КОМПЛЕКС ДЛЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ И ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
COMPLEX FOR BIOCHEMICAL TREATMENT AND POST-TREATMENT OF WASTE WATER

Предлагаемый для рассмотрения комплекс относится к области биохимической очистки и глубокой доочистки бытовых и близких к ним по составу промышленных сточных вод и может быть использован в небольших населенных пунктах и отдельно расположенных объектах.
Известно устройство в виде установки для очистки сточных вод (патент РФ №32775 на полезную модель), в котором применен принцип биотенка, где за счет использования загрузки, погруженной в зону аэрации, повышается концентрация биомассы. Однако для регенерации загрузки необходимы значительные расстояния между листами загрузки до 10-15 мм и более и пористость загрузки не более 80-85%, что снижает удельную поверхность загрузки и концентрацию прикрепленной биопленки, а следовательно, и производительность установки. Кроме того, загрузка представляет определенное сопротивление циркуляционному потоку жидкости в зоне аэрации, что требует увеличения интенсивности аэрации и соответственно увеличения расхода энергии. Также недостатком рассмотренной установки является невозможность удаления биогенных элементов азота и фосфора, что требует дальнейшей глубокой доочистки сточных вод, и данная установка должна комплектоваться дополнительными сооружениями доочистки.
Известно устройство для биологической очистки сточных вод посредством погружных дисковых биофильтров (биоконтакторов), на которых развивается биопленка и представляющих собой вращающиеся диски, насаженные на одну ось параллельно друг другу и погруженные почти до оси в сточную воду, на них происходит попеременный контакт закрепленной биомассы со сточной водой и атмосферным воздухом («Канализация населенных мест и промышленных предприятий» // Справочник проектировщика / под редакцией В.Н.Самохина - 2-е изд. - М.: Стройиздат, 1981 - стр.223-224).
2
3
Однако эти сооружения характеризуются сложной конструкцией, низкой удельной поверхностью загрузки (50-60 м/м), невысокой эффективностью очистки и низкой производительностью. Они требуют дополнительных сооружений для первичного и вторичного отстаивания, доочистки сточных вод от взвешенных веществ, органических веществ (по БПК) - азота и фосфора.
Известна станция очистки бытовых сточных вод «БИОФЛУИД-Е» (фирма «Fortex»), состоящая из зон отстаивания, биологического реактора с расположенными в его верхней части биодисками, с возможной дополнительной комплектацией устройствами биологической нитрификации и денитрификации.
Станция имеет недостатки, связанные с применением в ее составе дисковых биоконтакторов, которые характеризуются сложностью конструкции, невысокой удельной поверхностью загрузки и низкой скоростью массообменных процессов, и, как следствие, относительно невысокой эффективностью очистки. Для доочистки сточных вод от фосфора станция должна дополняться устройством для дозирования и подачи коагулянта, отсутствуют узлы глубокой доочистки сточных вод от взвешенных веществ, БПК, что также является недостатком станции.
Устройство, предложенное в изобретении по патенту РФ №2113412, предназначено для удаления ионов металлов гальванокоагуляцией посредством загрузки, представляющей собой гальванопары и расположенной внутри вращающейся цилиндрической обечайки, но при высоких концентрациях взвешенных и органических веществ в сточных водах загрузка будет обрастать нерастворимыми веществами и биопленкой, кольматируется, и коагуляция прекращается.
Известно устройство - гальванокоагулятор для очистки сточных вод по патенту РФ №2113412, предназначенное для удаления ионов металлов, но оно не может эффективно работать при высокой концентрации взвешенных и органических веществ в сточных водах, так как загрузка (гальванопары) обрастает биомассой и кольматируется.
Известны гальванокоагуляторы в виде гальванической пары двух металлов или металла и графита для внесения ионов железа с целью связывания фосфатов в нерастворимое вещество - фосфат железа (Коагулятор барабанный. Техническое описание КК 234.00.000 ТО. «Казмеханобр» Алма-Ата, 1985). Они также не могут эффективно работать при высокой концентрации взвешенных и органических веществ в сточных водах. В них со временем происходит обрастание загрузки и процесс коагуляции прекращается.
Рассмотренные выше технические решения применяются для очистки бытовых сточных вод, но каждое по отдельности не обеспечивает по качеству очистки, производительности, энергозатратам, ресурсам возросшие требования к установкам такого типа и требует дополнительных устройств, реагентов и оборудования для доочистки сточных вод.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому комплексу является устройство, приведенное в патенте РФ №2183592, которое включает многосекционные биореакторы в виде аэротенка, каждая секция которых снабжена гальванокоагулятором с подвижным устройством - ворошителем скрапа, помещенным в лоток очищенной жидкости, имеющее насадки из волокнистых полимерных элементов.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, трудности его эксплуатации и низкая надежность, высокие энергозатраты, неспособность переносить перерывы в подаче воздуха и электроэнергии. Также при стационарной загрузке биореакторов и гальванокоагуляторов требуются дополнительные устройства аэрации и ворошения. Кроме того, устройство требует применения сооружений доочистки сточных вод от взвешенных веществ, органических веществ (по БПК) и азота.
Технической задачей предлагаемого для рассмотрения устройства является создание комплекса для очистки сточных вод в виде транспортируемого контейнера, обеспечивающего повышение производительности и эффективности очистки, упрощение конструкции, улучшение условий обслуживания комплекса и повышение надежности его работы, улучшение массообменных процессов и рациональное взаимное расположение отдельных узлов очистной установки, сокращающее протяженность коммуникаций, а также достижение глубокой очистки и доочистки сточных вод от взвесей, растворенной органики, биогенных элементов, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и других загрязнений в одной установке.
Поставленная цель достигается тем, что комплекс для очистки и доочистки сточных вод включает разделенный перегородками на секции и отсеки резервуар, содержащий зону отстаивания, биореакторы с загрузкой для удержания биопленки, гальванокоагуляторы, загрузка которых выполнена в виде гальванической пары, системы коммуникаций для подвода, распределения и отвода сточных вод, выполнен в виде транспортируемого контейнера. Помещенные в комплекс биореакторы выполнены в виде биоконтакторов, представляющих собой вращающиеся барабаны с загрузкой, которые заглублены в очищаемые сточные воды, гальванокоагуляторы выполнены вращающимися, в отсеке вторичного отстаивания размещен фильтр с плавающей загрузкой, а в выходном отсеке комплекса размещены сорбционный фильтр и блок обеззараживания очищенной воды.
Первая ступень комплекса разделена на зону отстаивания, где происходит осветление сточных вод и расположены биореакторы для их биологической очистки. Биореакторы выполнены в виде биоконтакторов, разделенных на зоны денитрификации, окисления и нитрификации, с аноксидной зоной и зоной перегнивания осадка. В этой ступени происходит осветление сточных вод (зона отстаивания), окисление органических загрязнений (зона окисления) и аммонийного азота до нитратов (зона нитрификации), а также восстановление нитратов до молекулярного азота (зона денитрификации) и биологического удаления фосфора (аноксидная зона), а также анаэробное сбраживание выпавшего осадка (зона перегнивания).
В первой ступени комплекса происходит полная биологическая очистка сточных вод до БПК=10-15 мг/л с одновременным снижением концентрации аммонийных солей и общего азота, а также фосфора (до концентрации 1-1,5 мг/л).
Основным элементом первой ступени являются многоступенчатые биореакторы, каждая секция которых выполнена в виде барабанных вращающихся биоконтакторов, загруженных насадкой в виде насыпных элементов, удельная поверхность и пористость которой меняется по ходу очистки жидкости.
Барабанные биоконтакторы проще в конструкции и производительнее, чем дисковые биоконтакторы, позволяют применять различного вида засыпную загрузку, например в виде отрезков труб и других элементов, с разной пористостью и удельной поверхностью. Оптимальный вариант достигается, когда удельная поверхность и пористость загрузки меняется по мере очистки сточных вод; в первых ступенях биореакторов, где высокая концентрация органических загрязнений вызывает быстрый и значительный прирост биомассы, применяется загрузка большей пористости и с меньшей удельной поверхностью с тем, чтобы предотвратить кольматацию загрузки. В последующих ступенях окислителя и в нитрификаторе, где скорость прироста биопленки мала, применяется загрузка с большей удельной поверхностью, чтобы увеличить поверхность контакта биопленки с жидкостью и повысить производительность сооружения.
Для повышения эффективности процесса по ступеням биоконтакторов барабаны биоконтакторов по-разному заглублены под уровень жидкости, в частности, барабаны биоконтакторов в зоне денитрификации и аноксидной зоне заглублены полностью под уровень жидкости, так как в этих зонах не требуется аэрация загрузки. В секциях окисления и нитрификации, где необходима аэрация загрузки, барабаны биоконтакторов при вращении заглублены в жидкость лишь частично, а незатопленная часть загрузки аэрируется.
Барабаны биоконтакторов выполнены также с возможностью изменять скорость их вращения, в частности, повышение скорости вращения биоконтакторов в анаэробных зонах позволяет интенсивнее смывать с загрузки отмирающую биопленку, а в аэробных зонах - повышать интенсивность аэрации в соответствии с процессом очистки.
Предложенный для рассмотрения комплекс поясняется фигурами.
Фиг.1 - общая схема комплекса.
Фиг.2 - продольный разрез I-I.
Фиг.3 - продольный разрез II-II.
Фиг.4 - поперечный разрез III-III.
На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - резервуар,
2 - подача сточных вод,
3 - отстойная зона,
4 - анаэробный биореактор (денитрификатор),
5 - аноксидная зона,
6 - окислитель,
7 - нитрификатор,
8 - гальванокоагулятор,
9 - фильтр с плавающей загрузкой,
10 - сорбционный фильтр,
11 - установка УФ-обеззараживания,
12 - отвод очищенной воды,
13 - перегородки,
14 - зона перегнивания,
15 - трубопроводы отвода осадка.
Предлагаемый для рассмотрения комплекс для очистки и доочистки сточных вод работает следующим образом.
Исходные сточные воды поступают по трубе 2 в отстойную зону 3 резервуара 1 (фиг.1, 2 и 3), где подвергаются при нисходяще-восходящем движении потока жидкости первичному отстаиванию и освобождаются от взвешенных веществ. Осветленная вода поступает в анаэробный биореактор, выполняющий роль денитрификатора 4, затем последовательно в аноксидную зону 5, окислитель 6 и нитрификатор 7, в каждом из которых установлены барабанные вращающиеся биоконтакторы с загрузкой. В окислителе 6 происходит биологическая очистка воды, в нитрификаторе 7 - окисление аммонийных солей до нитратов.
Часть очищаемых сточных воды после нитрификатора 7 направляется в гальванокоагулятор 8, а часть - подается в отстойную зону 3 и далее вместе с исходной водой поступает в анаэробный биореактор - денитрификатор 4, где происходит восстановление нитратов до молекулярного азота. Очищенная вода из нитрификатора 7 направляется на доочистку сначала в гальванокоагулятор 8, затем в отсек вторичного отстаивания с фильтром с плавающей загрузкой 9, а затем в сорбционный фильтр 10 и узел обеззараживания 11, расположенные в выходном отсеке.
Очищенная вода после узла обеззараживания 11 по трубе 12 отводится из комплекса. Выпадающий осадок подвергается анаэробному сбраживанию в зоне перегнивания 14 (фиг.3, 4).
Выпавший осадок отводится по трубопроводам 15 в зону перегнивания 14 и после сбраживания удаляется и используется как органическое удобрение (фиг.4).
В денитрификаторе 4 происходит восстановление нитратов до молекулярного азота, который затем при аэрации удаляется в атмосферу. Из денитрификатора 4 очищаемые воды поступают в аноксидную зону 5, где происходит биологическое удаление фосфора. В биоконтакторах (денитрификаторе 4, аноксидной зоне 5, окислителе 6 и нитрификаторе 7) описанной части комплекса происходит полная биологическая очистка сточных вод до БПК=10-15 мг/л с одновременным снижением концентрации аммонийных солей и общего азота, а также фосфора до концентрации 1-1,5мг/л.
Удельная поверхность загрузки в биоконтакторах увеличивается по мере очистки сточных вод. В денитрификаторе 4 и в аноксидной зоне 5, где высокая концентрация органических загрязнений вызывает быстрый и значительный прирост биомассы, применяется загрузка большей пористости и с меньшей удельной поверхностью с тем, чтобы предотвратить ее кольматацию. В окислителе 6 и нитрификаторе 7, где скорость прироста биопленки мала, применяется загрузка с большей удельной поверхностью, чтобы увеличить поверхность контакта биопленки с жидкостью и повысить производительность сооружения.
Для более эффективного проведения процесса очистки барабаны биоконтакторов установлены с возможностью разного их заглубления в жидкость, так, в секции денитрификации 4 и аноксидной зоне 5 они заглублены полностью под уровень очищаемых вод, так как в этих зонах не требуется аэрация загрузки. В секциях окисления 6 и нитрификации 7, где необходима аэрация загрузки, барабаны биоконтакторов заглублены частично (в секции окисления - на 20-50%, а в секции нитрификации - на 40-60%), а незатопленная часть загрузки аэрируется (фиг.4). Барабаны биоконтакторов 4, 5, 6 и 7 выполнены также с возможностью изменять скорость их вращения, в частности, повышение скорости вращения биоконтакторов в анаэробных зонах позволяет интенсивнее смывать с загрузки отмирающую биопленку, а в аэробных зонах - повышать интенсивность аэрации в соответствии с процессом очистки.
Гальванокоагулятор 8 выполнен в виде вращающегося барабана, оборудованного внутренними перегородками, с загрузкой в виде гальванической пары двух металлов или металла и графита, в частности, загрузка барабанного вращающегося гальванокоагулятора может быть выполнена из железной стружки и антрацита (фиг.2). Применение гальванокоагуляции вместо реагентной коагуляции позволяет проводить очистку воды без применения специальных реагентов (коагулянтов).
Расположение гальванокоагулятора 8 между биоконтакторами 4, 5, 6, 7 и блоком доочистки 9, 10, 11 в предлагаемом комплексе позволяет уменьшить вынос металла (железа) для достижения требуемого эффекта очистки по фосфатам и органическим веществам, уменьшить объемы сооружений и специальных устройств и тем самым уменьшить эксплуатационные затраты на обслуживание установки. Перегородки в гальванокоагуляторе 8 при его вращении служат для перемешивания загрузки с целью ее активации.
В зонах фильтрования 9 и сорбции 10 комплекса осуществляется глубокая доочистка сточных вод от взвесей, растворенной органики, биогенных элементов, нефтепродуктов, ПАВ и других загрязнений, что позволяет достигать высокого качества очищенной воды, позволяющей сбрасывать ее в рыбохозяйственные водоемы, использовать повторно в промышленности или для орошения.
Размещение гальванокоагулятора 8, фильтра с плавающей загрузкой 9, сорбционного фильтра 10 и узла обеззараживания в одном блоке позволяет существенно уменьшить протяженность коммуникаций по подаче и отводу очищаемой воды на каждую стадию обработки, сокращает количество распределительных и сборных устройств, снижает объем нерабочих (застойных и водоворотных) зон, уменьшает стоимость установки, упрощает ее эксплуатацию. Данный комплекс был разработан, собран и испытан на Волгоградском заводе оросительной техники. Экспериментальным путем была установлена оптимальная глубина погружения биоконтакторов в секциях денитрификации, окисления и нитрификации. Более высокие показатели по производительности комплекса и качеству очистки были получены, если:
барабаны биоконтакторов в секции денитрификации заглублены полностью,
барабаны биоконтакторов в секции окисления заглублены на (20-50)%,
барабаны биоконтакторов в секции нитрификации заглублены на (40-60)%.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты испытаний комплекса на бытовых сточных водах
Показатели
Средние концентрации загрязнений, мг/л
Исходные сточные воды
Очищенные сточные воды
Взвешенные вещества
320
3,0
БПК<sub>5</sub>
210
3,0
ХПК
380
10,0
Азот аммонийный
16
0,5
Азот общий
42
4,8
Фосфор общий
3,2
0,62
Нефтепродукты
0,4
0,05
ПАВ
8
0,0
Испытания экспериментальной установки в производственном масштабе показали, что глубина очистки сточных вод по БПК, СПАВ, нефтепродуктам, азоту и фосфору увеличивается на 15-40%, качество очищенных сточных вод отвечает самым высоким требованиям, одновременно сокращается объем сооружений на 15-20% и протяженность коммуникаций. Повышается надежность работы установки, отпадает необходимость в воздуходувках и затратах электроэнергии на подачу воздуха. Производственный цикл установки не нарушается при перерывах в электроснабжении. Очищенная вода после обработки на установке может быть использована для орошения сельскохозяйственных полей или сброшена в водоемы любой категории.
Таким образом, предложенный комплекс позволяет достигать нормативного качества очищенных сточных вод для сброса их в рыбохозяйственные водоемы или использовать повторно в промышленности и для орошения.
Из вышесказанного следует, что изготовление данного комплекса промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Заявитель просит рассмотреть представленные материалы на предмет выдачи патента на изобретение.