РЕАКТОР И СПОСОБ АНАЭРОБНОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
REACTOR AND METHOD FOR ANAEROBIC TREATMENT OF WASTE WATER

Изобретение относится к реактору и способу анаэробной очистки сточных вод.
Для очистки органически загрязненных сточных вод известно применение анаэробных способов или анаэробно работающих систем очистки сточных вод. Используя анаэробную технику, содержащиеся в сточных водах загрязнения превращают биогаз с помощью соответствующих микроорганизмов в регенеративный энергоноситель, который обеспечивает экономию при получении энергии. Применяемые для этого способы включают в себя как простые способы без обогащения биомассы, так и высокопроизводительные способы с внутренним, как правило, обогащением биомассы.
Коммунальные сточные воды сравнительно мало загрязнены с химической потребностью в кислороде (ХПК) около 500 мг/л и очищаются, как правило, аэробным способом с использованием активного ила. В пищевой промышленности возникают значительно сильнее органически загрязненные сточные воды с ХПК свыше 1000 и до 100000 мг/л и более. Для очистки таких сточных вод применяются высокопроизводительные способы.
Наиболее распространенным способом является так называемый способ UASB (Upflow Anaerobis Sludge Blanket). В UASB-реакторах происходит внутреннее обогащение биомассы в виде образующегося и очень хорошо гранулирующегося ила. Микроорганизмы агрегируют в так называемые гранулы размером 1-3 мм. Реакторы эксплуатируют в восходящем режиме, т.е. сточные воды протекают через реактор снизу вверх. В результате обусловленного обменом веществ разложения органических загрязнений возникают газы, которые в виде газовых пузырьков пристают к гранулам. Вследствие этого гранулы поднимаются вверх, что приводит к перемешиванию в системе. В верхней части UASB-реактора предусмотрена сепараторная система, служащая для задержания гранул в реакторе. Преимущество этих реакторов в том, что они могут иметь относительно простую конструкцию, например в виде реактора с внутренним контуром циркуляции. Такой реактор описан в DE 4333176. Один недостаток этой техники в том, что при высоких концентрациях ХПК от 20-30 г/л газообразование становится настолько сильным, что гранулы очень быстро поднимаются вверх и, несмотря на сепараторные системы, возникает значительная потеря биомассы. Это называется «эффектом вымывания». К тому же эти системы относительно восприимчивы к отравлению (к так называемому токсическому удару). После аварии реактора эти системы могут быть, правда, относительно быстро запущены за счет повторной затравки новой биомассой, однако это является фактором повышения расходов. Другой недостаток этого способа в том, что могут быть использованы только микроорганизмы, образующие гранулы, что резко ограничивает выбор микроорганизмов. Как правило, используют метаногенные бактерии, главным образом рода Methanotrix.
В другом высокопроизводительном способе используют реакторы с неподвижным слоем, причем инертные материалы-носители в виде засыпок, упаковок или же фиксированные материалы-носители, например в виде плитообразных несущих элементов, заселяют микроорганизмами. Такой реактор описан в патенте DE 4309779 этого же заявителя. В реакторах с неподвижным слоем могут очищаться очень сильно загрязненные сточные воды с концентрациями ХПК свыше 80 г/л. Недостаток реактора с неподвижным слоем в том, что велики расходы прежде всего на высокопроизводительные материалы-носители.
Помимо этого известны также реакторы с вихревым слоем, в котором биомасса иммобилизирована на псевдоожиженном неподвижном слое, например активированном угле или песке, завихряемом в реакторе. Это обусловливает высокую потребность в энергии для поддержания вихревого слоя, следствием чего является высокая нагрузка реакторов. Конструкция реакторов с вихревым слоем в соответствии с этим является технически сложной и дорогостоящей.
В основе изобретения лежит задача создания реактора и способа анаэробной очистки сточных вод, которые были бы пригодны для сильно загрязненных сточных вод, работали бы без сбоев и были бы сравнительно рентабельными.
Эта задача решается посредством реактора для анаэробной очистки сточных вод, включающего в себя следующие признаки:
а) центральный, ведущий сверху вниз проточный канал, который заканчивается вверху на первом расстоянии от верхнего ограничения реактора, а внизу - на втором расстоянии от нижнего ограничения реактора;
б) в кольцевом пространстве между центральным проточным каналом и стенкой реактора по всей высоте проточного канала или на части высоты проточного канала установлены несущие элементы для иммобилизации микроорганизмов в виде структурированного упорядоченного неподвижного слоя, причем между соседними несущими элементами имеются пути протекания;
в) нижняя часть реактора между его нижним ограничением и несущими элементами выполнена в виде пространства, предназначенного для приема при работе реактора сточных вод с плавающими в них микроорганизмами;
г) верхняя часть реактора между его верхним ограничением и несущими элементами;
д) реактор выполнен в отношении своего внутреннего течения как реактор с внутренним контуром циркуляции таким образом, что содержащиеся сточные воды могут циркулировать через центральный проточный канал вниз, затем через пространство в нижней части, затем вдоль несущих элементов вверх и наконец снова в центральный проточный канал;
е) подающий трубопровод для подаваемых первый раз в реактор очищаемых сточных вод;
ж) система отвода для завершающего удаления очищенных сточных вод из реактора.
Благодаря изобретению созданы гибридный реактор (и гибридный способ), который объединяет в себе преимущества реакторов с неподвижным слоем и UASB-реакторов.
Реактор может быть выполнен цилиндрическим, возможны также другие геометрические формы реакторов, например цилиндрообразные устройства с эллиптическим или многоугольным основанием или кубообразные устройства.
Пространство в нижней части может принимать сточные воды с плавающими в них микроорганизмами-гранулами. Микроорганизмы вырабатывают, что обусловлено обменом веществ, газы, которые в виде пузырьков пристают к гранулам и за счет этого тянут их вверх. В качестве микроорганизмов используют предпочтительно бактерии рода Methanotrix.
Предпочтительно в верхней части расположена сепараторная система, которая задерживает в реакторе плавающие в сточных водах микроорганизмы.
Далее реактор содержит предпочтительно систему рециркуляции, которая содержит отборное устройство для сточных вод и подающее устройство для сточных вод с целью направления течения в центральный проточный канал.
Отборное устройство содержит предпочтительно промежуточное пространство между двумя плитообразными элементами и начинающийся в промежуточном пространстве трубопровод.
Особенно предпочтительно, что система отвода для заключительного удаления очищенных сточных вод установлена немного выше отборного устройства системы рециркуляции.
Микроорганизмы-гранулы, поднимающиеся в верхнюю часть реактора, задерживаются сепараторной системой, отдают приставшие газовые пузырьки и из-за своей большей плотности снова опускаются вниз. Сепараторная система может служить как для отделения возникших газов, так и для задержания биомассы.
Сепараторная система на расстоянии над верхним концом центрального проточного канала содержит предпочтительно одну перегородку, которая перекрывает большую часть сечения реактора и оставляет свободной внешнюю кольцевую поверхность.
Предпочтительно отборное устройство системы рециркуляции расположено на верхней стороне перегородки. В пространстве над отборным устройством системы рециркуляции образуется зона спокойного течения, которая способствует удалению очищенных сточных вод без выноса биомассы, в частности, поскольку, как уже сказано, предпочтительно, что система отвода для заключительного удаления очищенных сточных вод установлена немного выше отборного устройства системы рециркуляции.
Следует подчеркнуть, что описанная система рециркуляции, а также описанное разделение отборного устройства системы рециркуляции и системы отвода, с одной стороны, являются предпочтительным усовершенствованием раскрытого изобретения, однако, с другой стороны, может быть технически реализовано также без признаков (или только с частью признаков) п. 1 формулы. Типичный пример - реализация в UASB-реакторе, который не является гибридным реактором в смысле настоящей заявки.
Предпочтительно перегородка сепараторной системы проходит на отдельных участках не горизонтально и образует в самой верхней части газосборное пространство.
Далее, предпочтительно, что перегородка проходит, грубо говоря, от самой верхней части под углом наружу вниз и под углом внутрь вниз.
В верхней части реактора начинается предпочтительно первый отводящий трубопровод для образовавшегося в реакторе газа.
Далее, предпочтительно, что в зоне перегородки начинается второй отводящий трубопровод для образовавшегося в реакторе газа.
В реакторе предусмотрены несущие элементы. Несущие элементы могут быть выполнены в виде плит. Предпочтительно несущие элементы расположены параллельно друг другу. Плиты могут быть расположены пакетами, причем плиты внутри пакетов расположены в тангенциальном направлении реактора. Несущие элементы расположены над пространством в нижней части, так что поднимающиеся вверх гранулы протекают между плитами. На несущих элементах при работе реактора происходит обрастание микроорганизмами. Предпочтительно, что между несущими элементами имеется расстояние 3-6 см, преимущественно 3,5-5,5 см.
Несущие элементы могут состоять из инертного материала с большой поверхностью. Предпочтительно они состоят из пористого для протекания материала. Особенно предпочтительно несущие элементы состоят, по существу, из соединенных между собой полимерных и керамзитовых частиц. Предпочтительны полиэтиленовые частицы, причем возможны другие полимеры. Микроорганизмы могут селиться в порах керамзита и в порах между частицами и создавать на несущих элементах пленко- или газонообразное обрастание. В случае аварии реактора, например из-за токсического удара, пленка микроорганизмов, правда, разрушается. Из пор пористого материала-носителя микроорганизмы могут, однако, снова быстро вырасти и регенерировать пленку на плитах. Плиты несущих элементов могут быть заселены множеством микроорганизмов, например бактерий. Можно заселить несущие элементы одновременно разными видами. Несущие элементы могут быть заселены одинаковым видом, который образует свободно плавающие агрегаты или гранулы. Точно так же несущие элементы могут быть заселены иными видами, нежели тот или те, который или которые образуют гранулы. За счет этого можно комбинировать преимущества способа UASB с преимуществом большего разнообразия используемых микроорганизмов.
Несущие элементы могут быть заселены оседлыми микроорганизмами. В частности, они могут быть заселены микроорганизмами родов Sytrophobacter, Sytrophomas, Methanotrix, Methanosarcina и Methanococcus.
Было установлено, что синергетические эффекты (высокая производительность при стабильной работе) возникают из комбинации реактора с неподвижным слоем и UASB-реактора уже при относительно малой доле несущих плит в расчете на объем реактора. Поэтому предпочтительно, что доля объема реактора, занятая несущими плитами, составляет 15-40%. Особенно предпочтительно доля составляет 20-30%.
Предпочтительно в нижней части реактора на стенке установить устройство отклонения течения. Задача этого устройства отклонения течения состоит в том, чтобы отделить поток сточных вод от стенки реактора и равномерно направить его к несущим элементам.
Реактор может иметь предпочтительно, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для реактивной струи, которое заканчивается под нижним концом центрального проточного канала. Оно служит для завихрения микроорганизмов, осажденных на дне реактора. Выпускное отверстие может содержать на своем конце сопло.
Задача, согласно изобретению, решается далее посредством способа анаэробной очистки сточных вод в реакторе, в котором циркулируют очищаемые сточные воды, таким образом, что сточные воды
а) текут по центру сверху вниз;
б) в пространстве в нижней части реактора вступают в контакт с плавающими в сточных водах микроорганизмами;
в) в находящемся выше пространстве реактора текут вдоль микроорганизмов, расположенных в виде структурированного упорядоченного неподвижного слоя на несущих элементах;
г) снова переходят в центральное течение сверху вниз.
После протекания вдоль микроорганизмов на несущих элементах предпочтительно часть сточных вод ответвляют и накачивают в центральный проточный канал. В результате улучшается огибающая циркуляция сточных вод.
В способе, согласно изобретению, плавающие в очистном пространстве микроорганизмы имеют предпочтительно форму гранул. Плавающие в сточных водах микроорганизмы задерживают посредством сепараторной системы. В способе в качестве иммобилизированных на несущих элементах микроорганизмов, с одной стороны, и в качестве плавающих микроорганизмов, с другой стороны, могут быть предусмотрены различные виды микроорганизмов. На несущих элементах могут быть предусмотрены различные виды микроорганизмов.
Реактор и способ, согласно изобретению, могут применяться для очистки сточных вод, в частности для анаэробной очистки сточных вод.
Согласно изобретению очищают, в частности, органически загрязненные сточные воды от производства прохладительных напитков, комбикормов или пищевых продуктов, например сточные воды перерабатывающих крахмал предприятий и установок, предприятий по производству прохладительных напитков, пивоваренных заводов, ликеро-водочных заводов, молочных заводов, сточные воды мясо- и рыбоперерабатывающих предприятий. Способ согласно изобретению и реактор пригодны также для очистки сточных вод бумажной и текстильной промышленности.
Ниже вариант осуществления изобретения поясняется на примере с помощью чертежей, на которых изображают:
- фиг. 1: схематично форму выполнения реактора согласно изобретению для очистки сточных вод;
- фиг. 2А: схематично форму выполнения отборного устройства для сточных вод реактора согласно изобретению;
- фиг. 2В: схематично альтернативную форму выполнения отборного устройства для сточных вод реактора согласно изобретению;
- фиг. 2С: схематично другую альтернативную форму выполнения отборного устройства для сточных вод реактора согласно изобретению;
- фиг. 2D: схематично систему отвода реактора согласно изобретению.
Одна форма реактора согласно изобретению была сконструирована и использована для очистки сточных вод на одном пивоваренном заводе.
3
На фиг. 1 схематично изображена конструкция реактора 10. Реактор выполнен в виде реактора с внутренним контуром циркуляции. Размеры цилиндрического реактора рассчитана так, что высота составляет 2,0-5,0 м, а диаметр - 1,5-2,5 м. Очищаемое количество сточных вод составляет 10-20 м/сут. Размеры других компонентов реактора видны из соотношения с общими размерами на фиг. 1. Этот реактор предназначен для опытной эксплуатации. Технические данные реакторов в промышленном масштабе заметно отличаются, например по диаметру 5-9 м и по высоте 8-12 м. Другие геометрические формы реактора также возможны, например цилиндрообразные устройства с эллиптическим или многоугольным основанием или кубообразные устройства.
Корпус 11 реактора, как это известно из уровня техники, изготовлен, по существу, из листов высококачественной стали.
В реакторе 10 в осевом направлении выполнена центральная труба 20, которая начинается немного ниже верхнего конца реактора и заканчивается в нижней части 30. Центральная труба 20 выполнена в сечении шестиугольной. Эта шестиугольная форма является технологичной, а пакеты с несущими элементами 50 могут быть расположены с подгонкой к шестиугольной форме. Другие геометрические формы также возможны, например круглые или многоугольные с иным числом углов. Нижняя часть 30 выполнена в виде пространства, в котором при работе находятся плавающие микроорганизмы. Над нижней частью 30 находится средняя часть 40, в которой параллельно расположены плитообразные несущие элементы 50, так что между этими несущими элементами в вертикальном направлении имеются пути протекания. Эта конструкция из несущих элементов служит в качестве неподвижного слоя для заселения микроорганизмов.
Несущие элементы выполнены пористыми для протекания и из материала, образованного, по существу, соединенными между собой полимерными и керамзитовыми частицами. Такой материал описан в уже упомянутом патенте DE 4309779 этого же заявителя.
Плиты расположены друг от друга на расстоянии 3-6 см, в частности предпочтительно расстояние в 3,5-5,5 см. Несущие элементы расположены, если смотреть сверху на поперечное сечение реактора, тангенциально в пакетах, образующих сегменты шестиугольника. Другие расположения также возможны, например расположения прямоугольных пакетов, пакетов с основной формой многоугольника или расположения с криволинейными плитами.
Чтобы обеспечить достаточное задержание биомассы, в реакторе расположена сепараторная система 90, образованная установленными наклонно направляющими элементами 91, 92, 93, 94. Эти направляющие элементы препятствуют выносу частиц твердых веществ, например гранул с приставшим газом. Другие расположения направляющих элементов также возможны. Направляющие элементы 91, 92, 93, 94 могут восприниматься при виде сверху как шестиугольная или многоугольная форма неподвижного слоя или могут быть выполнены круглыми.
Течение обозначено стрелками k, l, m, n, o, p, q, r. Очищаемые сточные воды подают, по существу, по подающему трубопроводу 60, они всасывают жидкость из внешнего пространства 40, и текут в рабочем режиме через центральную трубу 20 в нижнюю часть 30, где находятся плавающие микроорганизмы в виде гранул. Часть потока выборочно подают по трубе 80 и в перемешанном виде - дополнительно в нижнюю часть 30 реактора. Проходящее по внутренней стенке реактора препятствие 120 для течения, расположенное в нижней части 30 реактора, служит для отделения течения, т.е. очищаемые сточные воды не могут течь восходящим потоком по стенке резервуара. Используемые микроорганизмы относятся к роду Methanotrix. Благодаря своему обмену веществ эти бактерии образуют газы, которые в виде мелких пузырьков пристают к гранулам. В результате гранулы поднимаются вверх и создают дополнительное течение сточных вод. При этом очищаемые сточные воды направляют мимо микроорганизмов на несущих элементах и приводят в контакт с ними. На образованной направляющими элементами 91, 92, 93, 94 перегородке гранулы задерживаются, отдают газовые пузырьки за счет происходящего на направляющих элементах перемешивания и могут затем, благодаря своей более высокой по сравнению со сточными водами плотности, снова опуститься по центральной трубе 20 в нижнюю часть 30. Перегородка образует газосборное пространство 96, в котором газ может скапливаться и отводиться по первому газоотводящему трубопроводу 98.
Эта образованная направляющими элементами 91, 92, 93 перегородка перекрывает большую часть сечения реактора и оставляет свободной кольцевую поверхность между своим внешним краем и стенкой реактора. Часть течения вдоль несущих элементов ответвляют на внешнем краю перегородки 91, 92, 93, отводят из верхней части над перегородкой 91, 92, 93 и под направляющими элементами 94 через отборное устройство 100, 101 для сточных вод и снова подают в реактор через систему 130 рециркуляции.
Направляющие элементы 94 образуют в верхней части реактора над перегородкой 91 ,92, 93 и над отборным устройством системы рециркуляции зону успокоения, из которой очищенные сточные воды через систему 70 отвода могут быть удалены из реактора.
Образовавшиеся газы могут быть отведены по второму газоотводящему трубопроводу 110 на верхнем конце реактора.
Предпочтительные отборные устройства системы рециркуляции изображены на фиг. 2А, 2В, 2С.
На фиг. 2А изображен так называемый двухплитный отвод. Он состоит из двух расположенных друг над другом на расстоянии 40-70 мм кругообразных плит, между которыми центрально отводят жидкость. Это устройство обеспечивает отвод при низкой скорости течения на внешней периферии плит.
На фиг. 2В изображен кольцевой трубопровод с отверстиями. Для равномерного отвода жидкости отверстия выполнены разного размера.
На фиг. 2С изображен звездообразный трубный отвод, посредством которого жидкость отводят в 6 местах. Если концы труб снабдить тройниками (обозначены прерывистой линией), то жидкость можно отводить в 12 местах.
На фиг. 2D изображена система отвода с погружным отводным желобом с отводными отверстиями. Размер и число отверстий выбраны с возможностью обеспечения равномерного отвода очищенных сточных вод.
Необходимое количество оборотной воды для подающего трубопровода 60 отбирают через систему 130 рециркуляции. Подаваемые к реактору первый раз сточные воды могут быть введены в систему по трубопроводу 132. При необходимости или с периодическими интервалами часть приточных или оборотных сточных вод направляют по трубе 80 в виде реактивной струи в нижнюю часть реактора для завихрения имеющейся там биомассы (микроорганизмы-гранулы). У крупных реакторов могут быть предусмотрены несколько выпускных отверстий для реактивных струй для достижения завихрения биомассы.