Способ и установка биологической очистки стоков
METHOD AND INSTALLATION FOR BIOLOGICAL WASTEWATER PURIFICATION

Область техники.
Область техники, к которой относится изобретение - область биологической очистки хозяйственно - бытовых сточных вод и близких к ним по составу сточных вод, может быть использовано для очистки стоков индивидуальных жилых домов, коттеджей, баз отдыха, санаторий, вахтовых поселков, используется в целях охраны окружающей среды и здоровья человека.
Из существующего уровня техники известно, что традиционные системы очистки с активным илом предназначены для удаления органических веществ, окисления аммония, удаления азота и фосфора из сточных вод, но при традиционной биологической очистке удаление азота составляет 30-40%, удаление фосфора с одновременным процессом нитри-денитрификации достигает 15-25%. Также при традиционной аэробной биохимической очистке сточных вод образуется большое количество осадков и избыточного ила, удаление которых вызывает трудности, в том числе и размещение в окружающей среде. Возникает необходимость в снижении количества осадков и избыточного ила.
Известен патент «Способ биологической очистки сточных вод активным илом», RU 2424199 от 2009.12.28. Способ биологической очистки сточных вод активным илом включает нахождение иловой суспензии в аноксидной, аэробной и анаэробной зонах объема очищаемой воды в аэротенке. Далее иловая суспензия проходит во вторичный отстойник, где она разделяется на очищенную воду и сгущенный активный ил. При этом анаэробная зона аэротенка совмещена с процессом ферментации осадка -получения летучих жирных кислот, в которой часть хлопьев активного ила опускается на дно, уплотняется до концентрации порядка 40 г/л в течение нескольких суток и после процесса ферментации осадка выносится течением жидкости из анаэробной зоны. В результате отсутствия в этой совмещенной зоне принудительного перемешивания активного ила данную зону можно назвать зоной "дозревания". К недостаткам данного метода относится то, что ферментация осадка осуществляется в анаэробной зоне за счет процесса оседания хлопьев активного ила на дно, они уплотняются в течение нескольких суток. Но процесс сбраживания в течение нескольких суток (особенно в летнее время) приведет к неконтролируемому процессу сбраживания и появлению сильного запаха на очистных сооружениях. К недостаткам относится и отсутствие перемешивания в данной анаэробной зоне «дозревания», что приведет к неконтролируемому процессу сбраживания. Всплытие сброженного ила будет происходить непрерывно, что приведет к нарушению процесса очистки, к нарушению процесса отстаивания во вторичных отстойниках и снижению эффективности очистки по взвешенным и биогенным веществам.
Известен патент «Способ очистки сточных вод», RU 2439001 от 2010.08.03. Для осуществления способа предварительно проводят механическую очистку исходной сточной воды с извлечением дисперсных механических примесей. Полученную воду подвергают анаэробной обработке при содержании растворенного кислорода не более 1 мг/л с последующей аэробной обработкой с использованием свободноплавающего активного ила. После промежуточного отстаивания образовавшуюся водно-иловую смесь подвергают флотации в присутствии биореагента, содержащего культуры бактерий Zoogloea и водорослей рода Chlorella, иммобилизованных на металлическом носителе, с последующим окончательным отстаиванием. Недостатком этого способа являются невысокая степень очистки сточных вод: так как способ направлен на очистку сточных вод от азота аммонийных солей и азота нитратов, и не способствует удалению фосфора фосфатов. Недостатком данного способа является сложность конструктивного исполнения на стадии отделения активного ила: применение флотации в присутствии биореагента, использование на данной стадии иммобилизованных культур бактерий Zoogloea и водорослей рода Chlorella на металлическом носителе, что существенно удорожает процесс за счет необходимости периодической регенерации загрузки и применения флотации.
Известен патент «Способ биологической очистки сточных вод активным илом», RU №2633896 от 2015.09.08. Изобретение относится к биологической очистке сточных вод. В способе предусматривается совмещение анаэробной зоны очистки с процессом ферментации осадка - создание зоны "дозревания", отличающимся тем, что эта зона "дозревания" вынесена из аэротенка и находится в первичных отстойниках. В первичные отстойники поступает сточная вода и часть суспензии циркулирующего активного ила. Взвешенные вещества сточной воды и активный ил оседают на дно отстойников и уплотняются до концентрации 30-40 г/л. Размещение зоны "дозревания" в первичных отстойниках обеспечивает ферментацию 100% осадка поступающих сточных вод. Осадок из первичного отстойника раз в двое суток также подают в верхний канал аэротенка. Недостатком данного способа являются подача суспензии циркулирующего активного ила в первичный отстойник и 100% ферментация осадка, что приводит к изъятию легкоокисляемых органических веществ, снижению эффективности очистки и повышенному выносу взвешенных веществ из первичных отстойников, и, соответственно, к дополнительным затратам на расходы воздуха и на электроэнергию. Подача осадка из первичного отстойника раз в двое суток в верхний канал аэротенка будет приводить к подавлению процессов нитрификации в аэротенке, что будет обуславливать снижение эффективности очистки по азоту аммонийных солей и фосфору фосфатов, дополнительному расходу воздуха.
2+
2+
Известен патент «Способ удаления фосфора из сточной жидкости», RU 2654969 от 2017.03.17. Способ включает механическую, биологическую, физико-химическую очистку с возвратом уплотненного активного ила, обедненного фосфором, из илоуплотнителя-дефосфатизатора в аэротенк. На стадии физико-химической очистки в иловые воды из илоуплотнителя-дефосфатизатора вводят комплекс реагентов, а именно: извести из соотношения Р:Са=(1-1,5) и едкого натра в количестве, обеспечивающем повышение рН до 10,5-11. Недостатками этого способа являются дополнительные затраты на стадии физико-химической очистки: расход большого количества комплекса реагентов, а именно: извести из соотношения Р:Са=(1-1,5) и едкого натра в количестве, обеспечивающем повышение рН до 10,5-11; образование большого количества химического осадка, затраты на его вывоз и размещение на специализированных полигонах.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является «Способ биологической очистки сточных вод илом», патент RU 2296110 от 2005.08.15. Способ включает механическую очистку сточных вод в первичном отстойнике, после которой сточные воды подают в биоактиватор с микрофлорой, в котором поддерживают наличие зон с разнородной по содержанию кислорода средой путем регулируемого ввода кислорода, и далее смесь сточных вод с активным илом поступает во вторичный отстойник для разделения на очищенную сточную воду и активный ил, который постоянно возвращают в начало биоактиватора. Сырой осадок после первичного отстойника рециркулируют на вход первичного отстойника для создания условий осуществления процесса гидролиза и гетероацетогенного процесса непосредственно в первичном отстойнике. Во вторичном отстойнике создают зоны с разнородной по содержанию кислорода средой путем регулирования скорости рециркуляции активного ила из вторичного отстойника на вход биоактиватора. Зоны с разнородной по содержанию кислорода средой в биоактиваторе распределены в горизонтальном направлении. Предпочтительно 1/3 полезного объема биоактиватора работает как аэробная, 1/3 полезного объема биоактиватора работает как переходная, 1/3 полезного объема биоактиватора работает как анаэробная. Недостатками прототипа являются:
- длительное время пребывания сырого осадка в первичном отстойнике до 20 суток повлечет за собой снижение эффективности отстаивания и приведет к выносу сырого осадка в биоактиватор.
- накопление большого объема осадков в первичном отстойнике за время отстаивания 20 дней и его вынос в биоактиватор, приведет к ухудшению процесса нитрификации и увеличению количества воздуха, что увеличивает расходы на электроэнергию.
- недостаточная эффективность очистки стоков, так как проводятся процессы нитрификации и денитрификации непосредственно и во вторичном отстойнике, что приведет к нарушению эффективности очистки по азоту аммония, фосфору и будет обуславливать вынос ила из вторичных отстойников.
- процессы ацидофикации не обеспечивают значительное сокращение осадков очистных сооружений и потребуются дополнительные затраты для размещения, утилизации осадка, т.к. в способе не обеспечивается сокращение количества образующегося осадка, который отводят из биореактора,
- увеличение скорости рециркуляции активного ила приведет к дополнительным затратам на оборудование и расходам электроэнергии.
Задачами, на решение которых направлено данное изобретение, является устранение вышеуказанных недостатков. Основными решаемыми задачами являются:
- увеличение эффективности очистки за счет дополнительного извлечения органических веществ и обеспечения процессов денитрификации и дефосфатизации за счет зон различной аэробности.
- повышение эффективности отстаивания, снижение выносов за счет улучшения показателей осаждения активного ила.
- снижение количества воздуха и снижение затрат на электроэнергию.
- сокращение объемов осадка и снижение затрат на его обработку за счет процессов сбраживания осадков и за счет обезвоживания.
Техническим результатом заявляемого способа и установки очистки сточных вод является одновременно с минимизацией объемов сырого осадка и сокращением объемов сырого осадка и избыточного активного ила, образующихся в процессе очистки сточных вод, обеспечение высокой степени очистки сточной воды по загрязняющим веществам с эффективностью удаления ионов аммония до 99,5%, азота общего до 80% и фосфора до 99%; повышение степени очистки сточных вод от взвешенных веществ, органических веществ, соединений азота и фосфора до предельно-допустимых концентраций (ПДК), установленных для рыбохозяйственных водоемов, повторное использование очищенной воды для хозяйственно-бытовых нужд, использование осадков очистных сооружений в качестве удобрений, снижение затрат на эксплуатацию очистных сооружений. Технический результат достигается за счет того, что предлагаемое изобретение с реализацией методов усреднения потоков сточных вод в первой камере установки и обеспечения режима преферментации осадков в ацидофикаторе, обеспечивает извлечение легкоокисляемой органики для процессов денитрификации и дефосфатизации, полное окисление ионов аммония и органических загрязнений после стадии удаления нитратов с помощью аэрации, отстаивание, последующую фильтрацию на фильтрах с загрузкой и проведение обеззараживания на установке. Способ глубокой биологической очистки, в котором обработка воды проводится с помощью активного ила, находящегося во взвешенном состоянии, или применяют способ очистки с прикрепленным илом; с проведением процессов денитрификации, дефосфатизации и нитрификации в одном сооружении без перегородок или в сооружении с перегородками, при поддержании оптимальных условий аэробности на каждой стадии процесса. Преимущества заявляемого технического решения по сравнению с известным заключаются в следующем:
1. Снижение количества образующихся осадков в процессе очистки сточных вод за счет извлечения легкоокисляемой органики, необходимой для удаления азота нитратов и фосфора фосфатов и сокращение объемов осадков за счет применения обезвоживающего оборудования.
2. Снижение расходов на реагенты, необходимых для обеспечения удаления азота и фосфора за счет:
- осуществления стадии денитрификации перед стадией нитрификации, что способствует продуцированию щелочности, обеспечивающей процессы нитрификации.
- обеспечение процессов денитрификации и дефосфатизации легкоокисляемой органикой за счет осадков и ила, образующихся в процессе очистки.
3. Снижение расходов на электроэнергию за счет снижения потребности в количестве кислорода, необходимого при обычных условиях в процессе очистки в сооружении.
4. Осуществление стадии денитрификации включает пребывание в бескислородной и анаэробной зоне в пределах 1-3 часов, в аэробной зоне стадии нитрификации в интервале 4-9 часов в зависимости от скорости потока сточной вод. Проведение процессов денитрификации, дефосфатизации и нитрификации в одном сооружении без перегородок обеспечивает сокращение материальных и эксплуатационных затрат.
5. Повышение эффективности очистки за счет:
- обеспечения условий для проведения процессов денитрификации и дефосфатизации.
- предотвращения образования корки и слеживаемости осадка в блоке преферментации осадка.
- применение в качестве устройств доочистки очищенной воды тонкослойного отстойника, или тканевых фильтров, или загрузочных материалов или их комбинации загрузок.
- применение хлорсодержащих препаратов продленного действия или УФО в устройстве обеззараживания очищенной воды.
6. Улучшение показателей осаждения активного ила за счет следующих блоков: блок преферментации осадков, усреднителя и первичного отстойника, аэротенка с анаэробно - аэробными зонами очистки, отстойника разделения активного ила и очищенной воды, приспособлений для рецикла и возврата активного ила, блоков доочистки и обеззараживания стоков.
7. Возможность применения осадков, образующихся при очистке, в качестве удобрений за счет обработки их негашеной известью.
8. Возможность использования очищенной воды для хозбытовых и технических нужд за счет высокой степени очистки и полной биологической дезинфекции стоков.
Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил технических решений с подобной совокупностью существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» заявляемого изобретения
Способ реализуется в установках (фиг.1, фиг 2). Установки для усреднения и анаэробно - аэробной очистки хозбытовых сточных вод, доочистки и обеззараживания очищенной воды до норм сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения, в процессе очистки, на которой уменьшается количество образующихся осадков, улучшаются показатели осаждения активного ила. Установки включают следующие блоки: усреднитель, первичный отстойник 1 (блок преферментации осадков), аэротенк с анаэробно - аэробными зонами очистки, отстойник разделения активного ила и очищенной воды, приспособления для рецикла и возврата активного ила, доочистки и обеззараживания стоков.
В первой камере происходит первичное отстаивание стоков с одновременным усреднением потока сточных вод посредством усреднителя 7. В первичный отстойник 1 (ацидофикатор) подается избыточная биомасса из блока биологической очистки, в нижней части которого происходит анаэробная стабилизация образующихся осадков. Обеспечивается периодическая подача воздуха и взрыхление осадка с целью предотвращения образования плотной корки на поверхности в ацидофикаторе. Ацидофикация применяется для гидролиза и ферментации осадка с целью уменьшения осадка переводом этой массы в растворимый субстрат. Чем больше время гидравлического удерживания, тем выше выход ХПК (оптимально 3 дня). При этом сток обеспечивается легкоокисляемой органикой (ЛЖК - летучие жирные кислоты), полученной в результате ацидофикации. Постоянное поступление новых порций сырых осадков обеспечивает равномерное поступление легкоокисляемой органики в зону 2 денитрификации. Введение легкоокисляемой органики в виде ЛЖК позволяет обеспечить:
- увеличение питания активного ила;
- отсутствие загнивания ила и сырого осадка;
- снизить токсическое действие загрязнителей за счет анаэробного разложения их в процессе брожения;
- увеличить эффективность удаления азотных загрязнений и фосфора.
Сток, обогащенный легкоокисляемой органикой, самотеком поступает в блок биологической очистки в зону 2 денитрификации. Стадия денитрификации путем восстановления нитратного азота из жидкости с взвешенным илом до газообразного азота включает пребывание в бескислородной и анаэробной зоне в пределах 1-3 часов в зависимости от скорости потока сточной воды. Стадия денитрификации осуществляется перед стадией нитрификации, что обеспечивает продуцирование щелочности, обеспечивающей процессы нитрификации, таким образом, снижаются расходы на реагенты, необходимые для обеспечения удаления азота и фосфора: расходы на подщелачивание стоков, легкоокисляемую органику, необходимую для удаления азота нитратов и фосфора. Далее очистка стока происходит в аэрируемой зоне 3 нитрификации.
Для обеспечения процесса жизнедеятельности микроорганизмов в зону 3 нитрификации постоянно подается воздух от компрессора, устройство для генерации пузырьков воздуха выполнено с применением мембран. Стадия нитрификации обеспечивается при времени гидравлического пребывания в интервале 4-9 часов. Использование прикрепленной биомассы на данной стадии позволяет повысить эффективность работы установки, а с другой стороны - сделать установку маловосприимчивой к возможным перерывам в поступлении сточных вод, залповых поступлений воды. Для обеспечения стабильной очистки и для полного удаления азота в виде нитратов предусмотрена перекачка возвратного ила из вторичного отстойника 4 в зону 2 денитрификации. Обеспечение режима ферментации осадка и поддержание оптимальных условий аэробности на каждой стадии позволяет вести очистку стоков с сокращением количества осадков, уменьшением запаха при очистке и минимальными затратами на электроэнергию. На основании полученных данных в результате реализации данной технологии при внедрении данной схемы биологической очистки обеспечивается эффективность удаления ионов аммония 99,5%, азота общего до 80% и фосфора до 99%. В процессе сбраживания осадка, его преферментации сокращается количество осадков. Очищенные сточные воды поступают на стадию 5 доочистки с применением тонкослойного отстойника, или тканевых фильтров, или загрузочных материалов или их комбинации; в зоне 6 установки стоки подвергаются обеззараживанию при помощи хлорсодержащих препаратов продленного действия или УФО. После обработки вода может применяться для полива сада или других технологических нужд. Реализуемый способ очистки на установке гарантирует очистку сточной воды до норм сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения и проведение обеззараживания очищенной воды. При этом обеспечивается отсутствие запаха и не требуется дополнительная вентиляция в месте размещения установки.
В установке самотечное отведение очищенной воды, при необходимости принудительного отведения очищенной воды установка может комплектоваться насосом. Избыточный ил накапливается в отсеке 8 для осадка и после обезвоживания с применением мешочного обезвоживателя 9, для агротехнического применения образующихся осадков очистных сооружений в качестве удобрений, их обрабатывают, дополнительно смешивая с 30% негашеной извести. Условия размещения установок - подземное или наземное.
Особенности работы установки:
- все процессы протекают за счет использования минимального количества воздуха (поддержание оптимальных условий аэробности на каждой стадии).
- система эрлифтов обеспечивает необходимую рециркуляцию стока и эффективное протекание процессов нитри-денитрификации.
- применение инертной пластмассовой насадки с прикрепленным биоценозом обеспечивает максимальную эффективность очистки и малые габаритные размеры установки.
- для сглаживания неравномерности поступления стоков в конструкции установки предусмотрен необходимый объем усреднения.
- установка обеспечивает постоянный расход отводимой очищенной воды и как следствие, равномерное растворение таблетированного хлорреагента и надежное обеззараживание воды.
Технический результат, достигаемый установкой и способом, применимым в установках, состоит в достижении максимально высокой эффективности удаления загрязняющих веществ в бытовых сточных водах, надежной очистке сточных вод, сокращении осадков, образующихся при очистке, экологической безопасности человека и окружающей среды.
Документы, цитированные в отчете о поиске:
1. Патент RU 2424199 от 2009.12.28. Автор Келль Лев Сергеевич (RU). Способ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД АКТИВНЫМ ИЛОМ.
2. RU 2439001 от 2010.08.03 Авторы: Скворцов Лев Серафимович (RU), Грачева Раиса Семеновна (RU), Шматова Валентина Васильевна (RU), Коныгин Александр Александрович (RU). СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД.
3. RU 2633896 от 2015.09.08. Автор Келль Лев Сергеевич (RU). СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД АКТИВНЫМ ИЛОМ
4. RU 2654969 от 2017.03.17. СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ФОСФОРА ИЗ СТОЧНОЙ ЖИДКОСТИ. Авторы: Амбросова Галина Тарасовна (RU), Матюшенко Евгений Николаевич (RU), Белозерова Елизавета Сергеевна (RU), Гейсаддинов Табриз Ильяз оглы (RU), Нагорная Татьяна Вячеславовна (RU), Функ Анна Александровна (RU)
5. RU 2296110 от 2005.08.15. Авторы: Халемский Арон Михайлович (RU) Швец Эдуард Моисеевич (RU) СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ИЛОМ