присутствие в водоемах фосфора вызывает процесс эвтрофикации, проявляющийся в размножении водных растений и биомассы, а также в аномальном распространении цветения водорослей и цианобактерий, причем выделяемые во время этого процесса водорослями фитотоксины могут провоцировать и еще более серьезные последствия. Кроме того, последующий процесс разложения биомассы сопряжен с расходованием кислорода, вследствие чего в водоеме может возникнуть нехватка кислорода, ведущая к гибели рыб.
В системах очистки сточных вод объектов собственности процесс дефосфоризации можно интенсифицировать за счет применения поглотительных масс и различных химических коагулянтов. В биохимических очистительных установках обычно используют химические коагулянты на основе алюминия или железа. Химический коагулянт связывает фосфор, содержащийся в сточных водах, образуя соединения, которые можно отделять от воды путем осаждения. Для достижения необходимой эффективности осаждения фосфора крайне важно использовать надлежащее количество реагента. Если дозировка слишком низкая, то реагента не хватает для вступления в реакцию со всеми фосфат-ионами, в результате чего часть фосфора, содержащегося в сточных водах, будет проникать в систему водоснабжения. Слишком же высокая дозировка может чрезмерно снизить показатель pH сточных вод, поскольку химические коагулянты на основе алюминия и железа имеют высокий показатель кислотности. Однако при слишком низком показателе pH эффективность осаждения резко снижается. Кроме того, следует отметить, что необходимым условием успешного осаждения является эффективное смешивание химического коагулянта со сточными водами. Благодаря смешиванию используемая доза реагента задействуется целиком, и отпадает потребность в превышении дозировки. Под влиянием химического коагулянта в сточных водах образуются микрохлопья, которые могут сращиваться с образованием более крупных хлопьев. Укрупнение хлопьев является желательным, поскольку в таком случае облегчается их отделение от воды в ходе осаждения. Данную процедуру обеспечивают посредством способа, в котором после этапа смешивания выполняют этап перемешивания. Во время перемешивания градиент скорости у воды (т.е. число G) ниже, чем во время смешивания. Наиболее распространенный вид реализации указанной процедуры заключается в обеспечении медленного вращательного движения сточных вод, что на крупногабаритных установках достигается при помощи медленно вращающихся лопастей. На находящиеся в воде хлопья нельзя воздействовать слишком большими усилиями, иначе они будут разрушаться.
Очистительные установки на биохимических блоках делятся по принципу работы на очистительные установки периодического действия и непрерывного действия. В очистительных установках периодического действия все этапы очистительной обработки выполняют в одном резервуаре. Во время одного рабочего цикла обрабатывается всегда одно и то же количество сточных вод, причем реагент, используемый для осаждения фосфора, может быть введен в каждую порцию в неизменном количестве. Это предпочтительно с точки зрения функционирования насосной системы, поскольку дозирующий насос должен работать на соответствующем этапе процесса в течение всегда одного и того же промежутка времени. В очистительных установках периодического действия химический коагулянт вводят, как правило, на этапе аэрации, когда благодаря турбулентности, вызываемой аэрацией, реагент равномерно подмешивается к сточным водам, распространяясь по всему их объему.
В очистительных установках непрерывного действия вода, вытесняемая вновь поступающей в систему водой, переходит под действием силы тяжести из одного резервуара в другой. В такой системе техническая реализация процедуры дозирования химического коагулянта более проблематична, поскольку количество воды, переходящее из одного резервуара в следующий, может колебаться с течением времени. На сегодняшний день на рынке представлены устройства, в которых дозирование организовано с помощью таймера. Под управлением таймера дозирующий насос закачивает определенное количество реагента через надлежащие промежутки времени, например, раз в час. Однако поскольку в такой системе количество вводимого реагента не зависит от количества воды, поступающей в систему, часть реагента будет расходоваться напрасно, например в отпускной период. Расточительное использование химического коагулянта обуславливает появление добавочных расходов, ложащихся бременем на владельца объекта собственности. Если при расчете дозировки не учитывать количество обрабатываемой воды, это может привести к недостаточной или избыточной концентрации реагента. Когда количество поступающей в систему воды, превышает ожидаемую величину, количества вводимого реагента будет недостаточно для обработки всего объема воды. Кроме того, помимо появления добавочных расходов, передозировка может вести к проблемам, связанным с чрезмерным снижением показателя pH. Дополнительные сложности сопряжены также с трудностью обеспечения требуемой эффективности смешивания. В соответствии с представленными на рынке системами реагент принято вводить в трубу, по которой протекает подлежащая очистке вода. Однако такой принцип работы не дает возможности менять условия смешивания воды и реагента. Кроме того, такая технология не создает оптимальных условий для соударения и слипания хлопьев.
В Финляндии зарегистрирована полезная модель №7006, раскрывающая устройство очистки сточных вод, предназначенное для выделения из них фосфора. Данное устройство включает в себя блок обработки фосфора, содержащий технологический резервуар, химический резервуар с реагентом, используемым для осаждения фосфора, распределитель, предназначенный для дозированной выдачи реагента из химического бака, секцию смешивания реагента и воды, оснащенную перегородками для управления потоком, и трубопровод приема смеси воды и реагента, проходящий от середины указанной секции смешивания к расположенному под ней технологическому резервуару. Согласно этой конструкции воду, которая должна быть очищена от фосфора в технологическом резервуаре, сначала собирают в насосный колодец (по всей вероятности, после почвенной очистки), откуда ее затем перекачивают в технологический резервуар для удаления фосфора. После этапа удаления фосфора очищенную воду выводят из технологического резервуара посредством сифона, а не под действием силы тяжести.
В соответствии с полезной моделью FI 7006 сначала определенное количество реагента вводят из химического резервуара в желоб и лишь потом закачивают туда из насосного колодца порцию воды определенного объема. При пропускании воды по желобу реагент увлекается водой вследствие эжекции и выносится из желоба. Ниже по потоку от желоба предусмотрена секция для смешивания реагента и воды, снабженная перегородками для управления потоком, которая обеспечивает необходимое смешивание.
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в создании устройства и способа, которые, во-первых, обеспечивают возможность использования химического коагулянта в его точном количестве, достаточном для предотвращения попадания в систему водоснабжения фосфора, не выделившегося в осадок, а также для предотвращения негативных влияний показателя pH, чрезмерно сниженного вследствие избытка реагента, на эффективность осаждения фосфора; и, во-вторых, позволяют достаточно эффективно выполнять смешивание воды и реагента.
В рамках решения поставленной задачи предложено устройство, характеризующееся тем, что оно содержит: насосный бак; откачивающий насос, предназначенный для опорожнения насосного бака; химический резервуар; и дозирующий насос для реагента, предназначенный для подачи реагента из химического резервуара в сточные воды, выкачиваемые из насосного бака; причем выделение образующегося осадка химического вещества из воды, выпускаемой из указанной очистительной установки, обеспечивается в осадочном резервуаре этой малогабаритной очистительной установки, а дозирующий насос выполнен с возможностью подачи химического коагулянта в поток, подаваемый откачивающим насосом, в течение всего или почти всего рабочего цикла откачивающего насоса.
Согласно одному из предпочтительных вариантов изобретения, устройство дополнительно содержит камеру для перемешивания, форма которой способствует приведению проходящих через нее сточных вод, включающих химический коагулянт, в медленное вращательное движение, что увеличивает эффективность образования хлопьев под воздействием химического коагулянта. Цель приведения смеси воды и реагента в медленное вращательное движение заключается в повышении эффективности образования хлопьев под действием химического коагулянта до подачи смеси в отстойный резервуар, т.е. в осадочный резервуар. При этом цель выделения твердой фазы, связывающей в себе фосфор, состоит в том, чтобы ее можно было отделять от воды и осаждать на дно резервуара. Камера для перемешивания может иметь любую форму, способствующую вовлечению воды, содержащей химический коагулянт, в медленное вращательное движение, которое может быть либо одинаково медленным в течение всего цикла перемешивания, либо замедляющимся к концу этого цикла. Таким образом, форма камеры для перемешивания может быть любой формой, обеспечивающей возможность приведения проходящих через нее сточных вод, содержащих химический коагулянт, в медленное вращательное движение, например, по существу круговой формой. Примерами по существу круговой формы являются цилиндрическая, т.е. бочкообразная форма, сферическая или полусферическая форма, коническая форма или форма в виде усеченного конуса. К другим видам по существу круговой формы относится форма трехмерной спирали. В любом случае наиболее существенным условием при выборе конкретной формы камеры для перемешивания является то, чтобы сточные воды, содержащие реагент-коагулянт, могли приводиться в медленное вращательное движение благодаря тому, что поверхность по меньшей мере одной стенки камеры для перемешивания, по которой течет перемешиваемая смесь воды и реагента, имеет по существу круговую или криволинейную форму.
Согласно одному из наиболее предпочтительных вариантов изобретения указанная камера для перемешивания представляет собой емкость для перемешивания по существу цилиндрической формы. При этом также предпочтительно, чтобы поток сточных вод, исходящих из насосного бака, и химический коагулянт, добавляемый в этот поток, можно было подавать к верхнему концу емкости для перемешивания или в зону рядом с этим верхним концом, чтобы перемешиваемая смесь воды и реагента стекала под действием силы тяжести, при медленном вращении, по круговой поверхности этой емкости вниз к выпускному отверстию, выполненному в дне емкости.
Согласно другому предпочтительному варианту изобретения камера или емкость для перемешивания имеет выпускное отверстие, выполненное на уровне дна этой емкости или выше этого уровня. Выпускное отверстие камеры или емкости для перемешивания в предпочтительном случае оснащено отводным трубопроводом, имеющим расширение под этим выпускным отверстием. Отводной трубопровод камеры или емкости для перемешивания предпочтительно заходит под уровень воды в осадочном резервуаре.
Согласно еще одному предпочтительному варианту изобретения отводной трубопровод оснащен структурой, которая обеспечивает поступление в него воздуха и тем самым препятствует образованию сплошного столба воды, а следовательно, и возникновению явления всасывания в этом отводном трубопроводе.
В предпочтительном случае предложенное устройство расположено ниже по потоку от системы биологической очистки сточных вод. Предварительная биологическая очистка может представлять собой биологический процесс, основанный на использовании активного ила, почвенной очистке или биологической фильтрации.
Устройство оснащено собственной насосной системой, которая содержит поплавковый выключатель, обеспечивающий включение и выключение откачивающего насоса с учетом предварительно заданных максимального и минимального уровней сточных вод в насосном баке, а также реле управления током, подключенное между откачивающим насосом и дозирующим насосом, которое предназначено для включения дозирующего насоса, когда на откачивающий насос подается электрический ток, и для его выключения, когда электрический ток на откачивающий насос не подается. Следует отметить, что в качестве указанных насосов и насосной системы можно использовать любые насосы и насосные системы, известные в данной области техники.
Согласно одному из предпочтительных вариантов изобретения устройство выполнено с возможностью быть целиком размещенным внутри одного осадочного резервуара малогабаритной очистительной установки или, говоря другими словам, внутри отстойного резервуара.
Кроме того, в изобретении предложен способ, характеризующийся тем, что по меньшей мере один химический коагулянт вводят дозирующим насосом в исходящий поток, подаваемый откачивающим насосом, в течение всего или почти всего рабочего цикла откачивающего насоса.
Согласно одному из предпочтительных вариантов заявленного способа сточные воды, содержащие химический коагулянт, подвергают процессу перемешивания для повышения эффективности образования хлопьев под действием химического коагулянта.
В качестве химического коагулянта можно использовать любой из известных в данной области техники химических коагулянтов, обеспечивающих возможность удаления фосфора из сточных вод, например, химический коагулянт на основе алюминия или железа. В предпочтительном случае химический коагулянт вводят в форме водного раствора.
Заявленные устройство и способ подходят для использования в отношении любых малогабаритных очистительных установок, особенно в отношении установок непрерывного действия, которые включают в себя по меньшей мере один отстойный резервуар или несколько соединенных между собой отстойных резервуаров.
В отличие от устройств известного уровня техники заявленное устройство обеспечивает следующие преимущества.
- Осаждение фосфора в ходе непрерывного процесса очистки сточных вод можно осуществлять способом, согласно которому химический коагулянт вводится в систему только в те моменты времени, когда в систему поступает вода.
- Благодаря тому, что управление работой насоса для реагента осуществляется с учетом рабочего состояния откачивающего насоса, становится возможным поддерживать на постоянном уровне дозировку реагента по отношению к количеству очищаемой воды.
- Благодаря тому, что поток воды поступает из насосного бака при равномерной дозировке реагента по всему циклу работы насоса, становится возможным поддерживать неизменным уровень химической концентрации, а также обеспечивать качественное смешивание реагента и воды, поступающих в емкость для перемешивания.
- Условия осаждения остаются неизменными независимо от количества поступающей воды.
- Процесс перемешивания, осуществляемый в подсоединенной к устройству емкости для перемешивания, способствует укрупнению хлопьев, образующихся под воздействием химического коагулянта, что повышает эффективность их осаждения. Хорошие показатели осаждающей способности благоприятствуют выделению осадка из обрабатываемой воды и тем самым минимизируют объем фосфорсодержащей фазы, которая может выводиться в окружающую среду вместе с выпускаемой из системы водой.
- Благодаря тому, что вода, выпускаемая из емкости для перемешивания, поступает в осадочный резервуар ниже уровня присутствующей в нем воды, становится возможным предотвратить выход из резервуара вместе с водой выделившейся твердой фазы.
Далее устройство описано более подробно на примере конкретного варианта его выполнения, раскрытого со ссылкой на прилагаемую фиг.1, на которой устройство показано в продольном разрезе. Представленный пример не следует рассматривать как сужающий объем правовой охраны изобретения, определяемый его формулой.
Подробное описание одного из вариантов изобретения
На фиг.1 представлено устройство очистки сточных вод, которое можно размещать в отстойном резервуаре или так называемом осадочном резервуаре 12 (именуемом также септиком), расположенном ниже по потоку от блока биологической очистки непрерывного действия, предназначенного, например, для очистки сточных вод, вырабатываемых одним объектом собственности.
Вода под действием силы тяжести поступает в осадочный резервуар 12 по трубопроводу 13. При этом поступающая вода сначала попадает в насосный бак 1, установленный внутри осадочного резервуара 12 у его верхнего края, где она накапливается. Когда уровень воды поднимается в насосном баке 1 до предварительно заданной максимальной отметки (достаточно высокой), автоматически срабатывает поплавковый выключатель 3 установленного в баке откачивающего насоса 2 и откачивающий насос 2 приводится в действие. Откачивание воды прекращается также в результате срабатывания поплавкового выключателя 3, когда уровень воды в насосном баке 1 опускается до определенной величины, т.е. до предварительно заданного минимального уровня. Объем насосного бака 1 предпочтительно превышает 20 л. Величина этого объема определяет частоту включений откачивающего насоса.
Продолжительность нахождения во включенном состоянии откачивающего насоса 2 полностью зависит от количества воды, поступившей в насосный бак 1. В случае, если вода подается непрерывно, вследствие чего ее уровень в насосном баке 1 не опускается до установленного минимального уровня, откачивающий насос 2 работает непрерывно. Откачивающий насос 2 перекачивает воду в емкость 4 для перемешивания, которая расположена также внутри осадочного резервуара 12. В некоторых случаях насосный бак 1 и емкость 4 для перемешивания могут быть размещены снаружи осадочного резервуара 12, однако в предпочтительном случае, соответствующем данному примеру, указанные элементы составляют единый узел, находящийся внутри осадочного резервуара 12, у его верхнего края.
Во время указанной работы откачивающего насоса 2 дозирующий насос 5 поставляет в емкость 4 для перемешивания требуемое количество химического коагулянта из химического резервуара 6, находящегося внутри или снаружи осадочного резервуара 12. При отключении откачивающего насоса 2 дозирующий насос 5 тоже отключается. Для этого откачивающий насос 2 и дозирующий насос 5 соединены друг с другом посредством реле управления током (не показано). Подача электротока на откачивающий насос 2 осуществляется при постоянном контроле со стороны данного реле. Режимы работы откачивающего насоса 2 регулируются поплавковым выключателем, который включает и выключает насос 2 в зависимости от уровня воды в насосном баке 1. Реле управления током функционирует таким образом, что во время работы откачивающего насоса 2 оно подает ток также и на дозирующий насос 5. Образно говоря, реле «чувствует», когда ток подается на откачивающий насос.
Химический коагулянт (водный раствор) поступает по трубе 14 в зону, расположенную вблизи конца патрубка 7, идущего от откачивающего насоса 2. Патрубок 7 оканчивается у верхнего края емкости 4 для перемешивания, которая имеет по существу круглую форму в горизонтальной плоскости, вследствие чего вода проходит по стенке емкости 4 в контакте с этой стенкой и по существу параллельно ей. При этом, благодаря по существу цилиндрической форме емкости 4 для перемешивания, вода, поступающая в данную емкость, приводится во вращательное движение, так что большая часть воды, двигается витком по цилиндрической вертикальной стенке или рядом с ней, спускаясь ко дну емкости, откуда она отводится к выпускному отверстию (или поднимается до него) и выходит наружу. Благодаря указанному вращательному движению обрабатываемая вода и химический коагулянт эффективно смешиваются друг с другом. Когда откачивающий насос 2 перестает работать, вода перестает поступать в емкость 4 для перемешивания, что приводит к снижению скорости вращательного движения воды в емкости 4. Это способствует срастанию хлопьев с образованием более крупных хлопьев. Вода вытекает из емкости 4 для перемешивания через выпускное отверстие 8, предусмотренное в середине дна контейнера, причем указанный выпуск расположен вровень с окружающей его поверхностью или выше нее, т.е. вровень с окружающим его участком дна или выше. В результате этого выпускное отверстие 8 находится целиком выше уровня воды. Воздушный зазор, остающийся внутри выпускного отверстия 8 при отводе воды, препятствует возникновению эффекта всасывания. Благодаря этому время пребывания воды в емкости 4 для перемешивания становится значительно более продолжительным, чем в случае, если бы выпускное отверстие 8 находилось бы полностью ниже уровня воды. Более продолжительное время пребывания воды в емкости 4 способствует срастанию хлопьев, образующихся внутри этой емкости под воздействием химического коагулянта, что увеличивает эффективность осаждения хлопьев в осадочном резервуаре 12. В предпочтительном случае минимальный объем осадочного резервуара составляет около 15 л.
Наконец, следует упомянуть еще одну конструктивную особенность изобретения, способствующую срастанию хлопьев. Она заключается в том, что дно является плоским по всей своей поверхности или по меньшей мере на некотором участке вокруг выпускного отверстия. Такое исполнение позволяет исключить возможность закупорки выпускного отверстия проходящей через него водой.
Из выпускного отверстия 8 емкости 4 для перемешивания вода вытекает через камеру 9 или расширение в отводной патрубок 10. Отводной патрубок 10 проходит к подающему воду патрубку 11. Конец отводного патрубка 10 располагается по существу выше уровня воды в осадочном резервуаре 12. Наличие воздушного зазора между концом отводного патрубка 10 и уровнем воды в осадочном резервуаре 12 препятствует возникновению эффекта всасывания, который привел бы к быстрому опорожнению емкости 4 для перемешивания. Отводной патрубок 10 и подающий патрубок 11 расположены друг относительно друга таким образом, что вся вода, выходящая из отводного патрубка 10, попадает в подающий патрубок 11. Следовательно, верхний конец подающего патрубка 11 тоже находится выше уровня воды. Конструктивный узел, образованный отводным патрубком 10 и подающим патрубком 11, называется в данной заявке отводным трубопроводом.
Посредством подающего патрубка 11 вода, обработанная химическим коагулянтом, выводится в осадочный резервуар 12 по существу ниже уровня присутствующей в нем воды, т.е. по существу ниже входного отверстия трубы 15, используемой для вывода очищенной воды наружу из осадочного резервуара 12. Это крайне важно для системы, работающей на принципе использования силы тяжести, так как количество воды, выходящей из резервуара, соответствует количеству воды, в него прибывающей. Для обеспечения качественной очистки необходимо, чтобы фосфорсодержащий осадок не выносился из резервуара вместе с выходящей водой. Поскольку вода, поступающая в резервуар, входит в него по существу ниже уровня воды, выпускать из резервуара 12 следует поверхностную воду, которая уже очищена и находится в верхней части резервуара. Что касается выделившегося осадка, то он тяжелее воды и, следовательно, опускается на дно резервуара. Упомянутое выше увеличение продолжительности пребывания воды в емкости 4 для перемешивания снижает интенсивность поступления потока в осадочный резервуар 12. Естественно, что при этом также уменьшается и интенсивность вытекания потока из резервуара. Низкая интенсивность потока представляет собой еще один фактор, снижающий вероятность выноса выделившегося осадка вместе с водой.
В ходе использования предложенного устройства на обычном объекте собственности удается снизить содержание фосфора в сточных водах, проходящих через это устройство, до безопасного уровня 0-1,0 мг/л.