Блок биологической очистки сточных вод (варианты) и вторичный отстойник, использующийся в этом блоке (варианты)
BLOCK OF BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT (OPTIONS) AND SECONDARY SUMP USED IN THIS UNIT (OPTIONS)

Предлагаемая группа изобретений относится к устройствам биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод городов, населенных пунктов и близких к ним по составу сточных вод, касается вариантов блока биологической очистки сточных вод и вторичного отстойника, использующегося в этом блоке, которая может быть использована при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод путем их полного биологического окисления с последующей доочисткой и обеззараживанием очищенной воды в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормами, правилами и иными нормативными документами, действующими на территории Российской Федерации.
Очистные сооружения сточных вод включают в себя комплекс сооружений, которые условно можно обозначить блоками, последовательно решающими различные задачи. Классически это:
- блок механической очистки (решетки, песколовки, первичные отстойники);
- блок биологической очистки;
- блок доочистки;
- блок обеззараживания;
- блок обработки осадка.
Результатом социальной жизни человека в населенных пунктах и его хозяйственно-производственной деятельности неизбежно является образование сточных вод и, как следствие, сосредоточенного накопления органических веществ в них.
Под термином «органическое вещество» подразумевается продукт жизнедеятельности живого организма, а в частности, человека. Но при этом необходимо понимать, что сложнейшие органические соединения могут образовываться и вне организма. В дальнейшем сохраняем привычный термин «органические вещества», как равнозначный углеродистым соединениям. Наличие в сточной воде органического вещества, обеспечивает рост и размножение биологических объектов (микробов, плесневых грибов, вирусов и т.д.), что является причиной массового развития патогенных организмов. Таким образом, органическое вещество, загрязняющее воду, мы вправе рассматривать как причину обильного заселения микроорганизмами, следствием жизнедеятельности которых являются распад и стабилизация органического вещества, приводящие к устранению его «загрязняющих свойств».
Все процессы микробиального характера, т.е. связанные с жизнедеятельностью микробов (бактерий, дрожжей, плесневых грибов, низших водорослей, а также низших представителей водной фауны таких, как инфузории, жгутиковые, корненожки), протекают в блоке биологической очистки сточных вод. В блоке биологической очистки проходят сложные технологические процессы обезвреживания сточных вод для уничтожения присущих им вредных свойств, преследующих цель - получить из сточной жидкости воду, не искажающую свойств природного водоема. Таким образом сточная вода - сырье для производства воды, по качеству и другим характеристикам, сопоставимой с речной водой или иного водоема.
Сточные воды - это производственное сырье, очень разнохарактерное по своему составу и свойствам. Основной фон сточных вод составляет водопроводная вода (из поверхностного водоема или подземных источников), сама по себе разнообразная по составу и участвующая как средство транспорта загрязнений и их растворитель с широким диапазоном концентраций.
Рассмотрим существующие на рынке современные комплексы оборудования по очистке коммунальных и смешанных сточных вод с применением различных технологий.
Известен способ сепарирования суспензии, в частности для обработки сточных вод [RU 2316482 С2, кл. C02F 1/52, B01D 21/08, опубл. 10.02.2008 г.], в котором флокулирующую суспензию отделяют от жидкости путем фильтрации в псевдоожиженном слое ила, имеющего по существу наклонную наружную границу, при этом суспензия сгущается, а псевдоожижение поддерживают восходящим потоком жидкости, при этом жидкость с суспензией вводят в псевдоожиженный слой снизу, а свободную от суспензии жидкость выводят над поверхностью слоя ила, представляющей собой поверхность раздела между псевдоожиженным слоем и свободной от суспензии жидкостью, и сгущенную суспензию удаляют из псевдоожиженного слоя, причем скорость восходящего потока в псевдоожиженном слое уменьшают по существу по направлению вверх, отличающийся тем, что излишек сгущенной суспензии удаляют по наклонной наружной границе псевдоожиженного слоя от плотных потоков сгущенной суспензии, опускающихся вдоль наклонной наружной границы псевдоожиженного слоя, причем выше уровня удаления излишка сгущенной суспензии создают псевдоожиженный слой в виде частично псевдоожиженного слоя ила, где образуются агломераты хлопьев сгущенной суспензии, которые опускаются вдоль наклонной наружной границы к участку удаления, а ниже уровня удаления создают псевдоожиженный слой в виде полностью псевдоожиженного слоя ила, где поток жидкости с суспензией распределяется в частично псевдоожиженный слой ила.
Известно оборудование для очистки сточных вод [RU 2349554 С2, кл. C02F 3/12, C02F 9/00, опубл. 20.03.2009 г.], содержащих органические загрязнители, в особенности муниципальных сточных вод и/или сточных вод пищевой промышленности, содержащее основной реактор и предшествующий реактор, а также средства для подачи неочищенных сточных вод, удаления очищенной воды и ила и аэрации сточных вод, поступивших в основной реактор, и смеситель, размещенный в предшествующем реакторе, при этом основной реактор и предшествующий реактор отделены друг от друга разделяющей стенкой, а между основным реактором и предшествующим реактором расположено, по меньшей мере, одно устройство для рециркуляции сточной воды, отличающееся тем, что упомянутое устройство содержит U-образный участок трубы, снабженный рукавами для рециркуляции, причем один рукав U-образного участка трубы расположен в предшествующем реакторе, другой рукав U-образного участка трубы расположен в основном реакторе, и они отделены друг от друга разделяющей стенкой, нижний конец одного рукава и нижний конец другого рукава соединены с трубой, проходящей сквозь разделяющую стенку, а их верхние концы расположены на высоте, соответствующей минимальному уровню воды, определенному для данного реактора; воздухопровод с концевым фитингом, выполняющий функцию эрлифта, соединен с другим рукавом U-образного участка трубы, расположенным в основном реакторе; причем в верхней части разделяющей стенки на максимальном уровне предшествующего реактора расположено переливное отверстие, обеспечивающее рециркуляцию.
Известна установка очистки хозяйственно-бытовых сточных вод [RU 2537611 С2, кл. C02F 9/14, C02F 3/30, C02F 1/44, C02F 103/20, опубл. 10.01.2015 г.], содержащая гидравлически последовательно соединенные отстойник-усреднитель, анаэробный блок, аноксидный блок, оксидный блок, блок мембранной фильтрации, а также вспомогательное оборудование, включающее насосное оборудование, трубопроводы, запорную арматуру, систему подачи воздуха, по крайней мере одно аэрирующие устройство, отличающаяся тем, что отстойник-усреднитель содержит устройство приема исходной, сточной воды; а анаэробный блок выполнен с возможностью подачи в него возвратного активного ила вместе со сточной водой из оксидного блока; оксидный блок выполнен с возможностью подачи в него возвратного ила из мембранного блока и снабжен аэрирующим устройством; блок мембранной фильтрации снабжен аэрирующим устройством и вакуумным устройством отвода очищенной воды на сброс.
Известна установка для биологической очистки бытовых канализационных стоков посредством активированного ила во взвешенном состоянии [RU 2416575 С2, кл. C02F 3/00, опубл. 20.04.2011 г.], содержащая технологические отсеки, в том числе уравнительный отсек с подводом сточных вод, активационные отсеки, вторичный отстойник, аэрлифты и отсек минерализации ила, аэраторы и отвод очищенной воды в выпускной патрубок, отличающаяся тем, что уравнительный отсек оборудован устройством для задержания песка, выполненным в виде закрепленной сплошной вставки, образующей с соседними перегородками отстойник-призму с горизонтальным переливом на высоте рабочего уровня жидкости, и наклонной решетки от горизонтального перелива до противоположной стенки для улавливания крупных гибких предметов, вторичный отстойник содержит наклонную перегородку для удаления пузырьков воздуха и жира из стоков, поступающих из активационного отсека, а также содержит отверстие для перетекания жировой пленки в активационный отсек, при этом наклонная перегородка образует придонное отверстие для перетекания стоков после удаления пузырьков и жира во вторую часть вторичного отстойника для отстаивания и слива очищенной воды через выпускной патрубок очищенной воды, отсек минерализации ила содержит навесной мусоросборник в виде съемной сетчатой корзины и переливное отверстие в уравнительный отсек, а указанные аэраторы выполнены в форме линейных конструкций, проточных для воздуха до последовательно соединенного воздуховодом указанного аэрлифта, установленного во вторичном отстойнике, при этом отсеки уравнительный, активационные, вторичный отстойник соединены придонными отверстиями, кроме того, крепление аэраторов выполнено за подводящие воздуховоды на стенках отсеков с помощью упоров и пластин с пазами.
Известен способ биологической очистки сточных вод с переработкой выделенных осадков [RU 2570546 С2, кл. C02F 3/02, C02F 3/32, C02F 9/10, C02F 9/14, опубл. 10.12.2015 г.], включающий процеживание воды для выделения механических примесей, отстаивание для удаления из сточных вод песка, усреднение расходов сточных вод по часам суток и дальнейший отвод сточных вод на отстаивание сточных вод, обработанных флокулянтом в первичные отстойники, для выделения основной массы взвешенных веществ и частично растворенных органических примесей, денитрификацию нитратов возвратного активного ила, в биореакторах аноксидного типа, оснащенных ершовой насадкой для удерживания биоценоза бактерий анаммокс, нитрификацию аммонийного азота в двухступенчатых биореакторах, оснащенных ершовой насадкой, отстаивание иловых смесей в тонкослойных вторичных отстойниках, рециркуляцию возвратного активного ила в денитрификаторы, доочистку сточных вод в биореакторах, снабженных ершовой насадкой, с биоценозом гидробионтов, включающим моллюски, связывание фосфатов реагентами, фильтрацию дочищаемых сточных вод, обеззараживание очищенных вод УФ облучением или добавкой реагентов, обезвоживание выделенных в первичных отстойниках сырых осадков и избыточного активного ила, отводящегося после реагентной обработки на сгущение в илоуплотнители, характеризующийся тем, что для переработки, обезвоживания и обеззараживания обезвоженных осадков и снижения их влажности используют компостеры в виде вращающихся барабанов с продолжительностью компостирования в течение не более 5 суток при достижении температуры в компостерах 80°C и добавку перед компостированием в обезвоженные осадки наполнителя из измельченных отходов растительности или пищевых отходов при размещении компостеров в помещении воздуходувной и задействуют при компостировании горячий воздух напорных воздуховодов в качестве источника кислорода для термофильных аэробных микроорганизмов компостирования.
Известен способ обработки сточных вод с получением очищенной воды и обезвреженных отходов [RU 2475458 С2, кл. C02F 9/14, опубл. 20.02.2013 г.], включающий процеживание сточных вод в решетках, механическую очистку в песколовках, промывку, прессование и сушку отбросов с решеток и песколовок, выравнивание расходов сточных вод по часам суток за счет резервуаров усреднителей расходов, биологическую очистку сточных вод в ступенчатых биореакторах нитри-денитрификации с рециркуляцией активного ила и биоценозов, прикрепленных на волокнистой ершовой насадке, доочистку сточных вод в фильтрационных устройствах с волокнистой ершовой насадкой, зернистым антрацитом и дозированием реагентов для связывания фосфатов в нерастворимые вещества и задержания нерастворимых взвешенных веществ, выделение во вторичных тонкослойных отстойниках возвратного и избыточного активного ила, реагентную обработку активного ила и обезвоживание совместно с осадком, выделенным из регенерационных и промывных вод доочистки, обеззараживание доочищенной воды облучением ультрафиолетовыми лучами, сушку и обеззараживание обезвоженных осадков, отличающийся тем, что вентиляционный воздух от сооружений механической очистки сточных вод подают посредством воздуходувок на ступень высокоскоростной аэробной биологической очистки сточных вод сообществом органогетеротрофов, прикрепленных на ершовой насадке и в составе свободноплавающего активного ила, выделяющийся из биореакторов денитрификации отработанный воздух другой группой воздуходувок нагнетается в биореакторы нитрификации, а выделяющийся из биореакторов нитрификации отработанный воздух пропускается через систему устройств электрокаталитического обеззараживания и обезвреживания перед выпуском в систему отвода обезвреженного воздуха в окружающую воздушную среду, высушенные при температуре 240°C до влажности 25% и обеззараженные и охлажденные до 40°C отходы из отбросов и осадков сточных вод фасуются и упаковываются в герметичные блок-пакеты, транспортируются в места складирования или утилизации.
Известна станция биологической очистки сточных вод [RU 2572329 С2, кл. C02F 9/14, C02F 3/30, опубл. 20.02.2013 г.], содержащая производственное здание, размещенное внутри здания технологическое оборудование, в том числе усреднитель-анаэробный реактор, аэротенк-нитрификатор снабжен плавающей загрузкой для иммобилизации нитрифицирующей биомассы, пневматической системой аэрации и отстойником-осветлителем, денитрификатор, а также усреднитель-анаэробный реактор снабжен теплообменником для поддержания температуры сточных вод не ниже 22°С; денитрификатор снабжен мешалкой для поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии, а аэротенк-нитрификатор разделен с денитрификатором полупогруженной перегородкой для осуществления циркуляции иловой смеси; причем станция снабжена блоком приготовления и дозирования коагулянта, биофильтром доочистки, на дне которого уложены дисковые аэраторы; напорными сорбционными фильтрами, которые установлены с возможностью промывки очищенной водой; установкой ультрафиолетового обеззараживания; установкой дозирования биогенных элементов для обеспечения стабильной очистки; воздуходувками для обеспечения воздухом технологического процесса очистки сточных вод; эрлифтом для перекачивания обеззараженного осадка в фильтр-мешок на обезвоживание.
Использование указанной станции в качестве прототипа для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод нецелесообразно, поскольку входящий в ее состав усреднитель-анаэробный реактор относится к сооружениям для анаэробной обработки сточных вод и применяется для очистки высококонцентрированных стоков, как правило, относящихся к категории промышленных сточных вод.
Недостатком вышеуказанной станции биологической очистки сточных вод, прототипа, является то, что данная технология является не достаточно гибкой, обладает строго ограниченным инструментарием, а именно набором применяемых методов и оборудования и, как следствие, может быть использована только для узкого спектра стоков, а также не подлежит модернизации, что очень важно при проектировании очистных сооружений в большей степени определяющим фактором при разработке которых являются характеристики сточных вод, поступающих на обработку.
В задачу группы изобретения положено создание вариантов блока биологической очистки сточных вод и вторичного отстойника, использующегося в этом блоке, устраняющего все вышеописанные недостатки.
Техническим результатом является упрощение конструкции, увеличение срока эксплуатации, повышение безопасности и качества очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, возможность настройки и дооснащения, исходя из параметров сточных вод, поступающих на очистку.
Для обеспечения требуемых показателей очищенной воды при заданном расходе и качестве поступающих сточных вод на стадии биологической очистки реализуются следующие процессы:
- аэробное окисление органических соединений;
- аэробное окисление аммонийного азота до нитритов и, далее, до нитратов в ходе процесса нитрификации;
- аноксидное окисление органических соединений в ходе процесса денитрификации;
- восстановление нитратов до газообразного азота в ходе процесса денитрификации;
- илоразделение.
Процесс очистки сточных вод от органических соединений в биологических очистных сооружениях основан на биологической деструкции (окислении) растворенных и нерастворенных органических соединений саморегулирующимся консорциумом различных микроорганизмов (активным илом). Для создания оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов активного ила и перемешивания образованной им с водой иловой смеси, по аэрационной системе (турбонагнетатели, воздуховоды, аэраторы) подается воздух. Процесс биологической очистки сточных вод основан на способности биоценоза организмов использовать растворенные и коллоидные органические вещества сточных вод в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности.
Расходование питательных ресурсов бактериальной клеткой происходит в двух направлениях: на прирост клеточной биомассы и на получение необходимой энергии. Наряду с этим существует и третье направление - внутриклеточное дыхание или эндогенная респирация, приводящая к окислению клеточного материала. Показатель биологического окисления (БПК) отражает наличие в воде источника углеродного питания, который окисляется до диоксида углерода. Белковый азот в результате аммонификации разлагается до аммонийного, который и используется при очистке сточных вод в качестве источника азота. Наиболее интенсивно азот потребляется в период роста клеток, а в период их распада высвобождается в виде аммиака, окисляясь затем до нитратов и нитритов. Процесс описывается следующими уравнениями:
Окисление органического вещества:
Синтез биомассы:
Окисление клеточной биомассы:
,
где (), () - эмпирические формулы соответственно органических загрязнений, и бактериальной клетки;
x, y, z - стехиометрические коэффициенты, зависящие от вида загрязнения.
Эти процессы протекают в сооружении практически одновременно, но прирост активного ила за счет окисления органики превышает самоокисление. Скорость прироста регулируется возрастом активного ила, то есть временем его пребывания до полного обновления в сооружениях аэрации. По скорости окисления различают легко- и трудноокисляемую органику. Легкоокисляемая органика в результате жизнедеятельности биоценоза аэротенков окисляется до углекислого газа и воды, трудноокисляемая органика частично окисляется, частично идет на синтез бактериальной биомассы. Общее содержание растворенной и коллоидной органики в сточной воде описывается количеством кислорода, необходимым для ее химического окисления (ХПК). Содержание легкоокисляемой органики описывается количеством кислорода, необходимым для ее биологического окисления (БПК). Биологическим путем обрабатываются, подвергаясь полной или частичной деструкции, многие виды органических загрязнений городских и производственных сточных вод. Однако в сточных водах иногда присутствуют и такие вещества, которые при этом практически не окисляются:
- некоторые углеводороды,
- сложные эфиры,
- «жесткие» синтетические поверхностно-активные вещества,
- красители и др.
Кроме основных элементов состава бактериальной клетки (C, N, O, H) для ее построения необходимы также определенные количества фосфора, калия и других элементов. Органические загрязнения сточных вод обычно находятся в растворенном, коллоидном и нерастворенном состояниях. Микроорганизмы могут использовать питательные вещества только в виде молекул-мономеров, находящихся в водном растворе.
Микроорганизмы усваивают вещества из водных растворов, а потому все твердые вещества, а также молекулы больших размеров предварительно превращаются в низкомолекулярные соединения под влиянием гидролитических ферментов. Углеводы предварительно переводятся в сахар, белки - в аминокислоты, жиры - в жирные кислоты и глицерин, иными словами, полимерные материалы, включая и синтетические, вначале вне клетки, но с участием ее экзоферментов переводятся в мономеры. Микроорганизмы для своего роста и развития должны получать все необходимые элементы: основные органогены - С, Н, О, N, зольные элементы и микроэлементы. По отношению к источнику углерода все микроорганизмы делятся на гетеротрофы, автотрофы и промежуточные гетеротрофы.
2
Гетеротрофы усваивают углерод из готовых органических соединений, автотрофы ассимилируют СО из воздуха и карбонатов, а промежуточные гетеротрофы обладают способностью использовать оба механизма усвоения углерода. Бактерии илов очистных сооружений в основном относятся к гетеротрофам. Автотрофами являются бактерии-нитрификаторы, которые усваивают углерод за счет энергии химической реакции процесса нитрификации аммонийного азота.
Поставленная задача достигается тем, что блок биологической очистки сточных вод по первому варианту содержит корпус, разделенный перегородками на несколько технологических зон, в котором выполнены зона денитрификации, зона деоксидации, зона аэрации, вторичный отстойник, зона сбора избыточного и циркулирующего активного ила, при этом в нижней части перегородки, разделяющей зону денитрификации и зону аэрации, выполнены отверстия для обеспечения перетока очищаемых вод из одной зоны в другую, в верхней части перегородки, разделяющей зону денитрификации и зону деоксидации, выполнено отверстие со вставкой, направляющей поток, по центру зоны денитрификации установлена перегородка для создания кругового потока воды, в зону денитрификации проведен трубопровод для подачи сточных вод, в зоне аэрации установлены аэраторы, в зоне сбора избыточного и циркулирующего активного ила установлено перекачивающее устройство циркулирующего активного ила, в зоне денитрификации, зоне деоксидации и во вторичном отстойнике установлены осевые насосы; корпус выполнен в виде прямоугольной емкости заглубленного, полузаглубленного, или наземного исполнения, из железобетона, полимерного материала, или из нержавеющей стали; в качестве перекачивающего устройства циркулирующего активного ила используется эрлифт или насос; во вторичном отстойнике установлены аэраторы.
Поставленная задача достигается также тем, что блок биологической очистки сточных вод по второму варианту содержит корпус, разделенный перегородками на несколько технологических зон, в котором выполнены зона денитрификации, зона аэрации, вторичный отстойник, зона сбора избыточного и циркулирующего активного ила, при этом в нижней части перегородки, разделяющей зону денитрификации от зоны аэрации, выполнены отверстия для обеспечения перетока очищаемых вод из одной зоны в другую, в верхней части перегородки, разделяющей зону денитрификации и вторичный отстойник, выполнено отверстие со вставкой, направляющей поток, по центру зоны денитрификации установлена перегородка для создания кругового потока воды, в зону денитрификации проведен трубопровод для подачи сточных вод, в зоне аэрации и вторичном отстойнике установлены аэраторы, в зоне сбора избыточного и циркулирующего активного ила установлено перекачивающее устройство циркулирующего активного ила, в зоне денитрификации установлены осевые насосы; корпус выполнен в виде прямоугольной емкости заглубленного, полузаглубленного, или наземного исполнения, из железобетона, полимерного материала, или из нержавеющей стали; в качестве перекачивающего устройства циркулирующего активного ила используется эрлифт или насос; во вторичном отстойнике установлены аэраторы.
Поставленная задача достигается также тем, что в первом варианте вторичный отстойник выполнен в виде прямоугольной емкости, с двух сторон которой в верхней части сформированы лотки для подачи сточных вод и лотки для отведения биологически очищенной, осветленной воды, внутри вторичного отстойника под наклоном друг к другу выполнены направляющие перегородки с бункерами для активного ила, соединенные с лотками для отведения осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки, бункеры для активного ила соединены с трубопроводом для отведения активного ила, лотки для отведения осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки, соединены с трубопроводом для отведения осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки, на дне емкости установлены осевые насосы; емкость с лотками для подачи сточных вод, с лотками для отведения осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки, направляющими перегородками с бункерами для активного ила выполнены в виде единой конструкции; направляющие перегородки расположены под углом 550-600.
Поставленная задача достигается также тем, что во втором варианте вторичный отстойник выполнен в виде прямоугольной емкости, с двух сторон которой в верхней части сформированы лотки для подачи сточных вод и лотки для отведения биологически очищенной, осветленной воды, внутри вторичного отстойника под наклоном друг к другу выполнены направляющие перегородки с бункерами для активного ила, соединенные с лотками для отведения осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки, бункеры для активного ила соединены с трубопроводом для отведения активного ила, лотки для отведения осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки, соединены с трубопроводом для отведения осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки, на дне емкости установлены аэраторы; емкость с лотками для подачи сточных вод, с лотками для отведения осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки, направляющими перегородками с бункерами для активного ила выполнены в виде единой конструкции; направляющие перегородки расположены под углом 550-600.
Вторичный отстойник во втором варианте отличается от вторичного отстойника, рассматриваемого в первом варианте тем, что вместо осевых насосов, расположенных на дне емкости размещены аэраторы. Назначение осевых насосов и аэраторов - не допустить выпадение активного ила на дне вторичного отстойника и поддерживать его во взвешенном состоянии. Первый и второй варианты являются взаимозаменяемыми и определяются в зависимости от конкретных условий. Например, ограниченное количество электрической мощности для подключения осевых насосов, или недостаточная мощность воздуходувок обеспечивающих подачу воздуха в аэраторы, и как следствие этого невозможность установки дополнительных аэраторов.
На фиг. 1 представлен чертеж первого варианта блока биологической очистки, где: а - вид сверху; б - разрез А-А; в - разрез Б-Б.
На фиг. 2 представлен чертеж второго варианта блока биологической очистки, где: а - вид сверху; б - разрез А-А; в - разрез Б-Б.
На фиг. 3 представлен чертеж первого варианта вторичного отстойника.
На фиг. 4 представлен чертеж второго варианта вторичного отстойника.
На фиг. 5 представлено фото пилотной установки блока биологической очистки, реализованный на очистных сооружениях сточных вод населенного пункта.
В структурной и конструкторской схемах предлагаемого изобретения, представленных на фиг. 1-5 введены следующие обозначения:
1 - корпус;
2 - перегородки;
3 - вставки, направляющие поток;
4 - зона денитрификации;
5 - перегородка для создания циркулирующего потока воды;
6 - трубопровод для подачи сточных вод;
7 - зона деоксидации;
8 - зона аэрации;
9 - аэраторы;
10 - вторичный отстойник;
11 - лотки для подачи сточных вод;
12 - лотки для отведения биологически очищенной, осветленной воды;
13 - направляющие перегородки;
14 - бункеры для сбора активного ила;
15 - зона осаждения со взвешенным слоем осадка;
16 - трубопровод для отведения активного ила;
17 - трубопровод для отведения биологически очищенной, осветленной воды;
18 - зона сбора избыточного и циркулирующего активного ила;
19 - перекачивающее устройство циркулирующего активного ила (эрлифт или насос);
;
20 - осевые насосы
21 - перекачивающее устройство избыточного активного ила (насос).
Корпус 1 блока биологической очистки представляет собой прямоугольную емкость заглубленного, полузаглубленного или наземного исполнения, который в зависимости от технологических, планировочных и объемно-конструктивных решений может быть выполнен из различных материалов, например, таких как железобетон, полимерный материал, нержавеющая сталь.
В процессе очистки сточных вод последовательно проводятся различные технологические операции, для обеспечения которых корпус 1 разделен перегородками 2, выполненными, например, из полимерных материалов или из нержавеющей стали, на несколько технологических зон.
В первом варианте в корпусе 1 размещены зона денитрификации 4, зона деоксидации 7, зона аэрации 8, вторичный отстойник 10, зона сбора избыточного и циркулирующего активного ила 18.
Во втором варианте в корпусе 1 размещены зона денитрификации 4, зона аэрации 8, вторичный отстойник 10, зона сбора избыточного и циркулирующего активного ила 18.
В нижней части перегородок 2, отделяющих зоны 4 и 8, 7 и 8 (первый вариант), 4 и 8 (второй вариант) выполнены отверстия для обеспечения перетока очищаемых вод из одной зоны в другую. Также в верхней части перегородок 2, отделяющих зоны 4 и 7 (первый вариант) и 4 и 10 (второй вариант) выполнено отверстие со вставкой 3, направляющей поток жидкости.
Соотношение объемов зон определяется расчетом в зависимости от химического состава, количества и режима поступления сточных вод от населенного пункта или другого объекта. Во втором варианте блока биологической очистки зона деоксидации 7 отсутствует.
Зона денитрификации предназначена для создания условий обеспечивающих прохождение процессов денитрификации как одного из этапов процесса биологической очистки сточных вод.
2
Процесс денитрификации представляет собой окисление органических веществ связанных кислородом нитратов, в результате чего нитраты переходят в молекулярный азот. Бактерии-денитрификаторы являются гетеротрофами и представляют группу факультативных анаэробов, т.е. при наличии кислорода они предпочитают его в качестве окислителя. Денитрификация является процессом, сходным с аэробным дыханием (окислением), отличающимся тем, что акцептором электронов в нем является не молекулярный кислород, а кислород нитратов (аноксидные условия). При этом происходит диссимиляционное восстановление нитратов до молекулярного азота (в некоторых случаях - до NO) и окисление органического вещества до углекислоты.
Процесс денитрификации проходит по следующей схеме:
2
2
2
Конечными продуктами процесса денитрификации могут быть либо NO, либо NO, либо N, в зависимости от рН. При рН<7,3 вероятно образование NO. Однако обычно, при рН=6,5-8,5, что характерно для хозяйственно-бытовых сточных вод, процесс проходит до молекулярного азота.
Скорость процесса денитрификации зависит от следующих факторов:
- температура сточной воды;
- рН среды;
- количество и фракционный состав органических соединений;
- концентрация растворенного кислорода.
Температура сточных вод более явно влияет на процесс денитрификации, чем на аэробное окисление органических веществ. Скорость процесса денитрификации описывается кривой с максимумом при 37-39°С.
Величина рН не только влияет на скорость процесса, но и определяет состав конечных продуктов восстановления нитратов. Оптимум рН для процесса денитрификации находится в пределах 7,0-8,5. Денитрификация, в противоположность нитрификации, увеличивает щелочность среды и вызывает увеличение рН среды в зависимости от буферной емкости среды.
Количество и фракционный состав органических соединений, поступающих со сточной водой, является определяющим фактором реализации процесса денитрификации. При эксплуатации сооружений, работающих по технологии нитри-денитрификации, необходимо обеспечить проектное количество органических веществ, поступающих в аноксидную зону со сточными водами. При низких концентрациях органических соединений, поступающих со сточными водами, необходимо дозирование внешнего источника углерода (метанола, этанола, глюкозы, сахарозы, мелассы и др.).
Концентрация растворенного кислорода является необходимым показателем технологического контроля процесса денитрификации. Кислород ингибирует процесс денитрификации, так как в присутствии кислорода микроорганизмы-денитрификаторы переключаются с нитратного на аэробное окисление органических соединений. Для очистных сооружений, работающих на городских сточных водах, максимальная концентрация растворенного кислорода в зоне денитрификации не должна превышать 0,15 мг/л.
Денитрификация представляет собой процесс роста гетеротрофных микроорганизмов при отсутствии растворенного кислорода, когда нитраты используются как акцептор электрона:
3
2
2
органическое вещество + NО биомасса+ СO + N.
В связи с тем, что в ходе процесса денитрификации часть органических соединений окисляется связанным кислородом нитратов, требуемое количество растворенного кислорода на окисление оставшейся части органических соединений, поступающих со сточными водами, существенно снижается. Это ведет к снижению количества воздуха, подаваемого в аэротенки и, как следствие, к снижению энергозатрат на аэрацию. Таким образом, требуемый расход воздуха на окисление органических соединений снижается за счет того, что часть органических соединений окисляется связанным кислородом нитратов в зоне денитрификации.
В блоке биологической очистки реализуется схема с предвключенной денитрификацией и пост-пресипитацией. Данная схема является одним из наиболее надежных и энергоэффективных технологических решений реализации процессов нитри-денитрификации в классических технологиях.
По центру зоны денитрификации 4 выполнена перегородка для создания кругового движения воды 5, выполненная, например, из полимерных материалов или нержавеющей стали.
В зону денитрификации 4 проведен трубопровод для подачи сточных вод 6.
Зона деоксидации 7 предназначена для предварительного удаления воздуха из сточной воды перед рециркуляцией в зону денитрификации. Обеспечивается это за счет дополнительного пребывания стока во вращательном движении без подачи воздуха.
Зона аэрации 8 предназначена для создания условий обеспечивающих прохождение процессов нитрификации как одного из этапов процесса биологической очистки сточных вод.
Иловая смесь, представляющая собой смесь активного ила и сточной воды, поступает в зону аэрации. Сточная вода содержит аммонийный азот, который не трансформировался в зоне денитрификации. В зоне аэрации происходит процесс нитрификации, то есть окисление аммонийного азота до нитритов и затем нитратов, и доокисление трудноокисляемых органических соединений.
Процесс нитрификации, реализуемый в зоне аэрации, представляет собой окисление солей аммония до солей азотистой кислоты (нитритов) - 1-я стадия, и затем, в ходе 2-й стадии, происходит окисление нитритов до нитратов.
Окисление аммония до нитритов осуществляется под действием бактерий родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira и Nitrosovibrio:
Вторую стадию - окисление нитритов до нитратов - осуществляют бактерии из родов Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus:
Основные факторы, влияющие на эффективность процессов нитрификации в аэротенках:
- температура;
- концентрация растворенного кислорода;
- pH среды;
- аэробный возраст активного ила;
- наличие или отсутствие ингибирующих веществ.
В зоне аэрации 8 установлены аэраторы 9. Применяются средне-пузырчатые или мелко-пузырчатые аэраторы трубчатого типа, представляющие собой горизонтальный вытянутый элемент, покрытый резиновой мембраной, имеющей большое количество отверстий, выполненных таким образом, чтобы пропускать поток воздуха наружу. И препятствовать проникновению воды внутрь аэратора. Через аэраторы 9 воздух равномерно распределяется, охватывая всю зону аэрации, исключая возникновение застойных зон.
Вторичный отстойник 10 используется для седиментации и отведения взвешенных частиц - избыточного и циркулирующего активного ила.
Смесь активного ила и очищенной воды поступают во вторичный отстойник, где происходит процесс гравитационного илоразделения на очищенную воду и активный ил, основная часть которого (возвратный активный ил) направляется в зону денитрификации, а приросший ил (избыточный активный ил) отводится на сооружения обработки осадка. Вместе с избыточным активным илом выводится часть поступившего со сточными водами фосфора, который был потреблен на прирост клеток биомассы.
В первом варианте вторичный отстойник 10 выполнен в виде прямоугольной емкости, с двух сторон которой в верхней части выполнены лотки для подачи сточных вод 11 и лотки для отведения биологически очищенной, осветленной воды 12. Внутри вторичного отстойника 10 под наклоном выполнены направляющие перегородки 13 с бункерами для активного ила 14, через зубчатый водослив соединенные с лотками для отведения осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки 12. Бункеры для активного ила 14 соединены с трубопроводом для отведения активного ила 16. Лотки для отведения биологически очищенной, осветленной воды 12 соединены с трубопроводом для отведения биологически очищенной, осветленной воды 17.
Направляющая перегородка 13, включающая лотки для подачи сточных вод 11, лотки для отведения биологически очищенной, осветленной воды 12, бункеры для сбора активного ила 14 и трубопровод для отведения активного ила 16 выполнены, например, в виде единой конструкции.
Во втором варианте вторичный отстойник 10 выполнен в виде прямоугольной емкости, с двух сторон которой в верхней части выполнены лотки для подачи сточных вод 11 и лотки для отведения биологически очищенной, осветленной воды 12. Внутри вторичного отстойника 10 под наклоном выполнены направляющие перегородки 13 с бункерами для активного ила 14, через зубчатый водослив соединенные с лотками для отведения осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки 12. Бункеры для активного ила 14 соединены с трубопроводом для отведения активного ила 16. Лотки для отведения биологически очищенной, осветленной воды 12 соединены с трубопроводом для отведения биологически очищенной, осветленной воды 17. Вторичный отстойник 10 с лотками для подачи сточных вод 11, лотками осветленной воды, предварительно прошедшей стадию биологической очистки 12, направляющими перегородками 13 с бункерами для активного ила 14 выполнены, например, в виде единой конструкции.
В зону сбора избыточного и циркулирующего активного ила 18 из бункеров для активного ила 14 по трубопроводам для отведения активного ила 16 поступает активный ил из вторичного отстойника.
В зоне сбора избыточного и циркулирующего активного ила 18 установлено перекачивающее устройство циркулирующего активного ила 19, в качестве которого используется, например, эрлифт или насос.
Избыточный активный ил насосами 21 перекачивается на дальнейшую обработку (обезвоживание, обеззараживание). Эти процессы в составе блока биологической очистки не рассматриваются.
Осевые насосы 20 предназначены для создания направленного потока жидкости и поддержания активного ила во взвешенном состоянии. Осевые насосы 20 расположены в зоне денитрификации 4 (первый и второй варианты), зоне деоксидации 7 (первый вариант), вторичном отстойнике 10 (первый и второй варианты).
3
2
2
В блоке биологической очистки сточная вода, содержащая органический субстрат и аммонийный азот, поступает в зону денитрификации, куда также поступает возвратный активный ил из вторичных отстойников и нитратный рецикл (поток иловой смеси из зоны аэрации, обогащенный нитратами). Таким образом нитраты, образующиеся в зоне аэрации в ходе процесса нитрификации, поступают в зону с потоком возвратного активного ила и потоком нитратного рецикла. В результате, в зоне денитрификации создаются условия для реализации процесса денитрификации, то есть происходит восстановление нитратов NO и нитритов NO до газообразного азота N. Аммонийный азот, содержащийся в поступающей на биологическую очистку сточной воде, проходит зону денитрификации транзитом (за исключением части азота, потребляемого на прирост биомассы в аноксидных условиях) и поступает в зону аэрации, где происходят процессы нитрификации. В результате образуются нитриты и, затем, нитраты. Органические соединения, содержащиеся в сточных водах, окисляются в зоне денитрификации связанным кислородом нитратов, а оставшаяся часть доокисляется в зоне аэрации.
Возможны различные компоновки блока биологической очистки сточных вод.
В зависимости от состава и соотношения концентраций загрязняющих веществ в сточной воде, поступающей на очистку, возможны различные варианты и схемы ее обработки. В заявляемом изобретении принципиальным является наличие зоны деоксидации 7, назначением которой является предварительное удаление кислорода из сточной воды перед ее поступлением в зону денитрификации 4, в которой протекают анаэробные процессы.
Блок биологической очистки со вторичным отстойником, рассматриваемый в первом варианте, работает следующим образом.
3
2
2
Сточная вода, прошедшая предварительную обработку (механическую очистку, усреднение), по трубопроводу для подачи сточных вод 6 поступает в зону денитрификации 4, в которой проходят процессы без доступа кислорода и создаются условия для реализации процесса денитрификации, то есть происходит восстановление нитратов NO и нитритов NO до газообразного азота N. Процесс обеспечивается за счет циркуляции потока жидкости вокруг перегородки 5, размещенной по центру зоны денитрификации 4. Вращательное движение жидкости обеспечивается за счет осевых насосов 20, установленных в зоне денитрификации 4, и осевого насоса 20, подающего воду из зоны деоксидации 7 в зону денитрификации 4. Поток жидкости создается направляющей вставкой 3, установленной в отверстии перегородки 2 между зоной денитрификации 4 и зоной деоксидации 7. Аммонийный азот, содержащийся в поступающей на биологическую очистку сточной воде, проходит зону денитрификации 4 транзитом (за исключением части азота, потребляемого на прирост биомассы в аноксидных условиях) и поступает в зону аэрации 8, где происходят процессы нитрификации. Сточная вода из зоны денитрификации 4 поступает в зону аэрации 8 через технологические отверстия, расположенные в нижней части перегородки 2, разделяющей зоны денитрификации 4 и аэрации 8. Органические соединения, содержащиеся в сточных водах, окисляются в зоне денитрификации 4 связанным кислородом нитратов, а оставшаяся часть доокисляется в зоне аэрации 8, где при насыщении воды кислородом и поддерживания ила во взвешенном состоянии обеспечивается интенсивное биохимическое окисление органических веществ. В результате образуются нитриты и, затем, нитраты. Подача воздуха в зону аэрации 8 осуществляется через аэраторы 9, расположенные на дне зоны аэрации 8. Далее вода поступает в зону деоксидации 7, после чего смесь биологически очищенной воды и активного ила распределяется на два потока.
Часть потока (регулируемый нитратный рецикл) направляется в зону денитрификации 4 через перегородку 2 по вставке, направляющей поток 3, при этом регулирование осуществляется изменением производительности осевого насоса 20, установленного в зоне деоксидации 7. Остальная часть потока, прошедшего полную стадию биологической очистки, поступает во вторичный отстойник 10. Во вторичном отстойнике 10 осуществляется осветление сточной воды. Сточная вода поступает во вторичный отстойник 10 по лоткам для подачи сточных вод 11, благодаря которым сточная вода равномерно подается в сооружение. В результате образуется поток, собираемый в лотки для отведения биологически очищенной, осветленной воды 12 и отводимый по трубопроводу для отведения биологически очищенной, осветленной воды 17 на дальнейшую доочистку (в случае необходимости) и обеззараживание. Конструктивной особенностью вторичного отстойника является отсутствие заглубленных бункеров для сбора осевшего активного ила. Иловая смесь, поступая во вторичный отстойник по лоткам для подачи сточных вод 11 далее движется в нижнюю часть сооружения и через прозор, образованный направляющими перегородками 13, поднимается вверх в зону осаждения со взвешенным слоем осадка 15, обеспечивающим более эффективное разделение иловой смеси. Слой взвешенного осадка образуется в результате снижения скорости движения восходящего потока иловой смеси, в условиях, когда скорость потока становится сопоставимой с гидравлической крупностью взвешенных частиц. Осветленная вода собирается лотками для отведения биологически очищенной, осветленной воды 12, а активный ил через бункеры для сбора активного ила 14 по трубопроводу для отведения активного ила 16 направляется в зону сбора избыточного и циркуляционного активного ила 18. Поддержание активного ила во взвешенном состоянии во вторичном отстойнике 10 и исключение его выпадения на плоское днище, осуществляется за счет его взмучивания при помощи осевых насосов 20, установленных в нижней части вторичного отстойника 10. Активный ил поступает в зону сбора избыточного и циркуляционного активного ила 18 и отводится двумя потоками:
- избыточный активный ил направляется на обезвоживание и утилизацию при помощи перекачивающего устройства избыточного активного ила 21;
- циркулирующий (возвратный) активный ил при помощи перекачивающего устройства циркулирующего активного ила 19, в качестве которого используется, например, эрлифт или насос, возвращается в зону денитрификации 4.
Блок биологической очистки с вторичным отстойником рассматриваемый во втором варианте работает следующим образом.
3
2
2
Сточная вода, прошедшая предварительную обработку (механическую очистку, усреднение), по трубопроводу для подачи сточных вод 6 поступает в зону денитрификации 4, в которой проходят процессы без доступа кислорода и создаются условия для реализации процесса денитрификации, то есть происходит восстановление нитратов NO и нитритов NO до газообразного азота N. Процесс обеспечивается за счет циркуляции потока жидкости вокруг перегородки 5, размещенной по центру зоны денитрификации 4. Вращательное движение жидкости обеспечивается за счет осевых насосов 20, установленных в зоне денитрификации 4, и осевого насоса 20, подающего воду из вторичного отстойника 10 в зону денитрификации 4. Аммонийный азот, содержащийся в поступающей на биологическую очистку сточной воде, проходит зону денитрификации 4 транзитом (за исключением части азота, потребляемого на прирост биомассы в аноксидных условиях) и поступает в зону аэрации 8, где происходят процессы нитрификации. Сточная вода из зоны денитрификации 4 поступает в зону аэрации 8 через технологические отверстия, расположенные в нижней части перегородки 2, разделяющей зоны денитрификации 4 и аэрации 8. Органические соединения, содержащиеся в сточных водах, окисляются в зоне денитрификации 4 связанным кислородом нитратов, а оставшаяся часть доокисляется в зоне аэрации 8, где при насыщении воды кислородом и поддерживания ила во взвешенном состоянии обеспечивается интенсивное биохимическое окисление органических веществ. В результате образуются нитриты и, затем, нитраты. Подача воздуха в зону аэрации 8 осуществляется через аэраторы 9, расположенные на дне зоны аэрации 8. Далее вода поступает во вторичный отстойник 10 по лоткам для подачи сточных вод 11, благодаря которым сточная вода равномерно подается в сооружение.
Часть потока (регулируемый нитратный рецикл) направляется в зону денитрификации 4 через перегородку 2 при помощи осевого насоса 20, установленного в зоне денитрификации 4, при этом регулирование осуществляется изменением его производительности. Остальная часть потока, прошедшего полную стадию биологической очистки, осветляется во вторичном отстойнике 10. В результате образуется поток, собираемый в лотки для отведения биологически очищенной, осветленной воды 12 и отводимый по трубопроводу для отведения биологически очищенной, осветленной воды 17 на дальнейшую доочистку (в случае необходимости) и обеззараживание. Конструктивной особенностью вторичного отстойника является отсутствие заглубленных бункеров для сбора осевшего активного ила. Иловая смесь, поступая во вторичный отстойник по лоткам для подачи сточных вод 11 далее движется в нижнюю часть сооружения и через прозор, образованный направляющими перегородками 13, поднимается вверх в зону осаждения со взвешенным слоем осадка 15, обеспечивающим более эффективное разделение иловой смеси. Слой взвешенного осадка образуется в результате снижения скорости движения восходящего потока иловой смеси, в условиях, когда скорость потока становится сопоставимой с гидравлической крупностью взвешенных частиц. Осветленная вода собирается лотками для отведения биологически очищенной, осветленной воды 12, а активный ил через бункеры для сбора активного ила 14 по трубопроводу для отведения активного ила 16 направляется в зону сбора избыточного и циркуляционного активного ила 18. Поддержание активного ила во взвешенном состоянии во вторичном отстойнике 10 и исключение его выпадения на плоское днище, осуществляется за счет его взмучивания при помощи аэраторов 9, установленных в нижней части вторичного отстойника 10. Активный ил поступает в зону сбора избыточного и циркуляционного активного ила 18 и отводится двумя потоками:
- избыточный активный ил направляется на обезвоживание и утилизацию;
- циркулирующий (возвратный) активный ил при помощи перекачивающего устройства циркулирующего активного ила 19, в качестве которого используется, например, эрлифт или насос, возвращается в зону денитрификации 4.
Ниже представлен пример конкретного осуществления предлагаемого блока биологической очистки группы изобретений.
Пример 1.
Пилотная установка блока биологической очистки с вторичным отстойником по первому и второму вариантам реализована на очистных сооружениях сточных вод населенного пункта Нижегородской области. Фото пилотной установки представлено на фигуре 5.
Пилотная установка прошла испытания по очистке реальных сточных вод населенного пункта, включающих:
- хозяйственно-бытовые сточные воды от предприятия (источники образования - санитарно-гигиенические помещения, санузлы, душевые, столовая);
- хозяйственно-бытовые сточные воды от населенного пункта, поступающие по централизованной системе водоотведения - ливневые сточные воды, поступающие по общесплавной системе канализации;
- производственные сточные воды.
Результаты пилотных испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1.Результаты пилотных испытаний блока биологической очистки
№
Ингредиент
Ед. измерения
Усредненные значения на входе в блок биологической очистки
ВыходВариант 1
ВыходВариант 2
1
рН
ед. рН
7,89
7,5-8,5
7,5-8,5
2
Ион аммония
мг/л
10,26
0,29-0,35
0,29-0,4
3
Нитрат-ион
мг/л
2,58
27-40
25-35
4
Нитрит-ион
мг/л
0,38
0,03-0,06
0,03-0,05
5
Фосфат-ион
мг/л
1,85
0,4-1,1
0,4-1,1
6
Взвешенные вещества
мг/л
24,49
6 - 15
8 - 12
7
АПАВ
мг/л
0,107
0,05 - 0,08
0,4 - 0,75
8
Железо
мг/л
0,48
0,1 - 0,25
0,12 - 0,3
9
Нефтепродукты
мг/л
0,68
0,02 - 0,05
0,015 - 0,04
10
ХПК
мгО<sub>2</sub>/л
126
13-23
12-25
11
БПК<sub>5</sub>
мгО<sub>2</sub>/л
49,9
1,6-10
1,4-10
12
Хлориды
мг/л
206,9
180 - 206
175 - 205
13
Сульфаты
мг/л
124
100 - 120
95 - 115
14
Сухой остаток
мг/л
676,6
610 -650
604 - 665