ДИСКОВЫЙ БИОФИЛЬТР ДЛЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ
ROTATING BIOLOGICAL CONTACTOR FOR BIOCHEMICAL WATER TREATMENT

Изобретение относится к области очистки воды, а именно к очистке с использованием погружных биофильтров, одной из разновидностей которых являются дисковые. Изобретение может быть использовано для очистки производственных, бытовых сточных вод и загрязненных природных.
Для очистки воды применяют погружные биофильтры [1, с.17…25].
-1
В ФРГ для погружных биофильтров использованы диски диаметром 0,65…3 м. При диаметре 3 м оптимальная частота вращения составляла 2…3 мин. Наибольший эффект достигался, когда диски опускали в жидкость на 0,45 диаметра. При вращении валов развивающиеся на дисках микроорганизмы попеременно приходят в контакт с воздухом и со сточными водами, благодаря этому создавались хорошие условия жизнедеятельности биопленки [1, с.17].
Во Франции предложена конструкция биофильтра, представляющего собой барабаны, вращающиеся вокруг оси и погруженные на 1/3 диаметра в обрабатываемую воду. На вращающихся дисках укреплены насадки типа щеток, которые имеют развитую поверхность. На развитой поверхности образуется биопленка [1, с.18].
В ГДР применяют двух- и трехступенчатые погружные биофильтры [1, с.19].
3
Результаты отечественных и западноевропейских исследований показали, что погружные биофильтры могут быть рекомендованы для очистки бытовых и производственных сточных вод с расходом до 500-1000 м/сут. Такие биофильтры просты в эксплуатации.
Известные погружные биофильтры имеют биоценоз, аналогичный другим сооружениям биологической очистки, и обеспечивают такую же эффективность по всем показателям - отличаются только конструктивным исполнением, стоимостью и удобством обслуживания.
Характерной особенностью всех сооружений с аэробным биоценозом является то, что для глубокого окисления ряда специфичных органических соединений, например фенола и его гомологов, требуется низкая нагрузка на биоценоз, т.е. габариты сооружения получаются большие с соответствующей стоимостью. Кроме того, при глубокой биологической очистке эффективность удаления главного биогенного элемента - фосфора - низкая ~5…20% [2, с.110], и его более глубокое удаление может быть достигнуто только применением сложных технологических приемов с использованием биоценозов, работающих в анаэробных и аноксидных условиях с соответствующими внутрисистемными рециклами [3, с.415]. Но при этом требуемая глубина удаления фосфора не достигается, и дополнительно используют реагентную обработку.
Известно, что биогенные элементы - азот и особенно фосфор - могут практически полностью утилизироваться водорослями и высшей водной растительностью благодаря их физиологическим особенностям к использованию фотосинтеза. Например, протококковые водоросли усваивают азот и углерод из самых разнообразных источников, причем водоросли, потребляя углекислоту и выделяя кислород, являются симбионтами по отношению к бактериальному биоценозу, который в процессе роста нуждается в кислороде и выделяет углекислый газ.
На практике использование водорослевого биоценоза осуществляется в прудах и окислительных каналах, режим работы которых зависит от температурных условий и особенно от изменения освещенности по сезонам. Это не дает возможности стабилизировать режим работы таких сооружений, а искусственное поддержание необходимых параметров, например использовать искусственное освещение биопрудов, неприменимо по экономическим соображениям - слишком велика площадь.
Известны непрерывно действующие симбиотические системы, в состав активной биомассы которых включены бактерии, простейшие и водоросли (альгобактериальный биоценоз). Опытная проверка по определению показателей работы такой системы показала, что эффективность очистки по ряду основных показателей резко возросла (~1,5…2 раза), а некоторые соединения удалялись практически полностью, до следов.
Исследования проводились на биологических сооружениях с биофильтрами, поверхность которых освещалась лампами типа ДРЛ. Ввиду того что освещалась только небольшая часть общей площади загрузки биофильтра, для культивирования требуемого количества водорослей этого было недостаточно и дополнительно использовался отдельный культиватор, в котором выращивалось нужное их количество.
Отмечалась необходимость использования дополнительного расхода энергии на источник освещения [43, с.175…178].
Приведенные данные показывают, что оптимальным сооружением для очистки воды будет система с альгобактериальным биоценозом, способная напрямую использовать источник электромагнитного излучения в требуемом диапазоне длин волн (видимый свет) без дополнительного устройства культиватора и использующая излучатели с высоким КПД.
Решением такой задачи является следующее:
- в качестве основной базовой системы следует применить дисковый биофильтр, имеющий рабочую поверхность с биоценозом, доступную для прямого облучения;
- в качестве источника электромагнитного излучения необходимо использовать светодиодные излучатели, например на основе алюминия-галия-индия фосфида (AlGaInP) с длиной волн 610<λ<760 нм и основе индия-галия нитрида (InGaN) с длиной волн 450<λ<500 нм. Именно в этом диапазоне длин волн лежат максимумы спектров поглощения хлорофилла а, хлорофилла в, β-каротина - главных фотосинтетических пигментов (Avers, 1985) [5, с.32].
-1
За прототип принят погружной дисковый биофильтр [3, с.348…349], который состоит из дисков диаметром 1…5 м, собираемых в пакеты по 30-180 штук. Пакеты жестко закрепляют на горизонтальном валу на расстояний 10…25 мм друг от друга, вал вращается от двигателя. Диски выполняют из металла, пластмасс, асбестоцемента и т.п. Частота вращения вала с пакетами составляет 1…50 мин, степень погружения дисков в обрабатываемую сточную воду 0,3…0,45 диаметра. Сточная вода подается в распределительный лоток, а затем в резервуар погружного биофильтра. На поверхности дисков закрепляются и развиваются колонии микроорганизмов, образующие биопленку. При нахождении части поверхности дисков с биопленкой в жидкой фазе осуществляется процесс сорбции на ней нерастворенных, коллоидных и растворенных органических загрязнений, содержащихся в сточной воде. При повороте дисков биопленка оказывается на воздухе, где происходит интенсивное поглощение кислорода и окисление сорбированных загрязнений. За счет вращения дисков осуществляется процесс аэрации обрабатываемой сточной воды. Часть биопленки, включая отработавшую, отрывается от поверхности дисков и находится в сточной воде во взвешенном состоянии аналогично хлопьям активного ила.
При вращении вала развивающиеся на дисках микроорганизмы попеременно контактируют с воздухом и со сточными водами, за счет чего создаются хорошие условия жизнедеятельности биопленки.
Недостатком данного сооружения является то, что в нем не предусмотрена возможность культивирования альгобактериального биоценоза и потенциальные возможности такой конструкции используются не полностью.
Задачей изобретения является повышение эффективности очистки за счет дооборудования дискового биофильтра излучателями электромагнитного излучения, позволяющими культивировать в нем альгобактериальный биоценоз простым и экономичным способом.
Указанная задача решается тем, что дисковый биофильтр для биохимической очистки воды, включающий резервуар с очищаемой водой, патрубки подвода и отвода, горизонтальный вал с приводом, на котором жестко закреплен пакет пластин из коррозионно-стойкого материала, частично погруженный в очищаемую воду, согласно изобретению оборудован установленными над пакетом пластин источниками электромагнитного излучения в видимой области спектра с диапазонами длин волн 610…760 нм и 450…500 нм, совпадающими с максимумами поглощения основных фотосинтетических пигментов, таким образом, что излучение постоянно направлено на поверхности дисков, находящихся над поверхностью очищаемой воды.
Кроме того, согласно изобретению в качестве источника электромагнитного излучения могут быть использованы светодиодные излучатели на основе алюминия-галия-индия фосфида и основе индия-галия-нитрида.
На фигуре 1 представлен общий вид дискового биофильтра для биохимической очистки воды.
Дисковый биофильтр для биохимической очистки воды (фигура 1) состоит из резервуара 1, выполненного в виде полуцилиндра с помещенным в нем по оси горизонтальным валом 2 с механическим приводом.
На валу 2 жестко закреплен пакет пластин 3 в виде круглых дисков или многогранников из коррозионно-стойкого материала (пластмассы), расстояние между дисками 15…30 мм.
Резервуар постоянно наполнен очищаемой водой 4 на 0,4…0,45 диаметра и оборудован патрубками подвода 5 отвода 6 обрабатываемой воды.
Над пакетом дисков 3 смонтированы источники излучения 7 с диапазонами излучаемых волн 610<Х<760 и 450<Х<500 нм так, чтобы излучение было постоянно направлено на поверхность дисков, находящихся над поверхностью воды.
Указанные диапазоны излучений приняты по данным длин волн излучения современных экономичных мощных светодиодов совпадающими с максимумами спектров поглощения основных фотосинтетических пигментов:
- длина волн 610…760 нм, излучаемая светодиодами на основе люминия-галия-индия фосфида (AlGalnP), видимый свет оранжево-красный;
- длина волн 450…500 нм, излучаемая светодиодами на основе индия-галия нитрида (InGaN), видимый спектр сине-голубой.
Дисковый биофильтр для биохимической очистки воды (фигура 1) работает следующим образом.
-1
Через резервуар 1 биофильтра постоянно протекает обрабатываемая вода 4, подводимая и отводимая по патрубкам 5 и 6. Весь пакет дисков приводится во вращение приводом с частотой 0,5…3 мин.
При вращении пакета пластин 3 их поверхность постоянно погружается в обрабатываемую воду и выходит их нее. Энергия для фотосинтеза обеспечивается источниками излучения 7 в диапазонах длин волн 610…760 нм и 450…500 нм.
На поверхности дисков культивируется альгобактериальный биоценоз, состоящий из микроорганизмов и водорослей. Необходимые условия их жизнедеятельности обеспечиваются кислородом из воздуха, который выделяется из консорциума водорослей, поглощающего углекислый газ, выделяющийся при окислении органических загрязнений бактериальной частью биоценоза.
Контактируя с примесями в обрабатываемой воде, биоценоз на дисках извлекает их и окисляет, а часть веществ, загрязнений трансформируется в общий прирост биомассы, обеспечивая тем самым процесс биохимической очистки.
Положительный эффект при использовании предлагаемого изобретения достигается за счет смешанного, состоящего из бактерий, простейших и водорослей, биоценоза, который обеспечивает высокую степень очистки, недостижимую для обычной биопленки биофильтров. В частности, происходит глубокая очистка от специфических загрязняющих компонентов, таких как фенол и его гомологи. Так же водорослевым биоценозом наиболее полно извлекаются из воды биогенные элементы - соединения азота и фосфора, при одновременном упрощении общей технологической схемы и снижении энергоемкости процесса за счет применения современных источников излучения.